SUMMARY :
The present work addresses several aspects of cell cycle regulation, cell fate specification and cell death in the central nervous system (CNS), specifically the cortex and the retina. More precisely, we investigated the role of Bmi1, a polycomb family gene required for stem cell proliferation and self-renewal, in the development of the cerebral cortex, as well as in the genesis of the retina. These data, together with studies published during the last two decades concerning cell cycle re-activation in apoptotic neurons in the CNS, raised the question of a possible link between regulation of the cell cycle during development and during retinal degeneration.
1. The effects of Bmi1 loss in the cerebral cortex :
Consistently with our and others' observations on failure of Bmi9-/- stem cells to proliferate and self-renew in vitro, the Bmi9-/- cerebral cortex presented slight defects in proliferation in stem/progenitor cells compartments in vivo. This was in accordance with the pattern of Bmi1 expression in the developing forebrain. The modest proliferation defects, compared to the drastic consequences of Bmi9 loss in vitro, suggest that cell-extrinsic mechanisms may partially compensate for Bmi1 deletion in vivo during cortical histogenesis. Nevertheless, we observed a decreased proliferating activity in neurogenic regions of the adult telencephalon, more precisely in the subventricular zone, showing that Bmi1 controls neural stem/progenitor proliferation during adulthood in vivo. Our data also highlight an increased production of astrocytes at birth, and a generalized gliosis in the adult Bmi9-/- brain. Importantly, glial progenitors and astrocytes retained the ability to proliferate in the absence of Bmi1.
2. The effects of Bmi1 loss in the retina :
The pattern of expression of Bmi1 during development and in the adult retina suggests a role for Bmi1 in cell fate specification and differentiation rather than in proliferation. While the layering and the global structure of the retina appear normal in Bmi1 /adult mice, immunohistochemìcal analysis revealed defects in the three major classes of retinal interneurons, namely: horizontal, bipolar and amacrine cells. Electroretinogram recordings in Bmi9-/- mice are coherent with the defects observed at the histological level, with a reduced b-wave and low-profile oscillatory potentials. These results show that Bmi1 controls not only proliferation, but also cell type generation, as previously observed in the cerebellum.
3. Cell cycle events and related neuroprotective strategies in retinal degeneration :
In several neurodegenerative disorders, neurons re-express cell cycle proteins such as cyclin dependent kinases (Cdks) prior to apoptosis. Here, we show for the first time that this is also the case during retinal degeneration. Rd1 mice carry a recessive defect (Pdeóbrd/rd) that causes retinal degeneration and serves as a model of retinitis pigmentosa. We found that photoreceptors express Cdk4 and Cdk2, and undergo DNA synthesis prior to cell death. To interfere with the reactivation of Cdk-related pathways, we deleted E2fs or Brni1, which normally allow cell cycle progression. While deleting E2f1 (downstream of Cdk4/6) in Rd1 mice provides only temporary protection, knocking out Bmi1 (upstream of Cdks) leads to an extensive neuroprotective effect, independent of p16ink4a or p19arf, two tumor suppressors regulated by Bmi1. Analysis of Cdks and the DNA repair-related protein Ligase IV showed that Bmi1 acts downstream of DNA repair events and upstream of Cdks in this neurodegenerative mechanism. Expression of Cdks during an acute model of retinal degeneration, light damage-induced photoreceptor death, points to a role for Bmi1 and cell cycle proteins in retinal degeneration. Considering the similarity with the cell cycle-related apoptotic pathway observed in other neurodegenerative diseases, Bmi1 is a possible general target to prevent or delay neuronal death.
RESUME :
Ce travail aborde plusieurs aspects de la régulation du cycle cellulaire, de la spécification du devenir des cellules et de la mort cellulaire dans le système nerveux centrale (SNC), plus particulièrement dans le cortex cérébral et dans la rétine. Nous nous sommes intéressés au gène Bmi1, appartenant à la famille polycomb et nécessaire à la prolifération et au renouvellement des cellules souches. Nous avons visé à disséquer son rôle dans le développement du cortex et de la rétine. Ces données, ainsi qu'une série de travaux publiés au cours des deux dernières décennies concernant la réactivation du cycle cellulaire dans les neurones en voie d'apoptose dans le SNC, nous ont ensuite poussé à chercher un lien entre la régulation du cycle cellulaire pendant le développement et au cours de la dégénérescence rétinienne.
1. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans le cortex cérébral :
En accord avec l'incapacité des cellules souches neurales in vitro à proliférer et à se renouveler en absence de Bmi1, le cortex cérébral des souris Bmi1-/- présente de légers défauts de prolifération dans les compartiments contenant les cellules souches neurales. Ceci est en accord avec le profil d'expression de Bmi1 dans le télencéphale. Les conséquences de la délétion de Bmi1 sont toutefois nettement moins prononcées in vivo qu'in vitro ; cette différence suggère l'existence de mécanismes pouvant partiellement compenser l'absence de Bmi1 pendant la corticogenèse. Néanmoins, l'observation d'une réduction de la prolifération dans la zone sous-ventriculaire, la zone majeure de neurogenèse dans le télencéphale adulte, montre que Bmi1 contrôle la prolifération des cellules souche/progénitrices neurales chez la souris adulte. Nos résultats démontrent par ailleurs une augmentation de la production d'astrocytes à la naissance ainsi qu'une gliose généralisée à l'état adulte chez les souris Bmi1-/-. Les progéniteurs gliaux et les astrocytes conservent donc leur capacité à proliférer en absence de Bmi1.
2. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans la rétine :
Le profil d'expression de Bmi1 pendant fe développement ainsi que dans la rétine adulte suggère un rôle de Bmi1 dans la spécification de certains types cellulaires et dans la différentiation plutôt que dans la prolifération. Alors que la structure et la lamination de la rétine semblent normales chez les souris Bmi1-/-, l'analyse par immunohistochimie amis en évidence des défauts au niveau des trois classes d'interneurones rétiniens (les cellules horizontales, bipolaires et amacrines). Les électrorétinogrammes des souris Bmi1-/- sont cohérents avec les défauts observés au niveau histologique et montrent une réduction de l'onde « b » et des potentiels oscillatoires. Ces résultats montrent que Bmi1 contrôle la génération de certaines sous-populations de neurones, comme démontré auparavant au niveau de cervelet.
3. Réactivation du cycle cellulaire et stratégies théraoeutiaues dans les dégénérescences rétiniennes :
Dans plusieurs maladies neurodégénératives, les neurones ré-expriment des protéines du cycle cellulaire telles que les kinases cycline-dépendantes (Cdk) avant d'entrer en apoptose. Nous avons démontré que c'est aussi le cas dans les dégénérescences rétiniennes. Les souris Rd1 portent une mutation récessive (Pde6brd/rd) qui induit une dégénérescence de la rétine et sont utilisées comme modèle animal de rétinite pigmentaire. Nous avons observé que les photorécepteurs expriment Cdk4 et Cdk2, et entament une synthèse d'ADN avant de mourir par apoptose. Pour interférer avec la réactivation les mécanismes Cdk-dépendants, nous avons inactivé les gènes E2f et Bmi1, qui permettent normalement la progression du cycle cellulaire. Nous avons mis en évidence que la délétion de E2f1 (en aval de Cdk4/6) dans les souris Rd1 permet une protection transitoire des photorécepteurs. Toutefois, l'inactivation de Bmi1 (en amont des Cdk) est corrélée à une neuroprotection bien plus durable et ceci indépendamment de p16ink4a et p19arf, deux suppresseurs de tumeurs normalement régulés par Bmi1. L'analyse des Cdk et de la ligase IV (une protéine impliquée dans les mécanismes de réparation de l'ADN) a montré que Bmi1 agit en aval des événements de réparation de l'ADN et en amont des Cdk dans la cascade apoptotique dans les photorécepteurs des souris Rd1. Nous avons également observé la présence de Cdk dans un modèle aigu de dégénérescence rétinienne induit par une exposition des animaux à des niveaux toxiques de lumière. Nos résultats suggèrent donc un rôle général de Bmi1 et des protéines du cycle cellulaire dans les dégénérescences de la rétine. Si l'on considère la similarité avec les événements de réactivation du cycle cellulaire observés dans d'autres maladies neurodégénératives, Bmi1 pourrait être une cible thérapeutique générale pour prévenir la mort neuronale.