Ce travail a pour objet l'étude de la fonction de la protéine LGI1. Des mutations dans le gène LGI1 (leucine-rich, glioma-inactivated 1) sont responsables de l'épilepsie autosomique dominante avec crises à symptomatologie auditive (ADEAF), un syndrome épileptique familial qui est caractérisé par des symptômes auditifs et qui survient à l'adolescence ou chez le jeune adulte. Par ailleurs, des anticorps dirigés contre la protéine LGI1 ont été trouvés dans le liquide cérébro-spinal de patients présentant une encéphalite limbique autoimmune avec crises d'épilepsie, qui apparaît de façon aiguë chez l'adulte. La perte de fonction de LGI1, une protéine neuronale sécrétée, entraîne donc des crises chez l'Homme soit par haploinsuffisance (ADEAF) soit par un mécanisme autoimmun (encéphalite limbique). La littérature rapporte que LGI1 pourrait agir au niveau de la synapse glutamatergique et, durant le développement postnatal, sur la maturation des neurones glutamatergiques. Sa fonction est donc encore mal connue et controversée. Afin de mimer la perte de fonction de LGI1 chez l'animal, un modèle de souris knockout a auparavant été généré par l'équipe. Ces souris déficientes de façon constitutive pour le gène Lgi1 (Lgi1-/-) reproduisent en partie la pathologie humaine avec l'émergence de crises d'épilepsie spontanées. Dans la première partie de ce travail de thèse, nous avons généré et caractérisé le phénotype de souris knockout conditionnelles. Nous avons montré que la délétion de Lgi1 restreinte aux neurones glutamatergiques chez l'embryon ou chez l'adulte est suffisante pour provoquer des crises spontanées. Au contraire, la délétion de Lgi1 dans les interneurones GABAergiques à parvalbumine n'induit pas de changement du seuil d’apparition des crises. Ces résultats sont en faveur de l'hypothèse que la protéine Lgi1sécrétée par les neurones glutamatergiques a une contribution déterminante à laphysiopathologie des épilepsies liées à LGI1. Nous avons aussi démontré le rôle crucial decette protéine pour maintenir une excitabilité normale du développement à l'âge adulte.Dans la seconde partie, l'étude des souris Lgi1-/- constitutives a permis d'établir que la déficience en Lgi1 n'entraîne pas d'altérations de la morphologie des dendrites et dessynapses des neurones glutamatergiques. Par contre, elle conduit à une augmentation de latransmission synaptique glutamatergique due à une augmentation de la libération vésiculaire de glutamate dans la fente synaptique, suggérant un rôle présynaptique pourLgi1. Cet effet précède le début des crises et pourrait donc sous-tendre le phénotype épileptique.La poursuite de nos recherches consistera à préciser les mécanismes d'action présynaptique de LGI1. A plus long terme, l'identification récente de mutations du gène RELN dans l'ADEAF ouvrira de nouvelles voies de recherche, en particulier l'étude des interactions entre LGI1 et Reelin. / Mutations in the gene LGI1 (leucine-rich, glioma-inactivated 1) have been reported in families with autosomal dominant epilepsy with auditory features (ADEAF). ADEAF is a well-defined inherited condition consisting of adolescence/early adulthood-onset lateral temporal seizures. Moreover, LGI1 antibodies are involved in autoimmune limbic encephalitis, an acquired epileptic disorder of adulthood associated with memory loss and confusion. LGI1 loss-of-function caused by haploinsufficiency (ADEAF) or by autoimmunity (limbic encephalitis) triggers seizures in Human. LGI1 is a secreted neuronal protein. Its function in the brain is still uncertain and controversial, but there is evidence that LGI1 acts at the glutamatergic synapses and in the maturation of glutamatergic neurons during postnatal development. To mimic LGI1 loss-of-function in animal, a knockout mouse model has been previously generated. Germline Lgi1-deficient mice (Lgi1-/-) recapitulate several features of the human disease with early-onset spontaneous seizures.During the first part of my thesis project, I generated Lgi1 conditional knockout mice and characterized their phenotype. Selective deletion of Lgi1 in glutamatergic neurons during embryogenesis or adulthood is sufficient to generate spontaneous seizures. In contrast, neither spontaneous seizures nor increased seizure susceptibility to convulsant were observed when Lgi1 deletion was restricted to parvalbumin-positive GABAergic interneurons. Together, these data suggested that Lgi1 secreted from excitatory neurons makes a major contribution to the pathogenesis of LGI1-related epilepsies. We also demonstrated that Lgi1 is required from embryogenesis to adulthood to maintain normal circuit excitability. During the second part, we showed, using germline Lgi1-/- mice, that Lgi1 deficiency does not alter the dendritic or synaptic morphology of glutamatergic neurons. However, it induces an increased synaptic release of glutamate that leads to an increased glutamatergic transmission. This effect suggests a presynaptic role for Lgi1. By preceding seizure onset, it may underlie the epileptic phenotype. Next step will be to precise how LGI1 acts at the presynaptic side. Also, the recent identification of mutations in the gene RELN in ADEAF will certainly open new avenue, especially LGI1 and Reelin interaction studies.

Caspr2 est une molécule d'adhérence impliquée dans diverses pathologies neurologiques telles que l'autisme et l'encéphalite limbique (EL). Les mécanismes pathogéniques restent inconnus. Caspr2 est associé aux canaux potassiques Kv1.1/1.2 aux juxtaparanoeuds et au segment initial (SI). Dans un premier article publié dans Front. Cell. Neurosci. (2015), nous avons mis en évidence que les autoanticorps anti-Caspr2 issus de patients atteints d'EL ciblent majoritairement les neurones GABAergiques. Caspr2 est localisé au niveau des axones et des terminaisons présynaptiques inhibitrices dans les neurones d'hippocampe en culture. De plus, nous avons généré une chimère Caspr2-Fc soluble qui a permis d’identifier TAG-1 comme récepteur de Caspr2 localisé au niveau du compartiment somato-dendritique postsynaptique. Les neurones incubés avec des IgGs de patients, présentent une densité diminuée des clusters de Géphyrine marqueur des post-synapses inhibitrices. Ces anticorps sont d'isotype IgG4 et reconnaissent le plus communément des épitopes de la région Discoïdine-LaminineG1. Un blocage fonctionnel de Caspr2 au niveau synaptique permettrait de comprendre l'hyperexcitabilité associée à l'EL. Dans un second article en préparation, nous avons étudié la régulation de l’expression de Caspr2 au SI. Nous avons utilisé différentes constructions et identifié les domaines LamineG2-EGF1 extracellulaires de Caspr2 requis pour son expression axonale. De plus, les domaines cytoplasmiques de liaison aux protéines 4.1B et PDZ sont impliqués dans la rétention de Caspr2 et MPP2 au SI. Notablement, l'expression de TAG-1 ou ADAM22 induit des effets opposés sur l'expression de Caspr2 au SI. / Caspr2 is a cell adhesion molecule associated with neurologic diseases, such as autism spectrum disorders and limbic encephalitis. The underlying pathogenic mechanisms are still unknown. Caspr2 is associated with the voltage-gated potassium channels Kv1.1/1.2 localized at the axon initial segment (AIS) and the juxtaparanodes in myelinated axons. In a first paper published in Front. Cell. Neurosci. (2015), we characterized anti-Caspr2 autoantibodies from limbic encephalitis (LE) patients and showed that these autoantibodies preferentially targeted GABAergic neurons. Caspr2 was localized along axons and at the presynaptic terminals of inhibitory neurons in hippocampal cultures. Next, we generated a soluble Caspr2-Fc chimera to identify TAG-1 as a receptor for Caspr2 localized at the somato-dendritic compartment and post-synapses. We determined that neurons displayed decreased synaptic gephyrin clusters when incubated with anti-Caspr2 IgGs from LE patients. The autoantibodies mainly bound the N-terminal Discoidin-LamininG1 domains and were of the IgG4 isotype. They may exert functional blocking activity on inhibitory connections underlying the hyperexcitability linked with LE. In a second article in preparation, we examined the regulated expression of Caspr2 at the AIS using deletion and reporter constructs. We mapped the LamininG2 and EGF1 modules in the ectodomain as implicated in the axonal distribution of Caspr2 and the cytoplasmic motifs for binding to 4.1B and PDZ proteins as implicated in Caspr2 AIS retention together with MPP2. Strikingly, co-expression with TAG-1 and ADAM22 induced opposite effects on AIS Caspr2 distribution.

L’encéphalite limbique à auto-anticorps anti-CASPR2 est une atteinte du système nerveux central, caractérisée par la présence des auto-anticorps (autoAcs) dirigé contre CASPR2 dans le sérum et fluide céphalorachidien. La pathologie affecte majoritairement des hommes âgés présentant l’épilepsie comme symptôme prédominant. CASPR2 est une molécule d’adhésion neuronale, connue pour son rôle d’assemblage des canaux Kv1, régulateurs de l’excitabilité neuronale, à la région juxtaparanodale du nœud de Ranvier, une organisation essentielle pour la conduction saltatoire des flux nerveux. Un nombre croissant de données dans la littérature suggère un rôle pour CASPR2 dans des fonctions synaptiques et l’activité neuronale. Ceci pourrait expliquer l’épilepsie, un symptôme neurologique qui trouve son origine dans la perturbation de l’activité neuronale, observée chez les patients avec de l’encéphalite limbique anti-CASPR2. Dans ce travail de thèse, j’ai utilisé des autoAcs de patients comme outil pour investiguer le rôle de CASPR2 dans des neurones normalement développés en culture, permettant aussi d’évaluer l’effet des autoAcs des patients sur les fonctions synaptiques et de révéler des mécanismes physiopathologiques possibles sous-jacents à la maladie. Je me suis d’abord intéressée aux effets des autoAcs des patients sur l’expression et la distribution en surface de CASPR2 et sur l’expression des canaux Kv1.2 dans des neurones hippocampiques matures in vitro. J’ai montré que les neurones inhibiteurs sont positifs pour les canaux Kv1.2 et CASPR2 en surface, et que les autoAcs de patients augmentent l’expression de Kv1.2 et n’induisent pas l’internalisation de CASPR2. Dans un second temps, j’ai analysé les effets des autoAcs de patients sur les synapses excitatrices et inhibitrices dans des neurones hippocampiques immatures et matures in vitro. Dans les neurones immatures, la densité des épines dendritiques et le contenu des récepteurs AMPA sont augmentés, tandis que dans les neurones matures l’altération de la géphyrin suggère une perturbation de la transmission neuronale après traitement avec des autoAcs de patients. Mes résultats permettent de mieux comprendre les fonctions de CASPR2 dans les processus synaptiques et révèlent des mécanismes pathologiques possibles des autoAcs anti-CASPR2 menant à la présentation clinique des patients atteints d’encéphalite limbique anti-CASPR2 / Anti-CASPR2 autoimmune limbic encephalitis is a central nervous system disorder, characterized by the presence of autoantibodies (autoAbs) directed against CASPR2 in the serum and cerebrospinal fluid. Elderly men are mostly affected, with epilepsy being the predominant symptom. CASPR2 is a neuronal cell adhesion molecule, known for its role in gathering Kv1 channels, regulators of neuronal excitability, at the juxtaparanodal region of the node of Ranvier, an essential organization for saltatory conduction of nervous influxes. Increasing sets of data in literature point out a role for CASPR2 in synaptic functions and neuronal activity. This could explain the observed epilepsy, a neurological symptom that finds its origin in disturbed neuronal activity, in patients with anti-CASPR2 autoimmune limbic encephalitis. In this work, I used patients’ autoAbs as a tool to investigate the role of CASPR2 in normally developed cultured neurons which also allowed me to assess the effects of patients’ autoAbs on synaptic functions and reveal possible physiopathological mechanisms underlying the disease. I first assessed the effects of patients’ autoAbs on CASPR2 surface expression and distribution and on Kv1.2 channel expression in mature in vitro hippocampal neurons. I provided evidence that inhibitory neurons are positive for both Kv1.2 channels and surface CASPR2, and that patients’ autoAbs increase Kv1.2 expression and do not induce CASPR2 internalization. Secondly, I analyzed effects of patients’ autoAbs on excitatory and inhibitory synapses in vitro, in immature and mature hippocampal neurons. In immature neurons, dendritic spine densities and AMPA receptor content are increased, while in mature neurons alteration of gephyrin suggests disturbed neuronal transmission after treatment with patients’ autoAbs. My results allow for a better understanding of CASPR2 functions in synaptic processes and unravel possible pathological mechanisms regarding how anti-CASPR2 autoAbs lead to the clinical presentation of patients with anti-CASPR2 autoimmune limbic encephalitis