Les cellules gliales sont essentielles au fonctionnement du système nerveux. Dans la rétine, les cellules gliales de Müller assurent à la fois l’homéostasie du tissu et la protection des neurones, notamment celle des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). L’hypothèse principale de la thèse est que les cellules de Müller joueraient un rôle primordial dans la survie neuronale tant au plan de la signalisation des neurotrophines/proneurotrophines par suite d’une blessure que lors des mécanismes d’excitotoxicité. Contrairement au brain-derived neurotrophic factor (BDNF), le nerve growth factor (NGF) n’est pas en mesure d’induire la survie des CGRs après une section du nerf optique. Le premier objectif de la thèse a donc été de localiser les récepteurs p75NTR et TrkA du NGF dans la rétine adulte et d’établir leur fonction respective en utilisant des ligands peptidomimétiques agonistes ou antagonistes spécifiques pour chacun des récepteurs. Nos résultats ont démontré que TrkA est surexprimé par les CGRs après l’axotomie, tandis que p75NTR est spécifiquement exprimé par les cellules de Müller. Alors que NGF n’est pas en mesure d’induire la survie des CGRs, l’activation spécifique de TrkA par des ligands peptidomimétique est nettement neuroprotectrice. De façon surprenante, le blocage sélectif de p75NTR ou l’absence de celui-ci protège les CGRs de la mort induite par l’axotomie. De plus, la combinaison de NGF avec l’antagoniste de p75NTR agit de façon synergique sur la survie des CGRS. Ces résultats révèlent un nouveau mécanisme par lequel le récepteur p75NTR exprimé par les cellules gliales de Müller peut grandement influencer la survie neuronale. Ensuite, nous avons voulu déterminer l’effet des proneurotrophines dans la rétine adulte. Nous avons démontré que l’injection de proNGF induit la mort des CGRs chez le rat et la souris par un mécanisme dépendant de p75NTR. L’expression de p75NTR étant exclusive aux cellules de Müller, nous avons testé l’hypothèse que le proNGF active une signalisation cellulaire non-autonome qui aboutit à la mort des CGRs. En suivant cette idée, nous avons montré que le proNGF induit une forte expression du tumor necrosis factor α (TNFα) dans les cellules de Müller et que l’inhibition du TNF bloque la mort neuronale induite par le proNGF. L’utilisation de souris knock-out pour la protéine p75NTR, son co-récepteur sortiline, ou la protéine adaptatrice NRAGE a permis de montrer que la production de TNF par les cellules gliales était dépendante de ces protéines. Le proNGF semble activer une signalisation cellulaire non-autonome qui cause la mort des neurones de façon dépendante du TNF in vivo. L’hypothèse centrale de l’excitotoxicité est que la stimulation excessive des récepteurs du glutamate sensibles au N-Methyl-D-Aspartate (NMDA) est dommageable pour les neurones et contribue à plusieurs maladies neurodégénératives. Les cellules gliales sont soupçonnées de contribuer à la mort neuronale par excitotoxicité, mais leur rôle précis est encore méconnu. Le dernier objectif de ma thèse était d’établir le rôle des cellules de Müller dans cette mort neuronale. Nos résultats ont démontré que l’injection de NMDA induit une activation du nuclear factor κB (NF-κB) dans les cellules de Müller, mais pas dans les CGRs, et que l’utilisation d’inhibiteurs du NF-κB empêche la mort des CGRs. De plus, nous avons montré que les cellules de Müller en réaction à l’activation du NF-κB produisent la protéine TNFα laquelle semble être directement impliquée dans la mort des CGRs par excitotoxicité. Cette mort cellulaire se produit principalement par l’augmentation à la surface des neurones des récepteurs AMPA perméables au Ca2+, un phénomène dépendant du TNFα. Ces donnés révèlent un nouveau mécanisme cellululaire non-autonome par lequel les cellules gliales peuvent exacerber la mort neuronale lors de la mise en jeu de mécanismes excitotoxiques. / Glial cells are essential for the functioning of the nervous system. In the retina, the Müller glial cells ensure the homeostasis of this tissue as well as the protection of neurons including the retinal ganglion cells (RGCs). The main hypothesis of this thesis is that Müller cells play a predominant role in neuronal survival both at the levels of neurotrophin/proneurotrophin signaling following injury and excitotoxic mechanisms. Unlike the brain-derived neurotrophic factor (BDNF), the nerve growth factor (NGF) is unable to induce RGCs survival following optic nerve transection. The first objective of the thesis was therefore to describe the expression of the two receptors of NGF, p75NTR and TrkA, in the adult retina and to address their functional role by using peptidomimetic agonistic or antagonistic ligands specific for each receptor. Our results showed that TrkA is overexpressed by RGCs following axotomy, whereas p75NTR is specifically expressed by Müller cells. While NGF by itself does not promote RGC survival, selective activation of TrkA receptors using peptidomimetic ligands is markedly neuroprotective. Surprisingly, selective blockers of p75NTR, or the absence of p75NTR, protect RGCs from axotomy-induced death. Moreover, combination of NGF or TrkA agonists with p75NTR antagonists functions synergistically to enhance RGC survival. These results reveal a new mechanism by which p75NTR expression by Müller glia may profoundly influence neuronal survival. Next, we wanted to address the effect of proneurotrophins in the adult retina. We showed that injection of proNGF induces the death of RGCs in rats and mice by a p75NTR-dependent signaling mechanism. Expression of p75NTR in the adult retina being confined to Müller glial cells, we tested the hypothesis that proNGF activates a non-cell autonomous signaling pathway to induce RGC death. Consistent with this notion, we showed that proNGF induced a robust expression of tumor necrosis factor α (TNFα) in Müller cells, and that genetic or biochemical ablation of TNFα blocked proNGF-induced death of retinal neurons. Mice rendered null for p75NTR, its co-receptor sortilin, or the adaptor protein NRAGE were defective in proNGF-induced glial TNFα production and did not undergo proNGF-induced retinal ganglion cell death. We concluded that proNGF activates a non-cell autonomous signaling pathway that causes TNFα-dependent death of retinal neurons in vivo. The central hypothesis of excitotoxicity is that excessive stimulation of neuronal N-Methyl-D-Aspartate (NMDA)-sensitive glutamate receptors is harmful to neurons and contributes to a variety of neurological disorders. Glial cells have been proposed to participate in excitotoxic neuronal loss, but their precise role is poorly defined. In this in vivo study, we showed that NMDA induces a strong NF-κB activation in Müller glia, but not in retinal neurons. Intriguingly, NMDA-induced death of retinal neurons was effectively blocked by inhibitors of NF-κB activity. We demonstrated that TNFα protein produced in Müller glial cells via an NMDA-induced NF-κB dependent pathway plays a crucial role in the excitotoxic loss of retinal neurons. This cell loss occurs mainly through a TNFα-dependent increase in Ca2+-permeable AMPA receptors on susceptible neurons. Thus, our data reveal a novel non-cell-autonomous mechanism by which glial cells can profoundly exacerbate neuronal death following excitotoxic injury.

Le glaucome, comme beaucoup d’autres maladies neurodégénératives, entraîne la mort des neurones et reste à ce jour incurable, représentant de ce fait un véritable fardeau pour la société. Il y a donc un réel besoin de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques afin de ralentir la progression, voire de guérir les maladies neurologiques. Depuis des décennies, les chercheurs qui étudient les blessures ainsi que les maladies qui affectent le système nerveux central (SNC) ont focalisé leur attention sur la compréhension des mécanismes impliqués dans la dégénérescence axonale afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques pour la protection et la régénération des axones. Mais des données récentes indiquent que des déficits dendritiques constituent une caractéristique précoce de la neurodégénérescence, un phénomène maintenant appelé la pathologie dendritique et qui jouerait un rôle prépondérant dans la pathogénèse des maladies neurodégénératives comme le glaucome. Parce que les dendrites représentent des structures essentielles pour la communication et la fonction neuronale, il est donc crucial de protéger et de restaurer non seulement les axones mais aussi les dendrites des neurones encore vivants afin d’améliorer la condition des patients. Malgré cela, la capacité des neurones à régénérer leurs arbres dendritiques reste encore largement inconnue. L’hypothèse centrale de cette thèse propose que : 1) les neurones du SNC peuvent faire repousser leurs dendrites après une blessure axonale, et 2) l’identification des voies de signalisation impliquées pourrait offrir de nouvelles possibilités thérapeutiques permettant de ralentir, voire de prévenir la dégénérescence des neurones rétiniens lors de pathologies oculaires telles que le glaucome. Dans la première partie de cette thèse, nous avons démontré que les neurones des mammifères sont pourvus d’une capacité à restaurer leur arbre dendritique et leurs connectivités synaptiques. Grâce à l’utilisation de souris transgénique soumis à une transsection du nerf optique (axotomie), nous avons montrés que les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) subissent rapidement un rétrécissement dendritique, bien avant que les dommages axonaux ou la perte des soma ne soient visibles. Nous avons également démontré que l’administration quotidienne d’insuline, par voie topique (gouttes oculaires) ou systémique (injection intrapéritonéale) après la rétraction des dendrites mais avant la mort neuronale induit une régénération robuste des dendrites ainsi qu’une restauration des connections avec les cibles présynaptiques. De plus, cette régénération des arbres dendritiques suite au traitement d’insuline permet d’étendre la survie neuronale et de restaurer la réponse rétinienne à la lumière. Des expériences de perte de fonction ciblée via l’utilisation de petits ARN interférents ont révélé que la régénération induite par l’insuline requiert l’activité des deux complexes de la voie mTOR, mTORC1 et mTORC2. Ces derniers agissent de manière synergique, mTORC1 régulant l’apparition de nouvelles branches dendritiques pour restaurer la complexité des arbres alors que mTORC2 stimule l’élongation des dendrites. Dans la deuxième étude présentée dans cette thèse, nous avons montré pour la première fois que morgana, une protéine chaperonne en aval de mTORC2, est exprimée par les CGRs et que son expression est sévèrement inhibée rapidement après une blessure axonale. Nous avons également démontré que morgana est nécessaire au succès de la régénération ainsi que de la neuroprotection induite par le traitement d’insuline. De plus, nous avons montré que le rétablissement de l’expression de morgana spécifiquement dans les CGRs via l’utilisation d’un vecteur viral (AAV) mène à une régénération robuste non seulement de leurs dendrites mais aussi de leurs synapses. Ainsi, nous avons identifié un nouveau rôle pour la protéine morgana dans la régulation de la morphologie des arbres dendritiques des neurones adultes chez les mammifères. En conclusions, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques impliqués dans la pathologie dendritique des CGRs et identifient des cibles prometteuses pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques dans le cadre des maladies neurodégénératives telles que le glaucome. / Glaucoma, just as many other neurodegenerative diseases, triggers neuronal death and remained incurable, hence representing a heavy burden for the society. Therefore, there is a critical need for developing new therapeutic strategies to delay the progression of and, ultimately, cure neurological conditions. For decades, neuroscientists studying injuries and diseases of the CNS have largely focused on understanding the mechanisms of axon degeneration to identify new targets for axonal protection and regeneration. But recent data indicates that dendritic deficits represent an early feature of neurodegeneration, a phenomenon now called dendritic pathology and playing a key role in the pathogenesis of neurodegenerative diseases including glaucoma. Because dendrites are essential structures for neuronal communication and function, it is therefore crucial to protect or restore connectivity as well as axons of surviving neurons to improve patients’ condition. In spite of this, the ability of injured neurons to regenerate dendrites remains largely ignored. The central hypothesis of the thesis is that: i) adult CNS neurons can regrow their dendrites after axonal injury, and ii) the identification of underlying signalling pathways would offer new therapeutic avenues to slow or prevent retinal ganglion cell death during ocular neuropathies such as glaucoma. In the first part of my thesis, I demonstrated that mammalian neurons are endowed with the ability to restore their dendritic arbor and synaptic connectivity. Using adult transgenic mice subjected to optic nerve axotomy, we have shown that retinal ganglion cells (RGCs) rapidly undergo dendritic shrinkage before cell death or axonal damage become visible. We also demonstrated that daily insulin, administered topically (eye drops) or systemically (intraperitoneal) after dendritic arbour shrinkage and prior to neuronal loss results in a robust regeneration of dendrites and successful reconnection with presynaptic targets. Moreover, insulin-mediated restoration of dendritic arbors extended neuronal survival and rescued lighttriggered retinal responses. Targeted loss-of-function experiments using siRNAs revealed that insulin-dependent regeneration requires both the activity of both mTOR complexes, mTORC1 and mTORC2 which act synergistically, mTORC1 promoting new dendritic branching to restore arbor complexity, while mTORC2 drives dendritic process elongation. In the second study presented in my thesis, we showed for the first time that morgana, a chaperone protein downstream of mTORC2, is expressed by RGCs and severely downregulated soon after axonal injury. We also demonstrate that morgana is required for successful insulinmediated regeneration of RGC dendrites and neuroprotection. Morgana specific knockdown using siRNA designed against morgana resulted in substantial alterations of dendrite elongation, without changes in arbor complexity. Further, we showed that AAV-mediated rescue of morgana expression selectively in RGCs promoted striking regeneration of dendrites and synapses. Hence, our findings identified a new role for morgana in the regulation of dendritic arbor morphology in adult mammalian neurons Collectively, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying RGC dendritic pathology and identified promising targets for the development of novel neuroprotective treatments for neurodegenerative diseases such as glaucoma.

Le glaucome est la principale cause de cécité irréversible dans le monde. Chez les patients atteints de cette pathologie, la perte de la vue résulte de la mort sélective des cellules ganglionnaires (CGR) de la rétine ainsi que de la dégénérescence axonale. La pression intraoculaire élevée est considérée le facteur de risque majeur pour le développement de cette maladie. Les thérapies actuelles emploient des traitements pharmacologiques et/ou chirurgicaux pour diminuer la pression oculaire. Néanmoins, la perte du champ visuel continue à progresser, impliquant des mécanismes indépendants de la pression intraoculaire dans la progression de la maladie. Il a été récemment démontré que des facteurs neuroinflammatoires pourraient être impliqués dans le développement du glaucome. Cette réponse est caractérisée par une régulation positive des cytokines pro-inflammatoires, en particulier du facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα). Cependant, le mécanisme par lequel le processus neuroinflammatoire agit sur la mort neuronale reste à clarifier. L’hypothèse principale de ce doctorat propose que les facteurs pro-inflammatoires comme le TNFα et la phosphodiestérase 4 (PDE4) interagissent avec les mécanismes moléculaires de la mort neuronale, favorisant ainsi la survie et la protection des CGRs au cours du glaucome. Dans la première partie de ma thèse, J’ai utilisé un modèle in vivo de glaucome chez des rats Brown Norway pour montrer que l’expression du TNFα est augmentée après l'induction de l'hypertension oculaire. L'hypothèse spécifique de cette étude suggère que les niveaux élevés de TNFα provoquent la mort des CGRs en favorisant l'insertion de récepteurs AMPA perméables au calcium (CP-AMPAR) à la membrane cytoplasmique. Pour tester cette hypothèse, j’ai utilisé un inhibiteur sélectif de la forme soluble du TNFα, le XPro1595. L'administration de cet agent pharmacologique a induit une protection significative des somas et des axones des neurones rétiniens. L'évaluation de la perméabilité au cobalt a montré que le TNFα soluble est impliqué dans l'insertion de CP-AMPAR à la membrane des CGRs lors du glaucome. L’exposition des neurones à une pression oculaire élevée est à l’origine de la hausse de la densité membranaire des CP-AMPARs, grâce à une diminution de l’expression de la sous-unité GluA2. La présence de GluA2 au sein du récepteur ne permet pas l’entrée du calcium à l’intérieur de la cellule. L'administration intraoculaire d’antagonistes spécifiques des CP-AMPARs promeut la protection des somas et des axones des CGRs. Ces résultats montrent que les CP-AMPARs jouent un rôle important dans la pathologie du glaucome. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé l'effet neuroprotecteur d’un inhibiteur de la PDE4, l’ibudilast, dans notre modèle de glaucome. L'hypothèse spécifique s’oriente vers une atténuation de la réponse neuroinflammatoire et de la gliose par l’administration d’ibudilast, favorisant ainsi la protection neuronale. Les résultats montrent que dans les rétines glaucomateuses, l’ibudilast diminue la gliose et l'expression de plusieurs facteurs tels que le TNFα, l'interleukine-1β (IL-1β), l’interleukine-6 (IL-6) et le facteur inhibiteur de la migration des macrophages (MIF). Chez les rats glaucomateux, nous avons observé une expression notable de PDE4A dans les cellules de Müller, qui est en corrélation avec l'accumulation de l’AMP cyclique (AMPc) dans ces cellules après un traitement d’ibudilast. Finalement, nous avons démontré que la protection des CGRs via l’administration d’ibudilast est un mécanisme dépendent de l’AMPc et de la protéine kinase A (PKA). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse identifient deux mécanismes différents impliqués dans la perte des CGRs au cours du glaucome. Ces mécanismes pourraient fournir des perspectives potentielles pour le développement de nouvelles stratégies de traitement du glaucome. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. Loss of vision in glaucoma results from the selective death of retinal ganglion cells (RGCs) and axonal degeneration. Elevated intraocular pressure (IOP) is the major risk factor for developing glaucoma, and current therapies have focused on pharmacological or surgical strategies to lower IOP. However, visual field loss continues to progress in spite of effective pressure control, indicating that mechanisms other than elevated IOP contribute to disease progression. Recent data demonstrate a neuroinflammatory component in glaucoma, characterized by upregulation of proinflammatory cytokines, most notably tumor necrosis factor α (TNFα). However, the mechanism by which the neuroinflammatory response acts on RGC death needs to be clarified. The main hypothesis of this thesis is that targeting pro-inflammatory factors including TNFα and phosphodiesterase-type 4 (PDE4), interferes with molecular mechanisms that contribute to RGC death and this will thus successfully promote neuronal protection. In the first part of my thesis, I used an in vivo glaucoma model in Brown Norway rats to show that TNFα is upregulated early after induction of ocular hypertension. The specific hypothesis of this study is that high levels of TNFα promote RGC death by mediating the membrane insertion of Ca2+-permeable AMPA receptors (CP-AMPARs). I blocked TNFα function with XPro1595, a selective inhibitor of soluble TNFα. Administration of XPro1595 effectively protected RGC soma and axons. The cobalt permeability assay was used to show that soluble TNFα triggers the membrane insertion of CP-AMPAR in RGCs of glaucomatous retinas. This CP-AMPAR activation is caused by the downregulation of GluA2 which occurs when neurons are exposed to elevated IOP. Finally, intraocular administration of specific CP-AMPAR antagonists promoted RGC soma and axon protection. Taken together, these results show that CP-AMPARs play an important role in in the pathology of glaucoma. In the second part of my thesis, I characterized the neuroprotective effect of ibudilast, an inhibitor of PDE4, in the Brown Norway glaucoma model. We hypothesized that ibudilast promotes neuron protection by attenuating gliosis and the neuroinflammatory response. The results show that in glaucomatous retinas, ibudilast attenuates gliosis and the expression of TNFα, interleukin-1β (IL-1β), interleukin-6 (IL-6) and macrophage migration inhibitory factor (MIF). Interestingly, elevated IOP leads to substantial expression of PDE4A in Müller cells, which correlates with the accumulation of cAMP in these cells after ibudilast treatment. Lastly, ibudilast promoted RGC soma and axons protection through the activation of the cAMP/PKA pathway. In conclusion, the findings presented in this thesis identify two different mechanisms underlying RGC loss in glaucoma. These mechanisms can potentially provide new insights to develop novel strategies for the treatment of glaucoma