Visceral motor innervation instructs the development of progenitor and vascular niches

I motoneuroni viscerali sono una particolare classe di motoneuroni spinali che trasmettono input centrali al sistema nervoso simpatico, controllando l’omeostasi di tutti gli organi e le ghiandole del corpo. I meccanismi molecolari che guidano la navigazione degli assoni viscerali verso i loro target sono poco compresi. Oltre ad innervare la catena di gangli simpatici, gli assoni viscerali contattano gli organi cromaffini (inclusa la midollare del surrene) localizzati nella regione aorta-gonade-mesonefro (AGM). Lungo il loro percorso verso i tessuti target, gli assoni viscerali sono esposti a molteplici microambienti celluari. Tuttavia non è noto se e come questi assoni influenzino processi morfogenetici nei tessuti che incontrano lungo il loro tragitto. Nel presente lavoro di tesi, mostriamo che i motoneuroni viscerali presentano un pattern di innervazione singolare e interagiscono con specifiche nicchie cellulari durante lo sviluppo embrionale. (1) Riportiamo che i nervi viscerali sostengono la migrazione di progenitori di neuroni simpatici e cellule cromaffini e che l’integrità del loro pattern di innervazione è indispensabile per il corretto sviluppo di diverse componenti del sistema nervoso simpatico. (2) L’analisi trascrittomica condotta su colonne motorie viscerali ha rivelato che i motoneuroni viscerali esprimono geni pro-ematopoietici (Kit Ligand and Angiopoietin 1). Inoltre, la formazione della connettività viscerale a livello della AGM avviene simultaneamente con la comparsa di cellule staminali ematopoietiche mature (HSC), suggerendo un ruolo degli assoni viscerali nel controllo dell’ematopoiesi. Tuttavia, abbiamo riscontrato che la rimozione genetica dei motoneuroni non interferisce con la formazione di HSC nell’aorta. (3) Tramite l’analisi di embrioni che esprimono GFP sotto il controllo di un promotore specifico dei motoneuroni, abbiamo osservato interazioni tra assoni viscerali e cellule germinali primordiali (PGC) a livello della AGM. Abbiamo trovato che alterazioni dell’innervazione viscerale o della struttura vascolare risultano in un accumulo transiente di PGC nella regione sub-aortica, suggerendo un ruolo per nervi e vasi nell’influenzare lo sviluppo di questi progenitori. (4) Infine, mostriamo che l’interazione tripartita tra nervi viscerali, precursori delle cellule di Schwann (SCP) e vasi è essenziale per lo sviluppo della ghiandola surrenale. Durante lo sviluppo embrionale, le cellule cromaffini differenziano dai SCP, che originano dalla cresta neurale e migrano lungo i nervi viscerali per colonizzare il primordio della ghindola surrenale, formando unità endocrine in associazione con i vasi. Riportiamo che la ablazione genetica di motoneuroni precoce, ma non tardiva, compromette la migrazione dei SCP e conduce ad una crescita aberrante di vasi in regioni midollari. Inoltre, la rimozione del recettore Plexin-D1, o del suo ligando Semaphorin-3C (Sema3C), disarticola la relazione spaziale tra la rete vascolare e le unità neuroendocrine. In particolare, Sema3C secreta dai terminali degli assoni viscerali o dai SCP agisce in modo paracrino sulle cellule endoteliali esprimenti Plexin-D1 e istruisce il rimodellamento della rete vascolare, assicurando una perfetta congruenza tra unità di cellule cromaffini, assoni viscerali e vasi, la quale è di fondamentale importanza per la funzionalità della ghiandola surrenale. In conclusione, i nostri risultati indicano che i nervi viscerali modellano il microambiente cellulare circostante attraverso il rilascio di segnali specifici, forniscono un supporto a progenitori in migrazione e costituiscono nicchie transitorie per cellule staminali.

Visceral motor neurons are a special class of spinal motor neurons that provide efferent inputs to the sympathetic nervous system, regulating the bodily functions of all visceral organs and glands. The mechanisms that guide visceral axon pathfinding toward their targets are poorly understood. Visceral motor axons project to the sympathetic ganglia chain along the trunk of the embryo and innervate chromaffin organs (including the adrenal medulla) located in the Aorta-Gonad-Mesonephros (AGM) region. Along the path toward their innervation targets, visceral axons are exposed to a variety of different cellular microenvironments, but little is known about whether and how they influence morphogenesis in the tissues encountered en route. In this thesis work, we show that visceral motor neurons display a unique connectivity pattern and interact with discrete cellular niches in the developing embryo. (1) We report that visceral nerves sustain the migration of sympathetic and chromaffin precursors and that an intact motor innervation is required for the proper assembly of distinct sympathetic components. (2) Transcriptomic analysis of micro-dissected visceral motor column revealed that visceral motor neurons express hematopoietic factors (Kit Ligand and Angiopoietin 1). Moreover, the establishment of the visceral connectivity in the AGM is synchronized with the emergence of definitive hematopoietic stem cells (HSCs), suggesting a role for motor axons in controlling haematopoiesis. However, we found that genetic ablation of motor neurons is not sufficient to significantly perturb HSC generation in the dorsal aorta. (3) Using transgenic embryos expressing a motor neuronal GFP reporter, we tracked the interactions of visceral motor axons with migrating primordial germ cells (PGCs) in the AGM. We found that perturbations of either visceral innervation or vasculature patterning result in a transient accumulation of PGCs in the subaortic space, suggesting that nerves and vessels could influence PGC biology. (4) Finally, we show that the tripartite interaction of visceral nerves, Schwann cell precursors (SCPs) and vessels ensures the proper adrenal gland assembly. During development, adrenal chromaffin cells differentiate from neural crest-derived SCPs that migrate along visceral motor axons to colonize the adrenal primordium and form endocrine units in close association with blood vessels. We report that early, but not late, genetic ablation of motor neurons impairs SCP migration to the adrenal primordium and leads to aberrant vessel growth into medullary territories. Moreover, loss of the endothelial guidance receptor Plexin-D1, or its ligand Semaphorin-3C (Sema3C), disrupts the spatial relationship between the adrenal vascular network and innervated chromaffin cell units. Thus, paracrine release of Sema3C from either SCPs or motor axon terminals instructs vascular remodelling via endothelial Plexin-D1 to ensure chromaffin, nerve and vessel congruency, critical for adrenal gland physiology. Overall, our findings suggest that visceral motor nerves shape their cellular microenvironment through the release of specific signals and serve as migratory substrate to organize transient stem and progenitor cell niches.