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Reproduction de : Thèse de doctorat : Médecine. Neurobiologie : Nantes : 2009. / Bibliogr.

Lmx1a et Lmx1b sont des facteurs de transcription connus pour leur rôle au cours du développement des neurones dopaminergiques du mésencéphale (mDA). Ils ont été montrés comme essentiels à chacune des étapes de différentiation des progéniteurs en neurones dopaminergiques matures. Des études récentes ont également mis en évidence l'importance de ces deux facteurs de transcription dans les neurones dopaminergiques chez l'adulte. Lmx1a/b sont impliqués dans la régulation de gènes mitochondriaux ainsi que dans l'autophagie. Cependant, jusqu'à présent, rien n'est connu sur le rôle de Lmx1a/b dans les neurones dopaminergiques post-mitotiques. Le but de cette thèse est d'élucider le rôle de Lmx1a/b dans les neurones dopaminergiques matures. L'analyse des projections axonales dopaminergiques de souris doubles conditionnelles mutantes (cKO) pour Lmx1a/b a mis en évidence un défaut de guidage axonal confirmant le rôle essentiel de ces deux facteurs de transcription dans la formation des circuits dopaminergiques. Afin d’identifier précisément les molécules impliquées dans la régulation du système dopaminergique des techniques adaptées doivent être développées pour déterminer les principaux acteurs régulés par Lmx1a/b. À cette fin, nous avons mis au point une technique de marquage immunohistochimique rapide de la tyrosine hydroxylase (TH, enzyme nécessaire à la synthèse de la dopamine) sur des sections de mésencéphale de souris afin de délimiter la région d’intérêt. Par la suite, nous utilisons une technique de microdissection au laser afin de spécifiquement récolter les cellules dopaminergiques du mésencéphale pour réaliser un profil d'expression génique. Un premier article de méthodologie a été publié concernant cette technique. Cette procédure menée sur des souris cKO pour Lmx1a et Lmx1b et leurs contrôles associés a permis de mettre en évidence des gènes régulés par Lmx1a et Lmx1b tels que Plxnc1. Plxnc1 est une protéine de guidage axonal ayant pour ligand la sémaphorine 7a (Sema7a). Afin d'observer si la régulation de Plxnc1 par Lmx1a/b est à l'origine du défaut de guidage axonal observé chez les souris cKO pour Lmx1a/b, nous avons réalisé une analyse in vitro de l’effet de la Sema7a sur les axones d'explants mDA. Notre étude a montré un effet chimiorépulsif de la Sema7a pour les axones des neurones mDA exprimant Plxnc1. De plus, l’étude de souris Sema7a KO montre une augmentation de l’innervation DA dans la partie dorsale du striatum, partie exprimant Sema7a chez des souris contrôles. Ce phénotype met en évidence une chimiorépulsion induite par l’interaction Sema7a/Plxnc1. L’étude de souris surexprimant Plxnc1 a, quant à elle, montré une perte d’innervation DA dans la partie dorsale du striatum. En effet, la majorité des cellules du mésencéphale se mettent à exprimer Plxnc1, les rendant ainsi sensibles à la chimiorépulsion induite par Sema7a. L’ensemble de ces résultats met en évidence l’importance de la régulation de la protéine de guidage axonal Plxnc1 par Lmx1a/b pour l'innervation des cibles du mésencéphale. La répression de Plxnc1 dans les neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta (SNpc) semble nécessaire à l’innervation du striatum dorsal riche en Sema7a. Cette étude est la première à identifier les bases moléculaires du guidage axonal expliquant la ségrégation des voies mDA nigrostriée et mésolimbique, et devrait contribuer à améliorer l'efficacité des thérapies cellulaires pour la maladie de Parkinson. Un second article sera soumis prochainement sur le rôle des facteurs de transcription Lmx1a/b dans les neurones dopaminergiques post-mitotiques du mésencéphale. La principale caractéristique histopathologique de la maladie de Parkinson est la dégénérescence des neurones mDA de la SNpc. La thérapie de remplacement cellulaire utilisant des neurones dopaminergiques nouvellement générés à partir de cellules souches représente une thérapie prometteuse. Cependant, la mauvaise innervation des neurones nouvellement greffés limite le succès des études de transplantation. L’identification de facteurs régulant la connectivité des neurones mDA devient primordiale pour élucider les mécanismes impliqués dans la mise en place du système dopaminergique. C'est pourquoi, dans une derniere partie, afin d'illustrer cette possibilité d'amélioration d'une thérapie de remplacement cellulaire, j’ai réalisé l’implantation de cellules souches différenciées en neurones dopaminergiques dans un modèle de souris lésées à la 6-hydroxydopamine (6OHDA). Les cellules nouvellement réimplantées sont de type SNpc, en raison de l'infection par un vecteur viral induisant l'inhibition de l'expression de Plxnc1. / Lmx1a and Lmx1b are transcription factors known for their role in the development of midbrain dopamine neurons (mDA). They were shown as essential for each stage of differentiation from progenitors to mature dopaminergic neurons. Recent studies have also highlighted the importance of these two transcription factors in dopaminergic neurons in adult mice. Lmx1a/b are involved in the regulation of mitochondrial genes and in autophagy. Although some evidence suggest that they could be involved in the formation of mDa circuit formation, their role in post-mitotic mDA neurons remains unknown. The aim of this thesis is to elucidate the role of Lmx1a/b in post-mitotic dopaminergic neurons. Analysis of dopaminergic axonal projections of double conditional mutant (cKO) mice for Lmx1a/b showed an axon guidance defect confirming the essential role of these transcription factors in the formation of dopaminergic circuits. In order to precisely identify the molecules involved in the regulation of the dopamine system, suitable techniques must be developed to identify the main genes that are regulated by Lmx1a/b. To this end we developed a new technique allowing gene profiling of brain sub-population. By combining rapid immunolabeling of mDA neurons with laser capture microdissection we manage to extract RNA from two sub-regions of mDA neurons such as ventral tegmental area (VTA) and substantia nigra pars compacta (SNpc). The advantage of this technique is to compare quickly the regulation of genes expression by studying controls and mutant mice. A first methodological article has been published regarding this procedure. We then applied this technique on cKO mice for Lmx1a/b and their associated controls to identify genes regulated by Lmx1a and Lmx1b. Among these genes, we identified Plxnc1, an axon guidance receptor for the semaphorin 7a (Sema7a). In order to verify whether the regulation of Plxnc1 by Lmx1a/b is at the origin of the axon guidance defect observed in double conditional mutant for Lmx1a/b, we have made an in vitro analysis of the effect of Sema7a on mDA explants. Our study showed a chemorepulsive effect of Sema7a on Plxnc1 positives axons. In addition, the study of knockout mice for Sema7a shows an increase of DA innervation in the dorsal part of the striatum which is the region expressing Sema7a in control mice. This phenotype reveals a chemorepulsion induced by Sema7a/Plxnc1 interaction. The study of mice overexpressing Plxnc1 shows a loss of DA innervation in the dorsal striatum. Indeed, by overexpressing Plxnc1, the majority of midbrain cells begin to express this axon guidance protein instead of only mDA neurons from the VTA. Thus, all mDA neurons including neurons from the SNpc express Plxnc1 making them sensitive to Sema7a. This interaction Sema7a/Plxnc1 leads to a chemorepulsion of axons guided away from the dorsal striatum. Overall these results highlight the importance of the regulation of the axon guidance protein Plxnc1 by Lmx1a/b for the innervation of midbrain targets. The repression of Plxnc1 expression in dopaminergic neurons of the SNpc appears necessary for the innervation of dopaminergic axons in the dorsal striatum, rich in Sema7a. This study is the first to identify the molecular basis of the development of the dopaminergic system explaining the segregation of the nigrostriatal and mesolimbic pathways. These results should help to improve the effectiveness of cell therapies for Parkinson's disease. A second article will be submitted soon about the role of Lmx1a/b transciption factors in post-mitotic midbrain dopaminergic neurons. The main histopathological feature of Parkinson's disease (PD) is the degeneration of SNpc neurons. The cell replacement therapy using newly generated dopaminergic neurons from stem cells represents a promising therapy. However, a poor innervation of the newly grafted neurons limits the success of transplantation studies. The identification of factors regulating neuronal connectivity of mDA neurons becomes essential to elucidate the mechanisms involved in the establishment of the dopaminergic system. Therefore, in a final section of this thesis, I report preliminary study about cell replacement therapy in PD mouse model. I differentiated DA neurons from stem cells, knock-down Plxnc1 expression and performed grafting in 6-hydroxydopamine (6OHDA) mouse model to illustrate the possibility of improving a cell replacement therapy.

Les neurones dopaminergiques du mésencéphale (mDA) sont impliqués dans une variété de fonctions clefs du système nerveux central, incluant le mouvement volontaire, les processus affectifs, la récompense, l’attention, la mémoire de travail et l’apprentissage. La spécification des neurones mDA, de même que l’établissement des circuits dopaminergiques, sont finement régulés au cours du développement et requièrent l’activation spatiotemporelle complexe de facteurs de transcription et de leurs gènes cibles. La dégénérescence ou une perturbation de l’activité des neurones mDA peut mener au développement de troubles neurodégénératifs ou neuropsychiatriques graves, tels la maladie de Parkinson (PD), la schizophrénie (SCZ) et les troubles du spectre obsessif compulsif (OCD). Les facteurs de transcriptions Lmx1a et Lmx1b sont des déterminants précoces de la destinée dopaminergique, essentiels à la différenciation et à la spécification des neurones mDA. Des polymorphismes de LMX1A/B ont précédemment été associés à la SCZ et aux troubles du spectre OCD. Parmi les gènes développementaux sous le contrôle transcriptionnel de Lmx1a/b, nous avons identifié deux membres de la famille Slit et Trk (Slitrk), Slitrk2 et Slitrk5, comme contrôlant la formation des synapses excitatrices et inhibitrices afférentes aux neurones mDA. Des mutations de SLITRK2 et SLITRK5 furent également associées au développement de divers désordres neuropsychiatriques. Nous présentons ici le rôle de Lmx1a/b dans la régulation de l’activité électrophysiologique des neurones mDA, par leur régulation transcriptionnelle de Slitrk2 et Slitrk5. En utilisant un modèle de culture primaire de neurones mDA, nous avons identifié un rôle de Slitrk2 et de Slitrk5 dans la régulation postsynaptique de la synaptogénèse excitatrice et inhibitrice, respectivement. La perturbation de l’activité électrique des neurones mDA résultant de la perte ou du gain de fonction de Slitrk2/5 pourrait possiblement résulter en une perturbation de la libération de la dopamine aux noyaux cibles des neurones mDA, menant ainsi au développement de comportements pathologiques associés aux troubles neuropsychiatriques humains. / Mesodiencephalic dopaminergic (mDA) neurons regulate key functions of the mammalian central nervous system, including voluntary movement, affection, reward, attention, working memory and learning. The specification of mDA neurons and dopaminergic circuitry’s establishment are finely regulated during development and require specific and complex spatial and temporal activation of transcription factors and target genes. The degeneration of mDA pathways or their dysfunction can lead to severe neurodegenerative or neuropsychiatric disorders, including Parkinson’s disease (PD), schizophrenia (SCZ) and obsessive-compulsive disorder (OCD). Lmx1a and Lmx1b transcription factors are early determinants of the dopaminergic fate, essential to mDA neurons differentiation and specification. Polymorphisms of LMX1A/B were previously linked to SCZ and OCD. Within the transcriptional targets of Lmx1a/b, we identified to members of the Slit and Trk (Slitrk) family, Slitrk2 and Slitrk5, controlling excitatory and inhibitory afferent synapses formation of mDA neurons. Mutations of SLITRK2 and SLITRK5 were also previously linked to various neuropsychiatric diseases. We here present the role of Lmx1a/b in the regulation of the electrophysiological activity of mDA neurons, by their transcriptional regulation of Slitrk2 and Slitrk5. Using a mDA neurons’ primary cell culture paradigm, we identified a role of Slitrk2 and Slitrk5 in the post-synaptic regulation of excitatory and inhibitory synaptogenesis, respectively. The perturbation of mDA neurons’ electrophysiological activity, resulting from Slitrk2/5 loss or gain of function could lead to an alteration in dopamine release to mDA neurons target nuclei, and thus to the development of pathological behaviours associated with human neuropsychiatric diseases.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La capacité des cellules à migrer à distance de leur lieu de production est un élément clé du développement embryonnaire du cerveau. A l'âge adulte, dans le système nerveux central, la migration cellulaire est associée aux niches neurogéniques de la zone sous ventriculaire et du gyrus dentelé. Certaines conditions pathologiques ou lésions cérébrales peuvent créer un environnement pouvant attirer les précurseurs neuronaux en dehors de leurs voies habituelles de migration vers le site de lésion. Finalement, des déficits en migration durant le développement peuvent entrainer l'apparition de pathologies se traduisant par une organisation non conventionnelle des réseaux neuronaux pouvant conduire entre autres à l'apparition de troubles cognitifs ou de symptômes épileptiques. La migration des cellules est guidée par un ensemble complexe de signaux moléculaires, d'interactions physiques et de gradients électriques. C'est l'intégration de ces signaux au niveau intracellulaire qui coordonne la réponse migratoire de la cellule en modulant par exemple le cytosquelette, divers organites tels que les mitochondries ou des mécanismes tels que l'autophagie. Au cours des travaux présentés dans cette thèse, j'ai utilisé comme modèle d'étude la migration des neuroblastes dans le courant migratoire rostral, qui achemine les précurseurs neuronaux depuis la zone sous ventriculaire jusqu'au bulbe olfactif où ils intègrent les réseaux neuronaux existants. Dans le premier chapitre, je me suis intéressé à la contribution du mécanisme d'autophagie dans le contrôle de la migration cellulaire. Nous avons montré que l'autophagie est nécessaire au maintien d'une migration normale et que ce mécanisme est régulé temporellement et spatialement durant la migration. Son activation est liée au niveau énergétique intracellulaire et passe par l'activation d'AMPK, qui est le senseur d'énergie majeur de la cellule. Dans un deuxième temps, je me suis intéressé à l'impact sur la migration cellulaire de mutations des cadhérines Fat4 et Dchs1 qui entrainent chez l'humain un phénotype d'hétérotopie neuronale périventriculaire. Grâce à l'utilisation de greffes de cellules progénitrices issues de cellules humaines pluripotentes induites (dont l'acronyme anglais est iPSC) j'ai pu confirmer un défaut de migration des cellules présentant des mutations pour l'une ou l'autre de ces protéines. Pour finir nous avons aussi pu montrer que ce défaut de migration est accompagné d'une dysfonction dans le flux d'autophagie et une diminution du nombre de lysosomes disponibles. / The ability of cell to migrate away from their sites of production is a major process during embryonic and postnatal brains development allowing for a correct positioning of cells. During adulthood, in the central nervous system, cell migration is still present and, under physiological conditions, is associated with neurogenic niches of the subventricular zone and the dentate gyrus. Some pathologies or brain damaged could de-route migratory neurons away from their normal paths of migration to lesions sites. It should be also mentioned that during embryonic development, migration-associated disorders could lead to brain malformation resulting in cognitive disorder or epilepsy. Migratory behaviors of cells is determined by a complex mixture of extrinsic molecular cues, physical scaffold, or electrical gradient. The integration of these signals at the cellular level creates a coordinated response of intracellular elements like cytoskeleton, mitochondria, or autophagy. In this work, I studied the role of autophagy in neuronal migration under physiological and pathological conditions by using a migration of neuroblasts from the subventricular zone to the olfactory bulb along the rostral migratory stream as model system. In the first chapter of my thesis, I studied the contribution of autophagy in the control of cell migration under physiological conditions. We showed that autophagy is spatially and temporally regulated in migrating neuroblasts and maintains a normal rate of migratory event. This process is controlled by intracellular ATP/ADP level via the activation of AMPK In the second part of this work, I focused on mutation for paired cadherins Fat4 and Dchs1 leading to periventricular neuronal heterotopia phenotypes in humans. By grafting in the pups with NPCs derived from human iPSC with mutation form Fat4 or Dchs1, I showed default of migration in vivo of NPCs with these two mutations. We also showed that these cells exhibit altered autophagy flux associated with a decreased in lysosomal vesicles.