Intron detention as a mechanism to tightly control the timing of neural differentiation

Abstract

The life-long persistence of adult neural stem cells (NSCs) requires the accurate balance between their self-renewal, proliferation and differentiation. Recent studies analyzing the transcriptomic dynamics that take place during adult neurogenesis have reveal that post-transcriptional regulation may have a more relevant role than anticipated in the control of NSC biology and function. In this thesis, we have uncovered a novel regulatory mechanism that refines the control of Scratch1 expression during adult neurogenesis. We have shown that this gene is expressed in the adult subependymal zone (SEZ), both in NSCs, transient amplifying progenitors (TAPs) and neuroblasts, exhibiting increasing levels as NSCs progress into the lineage; and fulfilling several functions during the process of differentiation. On the one hand, this transcription factor acts downstream of p53, repressing the transcription of it targets Bbc3 (Puma) and Cdkn1a (p21), which in turn protects the differentiating cells form undergoing apoptosis and, at the same time, stimulates their proliferation. On the other hand, Scratch1 promotes neuronal differentiation, favoring neurogenesis at the expense of gliogenesis. Additionally, we have also determined that Scracth1 starts to be expressed when stem cells acquire the neural identity, but its transcripts are retained in the nucleus of NSCs due to intron detention. This event of regulated splicing is possible thanks to the progressive enlargement of the polypyrimidine tract of its only intron during the evolution of vertebrates, leading to the generation of a suboptimal splice site in mammals. By contrast, in response to the neural differentiation signal, Scratch1 mRNA is m6A modified and consequently spliced and exported to the cytoplasm, where it can be translated. Finally, we have shown that intron detention in this context is not specific for Scratch1 mRNA, but rather it also controls the translational availability of multiple transcripts associated with adult NSC differentiation. Interestingly, a complementary regulation of intron detention occurs in mRNAs from genes involved in the maintenance of stemness. Thus, intron detention is a novel mechanism to fine-tune neurogenesis in the adult NSC niche.

El mantenimiento de la población de células madres neurales (NSCs) durante toda la vida del individuo requiere un balance preciso entre su auto-renovación, proliferación y diferenciación. Estudios recientes en los que se han analizado los cambios transcripcionales que tienen lugar durante la neurogénesis adulta han revelado que la regulación post-transcripcional podría tener un peso mayor en el control de la biología y la función de las NSCs de lo que se pensaba previamente. En esta tesis, hemos identificado un nuevo mecanismo de regulación de la expresión del factor de transcripción Scratch1 durante la neurogénesis adulta. Hemos mostrado que este gen se expresa en la zona subependimaria (SEZ) adulta, tanto en NSCs como en progenitores (TAPs) y neuroblastos, presentando niveles crecientes de expresión a medida que las NSCs progresan en el linaje. Además, Scratch1 lleva a cabo diversas funciones durante el proceso de diferenciación. Por una parte, actúa por debajo de p53, reprimiendo la transcripción de sus dianas Bbc3 (Puma) y Cdkn1a (p21), y protegiendo a las células en diferenciación de sufrir apoptosis a la vez que estimula su proliferación. Por otra parte, Scratch1 promueve la diferenciación neuronal, favoreciendo la neurogénesis a expensas de la gliogénesis. Además, hemos determinado que Scratch1 empieza expresarse cuando las células madre adquieren la identidad neural, aunque sus tránscritos permanecen dentro del núcleo de las NSCs debido a un procesamiento deficiente del único intrón en su mRNA. Este evento de splicing regulado es posible gracias a la expansión progresiva de la serie de polipirimidinas (PPT) durante la evolución de los vertebrados, dando lugar a la generación de un sitio de splicing subóptimo en mamíferos. En respuesta a la señal de diferenciación, se induce la metilación (m6A) del mRNA y los tránscritos son procesados y exportados al citoplasma, donde pueden ser traducidos. Por último, hemos encontrado que la detención de intrones no solo regula la expresión de Scratch1, sino que también controla la localización subcelular y la disponibilidad para ser traducidos de múltiples tránscritos relacionados con la diferenciación de las NSCs. Más aun, el control de la retención de intrones se realiza de forma contraria en los transcritos correspondientes a genes relacionados con las células madre. Por lo tanto, aquí definimos un nuevo mecanismo que controla de forma precisa la neurogénesis adulta.