Novel perspectives on the subependymal zone complexity and modulation

Abstract

In the mammalian brain adult neurogenesis occurs in two restricted sites: the subependymal zone (SEZ) and the subgranular zone of the hippocampal dentate gyrus. The SEZ comprises neural stem and progenitor cells that lie adjacent to the ependyma layer of the lateral ventricles. SEZ born neuroblasts migrate anteriorly in the rostral migratory stream towards the olfactory bulbs where they differentiate and integrate into neuronal circuitries. Because cells in the SEZ niche sense alterations in brain homeostasis and are able to alter their proliferative, migratory and differentiation profiles in response to injury, it is of particular interest to completely understand this dynamics both in physiological and pathological conditions. In this context, the present thesis addresses three main aspects in regard to SEZ niche complexity and modulation. First, in regard to SEZ heterogeneity, we performed a topographic analysis of the rat SEZ niche along the anterior-posterior and dorsal-ventral axes. We found that the SEZ cell proliferation decreases along the anterior-posterior axis and varies considerably according to the position in the dorsal-ventral axis. Furthermore, these differences were associated with relevant gradients in the neuroblasts population and in the neural stem cell (NSC) population throughout the dorsalventral axis. Next, we performed the same analysis on the proliferative and progenitor population profile in the mouse adult neurogenic niche, and found relevant species-specific differences between rat and mouse models, two closely related species. The proliferation gradients and the neuroblasts distribution observed in rat were absent in mice. Finally, in regard to SEZ modulation/modulators in disease, we report the impact of a peripheral inflammatory stimulus, triggered by lipopolysaccharide (LPS), on the SEZ, choroid plexus (CP) and cerebrospinal fluid (CSF). The CP is the structure of the brain that produces and secretes most of the CSF that is in direct contact with the NSCs of the SEZ. In response to an acute peripheral inflammatory stimulus CP gene expression of modulators of the SEZ is altered and this is partially reflected on the CSF composition. The same inflammatory stimulus triggered a rapid and transient increase on SEZ cell proliferation. The peak of CP response to the inflammatory trigger was at 6h and 12h upon LPS administration and the induction of SEZ cell proliferation occurred specifically after 12h of LPS stimulus. In summary, the data presented here reveals relevant topographical specificities of the rat and mouse SEZ and highlights species-specific differences. Moreover, it gives further insights on the SEZ response to acute peripheral inflammatory stimulus and pinpoints relevant CP synthetized molecules that when secreted towards the CSF can modulate the SEZ dynamics.

No cérebro adulto dos mamíferos existem dois locais onde ocorre neurogénese: a zona subependimal (SEZ) e a zona subgranular que constitui a circunvolução denteada do hipocampo. A SEZ compreende células estaminais neurais e células progenitoras que se encontram adjacentes à camada do epêndima dos ventrículos laterais. Os progenitores de neurónios (também designados por neuroblastos) provenientes da SEZ migram anteriormente na via rostral de migração para os bolbos olfativos onde se diferenciam e integram nos circuitos neuronais. Como as células da SEZ percecionam alterações na homeostasia do cérebro e são capazes de alterar os seus perfis de proliferação, migração e diferenciação, em resposta a uma lesão, tornase particularmente interessante entender completamente esta dinâmica, tanto em condições fisiológicas como patológicas. Neste contexto, esta tese aborda três aspetos principais em relação à complexidade e modulação da SEZ. Em primeiro lugar, no que diz respeito à heterogeneidade da SEZ, foi realizada uma análise topográfica deste nicho neurogénico no rato ao longo dos eixos anterior-posterior e dorsal-ventral. Os resultados obtidos demonstraram que a proliferação das células da SEZ diminui ao longo do eixo anterior-posterior e varia consideravelmente de acordo com a posição no eixo dorsal-ventral. Para além disso, estas diferenças estão associadas a uma distribuição diferencial na população dos neuroblastos e na população das células estaminais neurais (NSCs) ao longo do eixo dorsalventral. Em seguida, foi realizada a mesma análise na SEZ do murganho adulto. A análise destes resultados revelou diferenças relevantes entre estas duas espécies filogeneticamente muito próximas. A proliferação e a distribuição diferencial das NSCs e dos neuroblastos observada em ratos não ocorrem em murganhos. Finalmente, no que diz respeito à modulação da SEZ em resposta a insultos ao cérebro, foi estudado o impacto de um estímulo inflamatório periférico, desencadeada por um lipopolissacarídeo (LPS), componente da parede das bactérias gram negativas, sobre a SEZ, o plexus coroideus (CP) e o líquido cefalorraquidiano (CSF). O CP é a estrutura do cérebro que produz e segrega a maioria do CSF que por sua vez está em contacto direto com as NSCs da SEZ. Em resposta a um estímulo periférico inflamatório, a expressão genética no CP de moduladores da SEZ é alterada, sendo esta alteração parcialmente refletida na composição proteica do CSF. O mesmo estímulo inflamatório desencadeou um aumento rápido e transitório na proliferação celular na SEZ. O pico da resposta do CP ao estímulo inflamatório desencadeado pelo LPS foi às 6h e 12h após a administração de LPS e a indução da proliferação celular na SEZ ocorreu especificamente após 12h de estímulo com LPS. Em resumo, os resultados apresentados nesta tese revelam especificidades topográficas da SEZ no rato e no murganho, destacando ainda diferenças específicas entre estas duas espécies. Além disso, revela também a resposta da SEZ a um estímulo periférico inflamatório agudo e realça algumas moléculas sintetizadas no CP que quando segregadas para o CSF podem modular as células da SEZ.