Characterizing of Robo downstream signalling to promote direct neurogenesis

Abstract

The size and degree of folding of the mammalian cortex are pivotal factors that affect species’ cognitive abilities and sensorimotor skills. The cerebral cortex is the main region in the mammalian brain that governs complex cognitive behaviors. The development of the cortex depends on the amplification of neural stem cells (NSCs), neural progenitors (NPs) and the generation and differentiation of postmitotic neurons. There are two main types of NPs in the mouse neocortex (NCx): apical radial glia (aRGCs) and intermediate progenitor cells (IPCs). Robo receptors play an important role in regulating the amplification of cortical progenitors. The absence of Robo receptor signalling plus the alteration of the Notch signalling pathway in the mouse NCx leads to an overproduction of poorly functional IPCs. Ancient amniotic cortices exhibit a predominance of direct neurogenesis during development, where aRGCs produce neurons directly. Intriguingly, Robo receptors as well as Notch signalling play a major role in attenuating the mode of neurogenesis. This hypothesis was validated in several brain structures with phyletic antiquity, confirming that Robo receptors are essential in the shift towards indirect neurogenesis during the evolution and expansion of the cerebral cortex. However, little is known about the precise signalling cascade or interactors employed by Robo to initiate direct neurogenesis. In this thesis, we demonstrated the transcriptomic differences between the developing mouse NCx and OB (where direct neurogenesis is predominant in the OB vs NCx) using single cell RNA sequencing (scRNA). We showed aRGCs populations that are differently enriched between these regions. We traced lineage trajectories of indirect and direct neurogenesis, as well as validating the expression of several differentially expressed genes between the two regions. We used Robo intracellular domain (ICD)—this region is considered a constitutively active form of Robo receptor—and demonstrated the protein interactors that bind it. Following that, we demonstrated Robo ICD localization to the nucleus. We discovered that Robo conserved cytoplasmic domains play an important role in Robo ICD nucleocytoplasmic localization and direct neurogenesis induction in the mouse NCx. Next, we showed that Robo ICD localizes to chromatin, and causes transcriptional changes that occur upon the experimental gain of function of Robo ICD in the NCx and in vitro. Additionally, we showed that loss of function of Nup107, a nuclear pore complex (NPC) protein and one of Robo ICD protein interactors, induces direct neurogenesis in mouse NCx and chick lateral pallium. Taken together, our findings suggest the transcriptional role Robo ICD exerts by binding DNA and, consequently, its conserved role in moderating direct neurogenesis.

El tamaño y el grado de plegamiento de la corteza cerebral son factores fundamentales que afectan a las capacidades cognitivas y habilidades sensoriomotoras de los mamíferos. La corteza cerebral es la principal región del cerebro que gobierna conductas cognitivas complejas. El desarrollo de la corteza depende de la amplificación de células madre neurales (CMN), progenitores neurales (PN) y de la generación y diferenciación de neuronas postmitóticas. Hay dos tipos principales de PN en la neocorteza o neocórtex (NCx) del ratón: las células de glía radial apical (CGRa) y las células progenitoras intermedias (CPI). Los receptores Robo juegan un papel importante en la regulación de la amplificación de los progenitores corticales. La ausencia de señalización del receptor Robo sumada a la alteración de la vía de señalización de Notch en el NCx de ratón conduce a una sobreproducción de CPI poco funcionales. La corteza de especies amniotas anteriores en la evolución a los mamíferos (como los reptiles y las aves) exhiben un predominio de neurogénesis directa durante el desarrollo, por el cual las CGRa producen neuronas directamente. Curiosamente, los receptores Robo, así como la señalización de Notch, desempeñan un papel importante en la atenuación de esta modalidad de neurogénesis a lo largo de la evolución. Esta hipótesis ha sido validada en varias estructuras cerebrales con antigüedad filética, confirmando que los receptores Robo son esenciales en el cambio hacia la neurogénesis indirecta durante la evolución y la consecuente expansión de la corteza cerebral. Sin embargo, se sabe poco sobre la cascada de señalización de Robo, así como de los mensajeros secundarios empleados por este receptor para iniciar el proceso de neurogénesis directa. En esta tesis, demostramos las diferencias transcriptómicas que existen entre el NCx y el bulbo olfatorio (BO) de ratón en desarrollo (sabiendo que la neurogénesis directa es predominante en BO frente al NCx). Para ello usamos la técnica de secuenciación de ARN de células individuales (single-cell RNA sequencing (scRNAseq) en inglés). Mostramos que hay poblaciones de RGCa que están diferentemente enriquecidas entre estas regiones. Trazamos trayectorias de linaje de neurogénesis indirecta y directa y validamos la expresión de varios genes expresados diferencialmente entre las dos regiones. Utilizamos el dominio intracelular (DIC) de Robo (esta región se considera una forma constitutivamente activa del receptor) y demostramos los mensajeros secundarios que se unen. Después, demostramos la localización del DIC de Robo en el núcleo. Descubrimos que sus dominios citoplasmáticos, muy conservados a lo largo de la evolución, tienen un papel importante en la localización núcleo-citoplasmática del DIC y la inducción directa de neurogénesis en el NCx de ratón. A continuación, mostramos que una vez en el núcleo, el DIC se une a la cromatina y provoca cambios transcripcionales que tienen como resultado una la ganancia de función de Robo tanto en el NCx como in vitro. Además, demostramos que la pérdida de función de Nup107, una proteína que forma parte del complejo del poro nuclear (CPN) además de ser una proteína de interacción del DIC de Robo, induce neurogénesis directa en el NCx de ratón y en el palio lateral de pollo. En conjunto, nuestros resultados sugieren el papel de modulación transcripcional que ejerce el DIC de Robo al unirse al ADN y, en consecuencia, su rol conservado a lo largo de la evolución en la disminución de la neurogénesis directa.