Das Rett-Syndrom ist eine postnatale neurologische Entwicklungsstörung, der eine Mutation im Methyl-CPG-bindenden Protein 2 (MECP2) zugrunde liegt. Es betrifft überwiegend Mädchen und geht mit kognitiven Beeinträchtigungen, motorischen Stereotypien und Atmungsstörungen einher. Es existieren vielfältige Hinweise dafür, dass die Pathogenese des Rett-Syndroms im Zusammenhang mit einer beeinträchtigten Mitochondrienfunktion steht. Genetische Untersuchungen des Rett-Genoms zeigten, dass eine Untereinheit des Komplex III der Atmungskette dysreguliert ist und die innere Mitochondrienmembran ein Protonenleck aufweist. Weiterhin fanden sich Hinweise für erhöhten oxidativen Stress in Blut- und Liquoruntersuchungen. Um den intrazellulären Redox-Status zu quantifzieren, wurde die genetisch kodierte optische Sonde roGFP1 verwendet, die semiquantitative Messungen reaktiver Sauerstoffspezies ermöglichte. Es zeigte sich, dass Mecp2(-/y)-Hirnschnitte bereits unter Ruhebedingungen erhöhtem oxidativen Stress ausgesetzt sind. Auf der Suche nach der Ursache wurden die intrazellulären antioxidativen Schutzenzyme Superoxid-Dismutase und Katalase sowie das Glutathionsystem überprüft. Alle drei Enzymsysteme zeigten Funktionsstörungen und waren nicht in der Lage, extern applizierten oxidativen Stress im gleichen Umfang zu kompensieren wie die Enzyme der Wildtyp-Vergleichsgruppe. Um die zytosolischen Redox-Verhältnisse zu beeinflussen, wurden Untersuchungen mit den Antioxidantien Ascorbat, Trolox und Melatonin vorgenommen. Dabei zeigte sich, dass Antioxidantien eine potentielle pharmakologische Maßnahme darstellen, um die zu oxidativen Verhältnissen verschobene Redox-Homöostase in Mecp2(-/y)-Hippokampi zu senken und folglich zu normalisieren. Vor allem das Vitamin E-Derivat Trolox stellte sich als wirkungsvoller Radikalfänger heraus und bietet sich für weitere detaillierte Untersuchungen hinsichtlich einer therapeutischen Option des Rett-Syndroms an. Die externe Störung der mitochondrialen Funktion durch die Induktion einer transienten Hypoxie sowie die gezielte Inhibition verschiedener Atmungskettenkomplexe zeigte eine deutlich erhöhte Hypoxieempfindlichkeit der Mecp2(-/y)-Hippokampi und war mit einer erhöhten ROS-Produktion verbunden. In der Arbeit gelang es erstmals, die bereits mehrfach postulierte Störung der Redox-Homöostase im Rett-Syndrom direkt auf zellulärer Ebene nachzuweisen. Die erhobenen Befunde liefern mögliche mechanistische Erklärungsansätze für die Störung der synaptischen Plastizität im Rett-Syndrom, da es klare Verbindungen zwischen dem zellulären Redox-Status und dem Kalziumhaushalt gibt, der durch redoxsensitive Proteine mitreguliert wird. Somit konnte eine zentrale Dysregulation der Erkrankung identifziert werden, die unter Umständen auch neue pharmakologische Angriffspunkt aufzeigt, um die Symptomatik des Rett-Syndroms zu mildern.

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Das Rett-Syndrom ist eine postnatal progressiv verlaufende neurologische Entwicklungsstörung, die x-chromosomal vererbt. Das klassische Rett-Syndrom entsteht durch eine spontane Mutation des MECP2-Gens, welches für die Kodierung des Transkriptionsfaktors MeCP2 (methyl CpG binding protein 2) verantwortlich ist. Das Krankheitsbild verläuft in vier Stadien und ist vor allem von geistiger Retadierung, motorischer Dysfunktion und Unregelmäßigkeiten der Atmung geprägt. In verschiedenen Untersuchungen wurden bereits verschiedene zelluläre Dysfunktionen und Beeinträchtigungen der Mitochondrien bestätigt, weshalb wir weitere Untersuchungen anstrebten. Ziel dieser Dissertation war es, mögliche Einflüsse verschiedener Enzyme auf die ROS-Produktion zu untersuchen und somit die Erkenntnisse aus vorangegangenen Arbeiten zu erweitern. Im Fokus dieser Untersuchungen lagen zum einen die mitochondriale ROS-Produktion sowie die extramitochondriale ROS-Produktion. Durch unterschiedliche pharmakologische Modulationen wurden beide Systeme beeinflusst, um den jeweiligen Beitrag zur gesamten ROS-Produktion abzuschätzen.

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La méthylation de l’ADN est une modification majeure du génome des eucaryotes permettant de moduler l’expression génique et contrôler le développement des mammifères. La protéine Mecp2 (Methyl CpG binding protein 2), dont le gène est situé sur le chromosome X, appartient à la famille des protéines de liaison à l’ADN méthylé. Sur la base de sa structure et de ses interactions Mecp2 a été décrit comme un répresseur de l’expression des gènes. A l’heure actuelle, son implication en tant qu’activateur de la transcription et organisateur de la structure chromatinienne lui confère un rôle plus global dans la régulation de l’épigénome. Des mutations de MECP2 conduisent à des troubles neurologiques dont le principal est le syndrome de Rett (RTT). Cette pathologie dominante liée à l’X affecte principalement les jeunes filles (incidence: 1/15000 naissances). Même si les causes précises du phénotype RTT ne sont pas connues, le profil d’expression de Mecp2 est en lien avec la synaptogenèse, la maturation et la maintenance des réseaux neuronaux. A mon arrivée en thèse l’équipe qui m’a accueilli venait d’identifier des déficits neuronaux, affectant notamment les groupes catécholaminergiques bulbaires et périphériques, à l’origine de troubles respiratoires chez un modèle murin de cette pathologie. Mon travail de thèse a permis de caractériser l’évolution postnatale des déficits moteurs et physiologiques affectant la souris Mecp2-déficiente. L’étude de structures catécholaminergiques d’intérêt telles que la Substantia Nigra et le Locus Coeruleus a révélé que les neurones dopaminergiques et noradrénergiques centraux ont un métabolisme affecté. Le nombre de neurones immunomarqués apparait significativement réduit dans ces groupes ce qui résulterait d’une perte progressive du phénotype « catécholaminergique », en l’absence de mort cellulaire. Nos données suggèrent que ces atteintes constituent un corrélat neuropathologique aux troubles comportementaux observés chez les souris Mecp2-déficientes. Ainsi certains troubles moteurs ont pu être améliorés, à l’aide d’un agent pharmacologique pro-dopaminergique, la L-Dopa. En relation avec les déficits en Bdnf (Brain-derived neurotrophic factor) décrits chez les patientes et les souris Mecp2-déficientes, nous avons identifié qu’une modification du dosage de Mecp2 induit une dérégulation de gènes (Htt, Hap1) codant des protéines impliquées dans le transport intracellulaire des vésicules de Bdnf. Nos travaux nous permettent de postuler que chez la souris Mecp2-déficiente, une altération de la dynamique de transport des vésicules chargées en Bdnf pourrait exacerber le déficit d’expression de cette neurotrophine. Notre traitement des souris Mecp2-déficientes par la cystéamine, une molécule capable d’agir sur les contenus, la libération et la sécrétion du Bdnf permet d’augmenter la survie des animaux et de réduire leurs troubles moteurs. Nos résultats montrent que les déficiences en Mecp2 entrainent des déficits de transport axonal du Bdnf qui s’ajoutent aux déficits de production du Bdnf. Par ailleurs, avec l’utilisation d’agents pharmacologiques agissant sur ce transport, nous offrons de nouvelles perspectives thérapeutiques. / DNA methylation is the major modification of eukaryotic genomes and plays an essential role in mammalian development. The protein Mecp2 (Methyl CpG binding protein 2), encoded by a gene located on the X chromosome, belongs to the ‘Methyl Binding domain’ protein family. Based on its structure and its interactions Mecp2 has historically been described as a repressor of expression for many genes. Currently, its involvement as an activator of transcription and its role in chromatin architecture suggests that it could be a global regulator of the epigenome. Mutations in MECP2 lead to neurological disorders, among which Rett syndrome (RTT). This dominant X-linked pathology mainly affects girls (incidence: 1/15000 live births). Although the precise causes of the RTT phenotype are unknown, the pattern of Mecp2 expression is related to synaptogenesis, maturation and neuromaintenance. Before my integration in the ‘Human Neurogenetics’ team, this group identified neural deficits, affecting brainstem and peripheral catecholaminergic cell groups, causing respiratory disturbances in a mouse model of this disease. My thesis work enabled the characterization of the postnatal physiological and motor deficits affecting the Mecp2-deficient mice. The study of catecholaminergic structures of interest such as the substantia nigra pars compacta and the locus coeruleus has revealed that the central noradrenergic and dopaminergic neurons are affected in their metabolism. The number of immunolabelled neurons of these groups appears significantly reduced and would result in a gradual loss of the mature ‘catecholaminergic’ phenotype, in the absence of cell death. Our data suggest that these defects are a neuropathological correlate for behavioral disorders observed in Mecp2-deficient mice. Some motor deficits have been improved, with L-Dopa, a pro-dopaminergic drug. In relation with Bdnf (Brain-derived neurotrophic factor) reduction described in patients and Mecp2-deficient mice, we identified that a change in the dosage of Mecp2 deregulates genes (Htt, Hap1) encoding proteins involved in the intracellular transport of Bdnf. Our work allows to postulate that in the Mecp2-deficient neurons, an altered dynamics of Bdnf vesicles transport could exacerbate the deficit of expression of this neurotrophin. Our treatment of Mecp2-deficient mice with cysteamine, a molecule able to increase Bdnf contents and enhancing its release and secretion, increased the survival of the animals and reduced their motor defects. Our results show that the Mecp2-deficiencies lead to alteration in the axonal transport of Bdnf in addition to deficits in Bdnf production. In addition, by the use of pharmacological agents that affect this transport, we offer new therapeutic perspectives.

A metilação do DNA em mamíferos é uma importante modificação epigenética, sendo essencial no silenciamento de DNAs repetitivos, de regiões que sofrem imprinting genômico e no estabelecimento do cromossomo X inativo em fêmeas. Existem 5 tipos de DNA Metiltransferases, tendo a DNMT3B um importante papel na metilação de novo. A MeCP2, por sua vez, é uma proteína capaz de reconhecer sítios de DNA metilados e recrutar proteínas responsáveis pela desacetilação das histonas. Isto provoca alterações na conformação da cromatina, impedindo a transcrição gênica. Alterações nos padrões de expressão de DNMT3B e na metilação do DNA encontradas em diferentes tipos de tumores, e a temporalidade de expressão de Dnmt3b e de Mecp2 durante ondas de desmetilação e de metilação que ocorrem no início do desenvolvimento embrionário, podem auxiliar na identificação de fatores envolvidos no estabelecimento e manutenção do padrão de metilação do DNA, os quais ainda são pouco conhecidos. Por sua vez, uma nova classe de pequenos RNAs, os microRNAs, envolvidos com a regulação da expressão gênica pós-transcricional, têm grande importância na manutenção do estado diferenciado de diferentes tipos celulares. Trabalhos recentes demonstram também que há alterações nos padrões de expressão de microRNAs entre tecidos normais e tumorais. Assim, é objetivo deste trabalho a identificação de possíveis miRNAs envolvidos na modulação da expressão dos genes DNMT3B/Dnmt3b e MeCP2/Mecp2 em diferentes linhagens de células normais e tumorais, bem como, em células tronco embrionárias humanas e murinas submetidas à diferenciação. / DNA methylation in mammals is an important epigenetic modification, playing an essential role in the silencing of repetitive DNA, in genomic imprinting and, in females, the establishment of X chromosome inactivation. There are 5 DNA metyhltransferases, and one of them, DNMT3B has an important role in de novo methylation. MeCP2, by its turn, is a protein capable of recognizing methylated DNA sites and of recruiting proteins responsible for histones deacetylation. This causes alterations in chromatin conformation, therefore inhibiting gene transcription. Changes in the expression patterns of DNMT3B and in DNA methylation are found in several types of tumors, and temporal expression of Dnmt3b and Mecp2 during global demetyhlation and de novo methylation waves, which occur in early embryonic development, could give a better understanding of the factors involved in the establishment and maintenance of DNA methylation patterns, which are still largely unkown. Additionally, a new class of small RNAs, the microRNAs, involved in the post-transcriptional gene silencing, has great importance in maintaining the differentiated state of several cell types. Recent studies have demonstrated alterations in miRNAs expression patterns between normal and tumor tissues. Thus, the aim of this work was to identify possible miRNAs involved in the modulation of Dnmt3b and Mecp2 RNAs in different normal and tumoral cell lines, as well as in human and murine embryonic stem cells and their respectively differentiated embryoid bodies.

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La consommation répétée de drogues induit une plasticité cérébrale, qui pourrait sous-tendre le développement de la dépendance. La protéine phosphatase de type 1 (PP1) étant un acteur majeur de ces processus, nous nous sommes intéressés à sa régulation par la cocaïne. Nous avons montré qu’un traitement chronique par la cocaïne induit la répression du gène codant la sous-unitécatalytique β de PP1 (PP1Cβ), via l’hyperméthylation de sa région promotrice et le recrutement de la protéine de liaison à l’ADN méthylé, Mecp2. Cette répression, observée dans les principales structures du système de récompense du Rat, pourrait favoriser l’état phosphorylé des récepteurs NMDA et AMPA du glutamate et du facteur de transcription CREB, potentialisant ainsi les effets de la cocaïne. PP1 étant souvent considérée comme un régulateur négatif de la mémoire, sa répression pourrait également favoriser la ‘mémorisation’ du contexte et des habitudes liés à la drogue. L’expression de PP1Cβ a ensuite été analysée en réponse à des injections passives ou volontaires de cocaïne dans un test de conditionnement opérant, l’auto-administration intraveineuse. Étonnamment, une répression similaire de PP1Cβ est observée quel que soit le mode d’administration de la cocaïne. Son expression est par contre différente lorsque la cocaïne est remplacée par de la nourriture : elle est induite par le conditionnement opérant, sans être affectée par une distribution passive de nourriture. Le gène PP1Cβ participe donc sans doute aux neuroadaptations différentielles induites par les drogues et les récompenses naturelles, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans la compréhension des effets à long terme des drogues. / Repeated intake of drugs of abuse is known to induce brain plasticity, which may underlie the development of drug addiction. Protein phosphatase type-1 (PP1) is one of the key proteins involved in brain plasticity mechanisms. We therefore studied its regulation in response to repeated cocaine intake by rats. The gene encoding the β catalytic subunit of PP1 (PP1Cβ) was found to be repressed by chronic cocaine treatment, through a mechanism involving DNA methylation of the PP1Cβ 5’-end followed by the recruitment of the methyl binding protein Mecp2. This repression was observed in the major brain structures of the reward system and probably favors the phosphorylation state of NMDA and AMPA glutamatergic receptors and of CREB transcriptionfactor, thus further increasing cocaine effects. PP1 is also known as a negative regulator of memory formation. Its repression by cocaine may therefore potentiate the ‘memorization’ of cocaine-related habits and context. PP1Cβ expression was next compared in response to passive vs voluntary cocaine injections in an operant intravenous cocaine self-administration paradigm. Surprisingly, a similar repression of PP1Cβ was found, independently on the cocaine administration mode. A completely different pattern of expression was observed when cocaine administration was replaced by food intake, as PP1Cβ expression was increased during food operant self-administration, but not in response to passive food delivery. Taken together, our data suggest that PP1Cβ participates to the differential neuroadaptations induced by drugs of abuse and natural rewards. They shed somenew light on the long-term mechanisms induced by drugs of abuse.