Investigating the Role of Sonic Hedgehog Signaling in Glast Positive Cells in the Adult Mouse Brain

La voie Sonic Hedgehog (Shh) est active dans le cerveau de rongeur adulte où elle participe au maintien des cellules souches neurales (CSNs), aux interactions entre neurones et astrocytes et à la réparation des tissus. Chez l’adulte, les astrocytes régulent l’apport énergétique et l’activité des neurones et seraient les principales cellules répondant au signal Shh. Cependant, l’implication de la voie Shh dans les fonctions astrocytaires est mal connue. Au cours de ma thèse, j’ai étudié le rôle de la voie Shh dans les astrocytes à l’aide de diverses approches génétiques, moléculaires, biochimiques et pharmacologiques. J’ai notamment utilisé la lignée de souris transgéniques Glast-CreERT2-YFP-Ptc-/- (YFP-Ptc-/-), un modèle de délétion conditionnelle du récepteur Patched (Ptc) dans les cellules Glast+, et les contrôles YFP-Ptc+/+. La recombinaison par tamoxifène des souris YFP-Ptc-/- à l’âge adulte a conduit à la délétion de Ptc et à l’expression du rapporteur YFP dans les cellules Glast+, à savoir les astrocytes, les CSNs et leur descendance. J’ai effectué la première analyse détaillée par smFISH (single molecule fluorescent in situ hybridization) des transcrits de la voie Shh dans les astrocytes de plusieurs régions cérébrales dont l’hypothalamus. De plus, j’ai identifié une sous-population d’oligodendrocytes (OLs) matures, exprimant CC1, Olig2 et Sox10, comme source potentielle de ligand Shh pour les astrocytes et les neurones Ptc+ du cerveau postnatal. J’ai démontré la présence de la protéine et des transcrits de Shh dans ces OLs avec l’anticorps monoclonal C9C5 ciblant spécifiquement Shh et par smFISH, respectivement.La caractérisation du phénotype métabolique des souris YFP-Ptc+/+ et YFP-Ptc-/- à différents âges a révélé l’implication de la voie Shh astrocytaire dans la régulation de l’homéostasie énergétique (HE). En effet, l’activation de la voie Shh dans les astrocytes Glast+ est associée à une sensibilité plus importante au glucose démontrée par des tests de tolérance au glucose et à l’insuline. Cet effet est maintenu au cours du temps et est associé à des niveaux sanguins d’insuline plus faibles. De plus, les souris YFP-Ptc-/- sont caractérisées par une absence de prise de poids. Elles présentent une réduction des tissus adipeux s’accompagnant d’une augmentation de l’oxydation des acides gras mesurée par cage métabolique. A l’inverse, la prise alimentaire, l’activité locomotrice et la température corporelle ne sont pas modifiées. Ainsi, l’activation de la signalisation Shh astrocytaire bloque les altérations métaboliques associées à l’âge ou induites par l’obésité. Au niveau cellulaire, la délétion de Ptc n’affecte pas l’entrée de glucose dans des cultures primaires d’astrocytes suggérant que les effets observés sont médiés par un autre mécanisme. Dans l’hypothalamus, une région clé pour le contrôle de l’HE, l’activation de la voie Shh astrocytaire a entraîné une augmentation de l’expression des gènes de la voie de l’insuline. L’ensemble de ces données suggère l’idée d’une nouvelle fonction de la voie Shh dans les astrocytes, importante pour la régulation hypothalamique de l’HE. L’analyse du phénotype des souris YFP-Ptc+/+ et YFP-Ptc-/- a également révélé un rôle clé de la voie Shh dans la balance entre quiescence et activation des CSNs au sein de la zone ventriculaire-sous ventriculaire des ventricules latéraux, une des principales niches neurogéniques chez l’adulte. L’activation de cette voie dans les CSNs induit, à long terme, une hausse du nombre de CSNs quiescentes tandis que les CSNs activées et leur descendance sont très diminuées, affectant la neurogénèse dans cette région. Dans l’ensemble, ce travail met en avant de nouvelles propriétés de la signalisation Shh qui vont permettre d’approfondir la compréhension des fonctions de la voie dans le cerveau adulte, et élargir le potentiel thérapeutique de ses modulateurs pharmacologiques aux maladies neurodégénératives, démyélinisantes et métaboliques.During embryogenesis, the Sonic Hedgehog (Shh) signaling pathway plays a key role in neural patterning. The pathway is still active in the adult rodent brain where it participates to the maintenance of neural stem cells (NSCs), to neuronal and glial circuitry and to tissue repair (Ruat et al, Top. Med. Chem., 2015). In the adult brain, the astrocytes, glial cells regulating trophic support and activity of neurons, are proposed as the main Shh-responsive cells (Garcia et al, J. Neurosci., 2018). However, the implication of Shh signaling in these astrocytic functions is still poorly characterized. Here, I investigated the role of Shh signaling in astrocytes using various genetic, molecular, biochemical and pharmacological approaches. I used the transgenic mouse line Glast-CreERT2-YFP-Ptc-/- (YFP-Ptc-/-), a model of conditional deletion of the Shh receptor Patched (Ptc) in Glast-expressing cells, and their control littermates, YFP-Ptc+/+ mice. Tamoxifen-mediated recombination in YFP-Ptc-/- mice during adulthood led to Ptc deletion and YFP reporter expression specifically in Glast+ cells, namely astrocytes, NSCs and their progeny. I provided the first detailed analysis of Shh pathway transcripts expression (Ptc, Gli1, Gli2, Gli3) in astrocytes using single-molecule fluorescent in situ hybridization (smFISH) combined to immunohistofluorescence in various brain regions, including the hypothalamus. Moreover, I identified a subpopulation of mature oligodendrocytes (OLs), expressing the OLs markers CC1, Olig2 and Sox10, as a potential source of Shh ligand for these astrocytes and for neurons expressing Ptc in the postnatal brain. I demonstrated the presence of Shh protein and transcripts in these cells using the specific Shh monoclonal antibody C9C5 and smFISH, respectively. The characterization of YFP-Ptc+/+ and YFP-Ptc-/- mice metabolic phenotype at different timepoints revealed the implication of astrocytic Shh pathway in the regulation of whole body energy insulin tolerance tests. This effect was maintained over time and associated to lower blood insulin levels. YFP-Ptc-/- mice also exhibited a strong lean phenotype related to the absence of body weight gain. They presented a reduction of white and brown adipose tissues accompanied by an increase of fatty acid oxidation evaluated in metabolic cage, while food intake, locomotor activity and body temperature were not altered. Thus, the activation of astrocytic Shh signaling counteracted age-associated but also diet-induced metabolic alterations. At the cellular level, Ptc deletion did not affect glucose uptake in primary astrocyte cultures suggesting that these effects are mediated by another mechanism. In the hypothalamus, a key region in the control of energy homeostasis, the activation of astrocytic Shh pathway led to an increase of insulin signaling genes expression. Altogether, these data argue for a novel important role of Shh signaling in astrocytes for hypothalamic regulation of energy metabolism. The phenotype analysis of YFP-Ptc+/+ and YFP-Ptc-/- mice also revealed a key role of Shh signaling in orchestrating the quiescence and activation of NSCs in the ventricular-subventricular zone of the lateral ventricles, one of the main adult neurogenic niche. Long term activation of Shh pathway in NSCs induced an increase of quiescent NSCs number while activated NSCs and their progeny were strongly depleted affecting neurogenesis in this region. Overall, this work highlights novel properties of Shh signaling that will allow deeper understanding of its functions in the adult brain, and widens the therapeutic potential of pharmacological modulators of this pathway to neurodegenerative, demyelinating and metabolic disorders

Rôle de la voie de signalisation Sonic Hedgehog dans les cellules Glast positives du cerveau de souris adulte

During embryogenesis, the Sonic Hedgehog (Shh) signaling pathway plays a key role in neural patterning. The pathway is still active in the adult rodent brain where it participates to the maintenance of neural stem cells (NSCs), to neuronal and glial circuitry and to tissue repair (Ruat et al, Top. Med. Chem., 2015). In the adult brain, the astrocytes, glial cells regulating trophic support and activity of neurons, are proposed as the main Shh-responsive cells (Garcia et al, J. Neurosci., 2018). However, the implication of Shh signaling in these astrocytic functions is still poorly characterized. Here, I investigated the role of Shh signaling in astrocytes using various genetic, molecular, biochemical and pharmacological approaches. I used the transgenic mouse line Glast-CreERT2-YFP-Ptc-/- (YFP-Ptc-/-), a model of conditional deletion of the Shh receptor Patched (Ptc) in Glast-expressing cells, and their control littermates, YFP-Ptc+/+ mice. Tamoxifen-mediated recombination in YFP-Ptc-/- mice during adulthood led to Ptc deletion and YFP reporter expression specifically in Glast+ cells, namely astrocytes, NSCs and their progeny. I provided the first detailed analysis of Shh pathway transcripts expression (Ptc, Gli1, Gli2, Gli3) in astrocytes using single-molecule fluorescent in situ hybridization (smFISH) combined to immunohistofluorescence in various brain regions, including the hypothalamus. Moreover, I identified a subpopulation of mature oligodendrocytes (OLs), expressing the OLs markers CC1, Olig2 and Sox10, as a potential source of Shh ligand for these astrocytes and for neurons expressing Ptc in the postnatal brain. I demonstrated the presence of Shh protein and transcripts in these cells using the specific Shh monoclonal antibody C9C5 and smFISH, respectively. The characterization of YFP-Ptc+/+ and YFP-Ptc-/- mice metabolic phenotype at different timepoints revealed the implication of astrocytic Shh pathway in the regulation of whole body energy insulin tolerance tests. This effect was maintained over time and associated to lower blood insulin levels. YFP-Ptc-/- mice also exhibited a strong lean phenotype related to the absence of body weight gain. They presented a reduction of white and brown adipose tissues accompanied by an increase of fatty acid oxidation evaluated in metabolic cage, while food intake, locomotor activity and body temperature were not altered. Thus, the activation of astrocytic Shh signaling counteracted age-associated but also diet-induced metabolic alterations. At the cellular level, Ptc deletion did not affect glucose uptake in primary astrocyte cultures suggesting that these effects are mediated by another mechanism. In the hypothalamus, a key region in the control of energy homeostasis, the activation of astrocytic Shh pathway led to an increase of insulin signaling genes expression. Altogether, these data argue for a novel important role of Shh signaling in astrocytes for hypothalamic regulation of energy metabolism. The phenotype analysis of YFP-Ptc+/+ and YFP-Ptc-/- mice also revealed a key role of Shh signaling in orchestrating the quiescence and activation of NSCs in the ventricular-subventricular zone of the lateral ventricles, one of the main adult neurogenic niche. Long term activation of Shh pathway in NSCs induced an increase of quiescent NSCs number while activated NSCs and their progeny were strongly depleted affecting neurogenesis in this region. Overall, this work highlights novel properties of Shh signaling that will allow deeper understanding of its functions in the adult brain, and widens the therapeutic potential of pharmacological modulators of this pathway to neurodegenerative, demyelinating and metabolic disorders.La voie Sonic Hedgehog (Shh) est active dans le cerveau de rongeur adulte où elle participe au maintien des cellules souches neurales (CSNs), aux interactions entre neurones et astrocytes et à la réparation des tissus. Chez l’adulte, les astrocytes régulent l’apport énergétique et l’activité des neurones et seraient les principales cellules répondant au signal Shh. Cependant, l’implication de la voie Shh dans les fonctions astrocytaires est mal connue. Au cours de ma thèse, j’ai étudié le rôle de la voie Shh dans les astrocytes à l’aide de diverses approches génétiques, moléculaires, biochimiques et pharmacologiques. J’ai notamment utilisé la lignée de souris transgéniques Glast-CreERT2-YFP-Ptc-/- (YFP-Ptc-/-), un modèle de délétion conditionnelle du récepteur Patched (Ptc) dans les cellules Glast+, et les contrôles YFP-Ptc+/+. La recombinaison par tamoxifène des souris YFP-Ptc-/- à l’âge adulte a conduit à la délétion de Ptc et à l’expression du rapporteur YFP dans les cellules Glast+, à savoir les astrocytes, les CSNs et leur descendance. J’ai effectué la première analyse détaillée par smFISH (single molecule fluorescent in situ hybridization) des transcrits de la voie Shh dans les astrocytes de plusieurs régions cérébrales dont l’hypothalamus. De plus, j’ai identifié une sous-population d’oligodendrocytes (OLs) matures, exprimant CC1, Olig2 et Sox10, comme source potentielle de ligand Shh pour les astrocytes et les neurones Ptc+ du cerveau postnatal. J’ai démontré la présence de la protéine et des transcrits de Shh dans ces OLs avec l’anticorps monoclonal C9C5 ciblant spécifiquement Shh et par smFISH, respectivement.La caractérisation du phénotype métabolique des souris YFP-Ptc+/+ et YFP-Ptc-/- à différents âges a révélé l’implication de la voie Shh astrocytaire dans la régulation de l’homéostasie énergétique (HE). En effet, l’activation de la voie Shh dans les astrocytes Glast+ est associée à une sensibilité plus importante au glucose démontrée par des tests de tolérance au glucose et à l’insuline. Cet effet est maintenu au cours du temps et est associé à des niveaux sanguins d’insuline plus faibles. De plus, les souris YFP-Ptc-/- sont caractérisées par une absence de prise de poids. Elles présentent une réduction des tissus adipeux s’accompagnant d’une augmentation de l’oxydation des acides gras mesurée par cage métabolique. A l’inverse, la prise alimentaire, l’activité locomotrice et la température corporelle ne sont pas modifiées. Ainsi, l’activation de la signalisation Shh astrocytaire bloque les altérations métaboliques associées à l’âge ou induites par l’obésité. Au niveau cellulaire, la délétion de Ptc n’affecte pas l’entrée de glucose dans des cultures primaires d’astrocytes suggérant que les effets observés sont médiés par un autre mécanisme. Dans l’hypothalamus, une région clé pour le contrôle de l’HE, l’activation de la voie Shh astrocytaire a entraîné une augmentation de l’expression des gènes de la voie de l’insuline. L’ensemble de ces données suggère l’idée d’une nouvelle fonction de la voie Shh dans les astrocytes, importante pour la régulation hypothalamique de l’HE. L’analyse du phénotype des souris YFP-Ptc+/+ et YFP-Ptc-/- a également révélé un rôle clé de la voie Shh dans la balance entre quiescence et activation des CSNs au sein de la zone ventriculaire-sous ventriculaire des ventricules latéraux, une des principales niches neurogéniques chez l’adulte. L’activation de cette voie dans les CSNs induit, à long terme, une hausse du nombre de CSNs quiescentes tandis que les CSNs activées et leur descendance sont très diminuées, affectant la neurogénèse dans cette région. Dans l’ensemble, ce travail met en avant de nouvelles propriétés de la signalisation Shh qui vont permettre d’approfondir la compréhension des fonctions de la voie dans le cerveau adulte, et élargir le potentiel thérapeutique de ses modulateurs pharmacologiques aux maladies neurodégénératives, démyélinisantes et métaboliques

C9C5 positive mature oligodendrocytes are a source of Sonic Hedgehog in the mouse brain

International audienceIn the mature rodent brain, Sonic Hedgehog (Shh) signaling regulates stem and progenitor cell maintenance, neuronal and glial circuitry and brain repair. However, the sources and distribution of Shh mediating these effects are still poorly characterized. Here, we report in the adult mouse brain, a broad expression pattern of Shh recognized by the specific mono-clonal C9C5 antibody in a subset (11-12%) of CC1 + mature oligodendrocytes that do not express carbonic anhydrase II. These cells express also Olig2 and Sox10, two oligodendro-cyte lineage-specific markers, but not PDGFRα, a marker of oligodendrocyte progenitors. In agreement with oligodendroglial cells being a source of Shh in the adult mouse brain, we identify Shh transcripts by single molecule fluorescent in situ hybridization in a subset of cells expressing Olig2 and Sox10 mRNAs. These findings also reveal that Shh expression is more extensive than originally reported. The Shh-C9C5-associated signal labels the oligo-dendroglial cell body and decorates by intense puncta the processes. C9C5 + cells are distributed in a grid-like manner. They constitute small units that could deliver locally Shh to its receptor Patched expressed in GFAP + and S100β + astrocytes, and in HuC/D + neurons as shown in Ptc LacZ/+ reporter mice. Postnatally, C9C5 immunoreactivity overlaps the myelina-tion peak that occurs between P10 and P20 and is down regulated during ageing. Thus, our data suggest that C9C5 + CC1 + oligodendroglial cells are a source of Shh in the mouse post-natal brain

Hedgehog Controls Quiescence and Activation of Neural Stem Cells in the Adult Ventricular-Subventricular Zone

Identifying the mechanisms controlling quiescence and activation of neural stem cells (NSCs) is crucial for understanding brain repair. Here, we demonstrate that Hedgehog (Hh) signaling actively regulates different pools of quiescent and proliferative NSCs in the adult ventricular-subventricular zone (V-SVZ), one of the main brain neurogenic niches. Specific deletion of the Hh receptor Patched in NSCs during adulthood upregulated Hh signaling in quiescent NSCs, progressively leading to a large accumulation of these cells in the V-SVZ. The pool of non-neurogenic astrocytes was not modified, whereas the activated NSC pool increased after a short period, before progressively becoming exhausted. We also showed that Sonic Hedgehog regulates proliferation of activated NSCs in vivo and shortens both their G1 and S-G2/M phases in culture. These data demonstrate that Hh orchestrates the balance between quiescent and activated NSCs, with important implications for understanding adult neurogenesis under normal homeostatic conditions or during injury

Smoothened/AMP-activated protein kinase signaling in oligodendroglial cell maturation

The regeneration of myelin is known to restore axonal conduction velocity after a demyelinating event. Remyelination failure in the central nervous system contributes to the severity and progression of demyelinating diseases such as multiple sclerosis. Remyelination is controlled by many signaling pathways, such as the Sonic hedgehog (Shh) pathway, as shown by the canonical activation of its key effector Smoothened (Smo), which increases the proliferation of oligodendrocyte precursor cells via the upregulation of the transcription factor Gli1. On the other hand, the inhibition of Gli1 was also found to promote the recruitment of a subset of adult neural stem cells and their subsequent differentiation into oligodendrocytes. Since Smo is also able to transduce Shh signals via various non-canonical pathways such as the blockade of Gli1, we addressed the potential of non-canonical Smo signaling to contribute to oligodendroglial cell maturation in myelinating cells using the non-canonical Smo agonist GSA-10, which downregulates Gli1. Using the Oli-neuM cell line, we show that GSA-10 promotes Gli2 upregulation, MBP and MAL/OPALIN expression via Smo/AMP-activated Protein Kinase (AMPK) signaling, and efficiently increases the number of axonal contact/ensheathment for each oligodendroglial cell. Moreover, GSA-10 promotes the recruitment and differentiation of oligodendroglial progenitors into the demyelinated corpus callosum in vivo. Altogether, our data indicate that non-canonical signaling involving Smo/AMPK modulation and Gli1 downregulation promotes oligodendroglia maturation until axon engagement. Thus, GSA-10, by activation of this signaling pathway, represents a novel potential remyelinating agent