En état de douleur chronique, la sensibilisation centrale s’accompagne d’une modification de l’équilibre excitation/inhibition en faveur d’une excitation accrue de la corne dorsale de la moelle épinière. Cet équilibre implique des molécules d’adhérence telles que les neuroligines postsynaptiques (NLs). Dans une première partie de notre travail de thèse, nous avons étudié la régulation éventuelle de ces protéines dans un modèle de douleur neuropathique (Spinal Nerve Ligation, SNL) chez le rat. Nos données ont montré une surexpression inattendue de la NL2, généralement associée à l’inhibition, alors que l’expression de la NL1, généralement associée à l’excitation, ne change pas. Le blocage de l’expression de NL2 in vivo par application intrathécale de siRNA, a produit des effets anti-nociceptifs réversant de façon significative l’allodynie mécanique observée chez les rats SNL. L’étude ultérieure des partenaires pré- et postsynaptiques de NL2, a démontré une co-variation spécifique avec PSD95, une protéine d’échafaudage des synapses excitatrices. De plus, une approche par co-immunoprécipitation a mis en évidence une augmentation significative des interactions protéiques NL2 /PSD95 chez les rats SNL. Enfin, cette association inhabituelle en condition neuropathique, est apparue liée à la surexpression spécifique de NL2(-), un variant d’épissage de NL2 normalement minoritaire en condition physiologique. La surexpression, l’augmentation d’association avec PSD95, et l’effet pro-nociceptif inattendu de la NL2 « inhibitrice » en condition de douleur neuropathique, indiquent une permutation fonctionnelle de la NL2 de l’inhibition vers l’excitation modifiant le rapport synaptique en faveur d’une excitation globale plus élevée dans la corne dorsale.Dans une deuxième partie du travail, nous avons exploré le rôle des molécules d’adhérence NLs dans la sensibilisation spinale associée à un autre type de douleur chronique, à savoir la douleur cancéreuse, sur un modèle de cancer de l’os chez le rat. L’étude de l’expression des NLs et de leurs partenaires, a montré une augmentation d’expression spécifique de la NL1 et de S-SCAM, une autre protéine d’échafaudage des synapses excitatrices. D’autre part, d’après la littérature, ce modèle se caractérise par une importante activation gliale dans les cornes dorsales de la moelle épinière, se traduisant notamment par une astrogliose massive. Cependant, nous avons montré que dans le modèle utilisé, il n’y avait aucune variation ni de marqueurs classiques de l’activation astrocytaire (GFAP, S100β), ni des marqueurs microgliaux (OX-42 et Iba1). Au contraire, tous ces paramètres étaient effectivement augmentés dans la corne dorsale ipsilatérale d’animaux neuropathiques. Ces résultats suggèrent que, contrairement à ce qui a été décrit précédemment, la douleur cancéreuse d’origine osseuse n’est pas nécessairement corrélée à une surexpression spinale des marqueurs de la glie réactive, tandis que la douleur neuropathique l’est.En conclusion, nos résultats obtenus dans le modèle de douleur cancéreuse montrent un phénotype concernant des molécules impliquées dans la formation, la spécification et la modulation des synapses, bien différent de celui que nous avons mis en évidence dans le modèle de douleur neuropathique. Nous montrons notamment dans les deux modèles, une implication bien distincte des molécules d’adhérence NLs et de la glie confortant les données de la littérature indiquant que ces deux grandes catégories de douleur chronique ont chacune une signature propre. De plus, nos résultats ouvrent la perspective d’identifier de nouveaux diagnostics et/ou de nouvelles possibilités thérapeutiques, en ciblant spécifiquement les NLs. / In chronic pain states, central sensitization is associated with a modification in the excitation/inhibition balance toward increased excitation in the spinal dorsal horn. This balance involves adhesion molecules such as the postsynaptic Neuroligins (NLs). In a first part of our thesis work, we investigated the putative regulation of these proteins in the Spinal Nerve Ligation (SNL) model of neuropathy in the rat. Our data showed an unexpected upregulation of NL2, usually associated to inhibition, whereas expression of NL1, usually associated to excitation, did not change. The in vivo expression blockade of NL2 by intrathecal injection of siRNAs, produced specific antinociceptive effects, significantly reversing the SNL-induced mechanical allodynia. Subsequent study of pre- and postsynaptic NL2 partners, demonstrated a specific co-variation with PSD95, a scaffolding protein of excitatory synapses. Moreover, a co-immunoprecipitation approach showed a significant increase of NL2/PSD95 protein interactions in SNL rats. Finally, this unusual association in neuropathic conditions, appeared to be linked to specific over-expression of NL2(-), a NL2 splice variant usually a minority in physiological conditions. Over-expression, increased association with PSD95, and unexpected pronociceptive effect of the “inhibitory” NL2 in neuropathic pain condition, suggest a functional shift of NL2 from inhibition to excitation changing the synaptic ratio toward higher overall excitation in the dorsal horn.In a second part of our work, we investigated the role of the NLs adhesion molecules in spinal sensitization associated with another type of chronic pain, namely cancer pain, using a rat model of bone cancer. The study of the expression of NLs and partners, showed a specific increase in the expression of NL1 and S-SCAM, another postsynaptic scaffolding protein at excitatory synapses. Moreover, according to the literature, this model is characterized by a strong glial activation in the spinal dorsal horn, identified especially by a massive astrogliosis. However, we showed that in the bone cancer model used, there was no variation, neither in the classical markers of astrocyte activation (GFAP, S100β), nor in microglial markers (OX-42 et Iba1). On the contrary, all these parameters did actually increase in the ipsilateral dorsal horn of SNL neuropathic rats. These results suggest that, at odd with what was previously described, bone cancer pain is not necessarily correlated with a spinal overexpression of markers of reactive glia, whereas neuropathic pain is.In conclusion, our results obtained with the cancer pain model, show that the molecules involved in the formation, specification and modulation of synapses, yield a phenotypes clearly different to the one evidenced in the model of neuropathic pain. More particularly, we show in the two models, a well distinct involvement of the NL adhesion molecules and of glia, reinforcing reports from the literature, which indicate that the two important categories of chronic pain, cancer and neuropathic, each have a peculiar signature. Moreover, our results raise the possibility that new diagnosis and/or new therapeutic possibilities may emerge from targeting NL expression

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Dans le système nerveux central, la synaptogenèse est un processus complexe multi-étapes qui se déroule aux contacts axones/dendrites. Les molécules d’adhérence neurexines/neuroligines jouent un rôle essentiel dans ce processus, en créant un lien physique entre les compartiments pré- et post-synaptiques et en participant au recrutement des complexes macromoléculaires essentiels à la fonction synaptique. Plus spécifiquement, le complexe neurexine-1β/neuroligine-1 induit la formation de post-synapses excitatrices, en recrutant des molécules d’échafaudage telles que PSD-95 et des récepteurs du glutamate.Mon travail de thèse a consisté à étudier les mécanismes moléculaires mis en jeu par les adhésions neurexines/neuroligines lors de la formation des post-synapses glutamatergiques. En utilisant des systèmes biomimétiques (neurexine purifiée fixée sur des billes, ou agrégée par des anticorps réticulés), nous avons induit des adhésions spécifiques neurexine-1β/neuroligine-1 sur des neurones d’hippocampe en culture. Nous avons ainsi étudié la distribution dynamique des composants post-synaptiques (récepteurs AMPA, PSD-95) endogènes ou étiquetés avec des protéines fluorescentes, par vidéo-microscopie. Dans un premier article, nous avons montré que la formation de ces contacts induisait un recrutement rapide de PSD-95 ainsi que des récepteurs NMDA et AMPA fonctionnels. En utilisant des récepteurs AMPA recombinants, j’ai montré que ce recrutement était dicté par la sous-unité GluA2. Dans une deuxième étude, en comparant le recrutement de PSD-95 induit par la neurexine avec des anticorps non–activants, nous avons mis en évidence un mécanisme d’activation spécifique de neuroligine-1 induit par la liaison de neurexine-1β. L’utilisation de mutants ponctuels de neuroligine-1 a permis de montrer que cette activation passe probablement par la déphosphorylation d’une tyrosine unique située dans le domaine C-terminal de la neuroligine-1.Enfin, en étudiant la diffusion latérale des rAMPA de surface par suivi de particules uniques fluorescentes (Quantum dots), ainsi qu’une batterie d’outils moléculaires pour moduler les adhésions neurexine/neuroligine (sur-expression, siRNA, souris KO), nous avons montré que les rAMPA sont recrutés aux adhésions neurexine-1β/neuroligine-1 via l’échafaudage PSD-95 et que ce recrutement nécessite la diffusion des récepteurs dans la membrane plasmique. Nous proposons ainsi que les récepteurs AMPA soient recrutés aux contacts naissants via un mécanisme original de diffusion/piégeage. / In the central nervous system, synaptogenesis is a multi step process occuring at axo-dendritic contacts. Neurexins/neuroligins adhesions are particularly involved in this process, making a bridge between the pre- and the post-synapse, and participating to the recruitment of macromolecular complexes essential for synaptic function. More precisely neurexin-1β/neuroligin-1 complex is specifically involved in the formation of excitatory synapses, inducing the recruitment of glutamatergic post-synapses components, such as PSD-95, and glutamate receptors.During my PhD, I focused on the molecular mechanisms involved in glutamatergic post-synapses formation triggered by neurexin-1β/neuroligin-1 adhesions. Using biomimetic models (beads coated with purified neurexin, or purified neurexin cross-linked with aggregated antibodies) we induced specific neurexin-1β/neuroligin-1 adhesions on cultured hippocampal neurons. We then studied the dynamic distribution of either endogenous or recombinant post-synaptic components (PSD-95, AMPARs) with live-imaging techniques. First, we showed that the formation of these contacts induced a rapid recruitment of PSD-95 and functional NMDA and AMPA receptors. Using recombinant AMPA receptors, I showed that this recruitment was mediated by GluA2 subunit.In a second study, using systematic comparison between the recruitment of PSD-95 induced either by neurexin-1β or by “non activating” antibody binding on neuroligin-1, we revealed a specific activation mechanism of neuroligin-1 induced by neurexin-1β binding. Using point mutations on neuroligin-1, we showed that this activation mechanism is mediated by a tyrosine dephosphorylation on neuroligin-1 intracellular tail.Finally, we studied AMPA receptor surface diffusion with single particle tracking experiments, using different molecular tools to perturb neurexin-1β/neuroligin-1 adhesions (overexpression, RNA interference, KO mice). We showed that AMPA receptors recruitment at new-formed neurexin-1β/neuroligin-1 adhesions occurs through PSD-95, and involves surface diffusion of AMPA receptors. We proposed an original diffusion/trap mechanism of AMPA receptors at nascent contacts.

Le sommeil est essentiel au bon fonctionnement de l’organisme. Ce dernier est régulé, entre autres, par le processus de régulation homéostatique qui dépend de la pression de sommeil accumulée suite à l’éveil. Des études ont suggéré que ce processus pourrait être lié à la plasticité synaptique, et que le changement de la pression de sommeil affecterait le degré de plasticité du cerveau. Les récepteurs N-méthyl-D-aspartate, des médiateurs importants de plasticité, semblent impliqués dans les conséquences délétères du manque de sommeil ainsi que dans la régulation de la synchronisation corticale caractéristique du sommeil lent profond. Leur activité est contrôlée par Neuroligine 1 (NLGN1), une molécule d’adhésion synaptique. Une mutation de Nlgn1 a des effets similaires à ceux de la privation de sommeil sur la mémoire et le comportement. Dans le manuscrit de mon mémoire, nous présentons l’hypothèse d’une implication de NLGN1 dans la régulation du sommeil et de l’éveil. Pour tester cette hypothèse, l’expression d’ARNm et de protéine NLGN1 a été mesurée suite à une privation de sommeil et le sommeil de souris n’exprimant pas NLGN1 a été caractérisé. Les résultats de mon projet de maîtrise montrent, en premier lieu, qu’une augmentation de la pression pour dormir altère l’expression de l’ARNm et de la protéine NLGN1 chez la souris. De plus, nos observations révèlent qu’une mutation de Nlgn1 diminue la quantité d’éveil et modifie l’activité spectrale en éveil et en sommeil. Ces observations dévoilent l’importance de NLGN1 dans le maintien de l’éveil et la régulation du sommeil, et supportent un rôle de NLGN1 dans la régulation de l’activité neuronale. / Sleep is essential for the well-functioning of the body. It has been suggested that sleep is regulated, in part, by the homeostatic process of sleep regulation which controls a pressure for sleep in function of the amount of time spent awake. Studies have suggested that the homeostatic process could be linked to synaptic plasticity, and that changes in sleep pressure can affect brain plasticity. N-methyl-D-aspartate receptors, which are important plasticity mediators, appear to be implicated in the deleterious effects related to sleep loss as well as in the regulation of cortical synchrony characteristic of slow wave sleep. Their activity is controlled by Neuroligin 1 (NLGN1), a synaptic adhesion molecule. Also, a Nlgn1 mutation has similar effects on memory and behavior as those observed following a sleep deprivation. In this master’s thesis, we hypothesized that NLGN1 is implicated in sleep and wake regulation. To test this hypothesis, Nlgn1 mRNA and protein expression has been measured after sleep deprivation, and the sleep of mice lacking NLGN1 has been studied. The results of my research project show that an increase in sleep pressure changes Nlgn1 mRNA and protein expression in mice. We also find that Nlgn1 mutation reduces wake duration and modifies the EEG spectral composition during wake and sleep. These results indicate that NLGN1 is important in the maintenance of wakefulness and the regulation of sleep, and provide further support to a role for NLGN1 in the regulation of neuronal activity.

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Le sommeil est essentiel au bon fonctionnement de l’organisme. Ce dernier est régulé, entre autres, par le processus de régulation homéostatique qui dépend de la pression de sommeil accumulée suite à l’éveil. Des études ont suggéré que ce processus pourrait être lié à la plasticité synaptique, et que le changement de la pression de sommeil affecterait le degré de plasticité du cerveau. Les récepteurs N-méthyl-D-aspartate, des médiateurs importants de plasticité, semblent impliqués dans les conséquences délétères du manque de sommeil ainsi que dans la régulation de la synchronisation corticale caractéristique du sommeil lent profond. Leur activité est contrôlée par Neuroligine 1 (NLGN1), une molécule d’adhésion synaptique. Une mutation de Nlgn1 a des effets similaires à ceux de la privation de sommeil sur la mémoire et le comportement. Dans le manuscrit de mon mémoire, nous présentons l’hypothèse d’une implication de NLGN1 dans la régulation du sommeil et de l’éveil. Pour tester cette hypothèse, l’expression d’ARNm et de protéine NLGN1 a été mesurée suite à une privation de sommeil et le sommeil de souris n’exprimant pas NLGN1 a été caractérisé. Les résultats de mon projet de maîtrise montrent, en premier lieu, qu’une augmentation de la pression pour dormir altère l’expression de l’ARNm et de la protéine NLGN1 chez la souris. De plus, nos observations révèlent qu’une mutation de Nlgn1 diminue la quantité d’éveil et modifie l’activité spectrale en éveil et en sommeil. Ces observations dévoilent l’importance de NLGN1 dans le maintien de l’éveil et la régulation du sommeil, et supportent un rôle de NLGN1 dans la régulation de l’activité neuronale. / Sleep is essential for the well-functioning of the body. It has been suggested that sleep is regulated, in part, by the homeostatic process of sleep regulation which controls a pressure for sleep in function of the amount of time spent awake. Studies have suggested that the homeostatic process could be linked to synaptic plasticity, and that changes in sleep pressure can affect brain plasticity. N-methyl-D-aspartate receptors, which are important plasticity mediators, appear to be implicated in the deleterious effects related to sleep loss as well as in the regulation of cortical synchrony characteristic of slow wave sleep. Their activity is controlled by Neuroligin 1 (NLGN1), a synaptic adhesion molecule. Also, a Nlgn1 mutation has similar effects on memory and behavior as those observed following a sleep deprivation. In this master’s thesis, we hypothesized that NLGN1 is implicated in sleep and wake regulation. To test this hypothesis, Nlgn1 mRNA and protein expression has been measured after sleep deprivation, and the sleep of mice lacking NLGN1 has been studied. The results of my research project show that an increase in sleep pressure changes Nlgn1 mRNA and protein expression in mice. We also find that Nlgn1 mutation reduces wake duration and modifies the EEG spectral composition during wake and sleep. These results indicate that NLGN1 is important in the maintenance of wakefulness and the regulation of sleep, and provide further support to a role for NLGN1 in the regulation of neuronal activity.

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Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil. / Sleep is a vital need and the proper functioning of the body depends on the amount and quality of sleep. Sleep is regulated by two processes: a circadian process that depends on the activity of suprachiasmatic nuclei of the hypothalamus and regulates the time of day during which we are going to sleep, and a homeostatic process that seems to depend on neuronal activity and that reflects sleep intensity. The homeostatic process controls a pressure for sleep as a function of the amount of time spent awake. Indeed, sleep quality depends on the duration of preceding wakefulness, the more one is awake, deeper the sleep afterwards as measured by electroencephalographic markers (EEG). Studies have shown that the proper functioning of these two sleep regulatory processes depends on synaptic plasticity. Thus, elements that regulate synaptic communication and synaptic strength are important candidates to act upon the physiology of sleep regulation. Cell adhesion molecules are key elements regulating synaptic plasticity. They control synapse activities and maturation. Studies have shown that their absence leads to consequences similar to sleep deprivation. The aim of this study is to explore the effect of the absence of two different cellular adhesion molecule, Neuroligin‐1 and EphA4 receptor in sleep regulatory processes. Our hypothesis is that the absence of either of these molecules will affect sleep regulation and more specifically sleep homeostasis. To address our hypothesis, we first studied EEG activity in mice which do not express Nlgn1 and EphA4 in normal condition or after sleep deprivation. Secondly, we measured the molecular changes that occur in these two models after sleep deprivation. At the level of EEG activity, our results show that the absence of Nlgn1 increases the density of slow waves under baseline condition, and that the amplitude and slope of slow waves are increased after sleep deprivation. We concluded that Nlgn1 is required for normal functioning of cortical synchrony especially after sleep deprivation, thereby giving it a key role in sleep homeostasis. Regarding the EphA4 receptor, its absence affects the duration of paradoxal sleep and sigma activity which are known to depend on the circadian process. These results suggest that the EphA4 receptor is an important element in the circadian regulation of sleep. The transcriptional response after sleep deprivation in mice not expressing Nlgn1 or EphA4 is not different from that in wild‐type mice. However, we found that sleep deprivation affects the distribution of specific epigenetic markers like methylation and hydroxymethylation and the expression of molecules regulating these changes is altered in EphA4 null mice. Our observations show that two cell adhesion molecules, Nlgn1 and EphA4 receptor, have an important role in the homeostatic and circadian sleep process and contribute differentially to sleep regulation.