Le morphogène Sonic hedgehog (Shh) est requis pour le guidage axonal des neurones commissuraux lors du développement de la moelle épinière, phénomène impliquant des événements de réorganisation du cytosquelette d’actine. Bien qu’il soit généralement admis que le cytosquelette d’actine soit régulé via les petites GTPases de la famille Rho, un effet de Shh sur ces protéines n’a jamais été observé dans aucun contexte physiologique. Nous démontrons que Shh active les petites GTPases Rac1 et Cdc42 et que cette activation est rapide et donc, compatible avec les effets de guidage induits par Shh sur les neurones commissuraux. En parallèle, nous avons étudié l’activation de la protéine Boc, qui est un récepteur de Shh requis pour le guidage axonal des neurones commissuraux. Ces résultats contribuent à raffiner notre compréhension de la transduction cellulaire induite par Shh lors du guidage axonal des neurones commissuraux. / Sonic hedgehog (Shh) is required for axon guidance of commissural neurons during spinal cord development, which involves reorganization of the actin cytoskeleton. Even if it is known that this process is regulated by small Rho GTPases, an effect of Shh on these proteins has not been clearly demonstrated. In this study, we show that Shh activates the small GTPases Rac1 and Cdc42. This activation occurs rapidly, which is compatible with the guidance effects of Shh on commissural neurons. In parallel, we characterized the Shh-dependent activation of Boc, which is a Shh receptor required for commissural axon guidance. Taken together, these results help refine our understanding of the signal transduction mediated by Shh during axon guidance of commissural neurons.

Le morphogène Sonic hedgehog (Shh) est requis pour le guidage axonal des neurones commissuraux lors du développement de la moelle épinière, phénomène impliquant des événements de réorganisation du cytosquelette d’actine. Bien qu’il soit généralement admis que le cytosquelette d’actine soit régulé via les petites GTPases de la famille Rho, un effet de Shh sur ces protéines n’a jamais été observé dans aucun contexte physiologique. Nous démontrons que Shh active les petites GTPases Rac1 et Cdc42 et que cette activation est rapide et donc, compatible avec les effets de guidage induits par Shh sur les neurones commissuraux. En parallèle, nous avons étudié l’activation de la protéine Boc, qui est un récepteur de Shh requis pour le guidage axonal des neurones commissuraux. Ces résultats contribuent à raffiner notre compréhension de la transduction cellulaire induite par Shh lors du guidage axonal des neurones commissuraux. / Sonic hedgehog (Shh) is required for axon guidance of commissural neurons during spinal cord development, which involves reorganization of the actin cytoskeleton. Even if it is known that this process is regulated by small Rho GTPases, an effect of Shh on these proteins has not been clearly demonstrated. In this study, we show that Shh activates the small GTPases Rac1 and Cdc42. This activation occurs rapidly, which is compatible with the guidance effects of Shh on commissural neurons. In parallel, we characterized the Shh-dependent activation of Boc, which is a Shh receptor required for commissural axon guidance. Taken together, these results help refine our understanding of the signal transduction mediated by Shh during axon guidance of commissural neurons.

Les commissures forment un ensemble de connexions nerveuses assurant la communication entre les neurones de chaque hémi partie du système nerveux central des bilatériens. Au cours du développement embryonnaire, les axones des neurones commissuraux sont guidés au travers de la ligne médiane délimitant ces deux parties. Plusieurs sources de signaux de guidage attractifs et répulsifs agissent de concert pour organiser les trajectoires de ces axones. Dans la moelle épinière, les axones commissuraux traversent la ligne médiane dans un territoire ventral, la plaque du plancher (PP). Au cours de la traversée de la PP, ils acquièrent une sensibilité à des signaux répulsifs exprimés par ce territoire qui leur empêchent de rebrousser le chemin et qui les poussent hors de la PP. Plusieurs couples ligands/récepteurs médient ces forces répulsives mais les mécanismes qui sous-tendent l'acquisition de la sensibilité aux signaux répulsifs restent encore peu connus. Par exemple on ignore si les axons se sensibilisent à tous les signaux répulsifs en même temps, quand précisément ce switch de réponse se fait, et les contributions précises de chacun de ces signaux. Une spécificité fonctionnelle est suggérée par l'analyse des phénotypes d'invalidation des gènes codant pour ces récepteurs chez la souris ou encore par des manipulations d'expression chez l'embryon de poulet. L'objectif de mes travaux de thèse a été de tester l'hypothèse selon laquelle la génération de spécificités fonctionnelles pourrait résulter de contrôles précis et distincts de la dynamique spatiale et temporelle des récepteurs de guidage à la surface du cône de croissance. J'ai tout d'abord développé un dispositif de vidéomicroscopie adapté à l'enregistrement de cônes de croissance accomplissant la traversée de la PP, sur des moelles épinières en configuration de «livre ouvert». Afin de visualiser l'adressage à la surface du cône de croissance, j'ai exploité une forme de GFP sensible au pH, dont les propriétés de fluorescence à pH neutre permettent un suivi spécifique du pool de surface des protéines (Nawabi et al., 2010; Delloye-Bourgeois et al, 2014). J'ai utilisé ce paradigme pour comparer la dynamique temporelle de 4 récepteurs médiant les réponses aux divers signaux répulsifs de la PP: Nrp2, Robo1, Robo2 et PlxnA1. Les vecteurs d'expression de ces formes pHLuo de récepteurs ont été introduits dans les neurones commissuraux de la moelle épinière d'embryon de poulet par électroporation in ovo. Par des approches de microscopie à super-résolution sur les livres-ouverts, j'ai aussi étudié la distribution spatiale des récepteurs répulsifs à la surface des cônes de croissances au cours de la traversée. L'ensemble de ces expériences a pu démontrer que les récepteurs sont adressés à la membrane à différents temps de la navigation de la PP et occupent, de plus, des domaines distincts du cône de croissance. J'ai ensuite adapté la technique d'électroporation à la moelle épinière d'embryon de souris. Ces expériences ont montré que les séquences temporelles observées chez le poulet sont conservées chez la souris. J'ai également réintroduit le récepteur Robo1 dans une lignée de souris présentant une invalidation des récepteurs Robo1/2 et montré que l'altération de la traversée de la PP caractéristique de cette lignée est abolie dans la population d'axones capables d'adresser le récepteur Robo1 à la membrane. Au final, mes résultats démontrent que les axones commissuraux ne sont pas sensibilisés aux signaux répulsifs par la mise en œuvre d'un programme général. Au contraire, les récepteurs de guidage possèdent des profils de dynamiques temporelles spécifiques, et des domaines de distribution distincts dans le cône de croissance. Le contrôle de la dynamique d'adressage représente ainsi un mécanisme permettant de discriminer des signaux concomitants, en les fonctionnalisant à différents temps de la navigation de la moelle épinière / During embryonic development, commissural axons are guided through the midline, crossing from one side of the CNS to the other one at specific time points and positions to project onto contralateral neurons. Several sources of attractive cues regulate their navigation. In addition, repulsive forces act at different steps to keep the axons along their path. In the developing spinal cord, commissural axons cross the midline in a ventral territory, the floor plate (FP). Commissural axons gain sensitivity to repellents present in the FP after their crossing. The setting of these novel properties is necessary for preventing the axons to cross back and also for pushing them towards FP exit. Various ligand/receptor couples have been reported to mediate these repulsive forces. Whether commissural axons gain response to all the repulsive cues at the same time is not known. Whether these repulsive cascades have specific functions is suggested by different outcome of their invalidation in mouse models, but how are set these differences also remains unknown. We hypothesized that the generation of functional specificities could be achieved though specific controls of the spatial and temporal dynamics of guidance receptors at the growth cone surface. During my PhD, I developed a set up for time-lapse imaging of “open book” spinal cords, to monitor the dynamics of guidance receptors in axons experiencing native guidance decisions across the midline. To visualize their cell surface sorting, receptors were fused to the pH-sensitive GFP, pHLuorin, whose fluorescence at neutral pH reports membrane protein pools (Nawabi et al, 2010; Delloye-Bourgeois et al, 2014), and were expressed in spinal commissural neurons through in ovo electroporation. This paradigm revealed striking differences in the temporal dynamics of Nrp2, Robo1, Robo2 and PlexinA1, the receptors known to mediate the responsiveness to the major midline repellents referenced in vertebrates: Slit-Ns, Slit-Cs and Semaphorin3B. Moreover, using super-resolution microscopy, I could evidence that PlexinA1 and Robo1 are sorted in distinct subdomains of commissural growth cones navigating the floor plate. I also introduced the pHLuo-tagged receptors in the mouse embryo. These experiments showed that the temporal sequences established in the chick are conserved in the mouse, and that FP crossing in Robo1/2 mutant embryos was rescued in growth cones that could achieve cell surface sorting of Robo1. Thus, my results show that guidance receptors for midline repellents have highly specific spatial and temporal dynamics. The generation of a temporal sequences of cell surface sorting thus represents a mechanism whereby commissural growth cones discriminate concomitant signals by functionalizing them at different timing of their spinal cord navigation

Les circuits nerveux s'organisent autour des grands axes de polarité du corps. Au cours du développement, la navigation ainsi que l'arrangement spatial des projections au sein de leurs territoires cibles sont contrôlés par de nombreux facteurs de guidage. Pendant ma thèse je me suis intéressée à deux modèles de formation des circuits neuronaux présentant une polarité dans l'axe droite-gauche. Le premier concerne la mise en place des projections des interneurones commissuraux de la moelle épinière, un modèle de navigation orientée et le second, porte sur l'innervation des motoneurones phréniques, un modèle d'organisation asymétrique dans le territoire cible. Les mouvements comme la marche, la course ou la nage font intervenir des circuits neuronaux particuliers dédiés à la coordination des deux côtés du corps. Ces circuits sont formés majoritairement par les projections des interneurones commissuraux de la moelle épinière. Au cours du développement, ces interneurones élaborent un axone qui traverse la ligne médiane partageant les deux moitiés du système nerveux central pour se connecter aux motoneurones ou à d'autres interneurones de l'hémi-moelle opposée. De nombreux travaux ont porté sur les mécanismes de traversée de la ligne médiane et ont mis en évidence un rôle fondamental de facteurs de guidage comme la Nétrine, les Slit et les Sémaphorines. Ces molécules sont secrétées par les cellules de la plaque du plancher (PP) environnant la ligne médiane ventrale. Lors de leur traversée les axones commissuraux sont tout d'abord attirés par les signaux attractifs secrétés par les cellules de la PP. Une fois que les axones ont traversé la ligne médiane, ils perdent leur sensibilité aux facteurs attractifs et développent des nouvelles sensibilités pour des facteurs répulsifs qui les guident hors de la PP. Une étude menée par mon équipe a permis de montrer que les axones commissuraux acquièrent une réponse à la Sémaphorine3B seulement après avoir traversé la ligne médiane. Dans cette étude, l'équipe a montré que pendant la phase qui précède la traversée de la PP, une protéase, la Calpaine-1, dégrade la Plexine-A1, le corécepteur de Sema3B (Nawabi et al., 2010). L'inhibition de cette voie pendant la traversée de la PP conduit à la stabilisation de la PlexineA1 à la surface du cône de croissance et la formation d'un complexe récepteur de Sema3B fonctionnel composé de la Plexine-A1 et de la sous-unité de liaison de Sema3B, la Neuropiline2. La suppression de l'activité Calpaine est contrôlée par des signaux de la PP dont la nature n'était pas connue. Au cours de ma thèse j'ai identifié et caractérisé les contributions fonctionnelles de deux signaux de la PP qui sont responsables de la suppression de l'activité Calpaine et la sensibilisation des axones à Sema3B après la traversée. Ces résultats ont permis d'élargir les fonctions du facteur neurotrophique gdnf, et d'apporter de nouveaux éléments sur les voies de contrôle de la signalisation Sémaphorine, les processus de traversée et les modulations post-traductionnelles des récepteurs Plexines. Dans un deuxième projet, je me suis intéressée aux asymétries droite-gauche du système nerveux, par l'étude d'un nouvel exemple de circuit neuronal asymétrique : l'innervation motrice du diaphragme. Le diaphragme est un muscle indispensable à la respiration, il est composé d'une région centrale tendineuse et de deux muscles latéraux. Ces muscles sont innervés par un groupe particulier de motoneurones provenant de la moelle épinière cervicale, qui forment les nerfs phréniques droits (D) et gauches (G). Malgré une position centrale dans l'organisme et une morphologie apparente symétrique, nous avons découvert que le diaphragme présente une asymétrie musculaire ainsi qu'une asymétrie nerveuse. Etonnamment les motoneurones phréniques établissent un motif de connexion typique et différent sur les muscles droit et gauche du diaphragme [etc...] / The nervous circuits have stereotype positions within the major body axes. During development, axonal navigation and special positioning of the axon tracts in the target territories are regulated by many axon guidance factors. During my thesis I have been interested in two models of neuronal circuit formation that present a leftright polarity. The first one concerns the formation of the spinal commissural neurons projections, a model of oriented navigation along the left-right axis and the second one is the innervation of the phrenic motoneurons, a novel model of left-right asymmetric innervation pattern. Rhythmic locomotor movements like walking, running or swimming require neuronal circuits ensuring left-right coordination. Central components of these circuits are commissural neurons of the spinal cord. During development theses neurons are projecting axons across the midline that divides the nervous system in two parts, which connect the contralateral side of the spinal cord. Extensive work focused on the mechanisms controlling midline crossing. These study revealed a fundamental role of guidance factors secreted by floor plate cells at the ventral midline such as Netrins, Slits and Semaphorins. They also revealed that before crossing, axons are attracted towards the floor plate, and navigating by the floor plate they lose responsiveness to these attractive factors and develop a new sensitivity to repulsive cues that drive them out of the floor plate. In a previous study, my team showed that commissural axons gain response to Sema3B only after floor plate crossing (Nawabi et al., 2010). Before crossing, Plexin-A1 the Sema3B receptor is processed by a protease: the Calpain1. During crossing suppression of this pathway enable Plexin-A1 expression at growth cone surface, leading to sensitization to Sema3B. The suppression of Calpain activity was found controlled by floor plate signals, which remained unknown. During my thesis I have identified and characterized the functional contribution of two floor plate signals that are responsible for the inhibition of Calpain activity and axon sensitization to Sema3B after midline crossing: the neurotrophic factor gdnf and the cell adhesion molecule NrCAM. My results bring new elements on the control of midline crossing processes, Semaphorin signaling, and post-translational modifications of the Plexins receptors. In my second project, I have been interested in left-right asymmetries of the nervous system through the study of a new model of left-right asymmetry: the diaphragm innervation. The diaphragm is a muscle essential for breathing, it is composed of one central tendinous region and two lateral muscles. These muscles are innervated by a subset of cervical spinal cord motoneurons which forms the left and right phrenic nerves. Despite its central disposition in the organism and its apparent symmetry, we noticed that the diaphragm presents nervous and muscular asymmetries. Surprisingly phrenic motoneurons present typical and different nerve patterns on the left and right diaphragm muscles. Diverse left-right characteristic have been documented in the brain but none concerned yet the spinal cord or peripheral projections. My thesis work has been dedicated to the identification of the mechanisms that control the asymmetry of the diaphragm innervation. My work showed that this asymmetry is set up very early during development via a molecular pathway that is known to control the visceral organ asymmetry. This work opens numerous perspectives and brings new information on the molecular diversity of spinal neurons that could shed a new light on the mechanisms of motoneuron physiopathology