Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Honors Project--Smith College, Northampton, Mass., 2009. / Includes bibliographical references (p. 125)

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Honors Project--Smith College, Northampton, Mass., 2009. / Includes bibliographical references (p. 111-118).

Honors Project--Smith College, Northampton, Mass., 2010. / Includes bibliographical references (p. 91-96).

SCHIP-1 est une protéine cytoplasmique enrichie aux nœuds de Ranvier et aux segments initiaux des axones matures, où elle est associée à l’ankyrine G. SCHIP-1 est également exprimée dans le système nerveux central pendant le développement embryonnaire. Nous montrons ici que les souris mutées pour Schip1 présentent des anomalies morphologiques de la commissure antérieure formée par les axones du cortex piriforme, du noyau olfactif antérieur et de l’amygdale. Ces anomalies résultent de défauts de croissance et de guidage axonal in vivo au cours du développement. Les neurones du cortex piriforme d’embryons mutés présentent un retard d’initiation et de croissance axonales, et des anomalies de guidage axonal in vitro. Des expériences de vidéomicroscopie montrent que SCHIP-1 régule la réponse des cônes de croissance à la molécule de guidage EphB2, importante pour le développement de la commissure antérieure. Les souris mutées présentent en outre une diminution de l’épaisseur du cortex piriforme qui affecte spécifiquement les couches de neurones de projection. Cette diminution résulterait d’une augmentation de la mort cellulaire et non d’un défaut de génération ou de migration des neurones. De manière intéressante, ces anomalies morphologiques sont associées à des comportements anormaux qui pourraient reposer sur des défauts d’intégration des odeurs. Le cortex piriforme joue un rôle-clé dans la discrimination, l’association et l’apprentissage des odeurs. Les souris mutées pour Schip1 semblent donc être un modèle prometteur pour étudier la fonction du cortex piriforme ainsi que celle de la commissure antérieure, peu connues à ce jour. / SCHIP-1 is a cytoplasmic component of nodes of Ranvier and axon initial segments of mature axons, where it associates with ankyrinG. SCHIP-1 is also expressed in the CNS during mouse early embryonic stages. Here we report that Schip1 mutant mice display morphological abnormalities of the anterior commissure, which is composed of axons from piriform cortex, anterior olfactory nucleus, and amygdala. These abnormalities are due to impaired axon elongation and navigation in vivo during development. Piriform cortex neurons display axon initiation/outgrowth delay and guidance defects in vitro. Time-lapse imaging indicates that SCHIP-1 regulates the response of growth cones to EphB2, a guidance cue important for anterior commissure development. Besides, mutant mice display a reduced thickness of the piriform cortex, which affects projection neuron layers, and is likely to result from cell death rather than from impairment of pyramidal neuron generation or migration. Interestingly these morphological defects are associated with abnormal behavior related to defects in odor processing. The piriform cortex is thought to play a key role in odor discrimination, association and learning. Thus Schip1 mutant mice appear to be an interesting model to further characterize piriform cortex as well as anterior commissure functions, which are yet poorly known.

Dans le système nerveux des bilatériens, certains neurones, appelés commissuraux, étendent leurs axones au-delà de la ligne médiane pour se connecter à des neurones controlatéraux. La Nétrine-1, une protéine sécrétée, guide ces axones jusqu'à la ligne médiane ventrale. Son récepteur DCC, exprimé dans les axones commissuraux, est considéré comme le relais de cette signalisation. Cependant, chez la souris, le récepteur Robo3 participe également à cette signalisation et est nécessaire pour que les axones commissuraux franchissent la ligne médiane ventrale. Dans ce travail, nous avons étudié la conservation des récepteurs Robo3 et DCC chez les vertébrés. De façon surprenante, nous avons mis en évidence que le gène Dcc est absent chez deux groupes d'oiseaux. Toutefois, cette perte ne semble pas s'accompagner de défaut de guidage des axones commissuraux chez ces oiseaux. Le gène Robo3 est, quant à lui, présent chez tous les vertébrés, mais présente des particularités structurales et fonctionnelles chez les mammifères, notamment la perte de liaison aux Slits (les ligands canoniques des récepteurs Robo). Chez les amniotes, Robo3 est spécifiquement exprimé dans les axones commissuraux avant le croisement de la ligne médiane. En revanche, chez les autres vertébrés, son expression est plus vaste et sa fonction dans le guidage commissural reste ambigüe. Enfin, la restauration de la signalisation Robo3-Slits chez la souris et sans effet sur la mise en place des commissures, et son rôle chez les autres vertébrés reste inconnu. Dans l'ensemble, ces données apportent un nouvel éclairage sur la diversité des commissures et de leurs systèmes de guidage chez les vertébrés. / In most bilateria, some neurons, called commissural neurons, extend their axons across midline to connect with contralateral targets. Netrin-1, a protein secreted at the ventral midline by the floor plate, atracts commissural axons and guide them towards midline. It is thought that the DCC receptor mediates Netrin-1 attraction towards ventral midline. However, in the mouse, Robo3 receptor also participate to Netrin-1 attractive signaling, and is necessary for commissural axons to reach ventral mdline. In this work, we have been studiing Robo3 and DCC receptors conservation in vertebrates. Strickingly, we found that birds withinh two major groups, the Galliforms and Passeriforms, do not have a Dcc gene. However, our comparative analysis of commissure development in birds revealed no difference between birds having or not DCC. On the other hand, Robo3 gene is present in all vertebrates studied, but is divergent in mammals. Especially Robo3 does not bind its cananical lignads Slits in these group. In amniotes, Robo3 is specifically expressed in commissural axons before they cross the midline. In contrast, Robo3 expression in other vertebrates is broder, and its exact function in commissural axon guidance remains unclear. Finally, restoring Slit binding to Robo3 in mammals does not affect commissural guidance, and the rôle of Robo3-Slit signaling in other vertebrates remains unclear. These data shed a new light on commissures diversity and their guidance mechanism among vertebrates.

Chez les espèces ayant une symétrie morphologique bilatérale, les connections entre la gauche et la droite au sein du système nerveux sont appelées commissures. Le développement de nouveaux circuits commissuraux et la modification des circuits existants ont accompagné l’émergence de caractéristiques neurobiologiques essentielles. D’un point de vue moléculaire, le guidage des commissures dépend de couplage ligand-récepteur tels que Netrin-1/DCC, responsable de l’attraction des axones commissuraux, et tel que Slit/Robo3, responsable de la répulsion des axones ayant traversé la ligne médiane. Plusieurs commissures ne se développent pas en absence d’un unique récepteur, le Robo3, contestant ainsi une présumée redondance moléculaire. Tout d’abord, il est impérial de caractériser le mécanisme moléculaire sous-jacent à cette fonction unique de Robo3 chez les mammifères et au cours de l’évolution. Ensuite, nous visons à extrapoler vers une indentification de nouvelles molécules impliquées dans le développement commissural. Nos travaux ouvrent la voie à une réévaluation du contrôle développemental assuré par Robo3 au sein du système commissural des mammifères. Par biochimie fonctionnelle, nous avons observé que Robo3 du mammifère ni se lie, ni ne réagit aux slits. Par ailleurs, Robo3 interagit avec DCC, ce qui produit une phosphorylation intracellulaire sélective de Robo3 par l’entremise de la Nétrine-1. Cette dernière n’a pas d’effet attractif sur les neurones pontiques dépourvus de Robo3; phénomène qui peut être rétabli chez des souris Robo3 -/- par l’expression de Robo3 mammifère, mais non par l’expression de Robo3 non-mammifère. En conclusion, nous démontrons que la fonction de Robo3 a été spécifiquement convertie lors de l’évolution des mammifères. Une telle diversification mécanistique dérivée de l’évolution moléculaire d’un gène spécifique est susceptible d’être à la base de la précision du contrôle des mouvements volontaires chez les mammifères. / In species with bilateral morphological symmetry, connections between left and right in the nervous system are called commissures. The development of novel commissural circuits and modification of existing ones have accompanied the emergence of key neurobiological features in vertebrate evolution. Molecularly, guidance of commissures relies on ligand-receptor pairs such as Netrin-1/DCC mediating attraction of commissural axons to, and Slit/Robo mediated repulsion of post-crossing axons away from the midline. Arguing against assumed molecular redundancy, many commissures fail to develop in absence of a single receptor, Robo3. The objective of the current work is threefold: first, it sets out to characterize the molecular mechanisms underlying this unique function of Robo3 in mammals and evolutionarily across species. Secondly, we aim to extrapolate towards the identification of new molecules important for commissure development to lastly functionally evaluate some of these putative novel commissural signaling pathways. Our work paves the way to a complete reevaluation of Robo3-mediated developmental control in mammalian commissural systems. Using functional biochemistry, we find that mammalian Robo3 does neither bind nor respond to Slits. Moreover, Robo3 interacts with DCC and Netrin-1 selectively triggers intracellular phosphorylation of mammalian Robo3. Netrin-1 fails to attract pontine neurons lacking Robo3 and attraction can be restored in Robo3-/- mice by expression of mammalian, but not nonmammalian, Robo3. Conclusively, we show that Robo3 function has been uniquely converted during mammalian evolution. Such mechanistic diversification through molecular evolution in one specific gene likely underlies fine-tuning of mammalian voluntary movement control.

Les membres de la famille de facteur de transcription RFX sont extrêment conservés au cours de l'évolution et sont retrouvés de la levure aux mammifères. Au sein de notre laboratoire, nous disposons d'un modèle murin Rfx3. Au cours de mon doctorat, j'ai entrepris d'analyser le phénotype cérébral de ce mutant. Il est ressorti de cette étude que les souris Rfx3 présentent de multiples atteintes cérébrales au niveau de l'Organe Sous Commissural, de la Glande Pinéale, des Plexus Choroïdes et de la Commissure Postérieure. L'analyse de la formation du cerveau, chez ces mutants, a révélé qu'une mauvaise spécification de la ligne médiane dorsale du prosencéphale peut en être à l'origine. Comme RFX3, est un régulateur de la ciliogenèse, ces travaux supposent l'existence d'un nouveau rôle des cils dans la genèse cérébrale. Appuyant cette hypothèse, une des atteintes cérébrales classiquement rencontrées chez les patients souffrant de ciliopathies, qu'est l'agénésie callosale, est également retrouvée chez les mutants murins Rfx3. Et l'analyse de la région de formation du Corps Calleux, en contexte mutant, a mis en évidence des défauts cellulaires pouvant expliquer cette atteinte cérébrale majeure. L'ensemble des travaux réalisés sur ce modèle murin de ciliopathie permettent progressivement d'apporter des réponses essentielles quant aux mécanismes physiopathologiques des ciliopathies.