Maintenance of chromosomal stability of murine neural stem cells during development and after acute or chronic genotoxic stress

Une exposition prénatale aux radiations ionisantes est associée au développement de pathologies neurodéveloppementales liées à l’induction de dommages à l’ADN dans les cellules souches et progéniteurs neuraux (CSPN). Ainsi, la stabilité génétique des CSPN est cruciale pour le développement et l’homéostasie du cerveau. Cependant, des altérations génomiques au niveau des CSPN au cours du développement pourraient promouvoir la diversité neuronale. XLF est un composant de la voie de réparation d’ADN par NHEJ (pour Non-Homologous End-Joining). Nous avons montré une augmentation de l’instabilité des CSPN dans le cerveau embryonnaire des souris Xlf-/- qui pourrait perturber la neurogenèse au cours du développement, et ainsi être responsable d’altérations comportementales identifiées chez ces souris à l’âge adulte. A l’aide d’approches cytogénétiques, nous avons comparés la stabilité chromosomique des CSPN et des fibroblastes embryonnaires murins (MEF) exposés à un stress génotoxique aigue (irradiation γ) ou chronique (incorporation de thymidine tritiée dans l’ADN). Nos résultats démontrent que les CSPN maintiennent leur intégrité génétique de façon plus efficace que les MEF. En effet, les CSPN semblent avoir de meilleures capacités de réparation des dommages à l’ADN que les MEF, ce qui leur permet de développer une réponse adaptative à un stress génotoxique chronique. Cette réponse adaptative implique XLF et agit conjointement avec les points de contrôle du cycle cellulaire et l'apoptose pour préserver la stabilité du génome et éliminer les cellules endommagées. L’ensemble de nos résultats apporte la démonstration d’une réponse robuste aux dommages de l'ADN dans les CSPN et souligne l'importance de XLF lors du développement du cerveau.Prenatal exposure to ionizing radiation has been associated with many neurodevelopmental disorders due to the DNA damage induced in neural stem and progenitors cells (NSPC). Thus, genetic stability of NSPC is crucial for brain development and homeostasis. Nevertheless, genomic alterations occurring during development in NSPC may have a potential impact on the physiological neuronal diversity. XLF is a component of the NHEJ (Non-Homologous End-Joining) repair pathway. Here, we show that NSPC from Xlf-/- embryos exhibit increased chromosome instability, leading to premature neurogenesis and consequently neurobehavioral disorders. Using cytogenetic approaches, we compared the chromosome stability of mouse embryonic NSPC and fibroblasts (MEF) exposed to acute (γ-irradiation) or chronic (incorporation of tritiated thymidine into DNA) genotoxic stress. Our results demonstrate the higher capacity of NSPC as compared to MEF to maintain their genomic integrity. We evidenced that NSPC have more efficient DNA repair activity than MEF, allowing them to develop an adaptive response to chronic genotoxic stress. This adaptive response involves XLF and acts together with apoptosis and cell cycle checkpoints to preserve the stability of the genome and to eliminate damaged cells. Altogether, our results provide new insights into the robust DNA damage response in NSPC and highlight the importance of Xlf during brain development

Maintenance de la stabilité chromosomique des cellules souches neurales murines au cours du développement et après un stress génotoxique aiguë ou chronique

Prenatal exposure to ionizing radiation has been associated with many neurodevelopmental disorders due to the DNA damage induced in neural stem and progenitors cells (NSPC). Thus, genetic stability of NSPC is crucial for brain development and homeostasis. Nevertheless, genomic alterations occurring during development in NSPC may have a potential impact on the physiological neuronal diversity. XLF is a component of the NHEJ (Non-Homologous End-Joining) repair pathway. Here, we show that NSPC from Xlf-/- embryos exhibit increased chromosome instability, leading to premature neurogenesis and consequently neurobehavioral disorders. Using cytogenetic approaches, we compared the chromosome stability of mouse embryonic NSPC and fibroblasts (MEF) exposed to acute (γ-irradiation) or chronic (incorporation of tritiated thymidine into DNA) genotoxic stress. Our results demonstrate the higher capacity of NSPC as compared to MEF to maintain their genomic integrity. We evidenced that NSPC have more efficient DNA repair activity than MEF, allowing them to develop an adaptive response to chronic genotoxic stress. This adaptive response involves XLF and acts together with apoptosis and cell cycle checkpoints to preserve the stability of the genome and to eliminate damaged cells. Altogether, our results provide new insights into the robust DNA damage response in NSPC and highlight the importance of Xlf during brain development.Une exposition prénatale aux radiations ionisantes est associée au développement de pathologies neurodéveloppementales liées à l’induction de dommages à l’ADN dans les cellules souches et progéniteurs neuraux (CSPN). Ainsi, la stabilité génétique des CSPN est cruciale pour le développement et l’homéostasie du cerveau. Cependant, des altérations génomiques au niveau des CSPN au cours du développement pourraient promouvoir la diversité neuronale. XLF est un composant de la voie de réparation d’ADN par NHEJ (pour Non-Homologous End-Joining). Nous avons montré une augmentation de l’instabilité des CSPN dans le cerveau embryonnaire des souris Xlf-/- qui pourrait perturber la neurogenèse au cours du développement, et ainsi être responsable d’altérations comportementales identifiées chez ces souris à l’âge adulte. A l’aide d’approches cytogénétiques, nous avons comparés la stabilité chromosomique des CSPN et des fibroblastes embryonnaires murins (MEF) exposés à un stress génotoxique aigue (irradiation γ) ou chronique (incorporation de thymidine tritiée dans l’ADN). Nos résultats démontrent que les CSPN maintiennent leur intégrité génétique de façon plus efficace que les MEF. En effet, les CSPN semblent avoir de meilleures capacités de réparation des dommages à l’ADN que les MEF, ce qui leur permet de développer une réponse adaptative à un stress génotoxique chronique. Cette réponse adaptative implique XLF et agit conjointement avec les points de contrôle du cycle cellulaire et l'apoptose pour préserver la stabilité du génome et éliminer les cellules endommagées. L’ensemble de nos résultats apporte la démonstration d’une réponse robuste aux dommages de l'ADN dans les CSPN et souligne l'importance de XLF lors du développement du cerveau

Higher chromosome stability in embryonic neural stem and progenitor cells than in fibroblasts in response to acute or chronic genotoxic stress

International audienceHigh fidelity of genetic transmission in neural stem and progenitor cells (NSPCs) has been long time considered to be crucial for brain development and homeostasis. However, recent studies have identified recurrent DSB clusters in dividing NSPCs, which may underlie the diversity of neuronal cell types. This raised the interest in understanding how NSPCs sense and repair DSBs and how this mechanism could be altered by environmental genotoxic stress caused by pollutants or ionizing radiation. Here, we show that embryonic mouse neural stem and progenitor cells (NSPCs) have significantly higher capacity than mouse embryonic fibroblasts (MEFs) to maintain their chromosome stability in response to acute (γ-radiation) and chronic (tritiated thymidine -3H-T- incorporation into DNA) genotoxic stress. Cells deficient for XLF/Cernunnos, which is involved in non-homologous end joining DNA (NHEJ) repair, highlighted important variations in fidelity of DNA repair pathways between the two cell types. Strikingly, a progressive and generalized chromosome instability was observed in MEFs cultured with 3H-T at long-term, whereas NSPCs cultured in the same conditions, preserved their chromosome stability thanks to higher DNA repair activity further enhanced by an adaptive response and also to the elimination of damaged cells by apoptosis. This specific DNA damage response of NSPCs may rely on the necessity for preservation of their genome stability together with their possible function in creating neuronal genetic diversity

XLF/Cernunnos loss impairs mouse brain development by altering symmetric proliferative divisions of neural progenitors

Summary: XLF/Cernunnos is a component of the ligation complex used in classical non-homologous end-joining (cNHEJ), a major DNA double-strand break (DSB) repair pathway. We report neurodevelopmental delays and significant behavioral alterations associated with microcephaly in Xlf−/− mice. This phenotype, reminiscent of clinical and neuropathologic features in humans deficient in cNHEJ, is associated with a low level of apoptosis of neural cells and premature neurogenesis, which consists of an early shift of neural progenitors from proliferative to neurogenic divisions during brain development. We show that premature neurogenesis is related to an increase in chromatid breaks affecting mitotic spindle orientation, highlighting a direct link between asymmetric chromosome segregation and asymmetric neurogenic divisions. This study reveals thus that XLF is required for maintaining symmetric proliferative divisions of neural progenitors during brain development and shows that premature neurogenesis may play a major role in neurodevelopmental pathologies caused by NHEJ deficiency and/or genotoxic stress