ANALYSIS OF β8 INTEGRIN IN NEUROGENESIS AND NEUROVASCULAR HOMEOSTASIS

Neurogenesis in the adult mouse brain occurs within the subventricular zone (SVZ) of the lateral ventricle. In the SVZ, neural stem cells (NSC) reside in a specialized microenvironment, or vascular niche, consisting of blood vessels and their basement membranes. Most NSCs in the SVZ differentiate into progenitor cells, which further differentiate to generate neuroblasts, which then migrate from the SVZ to the olfactory bulbs (OB) along the rostral migratory stream (RMS). ECM-mediated adhesion and signaling within the vascular niche likely contribute to proper NSC self-renewal, survival, differentiation and neuroblast motility. The mechanisms that control these events are poorly understood. Previous studies from our group and others have shown that loss of the ECM receptor, αvβ8 integrin, in NSCs in the embryonic mouse brain leads to severe developmental vascular defects and premature death. Here, the functions of αvβ8 integrin in the adult brain have been examined using mice that have been genetically manipulated to lack a functional β8 integrin gene. This study reveals that loss of β8 integrin leads to widespread defects in homeostasis of the neurovascular unit, including increased intracerebral blood vessels with enhanced perivascular astrogliosis. Additionally, β8 integrin dependent defects in NSC proliferation, survival, and differentiation, as well as neuroblast migration in the RMS were observed both in vivo and in vitro. The defects correlated, in part, with diminished integrin-mediated activation of TGFβ, an ECM ligand of β8 integrin. Collectively, these data identify important adhesion and signaling functions for β8 integrin in the regulation of neural stem and progenitor cells in the SVZ as well as in neuroblast migration along the RMS in the adult brain.

The Role of EphA4 in Glial Scar Formation Following Injury

Although many areas of the brain lose their regenerative capacity with age, stem cell niches have been identified in both the subventricular zone (SVZ) along the lateral walls of the lateral ventricles and the subgranular zone (SGZ) of the dentate gyrus (Gage, 2000; Alvarez-Buylla et al., 2001; Alvarez-Buylla and Lim, 2004). The SVZ niche utilizes many mechanisms to determine the migration patterns of neuroblasts along the RMS into the olfactory bulb, one being Eph/ephrin signaling (Conover et al., 2000; Holmberg et al., 2005). EphA4-mediated signaling is necessary for axon guidance during development, and its continued expression in the SVZ niche suggests a regulatory role throughout adulthood. Previous studies have suggested that EphA4 plays a role in the regulation of astrocytic gliosis and glial scar formation, which inhibits axonal regeneration in these areas following spinal cord injury (Goldshmit et al., 2004). Blood vessels may also play an important role in SVZ cell proliferation and neuroblast migration following injury (Tavazoie et al., 2008; Yamashita et al., 2006). The goal of this project is to examine glial scar formation as well as the relationship between SVZ vasculature, neuroblasts, and neural stem cells in EphA4 +/+, EphA4 +/-, and EphA4 -/- mice following a needle stick injury in the cortex or striatum. The outcome of these experiments will determine whether invasive procedures such as injections will affect neuroblast migration and/or the organization of the SVZ.

Network of tangential pathways for neuronal migration in adult mammalian brain

Cells in the brains of adult mammals continue to proliferate in the subventricular zone (SVZ) throughout the lateral wall of the lateral ventricle. Here we show, using whole mount dissections of this wall from adult mice, that the SVZ is organized as an extensive network of chains of neuronal precursors. These chains are immunopositive to the polysialylated form of NCAM, a molecule present at sites of plasticity, and TuJ1, an early neuronal marker. The majority of the chains are oriented along the rostrocaudal axis and many join the rostral migratory stream that terminates in the olfactory bulb. Using focal microinjections of DiI and transplantation of SVZ cells carrying a neuron-specific reporter gene, we demonstrate that cells originating at different rostrocaudal levels of the SVZ migrate rostrally and reach the olfactory bulb where they differentiate into neurons. Our results reveal an extensive network of pathways for the tangential chain migration of neuronal precursors throughout the lateral wall of the lateral ventricle in the adult mammalian brain.

Importance of newly generated neurons in the adult olfactory bulb for odor discrimination

In adult rodents, neurons are continually generated in the subventricular zone of the forebrain, from where they migrate tangentially toward the olfactory bulb, the only known target for these neuronal precursors. Within the main olfactory bulb, they ascend radially into the granule and periglomerular cell layers, where they differentiate mainly into local interneurons. The functional consequences of this permanent generation and integration of new neurons into existing circuits are unknown. To address this question, we used neural cell adhesion molecule-deficient mice that have documented deficits in the migration of olfactory-bulb neuron precursors, leading to about 40% size reduction of this structure. Our anatomical study reveals that this reduction is restricted to the granule cell layer, a structure that contains exclusively γ-aminobutyric acid (GABA)ergic interneurons. Furthermore, mutant mice were subjected to experiments designed to examine the behavioral consequences of such anatomical alteration. We found that the specific reduction in the newly generated interneuron population resulted in an impairment of discrimination between odors. In contrast, both the detection thresholds for odors and short-term olfactory memory were unaltered, demonstrating that a critical number of bulbar granule cells is crucial only for odor discrimination but not for general olfactory functions.

Region-specific differentiation of neural tube-derived neuronal restricted progenitor cells after heterotopic transplantation

Spinal cord neuronal restricted progenitor (NRP) cells, when transplanted into the neonatal anterior forebrain subventricular zone, migrate to distinct regions throughout the forebrain including the olfactory bulb, frontal cortex, and occipital cortex but not to the hippocampus. Their migration pattern and differentiation potential is distinct from anterior forebrain subventricular zone NRPs. Irrespective of their final destination, NRP cells do not differentiate into glia. Rather they synthesize neurotransmitters, acquire region-specific phenotypes, and receive synapses from host neurons after transplantation. Spinal cord NRPs express choline acetyl transferase even in regions where host neurons do not express this marker. The restricted distribution of transplanted spinal cord NRP cells and their acquisition of varied region-specific phenotypes suggest that their ultimate fate and phenotype is dictated by a combination of intrinsic properties and extrinsic cues from the host.

Adenovirus-mediated gene delivery into neuronal precursors of the adult mouse brain.

Precursor cells found in the subventricular zone (SVZ) of the adult brain can undergo cell division and migrate long distances before differentiating into mature neurons. We have investigated the possibility of introducing genes stably into this population of cells. Replication-defective adenoviruses were injected into the SVZ of the lateral ventricle of adult mice. The adenoviruses carried a cDNA for the LacZ reporter or the human p75 neurotrophin receptor, for which species-specific antibodies are available. Injection of the viruses into the SVZ led to efficient labeling of neuronal precursors. Two months after viral injection, infected cells were detected in the olfactory bulb, a significant distance from the site of injection. Labeled periglomerular and granular neurons with extensive dendritic arborization were found in the olfactory bulb. These results demonstrate that foreign genes can be efficiently introduced into neuronal precursor cells. Furthermore, adenovirus-directed infection can lead to long-term stable gene expression in progenitor cells found in the adult central nervous system.

The adult mouse hippocampal progenitor is neurogenic but not a stem cell

The aim of this investigation was to characterize the proliferative precursor cells in the adult mouse hippocampal region. Given that a very large number of new hippocampal cells are generated over the lifetime of an animal, it is predicted that a neural stem cell is ultimately responsible for maintaining this genesis. Although it is generally accepted that a proliferative precursor resides within the hippocampus, contradictory reports exist regarding the classification of this cell. Is it a true stem cell or a more limited progenitor? Using a strict functional definition of a neural stem cell and a number of in vitro assays, we report that the resident hippocampal precursor is a progenitor capable of proliferation and multipotential differentiation but is unable to self-renew and thus proliferate indefinitely. Furthermore, the mitogen FGF-2 stimulates proliferation of these cells to a greater extent than epidermal growth factor ( EGF). In addition, we found that BDNF was essential for the production of neurons from the hippocampal progenitor cells, being required during proliferation to trigger neuronal fate. In contrast, a bona fide neural stem cell was identified in the lateral wall of the lateral ventricle surrounding the hippocampus. Interestingly, EGF proved to be the stronger mitogenic factor for this cell, which was clearly a different precursor from the resident hippocampal progenitor. These results suggest that the stem cell ultimately responsible for adult hippocampal neurogenesis resides outside the hippocampus, producing progenitor cells that migrate into the neurogenic zones and proliferate to produce new neurons and glia.

The transcriptional coactivator Querkopf controls adult neurogenesis

The adult mammalian brain maintains populations of neural stem cells within discrete proliferative zones. Understanding of the molecular mechanisms regulating adult neural stem cell function is limited. Here, we show that MYST family histone acetyltransferase Querkopf (Qkf, Myst4, Morf)-deficient mice have cumulative defects in adult neurogenesis in vivo, resulting in declining numbers of olfactory bulb interneurons, a population of neurons produced in large numbers during adulthood. Qkf-deficient mice have fewer neural stem cells and fewer migrating neuroblasts in the rostral migratory stream. Qkf gene expression is strong in the neurogenic subventricular zone. A population enriched in multipotent cells can be isolated from this region on the basis of Qkf gene expression. Neural stem cells/progenitor cells isolated from Qkf mutant mice exhibited a reduced self-renewal capacity and a reduced ability to produce differentiated neurons. Together, our data show that Qkf is essential for normal adult neurogenesis.

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Synthetic Polymer and Microbubble Systems for Gene Delivery to the Brain

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

NFL-lipid nanocapsules for brain neural stem cell targeting in vitro and in vivo

International audience

Mechanisms underlying activation of neural stem cells in the adult central nervous system

À la fin du 19e siècle, Dr. Ramón y Cajal, un pionnier scientifique, a découvert les éléments cellulaires individuels, appelés neurones, composant le système nerveux. Il a également remarqué la complexité de ce système et a mentionné l’impossibilité de ces nouveaux neurones à être intégrés dans le système nerveux adulte. Une de ses citations reconnues : “Dans les centres adultes, les chemins nerveux sont fixes, terminés, immuables. Tout doit mourir, rien ne peut être régénérer” est représentative du dogme de l’époque (Ramón y Cajal 1928). D’importantes études effectuées dans les années 1960-1970 suggèrent un point de vue différent. Il a été démontré que les nouveaux neurones peuvent être générés à l’âge adulte, mais cette découverte a créé un scepticisme omniprésent au sein de la communauté scientifique. Il a fallu 30 ans pour que le concept de neurogenèse adulte soit largement accepté. Cette découverte, en plus de nombreuses avancées techniques, a ouvert la porte à de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles pour les maladies neurodégénératives. Les cellules souches neurales (CSNs) adultes résident principalement dans deux niches du cerveau : la zone sous-ventriculaire des ventricules latéraux et le gyrus dentelé de l’hippocampe. En condition physiologique, le niveau de neurogenèse est relativement élevé dans la zone sous-ventriculaire contrairement à l’hippocampe où certaines étapes sont limitantes. En revanche, la moelle épinière est plutôt définie comme un environnement en quiescence. Une des principales questions qui a été soulevée suite à ces découvertes est : comment peut-on activer les CSNs adultes afin d’augmenter les niveaux de neurogenèse ? Dans l’hippocampe, la capacité de l’environnement enrichi (incluant la stimulation cognitive, l’exercice et les interactions sociales) à promouvoir la neurogenèse hippocampale a déjà été démontrée. La plasticité de cette région est importante, car elle peut jouer un rôle clé dans la récupération de déficits au niveau de la mémoire et l’apprentissage. Dans la moelle épinière, des études effectuées in vitro ont démontré que les cellules épendymaires situées autour du canal central ont des capacités d’auto-renouvellement et de multipotence (neurones, astrocytes, oligodendrocytes). Il est intéressant de noter qu’in vivo, suite à une lésion de la moelle épinière, les cellules épendymaires sont activées, peuvent s’auto-renouveller, mais peuvent seulement ii donner naissance à des cellules de type gliale (astrocytes et oligodendrocytes). Cette nouvelle fonction post-lésion démontre que la plasticité est encore possible dans un environnement en quiescence et peut être exploité afin de développer des stratégies de réparation endogènes dans la moelle épinière. Les CSNs adultes jouent un rôle important dans le maintien des fonctions physiologiques du cerveau sain et dans la réparation neuronale suite à une lésion. Cependant, il y a peu de données sur les mécanismes qui permettent l'activation des CSNs en quiescence permettant de maintenir ces fonctions. L'objectif général est d'élucider les mécanismes sous-jacents à l'activation des CSNs dans le système nerveux central adulte. Pour répondre à cet objectif, nous avons mis en place deux approches complémentaires chez les souris adultes : 1) L'activation des CSNs hippocampales par l'environnement enrichi (EE) et 2) l'activation des CSNs de la moelle épinière par la neuroinflammation suite à une lésion. De plus, 3) afin d’obtenir plus d’information sur les mécanismes moléculaires de ces modèles, nous utiliserons des approches transcriptomiques afin d’ouvrir de nouvelles perspectives. Le premier projet consiste à établir de nouveaux mécanismes cellulaires et moléculaires à travers lesquels l’environnement enrichi module la plasticité du cerveau adulte. Nous avons tout d’abord évalué la contribution de chacune des composantes de l’environnement enrichi à la neurogenèse hippocampale (Chapitre II). L’exercice volontaire promeut la neurogenèse, tandis que le contexte social augmente l’activation neuronale. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de ces composantes sur les performances comportementales et sur le transcriptome à l’aide d’un labyrinthe radial à huit bras afin d’évaluer la mémoire spatiale et un test de reconnaissante d’objets nouveaux ainsi qu’un RNA-Seq, respectivement (Chapitre III). Les coureurs ont démontré une mémoire spatiale de rappel à court-terme plus forte, tandis que les souris exposées aux interactions sociales ont eu une plus grande flexibilité cognitive à abandonner leurs anciens souvenirs. Étonnamment, l’analyse du RNA-Seq a permis d’identifier des différences claires dans l’expression des transcripts entre les coureurs de courte et longue distance, en plus des souris sociales (dans l’environnement complexe). iii Le second projet consiste à découvrir comment les cellules épendymaires acquièrent les propriétés des CSNs in vitro ou la multipotence suite aux lésions in vivo (Chapitre IV). Une analyse du RNA-Seq a révélé que le transforming growth factor-β1 (TGF-β1) agit comme un régulateur, en amont des changements significatifs suite à une lésion de la moelle épinière. Nous avons alors confirmé la présence de cette cytokine suite à la lésion et caractérisé son rôle sur la prolifération, différentiation, et survie des cellules initiatrices de neurosphères de la moelle épinière. Nos résultats suggèrent que TGF-β1 régule l’acquisition et l’expression des propriétés de cellules souches sur les cellules épendymaires provenant de la moelle épinière.

Characterization of the behavioural phenotype of calpain-knockout mice

Dissertação de Mestrado, Ciências Biomédicas, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, Universidade do Algarve, 2016

Determination of particle concentration in the breathing zone for four different types of office ventilation systems

Many factors affect the airflow patterns, thermal comfort, contaminant removal efficiency and indoor air quality at individual workstations in office buildings. In this study, four ventilation systems were used in a test chamber designed to represent an area of a typical office building floor and reproduce the real characteristics of a modern office space. Measurements of particle concentration and thermal parameters (temperature and velocity) were carried out for each of the following types of ventilation systems: a) conventional air distribution system with ceiling supply and return; b) conventional air distribution system with ceiling supply and return near the floor; c) underfloor air distribution system; and d) split system. The measurements aimed to analyse the particle removal efficiency in the breathing zone and the impact of particle concentration on an individual at the workstation. The efficiency of the ventilation system was analysed by measuring particle size and concentration, ventilation effectiveness and the Indoor/Outdoor ratio. Each ventilation system showed different airflow patterns and the efficiency of each ventilation system in the removal of the particles in the breathing zone showed no correlation with particle size and the various methods of analyses used.