Omics profiling of cortical progenitor cells in evolution and cancer

Abstract

The evolution of cortical neurogenesis has been fundamental to the development of the complex mammalian brain. Disruptions in these processes underlie various neurodevelopmental disorders and cancers, such as embryonal tumors with multilayered rosettes (ETMRs). This thesis integrates comparative transcriptomics, epigenomics, and single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) to investigate the molecular and cellular mechanisms governing cortical neurogenesis and its pathological dysregulation in ETMRs. The first part of this work explores the evolutionary mechanisms of cortical neurogenesis in amniotes by comparing transcriptomic and epigenomic profiles of apical radial glial cells (aRGCs) between mice, chicks, and snakes. We researched key regulators, such as Sall1, miR-3607, Cux2, Robo1/2 or Dll1, that govern neurogenic modes and cortical folding, shedding light on the conserved and divergent pathways that shaped cortical evolution. In the second part, the existence of membrane-bound transcription factors (MTFs) in mammals is investigated. Hundreds of potential MTFs were identified, many localizing to the nucleus and suggesting roles in regulating gene expression during neurogenesis and cancer. Among these, Robo1 was identified as a candidate MTF, predicted to possess transcriptional regulatory potential. These findings reveal a previously underexplored regulatory layer and its potential implications for cortical development and tumor biology. The third part evaluates the Rx-Cre-DicerF/F (Rx-Dicer1) mutant mouse as a preclinical model for ETMR and demonstrates that it is superior to the previously established GBS model. Transcriptomic profiling at embryonic stages E11.5 and E17.5 shows that Rx-Dicer1 mutants not only recapitulate key histological and molecular features of ETMRs but also share a greater proportion of ETMR signature genes, such as LIN28A/B, PRTG, and IGF2BPs. Dysregulation of pathways like PI3K/AKT/mTOR further highlights its relevance. scRNA-seq identifies tumor-specific populations of neuroepithelial-like cells and their loss of aRGC identity. RNA velocity and transcriptional trajectory analyses reveal a disrupted differentiation process, with neuroepithelial-like cells becoming overproliferative and contributing to rosette formation. Together, this research uncovers the evolutionary and pathological mechanisms driving cortical neurogenesis and its dysregulation in ETMRs. The findings establish the Rx-Dicer1 mutant mouse as a more faithful model for ETMR than GBS and provide insights into potential therapeutic targets, such as LIN28A/B, PRTG and PI3K/AKT/mTOR signaling, for treating aggressive brain tumors. By bridging evolutionary biology and cancer research, this thesis advances our understanding of neurogenesis and its role in health and disease. / La evolución de la neurogénesis cortical ha sido fundamental para el desarrollo del complejo cerebro de los mamíferos. Las alteraciones en estos procesos están en la base de varios trastornos del neurodesarrollo y cánceres, como los tumores embrionarios con rosetas multilaminares (ETMRs). Esta tesis integra transcriptómica comparativa, epigenómica y secuenciación de ARN de célula única (scRNA-seq) para investigar los mecanismos moleculares y celulares que regulan la neurogénesis cortical y su desregulación patológica en los ETMRs. La primera parte de este trabajo explora los mecanismos evolutivos de la neurogénesis cortical en amniotas mediante la comparación de perfiles transcriptómicos y epigenómicos de las células gliales radiales apicales (aRGCs) entre ratones y pollos. Se investigaron reguladores clave, como Sall1, miR-3607, Cux2, Robo1/2 y Dll1, que controlan los modos neurogénicos y el plegamiento cortical, arrojando luz sobre las vías conservadas y divergentes que moldearon la evolución cortical. En la segunda parte, se investiga la existencia de factores de transcripción asociados a membrana (MTFs) en mamíferos. Se identificaron cientos de MTFs potenciales, muchos de los cuales se localizan en el núcleo, lo que sugiere un papel en la regulación de la expresión génica durante la neurogénesis y el cáncer. Entre ellos, Robo1 fue identificado como un candidato a MTF, predicho como potencial regulador transcripcional. Estos hallazgos revelan una capa reguladora previamente poco explorada y sus posibles implicaciones en el desarrollo cortical y la biología tumoral. La tercera parte evalúa al ratón mutante Rx-Cre-DicerF/F (Rx-Dicer1) como modelo preclínico para ETMR, demostrando que es superior al modelo GBS previamente establecido. El perfil transcriptómico en etapas embrionarias E11.5 y E17.5 muestra que los mutantes Rx-Dicer1 no solo reproducen características histológicas y moleculares clave de los ETMRs, sino que también comparten una mayor proporción de genes característicos de ETMR, como LIN28A/B, PRTG e IGF2BPs. La desregulación de vías como PI3K/AKT/mTOR refuerza aún más su relevancia. La secuenciación de ARN de célula única identifica poblaciones tumorales específicas de células neuroepiteliales y su pérdida de identidad de aRGC. Los análisis de velocidad de ARN y trayectorias transcripcionales revelan un proceso de diferenciación alterado, con células neuroepiteliales que se vuelven hiperproliferativas y contribuyen a la formación de rosetas. En conjunto, esta investigación descubre los mecanismos evolutivos y patológicos que impulsan la neurogénesis cortical y su desregulación en los ETMRs. Los hallazgos establecen al ratón mutante Rx-Dicer1 como un modelo más fiel para ETMR en comparación con GBS y proporcionan información sobre posibles objetivos terapéuticos, como LIN28A/B, PRTG y la vía de señalización PI3K/AKT/mTOR, para tratar tumores cerebrales agresivos. Al conectar la biología evolutiva con la investigación del cáncer, esta tesis amplía nuestra comprensión de la neurogénesis y su papel en la salud y la enfermedad.