Abstract

 Neural stem cells reside in the subventricular zone (SVZ) of the adult mammalian brain. This germinal region, which continually generates new neurons destined for the olfactory bulb, is composed of four cell types: migrating neuroblasts, immature precursors, astrocytes, and ependymal cells. Here we show that SVZ astrocytes, and not ependymal cells, remain labeled with proliferation markers after long survivals in adult mice. After elimination of immature precursors and neuroblasts by an antimitotic treatment, SVZ astrocytes divide to generate immature precursors and neuroblasts. Furthermore, in untreated mice, SVZ astrocytes specifically infected with a retrovirus give rise to new neurons in the olfactory bulb. Finally, we show that SVZ astrocytes give rise to cells that grow into multipotent neurospheres in vitro. We conclude that SVZ astrocytes act as neural stem cells in both the normal and regenerating brain.

The adult mammalian subventricular zone (SVZ) contains stem cells that give rise to neurons and glia. In vivo , SVZ progeny migrate 3–8 mm to the olfactory bulb, where they form neurons. We show here that the SVZ of the lateral wall of the lateral ventricles in adult mice is composed of neuroblasts, glial cells, and a novel putative precursor cell. The topographical organization of these cells suggests how neurogenesis and migration are integrated in this region. Type A cells had the ultrastructure of migrating neuronal precursors. These cells were arranged as chains parallel to the walls of the ventricle and were polysialylated neural adhesion cell molecule- (PSA–NCAM), TuJ1- (β-tubulin), and nestin-positive but GFAP- and vimentin-negative. Chains of Type A cells were ensheathed by two ultrastructurally distinct astrocytes (Type B1 and B2) that were GFAP-, vimentin-, and nestin-positive but PSA–NCAM- and TuJ1-negative. Type A and B2 (but not B1) cells incorporated [ 3 H]thymidine. The most actively dividing cell in the SVZ corresponded to Type C cells, which had immature ultrastructural characteristics and were nestin-positive but negative to the other markers. Type C cells formed focal clusters closely associated with chains of Type A cells. Whereas Type C cells were present throughout the SVZ, they were not found in the rostral migratory stream that links the SVZ with the olfactory bulb. These results suggest that chains of migrating neuroblasts in the SVZ may be derived from Type C cells. Our results provide a topographical model for the adult SVZ and should serve as a basis for the in vivo identification of stem cells in the adult mammalian brain.

The inference of transcriptional networks that regulate transitions into physiological or pathological cellular states remains a central challenge in systems biology. A mesenchymal phenotype is the hallmark of tumour aggressiveness in human malignant glioma, but the regulatory programs responsible for implementing the associated molecular signature are largely unknown. Here we show that reverse-engineering and an unbiased interrogation of a glioma-specific regulatory network reveal the transcriptional module that activates expression of mesenchymal genes in malignant glioma. Two transcription factors (C/EBPβ and STAT3) emerge as synergistic initiators and master regulators of mesenchymal transformation. Ectopic co-expression of C/EBPβ and STAT3 reprograms neural stem cells along the aberrant mesenchymal lineage, whereas elimination of the two factors in glioma cells leads to collapse of the mesenchymal signature and reduces tumour aggressiveness. In human glioma, expression of C/EBPβ and STAT3 correlates with mesenchymal differentiation and predicts poor clinical outcome. These results show that the activation of a small regulatory module is necessary and sufficient to initiate and maintain an aberrant phenotypic state in cancer cells. Some highly aggressive human glioblastomas express genes characteristic of a mesenchymal phenotype, and this signature is known to be associated with poor prognosis. Using a bio-informatics approach, the transcription factors STAT3 and C/EBPβ have been identified as master regulators of this mesenchymal phenotype. They cooperate to promote tumorigenesis and invasion, and elimination of both factors leads to a collapse in mesenchymal gene expression and reduces tumour aggressiveness. This systems biology method of identifying master regulators that choreograph malignancy could help to predict clinical outcomes and could open the door to new therapeutic strategies. A mesenchymal phenotype is the hallmark of tumour aggressiveness in human malignant glioma, but the regulatory programs responsible for implementing the associated molecular signature are largely unknown. Reverse-engineering and an unbiased interrogation of a glioma-specific regulatory network now reveal the transcription factors that activate expression of mesenchymal genes in malignant glioma.

Abstract

 Neural stem cells in the subventricular zone (SVZ) continue to generate new neurons in the adult brain. SVZ cells exposed to EGF in culture grow to form neurospheres that are multipotent and self-renewing. We show here that the majority of these EGF-responsive cells are not derived from relatively quiescent stem cells in vivo, but from the highly mitotic, Dlx2⁺, transit-amplifying C cells. When exposed to EGF, C cells downregulate Dlx2, arrest neuronal production, and become highly proliferative and invasive. Killing Dlx2⁺ cells dramatically reduces the in vivo response to EGF and neurosphere formation in vitro. Furthermore, purified C cells are 53-fold enriched for neurosphere generation. We conclude that transit-amplifying cells retain stem cell competence under the influence of growth factors.

Summary

 Stem cells reside in specialized niches that regulate their self-renewal and differentiation. The vasculature is emerging as an important component of stem cell niches. Here, we show that the adult subventricular zone (SVZ) neural stem cell niche contains an extensive planar vascular plexus that has specialized properties. Dividing stem cells and their transit-amplifying progeny are tightly apposed to SVZ blood vessels both during homeostasis and regeneration. They frequently contact the vasculature at sites that lack astrocyte endfeet and pericyte coverage, a modification of the blood-brain barrier unique to the SVZ. Moreover, regeneration often occurs at these sites. Finally, we find that circulating small molecules in the blood enter the SVZ. Thus, the vasculature is a key component of the adult SVZ neural stem cell niche, with SVZ stem cells and transit-amplifying cells uniquely poised to receive spatial cues and regulatory signals from diverse elements of the vascular system.

The subventricular zone (SVZ) is the largest neurogenic niche in the adult mammalian brain. We found that the brain-enriched microRNA miR-124 is an important regulator of the temporal progression of adult neurogenesis in mice. Knockdown of endogenous miR-124 maintained purified SVZ stem cells as dividing precursors, whereas ectopic expression led to precocious and increased neuron formation. Furthermore, blocking miR-124 function during regeneration led to hyperplasias, followed by a delayed burst of neurogenesis. We identified the SRY-box transcription factor Sox9 as being a physiological target of miR-124 at the transition from the transit amplifying cell to the neuroblast stage. Sox9 overexpression abolished neuronal differentiation, whereas Sox9 knockdown led to increased neuron formation. Thus miR-124-mediated repression of Sox9 is important for progression along the SVZ stem cell lineage to neurons.

Cells in the brains of adult mammals continue to proliferate in the subventricular zone (SVZ) throughout the lateral wall of the lateral ventricle. Here we show, using whole mount dissections of this wall from adult mice, that the SVZ is organized as an extensive network of chains of neuronal precursors. These chains are immunopositive to the polysialylated form of NCAM, a molecule present at sites of plasticity, and TuJ1, an early neuronal marker. The majority of the chains are oriented along the rostrocaudal axis and many join the rostral migratory stream that terminates in the olfactory bulb. Using focal microinjections of DiI and transplantation of SVZ cells carrying a neuron-specific reporter gene, we demonstrate that cells originating at different rostrocaudal levels of the SVZ migrate rostrally and reach the olfactory bulb where they differentiate into neurons. Our results reveal an extensive network of pathways for the tangential chain migration of neuronal precursors throughout the lateral wall of the lateral ventricle in the adult mammalian brain.

Neuronal precursors reside in the subventricular zone (SVZ) of adult mammals. This region is composed of a network of chains of migrating neuroblasts ensheathed by astrocytes and juxtaposed by clusters of immature precursors (type C cells). Here we show that after antimitotic treatment with cytosine-β- d -arabinofuranoside, neuroblasts and type C cells are eliminated but some astrocytes remain. Remarkably, the SVZ network rapidly regenerates. Soon after cytosine-β- d -arabinofuranoside treatment astrocytes divide. Two days later, type C cells reappear, followed at 4.5 days by migrating neuroblasts. By 10 days the SVZ network is fully regenerated, and the orientation and organization of chains of migrating neuroblasts resemble that of normal mice. This regeneration reveals an unexpected plasticity in the adult central nervous system and should provide a model system to study the early stages of neurogenesis in the adult brain.

Adult neurogenic niches harbor quiescent neural stem cells; however, their in vivo identity has been elusive. Here, we prospectively isolate GFAP+CD133+ (quiescent neural stem cells [qNSCs]) and GFAP+CD133+EGFR+ (activated neural stem cells [aNSCs]) from the adult ventricular-subventricular zone. aNSCs are rapidly cycling, highly neurogenic in vivo, and enriched in colony-forming cells in vitro. In contrast, qNSCs are largely dormant in vivo, generate olfactory bulb interneurons with slower kinetics, and only rarely form colonies in vitro. Moreover, qNSCs are Nestin negative, a marker widely used for neural stem cells. Upon activation, qNSCs upregulate Nestin and EGFR and become highly proliferative. Notably, qNSCs and aNSCs can interconvert in vitro. Transcriptome analysis reveals that qNSCs share features with quiescent stem cells from other organs. Finally, small-molecule screening identified the GPCR ligands, S1P and PGD2, as factors that actively maintain the quiescent state of qNSCs.