# name
Expansion of the neocortex and protection from neurodegeneration by in vivo transient reprogramming

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Facultat de Medicina i Ciències de la Salut

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Yamanaka factors (Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc) are known for their ability to transform somatic cells into induced pluripotent stem cells, in a process called reprogramming. Recent advances in cellular reprogramming have demonstrated that a transient induction of Yamanaka factors in vivo can induced proliferation and regeneration in mammalian tissues and even reverse some aging features. However, their effects on the brain are still largely unexplored. Therefore, this thesis focuses on the effects of Yamanaka factors induction in the brain in a controlled spatio-temporal manner, in two different scenarios: during brain development and at adult stages in the context of neurodegeneration.
The first objective of this thesis is to explore the effects of partial reprogramming on neural progenitor cells and neurons during brain development in mice. High levels of Yamanaka factors induction caused cell identity perturbation in both neurons and progenitors, inducing complete dedifferentiation and pluripotency in these cells. However, lower levels of these factors were tolerated and resulted in cortical expansion. Immunohistochemistry, pulse labelling, and single cell RNA-sequencing experiments confirmed increased proliferation and an expansion of both apical progenitors and neurons following low induction of Yamanaka factors. We observed that this cortical expansion, along with the increased number of neurons and glia cells, was maintained until adulthood. Importantly, transient reprogramming during development did not produce any detrimental effects at adult stages and even led to improved behavioural performance, specifically enhanced motor and social behaviour.
The second objective of this thesis is to evaluate whether transient in vivo reprogramming could confer protection against neurodegenerative diseases in the context of Alzheimer’s disease. We found that hippocampal principal neurons tolerate intermittent Yamanaka Factors induction for several months. In 5xFAD mice, a mouse model of Alzheimer’s disease, partial reprogramming for five months rescued the spine density of granular neurons in the dentate gyrus and ameliorated both the number and size of Aβ-plaques in the hippocampus. These protective effects were associated with the prevention of several hallmarks of Alzheimer’s disease, including altered molecular signatures and accelerated aging in the 5xFAD mouse model. Furthermore, mice that underwent transient reprogramming showed an amelioration of Alzheimer’s disease related cognitive deficits.
Yamanaka Factors ability to transform differentiated cells into pluripotent states revolutionized the field and opened the door for regenerative medicine techniques. However, the uncontrolled activation of these factors often leads to oncogenic transformation, limiting their clinical applicability. By fine-tuning the temporal window of expression, we harnessed the regenerative potential of reprogramming while mitigating adverse effects. Our findings suggest that transient in vivo reprogramming may represent a viable strategy for promoting neural plasticity and resilience against neurodegenerative diseases. While further research is needed to optimize delivery methods and assess long-term safety, this approach offers a promising avenue for brain repair. Understanding the precise mechanisms underlying cortical expansion and neuroprotection through transient reprogramming will pave the way for translating these insights into therapeutic interventions.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[spa] Los factores de Yamanaka (Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc) son conocidos por su capacidad para transformar células somáticas en células madre pluripotentes inducidas, en un proceso denominado reprogramación. Avances recientes en la reprogramación celular han demostrado que una inducción transitoria de estos factores in vivo, puede promover la proliferación y regeneración de tejidos en mamíferos e incluso revertir algunas características del envejecimiento. Sin embargo, sus efectos en el cerebro siguen siendo en gran parte desconocidos. Por ello, el estudio de esta tesis se centra en los efectos de la inducción de los factores de Yamanaka en el cerebro de manera controlada espacio-temporalmente, en dos contextos distintos: durante el desarrollo embrionario del cerebro y en un modelo de neurodegeneración en etapas adultas.
El primer objetivo de esta tesis es explorar los efectos de la reprogramación parcial sobre las células progenitoras neuronales y las neuronas durante el desarrollo cerebral en ratones. La inducción con altos niveles de los factores de Yamanaka provocó una alteración de la identidad celular, tanto en neuronas como en progenitores, induciendo una desdiferenciación completa y la adquisición de la pluripotencia. Sin embargo, niveles más bajos de inducción fueron bien tolerados y resultaron en una expansión cortical. Experimentos de inmunohistoquímica, BrdU y scRNA-seq confirmaron una mayor proliferación y una expansión tanto de progenitores apicales como de neuronas tras la inducción moderada de los factores. Observamos que esta expansión cortical junto con el aumento en el número de neuronas y células gliales se mantenían hasta la edad adulta. Cabe destacar que la reprogramación transitoria durante el desarrollo no supuso efectos perjudiciales en etapas adultas e incluso llevó a una mejora en el rendimiento conductual, especialmente en el comportamiento motor y social.
El segundo objetivo de esta tesis es evaluar si la reprogramación transitoria in vivo podría conferir protección frente a enfermedades neurodegenerativas en el contexto de la enfermedad de Alzheimer. Evidenciamos que las neuronas principales del hipocampo toleraban la inducción intermitente de los factores de Yamanaka durante varios meses. En los ratones 5xFAD, un modelo murino de la enfermedad de Alzheimer, la reprogramación parcial durante cinco meses rescató la densidad de espinas dendríticas de las neuronas granulares del giro dentado y mejoró tanto el número como el tamaño de las placas beta-amiloides en el hipocampo. Estos efectos protectores se asociaron con la prevención de varios rasgos característicos del Alzheimer, incluyendo el deterioro cognitivo y alteraciones moleculares en el modelo 5xFAD. Asimismo, los ratones que se sometieron a reprogramación transitoria mostraron una mejora en el envejecimiento acelerado y las alteraciones moleculares relacionados con la enfermedad de Alzheimer.
La capacidad de los factores de Yamanaka para transformar células diferenciadas en estados pluripotentes ha supuesto una revolución y ha abierto la puerta a técnicas de medicina regenerativa en este escenario. No obstante, la activación no controlada de estos factores conlleva a menudo una transformación oncogénica, lo que limita su aplicabilidad clínica. Ajustando con precisión la ventana temporal de expresión, aprovechamos el potencial regenerativo de la reprogramación mientras reducimos los efectos adversos.
Nuestros resultados sugieren que la reprogramación transitoria in vivo puede representar una estrategia viable para promover la plasticidad neuronal y la resiliencia frente a enfermedades neurodegenerativas. A pesar de que son necesarios más estudios para optimizar los métodos de administración y evaluar la seguridad a largo plazo, este nuevo enfoque ofrece una vía prometedora para la regeneración cerebral. Comprender los mecanismos precisos que subyacen a la expansión cortical y la neuroprotección mediante reprogramación transitoria será clave para trasladar estos conocimientos a intervenciones terapéuticas.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] Els factors de Yamanaka (Oct4, Sox2, Klf4 i c-Myc) són coneguts per la seva capacitat per a transformar cèl·lules somàtiques en cèl·lules mare pluripotents induïdes, en un procés denominat reprogramació. Avanços recents en la reprogramació cel·lular han demostrat que una inducció transitòria d'aquests factors in vivo, pot promoure la proliferació i regeneració de teixits en mamífers i fins i tot revertir algunes característiques de l'envelliment. No obstant això, els seus efectes en el cervell continuen sent en gran part desconeguts. Per això, aquesta tesi se centra en els efectes de la inducció dels factors de Yamanaka en el cervell de manera controlada espai-temporalment, en dos contextos distints: durant el desenvolupament embrionari del cervell i en un model de neurodegeneració.
El primer objectiu d'aquesta tesi és explorar els efectes de la reprogramació parcial sobre les cèl·lules progenitores neuronals i les neurones durant el desenvolupament cerebral en ratolins. La inducció amb alts nivells dels factors de Yamanaka va provocar una alteració de la identitat cel·lular, tant en neurones com en progenitors, induint una desdiferenciació completa i l'adquisició de la plenipotència. No obstant això, nivells més baixos d'inducció van ser ben tolerats i van resultar en una expansió cortical. Experiments d'immunohistoquímica, BrdU i scRNA-seq van confirmar una expansió tant de progenitors apicals com de neurones després de la inducció moderada dels factors. Observem que aquesta expansió cortical i l'augment en el nombre de neurones i cèl·lules glials es mantenien fins a l'edat adulta. Cal destacar que la reprogramació transitòria durant el desenvolupament no va suposar efectes perjudicials en etapes adultes i fins i tot es va observar una millora en el rendiment conductual, especialment en el comportament motor i social.
El segon objectiu d'aquesta tesi és avaluar si la reprogramació transitòria in vivo podria conferir protecció enfront de malalties neurodegeneratives en el context de la malaltia d'Alzheimer. Evidenciem que les neurones principals de l'hipocamp toleraven la inducció intermitent dels factors de Yamanaka durant diversos mesos. En ratolins 5xFAD, un model de ratolí de la malaltia d'Alzheimer, la reprogramació parcial durant cinc mesos va rescatar la densitat d’espines a les neurones granulars al gir dentat i va millorar tant el nombre com la mida de les plaques Aβ a l'hipocamp. Aquests efectes protectors es van associar amb la prevenció de diverses característiques de la malaltia d'Alzheimer, incloent-hi signatures moleculars alterades i l'envelliment accelerat en el model de ratolí 5xFAD. Així mateix, els ratolins que es van sotmetre a reprogramació transitòria van mostrar una millora en els dèficits cognitius relacionats amb la malaltia d'Alzheimer.
La capacitat dels factors de Yamanaka per a transformar cèl·lules diferenciades en estats pluripotents ha suposat una revolució i ha obert la porta a tècniques de medicina regenerativa en aquest escenari. No obstant això, l'activació no controlada d'aquests factors comporta sovint una transformació oncogènica, la qual cosa limita la seva aplicabilitat clínica. Ajustant amb precisió la finestra temporal d'expressió, aprofitem el potencial regeneratiu de la reprogramació mentre reduïm els efectes adversos.
Els nostres resultats suggereixen que la reprogramació transitòria in vivo pot representar una estratègia viable per a promoure la plasticitat neuronal i la resiliència enfront de malalties neurodegeneratives. A pesar que són necessaris més estudis per a optimitzar els mètodes d'administració i avaluar la seguretat a llarg termini, aquest nou enfocament ofereix una via prometedora per a la regeneració cerebral. Comprendre els mecanismes precisos que intervenen a l'expansió cortical i la neuroprotecció mitjançant reprogramació transitòria serà clau per a traslladar aquests coneixements a intervencions terapèutiques.

# metadata.dc.title[].value
Expansion of the neocortex and protection from neurodegeneration by in vivo transient reprogramming