Efficient neuronal reprogramming into corticofugal projection neurons at embryonic and postnatal stages in the mouse

Le néocortex des mammifères est tangentiellement organisé en aires fonctionnelles et radialement divisé en six couches de neurones qui présentent chacune des projections, des morphologies et des patterns d’expression distinctes. Alors que les neurones de projection des couches supérieures projettent leurs axones dans d’autres couches du cortex ou vers l’hémisphère controlatéral, tel que les neurones calloseux, la plupart des neurones des couches inférieures, nommés neurones corticofuges, innervent des structures sous-corticales à travers la voie pyramidale. La perte de neurones corticofuges peut conduire à des désordres neurologiques sévères, tel que la sclérose latérale amyotrophique ou d’autres maladies et/ou lésions impliquées dans le tractus cortico-spinal. Étant donné que le cerveau adulte des mammifères ne dispose pas d’une capacité de régénération efficace et que, par conséquent, la perte de neurones devient permanente, des nouvelles méthodes de remplacement de neurones sont indispensables. Des études récentes ont révélé une plasticité surprenante des neurones post-mitotiques, qui peuvent être convertis en types cellulaires d’une lignée neuronale différente. Cette approche, appelée reprogrammation directe, contourne un état de pluripotence intermédiaire, est assez rapide et susceptible de conserver une signature épigénétique. L’expression forcée de facteurs de transcriptions, connu pour agir comme principaux régulateurs du destin cellulaire pendant le développement, est la meilleure stratégie pour convertir un type cellulaire en un autre. Cependant, il est encore difficile de comprendre dans quelle mesure des neurones, généré par reprogrammation directe, acquièrent les caractéristiques moléculaires du type cellulaire souhaité, jusqu’au stade de la spécification précise du sous-type. Le facteur de transcription FEZF2 est connu pour son rôle dans la spécification des neurones de projections sous-corticales de la couche 5, et une surexpression ectopique de Fezf2 peut convertir les couches supérieures ou les neurones striataux en neurones corticofuges de projection, même si cela est à faible efficacité.Durant ma thèse, j’ai utilisé Fezf2 et le co-adaptateur nucléaire Lmo4 pour reprogrammer efficacement les neurones calloseux de la couche supérieure en neurones corticofuges de la couche inférieure, à la fois, au stade embryonnaire et postnatale. Les cellules reprogrammées avec succès régulent négativement les marqueurs de la couche supérieure, alors que les marqueurs de la couche inférieure sont surexprimés considérablement. De plus, en utilisant des méthodes de traçage avancées, les cellules reprogrammées ont la capacité de projeter vers des cibles sous-corticales, tels que le thalamus, le peduncule cérébrale et la moelle épinière. Ces données démontrent un rôle synergique inattendu de Lmo4 avec Fezf2 dans la reprogrammation neuronale et révèlent un cocktail efficace pour la conversion de cellules neuronales en sous-types de neurones corticofuges de projection.The mammalian neocortex is tangentially organized into functional areas and radially subdivided into six layers of neuronal populations with distinct projections, morphology and expression patterns. While neurons in the upper layers project within the neocortex or towards the contralateral hemisphere, such as callosal projection neurons, most lower layer neurons, named corticofugal projection neurons, innervate subcerebral targets via the corticospinal tract. Injuries or loss of these neurons can lead to severe neurological disorders, such as Amyotrophic Lateral Sclerosis or other diseases and/or lesions implicating the corticospinal tract. Since the adult mammalian brain lacks a significant regenerative capacity and thus, damage or loss of neurons is permanent, methods for restoring neurons are urgently needed. Recent studies revealed an unexpected plasticity of post-mitotic neurons, which can be converted into cell-types of other neuronal lineages. This approach, called direct neuronal reprogramming, bypasses an intermediate pluripotent state. Direct reprogramming is fast, likely to keep epigenetic hallmarks and it can be conducted in vivo. Forced expression of transcription factors, known to act as master regulators of cell fate during development, is one of the best strategies for directly converting one cell-type into another one. However, it is still not clear to which extent neurons, generated by direct reprogramming, acquire authentic molecular signatures of the desired cell type, down to the point of precise subtype specification. The transcription factor FEZF2 is known for its role in cell fate specification of layer 5 subcerebral projection neurons and high ectopic Fezf2 expression can convert upper layer or striatal neurons into a corticofugal fate, even if at low efficiency. During my PhD thesis, I used Fezf2 and the nuclear co-adaptor Lmo4 to efficiently reprogram upper layer projection neurons into corticofugal lower layer projection neurons, at both, embryonic and postnatal stages. The successful reprogrammed cells downregulated upper layer markers, while lower layer markers were drastically increased. Additionally, by using advanced tracing methods, we showed that reprogrammed neurons projected towards subcerebral targets, including the thalamus, cerebral peduncle and spinal cord. These data demonstrate an unexpected synergistic role of Lmo4 with Fezf2 in neuronal reprogramming and reveals an effective cocktail for the conversion of neuronal cells into corticofugal neuronal subtypes

Reprogrammation efficace en neurones de projection corticofuges aux stades embryonnaires et postnatals chez la souris

The mammalian neocortex is tangentially organized into functional areas and radially subdivided into six layers of neuronal populations with distinct projections, morphology and expression patterns. While neurons in the upper layers project within the neocortex or towards the contralateral hemisphere, such as callosal projection neurons, most lower layer neurons, named corticofugal projection neurons, innervate subcerebral targets via the corticospinal tract. Injuries or loss of these neurons can lead to severe neurological disorders, such as Amyotrophic Lateral Sclerosis or other diseases and/or lesions implicating the corticospinal tract. Since the adult mammalian brain lacks a significant regenerative capacity and thus, damage or loss of neurons is permanent, methods for restoring neurons are urgently needed. Recent studies revealed an unexpected plasticity of post-mitotic neurons, which can be converted into cell-types of other neuronal lineages. This approach, called direct neuronal reprogramming, bypasses an intermediate pluripotent state. Direct reprogramming is fast, likely to keep epigenetic hallmarks and it can be conducted in vivo. Forced expression of transcription factors, known to act as master regulators of cell fate during development, is one of the best strategies for directly converting one cell-type into another one. However, it is still not clear to which extent neurons, generated by direct reprogramming, acquire authentic molecular signatures of the desired cell type, down to the point of precise subtype specification. The transcription factor FEZF2 is known for its role in cell fate specification of layer 5 subcerebral projection neurons and high ectopic Fezf2 expression can convert upper layer or striatal neurons into a corticofugal fate, even if at low efficiency. During my PhD thesis, I used Fezf2 and the nuclear co-adaptor Lmo4 to efficiently reprogram upper layer projection neurons into corticofugal lower layer projection neurons, at both, embryonic and postnatal stages. The successful reprogrammed cells downregulated upper layer markers, while lower layer markers were drastically increased. Additionally, by using advanced tracing methods, we showed that reprogrammed neurons projected towards subcerebral targets, including the thalamus, cerebral peduncle and spinal cord. These data demonstrate an unexpected synergistic role of Lmo4 with Fezf2 in neuronal reprogramming and reveals an effective cocktail for the conversion of neuronal cells into corticofugal neuronal subtypes.Le néocortex des mammifères est tangentiellement organisé en aires fonctionnelles et radialement divisé en six couches de neurones qui présentent chacune des projections, des morphologies et des patterns d’expression distinctes. Alors que les neurones de projection des couches supérieures projettent leurs axones dans d’autres couches du cortex ou vers l’hémisphère controlatéral, tel que les neurones calloseux, la plupart des neurones des couches inférieures, nommés neurones corticofuges, innervent des structures sous-corticales à travers la voie pyramidale. La perte de neurones corticofuges peut conduire à des désordres neurologiques sévères, tel que la sclérose latérale amyotrophique ou d’autres maladies et/ou lésions impliquées dans le tractus cortico-spinal. Étant donné que le cerveau adulte des mammifères ne dispose pas d’une capacité de régénération efficace et que, par conséquent, la perte de neurones devient permanente, des nouvelles méthodes de remplacement de neurones sont indispensables. Des études récentes ont révélé une plasticité surprenante des neurones post-mitotiques, qui peuvent être convertis en types cellulaires d’une lignée neuronale différente. Cette approche, appelée reprogrammation directe, contourne un état de pluripotence intermédiaire, est assez rapide et susceptible de conserver une signature épigénétique. L’expression forcée de facteurs de transcriptions, connu pour agir comme principaux régulateurs du destin cellulaire pendant le développement, est la meilleure stratégie pour convertir un type cellulaire en un autre. Cependant, il est encore difficile de comprendre dans quelle mesure des neurones, généré par reprogrammation directe, acquièrent les caractéristiques moléculaires du type cellulaire souhaité, jusqu’au stade de la spécification précise du sous-type. Le facteur de transcription FEZF2 est connu pour son rôle dans la spécification des neurones de projections sous-corticales de la couche 5, et une surexpression ectopique de Fezf2 peut convertir les couches supérieures ou les neurones striataux en neurones corticofuges de projection, même si cela est à faible efficacité.Durant ma thèse, j’ai utilisé Fezf2 et le co-adaptateur nucléaire Lmo4 pour reprogrammer efficacement les neurones calloseux de la couche supérieure en neurones corticofuges de la couche inférieure, à la fois, au stade embryonnaire et postnatale. Les cellules reprogrammées avec succès régulent négativement les marqueurs de la couche supérieure, alors que les marqueurs de la couche inférieure sont surexprimés considérablement. De plus, en utilisant des méthodes de traçage avancées, les cellules reprogrammées ont la capacité de projeter vers des cibles sous-corticales, tels que le thalamus, le peduncule cérébrale et la moelle épinière. Ces données démontrent un rôle synergique inattendu de Lmo4 avec Fezf2 dans la reprogrammation neuronale et révèlent un cocktail efficace pour la conversion de cellules neuronales en sous-types de neurones corticofuges de projection

Thiosulfate- and hydrogen-driven autotrophic denitrification by a microbial consortium enriched from groundwater of an oligotrophic limestone aquifer

Despite its potentially high relevance for nitrate removal in freshwater environments limited in organic carbon, chemolithoautotrophic denitrification has rarely been studied in oligotrophic groundwater. Using thiosulfate and H2 as electron donors, we established a chemolithoautotrophic enrichment culture from groundwater of a carbonate-rock aquifer to get more insight into the metabolic repertoire, substrate turnover, and transcriptional activity of subsurface denitrifying consortia. The enriched consortium was dominated by representatives of the genus Thiobacillus along with denitrifiers related to Sulfuritalea hydrogenivorans, Sulfuricella denitrificans, Dechloromonas sp. and Hydrogenophaga sp., representing the consortium's capacity to use multiple inorganic electron donors. Microcosm experiments coupled with Raman gas spectroscopy demonstrated complete denitrification driven by reduced sulfur compounds and hydrogen without formation of N2O. The initial nitrate/thiosulfate ratio had a strong effect on nosZ transcriptional activity and on N2 formation, suggesting similar patterns of the regulation of gene expression as in heterotrophic denitrifiers. Sequence analysis targeting nirS and nosZ transcripts identified Thiobacillus denitrificans-related organisms as the dominant active nirS-type denitrifiers in the consortium. An additional assessment of the nirS-type denitrifier community in the groundwaterclearly confirmed the potential for sulfur- and hydrogen-dependent chemolithoautotrophic denitrification as important metabolic feature widely spread among subsurface denitrifiers at the Hainich Critical Zone Exploratory