Study of the Sonic Hedgehog signaling pathway in the control of oligodendrocyte progenitors during demyelination

La voie de signalisation activée par la protéine Sonic Hedgehog (Shh) est connue pour son rôle majeur au cours de l’embryogenèse et en particulier dans la prolifération et la spécification cellulaire ou encore le guidage axonal au cours de l’établissement des structures du système nerveux. Depuis quelques années, ce morphogène a aussi été identifié comme un régulateur important de plusieurs processus physiologiques du cerveau adulte comme le maintien de la neurogenèse ou la régulation de l’activité électrique de certains neurones (Traiffort et al., 2010). La suractivation de la voie Shh dans un cerveau sain entraine une augmentation significative de la prolifération des cellules progénitrices des oligodendrocytes (OPCs), la source des oligodendrocytes matures, les cellules responsables de la formation des gaines de myéline (Loulier et al., 2006). Au cours de ma thèse, j’ai étudié le potentiel que représente l’activation de la voie Shh dans la régulation de ces progéniteurs dans un contexte de démyélinisation. Pour cela, j’ai utilisé une souris transgénique plp-GFP, chez laquelle la protéine fluorescente verte est exprimée par les cellules du lignage oligodendrocytaire. Après avoir caractérisé le profil d’expression de la GFP dans le cerveau mature de ces souris, j’ai mis au point un modèle de démyélinisation focale par injection stéréotaxique d’un détergent spécifique de la myéline, la lysolécithine (LPC). J’ai identifié les cellules du lignage oligodendrocytaire comme source directe de protéines Shh au sein de la lésion à un temps très précoce après l’injection de LPC. Les gènes cibles de la voie Shh sont aussi fortement induits dans cette population cellulaire à une période plus tardive, correspondant à la différenciation des OPCs en cellules matures. L’utilisation d’adénovirus codant soit pour Shh lui-même soit pour son antagoniste physiologique Hip, m’a permis de réaliser des expériences de gain et de perte de fonction et ainsi d’analyser comment la modulation de la voie Shh peut influencer sur le processus de régénération des oligodendrocytes suite à une lésion. La surexpression de Shh permet d’augmenter la prolifération des OPCs mais aussi d’accélérer leur différenciation, aboutissant à un nombre plus élevé d’oligodendrocytes matures plus précocement au cours du processus de remyélinisation. De plus, il est intéressant de constater que la densité des cellules astrocytaires et microgliales, notamment associées au processus inflammatoire, diminue dans la lésion chez les animaux ayant reçu l’adénovirus Shh comparés au animaux contrôles. A l’inverse, le blocage de la voie induit l’arrêt complet de la production de nouveaux oligodendrocytes. Au-delà de l’amélioration de notre compréhension de la physiologie et de la régulation du lignage oligodendrocytaire dans le cerveau adulte, l’ensemble de ce travail montre de quelle manière la voie Shh peut représenter une nouvelle piste dans la recherche de cibles thérapeutiques dans les affections de la myéline telles que la sclérose en plaques.The Sonic Hedgehog (Shh) signaling pathway is known for its role during embryogenesis and in particular for controlling cell proliferation and specification, as well as axon guidance. In recent years, this morphogen has also been identified as an important regulator of several physiological processes in the adult brain such as the maintenance of neurogenesis or the regulation of the electrophysiological propreties of mature neurons (Traiffort et al., 2010). Overactivation of the Shh pathway in a healthy brain causes a significant increase in the proliferation of oligodendrocyte progenitor cells (OPCs), the source of mature oligodendrocytes, the cells responsible for the formation of myelin sheaths (Loulier et al., 2006).In my thesis, I studied the effects of the Shh pathway activation on OPC regulation in the context of demyelination. To that purpose, I used a plp-GFP transgenic mouse, in which the green fluorescent protein (GFP) is expressed by cells belonging to the oligodendrocyte lineage. After characterization of the expression pattern of GFP in the mature brain of these mice, I developed a model of focal demyelination by stereotaxic injection of lysolecithin (LPC). I identified the oligodendrocyte lineage cells as a source of Shh protein within the lesion, soon after the LPC injection. Target genes of the Shh pathway are also strongly induced in this cell population, at a time corresponding to the differentiation of OPCs into mature cells. The use of adenoviral vectors encoding either Shh itself or its physiological antagonist Hip allowed me to conduct gain- and loss-of-function experiments. This way I could analyze how the modulation of Shh pathway may influence the regeneration ofoligodendrocytes after injury. Shh overexpression increases the survival and proliferation of OPCs but also accelerates their differentiation, resulting in a higher number of mature oligodendrocytes earlier during the remyelination process. In addition, the density of astrocytes and microglia, associated with the inflammatory process, is decreased in animalsreceiving the Shh adenoviral vector compared to control animals. Altogether these effects are associated with a reduction of the lesion. Conversely, blocking the pathway induced a complete arrest of new oligodendrocyte production. Besides the fundamental knowledge gained about the molecular mechanism involved in the oligodendroglial precursor cells survival, proliferation, differentiation and myelin repair in vivo, this project should also give valuable insights concerning the potential use of pharmacological modulators of Shh signaling as a novel therapeutic approach for the treatment of multiple sclerosis and other myelin diseases