Fragile X syndrome (FXS) is the leading cause of inherited mental retardation and developmental delay. In the vast majority of cases, this X-linked disorder is due to a CGG expansion in the 5' untranslated region of the fmr-1 gene and the resulting decreased expression of its associated protein, FMRP (Fragile X associated Mental Retardation Protein). FXS is characterized by a number of cognitive, behavioural, anatomical, and biological abnormalities. This monogenic disorder provides a unique opportunity to study the consequence of a mutation in a single gene on the development and proper functioning of the CNS. / Histological work on FMRP expression in the monkey lateral geniculate nucleus (LGN) has revealed differential staining in the magnocellular and parvocellular layers, with increased expression in the magnocellular layers (Kogan, Boutet, Cornish, Zangenehpour, & Mullen, 2004). In individuals with fragile X, this differential expression pattern is correlated at the behavioural level with impairments in the M but not the P-visual pathway processing. These findings by Kogan and colleagues, led to the hypothesis that brain regions that express high levels of FMRP are particularly susceptible to its reduced expression, as occurs in FXS. It was therefore of interest to extend this work to determine the pattern of FMRP expression throughout the monkey brain, with the aim of identifying the brain structures most susceptible to reduced expression of the fmr-1 gene product. / The current focus on the role of FMRP in RNA translation and neuronal maturation makes it timely to assemble the extant information on how reduced expression of the fmr-1 gene leads to neuronal dysmorphology. The first section of this manuscript offers a summary of recent genetic, neuroanatomical, and behavioural studies of fragile X syndrome, and provides potential mechanisms to account for the pleiotropic phenotype of this disorder. The following section presents a detailed account of the FMRP expression profile in the monkey brain, and reveals the striking correlation between the expression of the protein and behavioural deficits associated with its reduced expression, as occurs in FXS. / The last chapter of this manuscript offers insight into future trends in FXS research. A number of electrophysiological and behavioural studies point to a particular involvement of the metabotropic glutamatergic system in FXS, with a preeminent role for metabotropic glutamate receptor type V (mGluR5). The involvement of this receptor in FXS and the potential therapeutic implications of pharmacological regulation of this receptor will be discussed. / There is a body of work pointing to the remarkable behavioural similarities between FXS and autism. While FXS is a single-gene disorder, autism is associated with a number of genes, which have not yet been precisely identified. The final section of this manuscript delineates the neuroanatomical, behavioural, and linguistic overlap, as well as the differences between the two conditions. Finally, this section affords some insight as to how FXS, a single-gene disorder, may assist us in our understanding of autism. / Keywords: Fragile X Syndrome (FXS), fmr-1 mutation, lateral geniculate nucleus (LGN), anterior cingulated cortex (ACC), dentate gyros (DG), superior frontal gyrus (SFG), cerebellum, metabotropic glutamate receptor type V (mGluR5), postsynaptic density protein 95 (PSD-95), dendritic spine, autism / Abbreviations: fragile X syndrome (FXS), long-term potentiation (LTP), long-term depression (LTD), RNA-binding protein (RBP), lateral geniculate nucleus (LGN), anterior cingulated cortex (ACC), dentate gyrus (DG), superior frontal gyrus (SFG), metabotropic glutamate receptor type V (mGluR5), postsynaptic density protein 95 (PSD-95), region of interest (ROI), deep cerebellar nucleus (DCN).

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 56-65. Publié aussi en version électronique.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2002. / Bibliogr.: f. 74-80. Publié aussi en version électronique.

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Le syndrome du X fragile, première cause de retard mental héréditaire, est une maladie monogénique liée au chromosome X. Le syndrome affecte environ un homme sur 4000 et une femme sur 6000 dans la population générale. Il est causé par l'inactivation du gène Fragile Mental Retardation 1 (FMR1) entraînant l'absence de la Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP). Celle-ci est une protéine de liaison à l'ARN ayant pour rôle présumé de coordonner le devenir et la traduction d'un grand nombre d'ARN messagers (ARNm). L'absence de FMRP provoquerait une dérégulation subtile du transport des ARNm, conduisant à une altération de la synthèse protéique locale nécessaire à la connexité synaptique, entraînant ainsi le retard mental. Il est accepté que la FMRP possède des signaux de localisation nucléaire et d'exportation cytoplasmique (Nuclear Localisation Signal et Nuclear Export Signal ; NLS et NES) permettant à la protéine de pénétrer dans le noyau et supposément d'en ressortir. Cependant, les anticorps disponibles dans le passé ne permettent pas d'étudier la localisation et le rôle de FMRP dans le noyau. Grâce à de nouveaux anticorps monospécifiques développés dans le laboratoire, nous avons pu étudier la compartimentalisation de sous-populations de la protéine FMRP. Je développerai donc ici brièvement le devenir de la FMRP cytoplasmique (cFMRP) dans les neurones, et je caractériserai la FMRP nucléaire (nFMRP), que de nombreux laboratoires ont recherché durant de nombreuses années, et qui serait constituée par des isoformes particulières de la protéine FMRP qui se localiseraient dans les corps de Cajal, structures décrites il y a plus d'un siècle par Santiago Ramon y Cajal. Les données présentées ici soulèvent le doute sur le modèle de trafic nucléo-cytoplasmique de la FMRP, suggéré sur la base de rares travaux. La découverte de la nFMRP pourrait avoir d'importantes implications dans le domaine du Syndrome du chromosome X Fragile en ouvrant un champ nouveau d'étude sur le rôle nucléaire de la FMRP dans les cellules, et donc sur les conséquences de son absence chez les patients. / Fragile X syndrome, a monogenic disease linked to the chromosome X, is the first cause of inherited mental retardation. The syndrome affects about one out of 4000 man, and one out of 6000 woman. Fragile X is caused by the inactivation of the Fragile X Mental retardation (FMR1) gene, leading to the absence of its product, the Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP). The absence of FMRP, an RNA binding protein, is believed to cause translation dysregulation and defects in mRNA transport essential for local protein synthesis and for synaptic development and maturation. It is accepted that FMRP possesses a nuclear localisation signal (NLS), and a nuclear export signal (NES), allowing the protein to enter the nucleus, and possibly to exit from it as well. However, available antibodies do not allow to study the nuclear localisation of FMRP. Thanks to a new generation of monospecific antibodies developed in our laboratory, we were able to study the cytoplasmic and the nuclear distribution of FMRP. I will therefore shortly develop the fate of cytoplasmic FMRP (cFMRP) in neurons, and I will characterise the nuclear FMRP (nFMRP) that has been sought after for many years. nFMRP consists in particular nuclear FMRP isoforms that localize to Cajal bodies, structures described more than a century ago by the famous neuroscientist Santiago Ramon y Cajal. Data presented here also raise doubts on the nucleocytoplasmic traficking model, which relies on very few evidence. The discovery of nFMRP could have great implication in the Fragile X domain, opening a whole new field of investigation on the role of FMRP in the cell nucleus, and therefore on the consequences of its absence in patients.

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La protéine Fragile Mental Retardation (FMRP) dont l'absence est la cause de la majorité des cas du syndrome du X-Fragile, possède différents domaines fonctionnels dont un tandem des domaines KH (KHI et KH2), domaines de liaison à l'ARN. Un cas unique de substitution du résidu isoleucine (I) en position 304 en asparagine (N) dans le domaine KH2 de la protéine mène à une forme très sévère du syndrome, observation qui atteste l'importance de ce domaine dans la fonction de la protéine. L'homologue du domaine KH2, le domaine KHI ne s'est pas encore vu attribuer un quelconque rôle dans la fonction de la protéine chez l'humain. L'identification des rôles des domaines fonctionnels est fondamentale pour comprendre le fonctionnement de la protéine par ses interactions avec l'ARN ou avec des partenaires protéiques. La FMRP est le produit du gène FMR1 qui possède aussi des homologues chez de nombreux organismes dont la drosophile, bon modèle génétique chez qui le gène possède une forte homologie avec celle de l'humain. En effet, le modèle de la drosophile à été utilisé précédemment pour l'identification de partenaires protéique de la dFMRP (drosophila FMRP) puis extrapolé et vérifié chez la protéine humaine. II a été montré que la mutation dans le domaine KHI de la dFMRP provoque une variation phénotypique chez la mouche. La question majeure est de savoir si cette même mutation dans le domaine KHI chez l'humain provoque aussi une variation de phénotype? Dans cette étude, nous avons construit des plasmides d'expression de la protéine FMRP et dFMRP de type sauvage et de ses mutants. FMRP étant impliquée dans la régulation de la traduction et dans la formation de granules de stress, nous avons analysé la capacité de la protéine à former ces granules de stress afin d'étudier l'impact des mutations sur son comportement. Nous avons pu confirmer la différence dans le patron de distribution de la protéine selon qu'elle est mutée ou non tant pour la protéine humaine que pour la protéine de drosophile. Du point de vue de la formation des granules de stress, le KHI semble être plus important que le KH2 chez la drosophile et cette tendance s'inverse chez l'humain. D'un autre coté, nous avons montré que la présence de ces mutations dans la protéine empêche partiellement celle-ci de réagir au stress chimique et cette modification de la protéine touche aussi la capacité de réponse de la cellule aux stress. Pour finir, on note que l'interaction de la protéine de drosophile avec la machinerie traductionnelle est très majoritairement médiée par des interactions protéine-protéine. Suite à ces résultats, nous avons conclu que les domaines KHI et KH2 (domaine de liaison à l'ARN), bien que n'étant pas indispensables à la formation de granules par la protéine, possèdent une certaine importance et le domaine KH arborant cette importance varie entre l'humain et la drosophile.

FMRP est une protéine cytoplasmique possédant des domaines consensus de liaison à l'ARN. Dans tous les tissus ou types cellulaires étudiés jusqu'à présent, elle est majoritairement retrouvée associée aux polysomes en se liant à l'ARN messager. FMRP jouerait donc un rôle dans le métabolisme de l'ARN. Toutefois, sa fonction précise reste encore inconnue. Notre hypothèse est que l'étude des plaquettes sanguines, où la synthèse protéique est très faible, pourrait permettre de découvrir une nouvelle fonction pour FMRP qui est habituellement camouflée par son importante association avec les polyribosomes dans les autres types cellulaires. Mon objectif de recherche est d'étudier la localisation subcellulaire de FMRP dans les plaquettes quiescentes et activées afin de mieux comprendre sa fonction. Différentes approches biochimiques et biophysiques ont été utilisées afin d'étudier la distribution subcellulaire de FMRP dans les plaquettes sanguines. Nous avons confirmé par des immunobuvardages faits sur des extraits totaux de plaquettes que la protéine détectée se présente sous forme d'isoformes comparables aux autres cellules. La technique de bombe à l'azote montre une localisation cytoplasmique de FMRP. Alors qu'en immunofluorescence, nous observons une colocalisation de FMRP avec des protéines impliquées dans le métabolisme de l'ARN. Toutefois, les résultats de centrifugations différentielles de plaquettes quiescentes suggèrent que FMRP possède une distribution subcellulaire différente de celle observée dans les autres types cellulaires. Elle a un coefficient de sédimentation entre 6-10S alors que celui observé dans les autres types cellulaires varient entre 150-500S. Bien que FMRP soit retrouvée dans la fraction soluble dans les plaquettes quiescentes, ce type cellulaire est néanmoins métaboliquement peu actif. L'activation des plaquettes par des agonistes enclenche une myriade de mécanismes. Suivant l'activation, FMRP est redistribuée dans la fraction du cytosquelette. La concentration ionique affecte cette distribution, suggérant une association protéine-protéine et/ou protéine-ARN.En conclusion, le profil d'expression de FMRP semble distinct dans les plaquettes et leur activation modifierait dynamiquement cette distribution. FMRP semble donc avoir une fonction dans les plaquettes puisqu'elle est affectée par le processus d'activation. L'étude de l'association au cytosquelette pourrait s'avérer une voie intéressante dans la détermination de la fonction de FMRP dans les plaquettes.