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Les encéphalites limbiques à autoanticorps anti-CASPR2 sont des atteintes du système nerveux central caractérisées par des troubles de la mémoire et des crises d’épilepsie. La protéine CASPR2 (Contactin-associated protein-like 2), avec son partenaire TAG-1, est connue pour son rôle dans le rassemblement des canaux potassiques voltage-dépendants (Kv1.1 et Kv1.2) dans la région juxtaparanodale des nœuds de Ranvier ; régions essentielles pour la conduction rapide des messages nerveux. Par ailleurs, de plus en plus d’études suggèrent un rôle de CASPR2 dans la plasticité synaptique et l’excitabilité neuronale, en lien avec les symptômes observés chez les patients présentant des anticorps anti-CASPR2. Cependant, le rôle pathogénique des anticorps anti-CASPR2 dans les encéphalites limbiques reste loin d’être compris. Au cours de ma thèse, j’ai souhaité améliorer la connaissance des mécanismes pathologiques des anticorps anti-CASPR2 de patient dans l’encéphalite limbique auto-immune. Pour cela, j’ai déterminé les caractéristiques biologiques des anticorps anti-CASPR2, suggérant un rôle direct des anticorps sur la fonction de CASPR2 en ciblant les domaines N-terminaux de la protéine. De plus, j’ai identifié deux mécanismes d’action potentiels des anticorps anti-CASPR2 sur l’interaction entre CASPR2 et TAG-1 et sur l’expression des canaux Kv1.2 en surface. Ces travaux impliquent d’avantage les anticorps anti-CASPR2 dans la pathogénicité des encéphalites limbiques auto-immunes / Anti-CASPR2 autoimmune limbic encephalitis is a central nervous system disorder characterized by memory disorders and epilepsy. CASPR2 (Contactin-associated protein-like 2) with its partner TAG-1, is known for its role in the clusterisation of voltage-dependent potassium channels (Kv1.1 and Kv1.2) in the juxtaparanodal region of node of Ranvier; which are essential for the rapid conduction of nerve signals. In addition, an increasing number of studies suggest a role of CASPR2 in synaptic plasticity and neuronal excitability, in relation with the symptoms observed in patients with anti-CASPR2 antibodies. However, the pathogenic role of anti-CASPR2 antibodies in limbic encephalitis remains far from clear. During my thesis I wished to improve our understanding of the mechanisms mediated by anti-CASPR2 antibodies in limbic encephalitis. To this end, I determined the biological characteristics of anti-CASPR2 antibodies, suggesting a direct role of antibodies on CASPR2 function by targeting its N-terminal domains. Furthermore, I identified two potential mechanisms of anti-CASPR2 antibodies on CASPR2/TAG-1 interaction and on Kv1.2 cell surface expression. These works further implicate anti-CASPR2 antibodies in the pathogenicity of autoimmune limbic encephalitis

Caspr2 est une molécule d'adhérence impliquée dans diverses pathologies neurologiques telles que l'autisme et l'encéphalite limbique (EL). Les mécanismes pathogéniques restent inconnus. Caspr2 est associé aux canaux potassiques Kv1.1/1.2 aux juxtaparanoeuds et au segment initial (SI). Dans un premier article publié dans Front. Cell. Neurosci. (2015), nous avons mis en évidence que les autoanticorps anti-Caspr2 issus de patients atteints d'EL ciblent majoritairement les neurones GABAergiques. Caspr2 est localisé au niveau des axones et des terminaisons présynaptiques inhibitrices dans les neurones d'hippocampe en culture. De plus, nous avons généré une chimère Caspr2-Fc soluble qui a permis d’identifier TAG-1 comme récepteur de Caspr2 localisé au niveau du compartiment somato-dendritique postsynaptique. Les neurones incubés avec des IgGs de patients, présentent une densité diminuée des clusters de Géphyrine marqueur des post-synapses inhibitrices. Ces anticorps sont d'isotype IgG4 et reconnaissent le plus communément des épitopes de la région Discoïdine-LaminineG1. Un blocage fonctionnel de Caspr2 au niveau synaptique permettrait de comprendre l'hyperexcitabilité associée à l'EL. Dans un second article en préparation, nous avons étudié la régulation de l’expression de Caspr2 au SI. Nous avons utilisé différentes constructions et identifié les domaines LamineG2-EGF1 extracellulaires de Caspr2 requis pour son expression axonale. De plus, les domaines cytoplasmiques de liaison aux protéines 4.1B et PDZ sont impliqués dans la rétention de Caspr2 et MPP2 au SI. Notablement, l'expression de TAG-1 ou ADAM22 induit des effets opposés sur l'expression de Caspr2 au SI. / Caspr2 is a cell adhesion molecule associated with neurologic diseases, such as autism spectrum disorders and limbic encephalitis. The underlying pathogenic mechanisms are still unknown. Caspr2 is associated with the voltage-gated potassium channels Kv1.1/1.2 localized at the axon initial segment (AIS) and the juxtaparanodes in myelinated axons. In a first paper published in Front. Cell. Neurosci. (2015), we characterized anti-Caspr2 autoantibodies from limbic encephalitis (LE) patients and showed that these autoantibodies preferentially targeted GABAergic neurons. Caspr2 was localized along axons and at the presynaptic terminals of inhibitory neurons in hippocampal cultures. Next, we generated a soluble Caspr2-Fc chimera to identify TAG-1 as a receptor for Caspr2 localized at the somato-dendritic compartment and post-synapses. We determined that neurons displayed decreased synaptic gephyrin clusters when incubated with anti-Caspr2 IgGs from LE patients. The autoantibodies mainly bound the N-terminal Discoidin-LamininG1 domains and were of the IgG4 isotype. They may exert functional blocking activity on inhibitory connections underlying the hyperexcitability linked with LE. In a second article in preparation, we examined the regulated expression of Caspr2 at the AIS using deletion and reporter constructs. We mapped the LamininG2 and EGF1 modules in the ectodomain as implicated in the axonal distribution of Caspr2 and the cytoplasmic motifs for binding to 4.1B and PDZ proteins as implicated in Caspr2 AIS retention together with MPP2. Strikingly, co-expression with TAG-1 and ADAM22 induced opposite effects on AIS Caspr2 distribution.

L’encéphalite limbique à auto-anticorps anti-CASPR2 est une atteinte du système nerveux central, caractérisée par la présence des auto-anticorps (autoAcs) dirigé contre CASPR2 dans le sérum et fluide céphalorachidien. La pathologie affecte majoritairement des hommes âgés présentant l’épilepsie comme symptôme prédominant. CASPR2 est une molécule d’adhésion neuronale, connue pour son rôle d’assemblage des canaux Kv1, régulateurs de l’excitabilité neuronale, à la région juxtaparanodale du nœud de Ranvier, une organisation essentielle pour la conduction saltatoire des flux nerveux. Un nombre croissant de données dans la littérature suggère un rôle pour CASPR2 dans des fonctions synaptiques et l’activité neuronale. Ceci pourrait expliquer l’épilepsie, un symptôme neurologique qui trouve son origine dans la perturbation de l’activité neuronale, observée chez les patients avec de l’encéphalite limbique anti-CASPR2. Dans ce travail de thèse, j’ai utilisé des autoAcs de patients comme outil pour investiguer le rôle de CASPR2 dans des neurones normalement développés en culture, permettant aussi d’évaluer l’effet des autoAcs des patients sur les fonctions synaptiques et de révéler des mécanismes physiopathologiques possibles sous-jacents à la maladie. Je me suis d’abord intéressée aux effets des autoAcs des patients sur l’expression et la distribution en surface de CASPR2 et sur l’expression des canaux Kv1.2 dans des neurones hippocampiques matures in vitro. J’ai montré que les neurones inhibiteurs sont positifs pour les canaux Kv1.2 et CASPR2 en surface, et que les autoAcs de patients augmentent l’expression de Kv1.2 et n’induisent pas l’internalisation de CASPR2. Dans un second temps, j’ai analysé les effets des autoAcs de patients sur les synapses excitatrices et inhibitrices dans des neurones hippocampiques immatures et matures in vitro. Dans les neurones immatures, la densité des épines dendritiques et le contenu des récepteurs AMPA sont augmentés, tandis que dans les neurones matures l’altération de la géphyrin suggère une perturbation de la transmission neuronale après traitement avec des autoAcs de patients. Mes résultats permettent de mieux comprendre les fonctions de CASPR2 dans les processus synaptiques et révèlent des mécanismes pathologiques possibles des autoAcs anti-CASPR2 menant à la présentation clinique des patients atteints d’encéphalite limbique anti-CASPR2 / Anti-CASPR2 autoimmune limbic encephalitis is a central nervous system disorder, characterized by the presence of autoantibodies (autoAbs) directed against CASPR2 in the serum and cerebrospinal fluid. Elderly men are mostly affected, with epilepsy being the predominant symptom. CASPR2 is a neuronal cell adhesion molecule, known for its role in gathering Kv1 channels, regulators of neuronal excitability, at the juxtaparanodal region of the node of Ranvier, an essential organization for saltatory conduction of nervous influxes. Increasing sets of data in literature point out a role for CASPR2 in synaptic functions and neuronal activity. This could explain the observed epilepsy, a neurological symptom that finds its origin in disturbed neuronal activity, in patients with anti-CASPR2 autoimmune limbic encephalitis. In this work, I used patients’ autoAbs as a tool to investigate the role of CASPR2 in normally developed cultured neurons which also allowed me to assess the effects of patients’ autoAbs on synaptic functions and reveal possible physiopathological mechanisms underlying the disease. I first assessed the effects of patients’ autoAbs on CASPR2 surface expression and distribution and on Kv1.2 channel expression in mature in vitro hippocampal neurons. I provided evidence that inhibitory neurons are positive for both Kv1.2 channels and surface CASPR2, and that patients’ autoAbs increase Kv1.2 expression and do not induce CASPR2 internalization. Secondly, I analyzed effects of patients’ autoAbs on excitatory and inhibitory synapses in vitro, in immature and mature hippocampal neurons. In immature neurons, dendritic spine densities and AMPA receptor content are increased, while in mature neurons alteration of gephyrin suggests disturbed neuronal transmission after treatment with patients’ autoAbs. My results allow for a better understanding of CASPR2 functions in synaptic processes and unravel possible pathological mechanisms regarding how anti-CASPR2 autoAbs lead to the clinical presentation of patients with anti-CASPR2 autoimmune limbic encephalitis

Die Autoimmunenzephalitis ist eine kürzlich beschriebene entzündliche Erkrankung des zentralen Nervensystems, die Gedächtnisdefizite, Psychosen, oder epileptische Anfälle hervorrufen kann. Derzeit ist hingegen noch nicht ausreichend verstanden, welche pathologischen Veränderungen zu den kognitiven Defiziten führen und welche neuropsychologischen und bildgebenden Langzeitoutcomes zu erwarten sind. Anhand von strukturellen und funktionellen Bildgebungsanalysen zeigt diese Dissertation, dass kognitive Defizite auch nach der akuten Phase der Autoimmunenzephalitis fortbestehen können. Bei der LGI1-Enzephalitis gehen Gedächtnisdefizite mit fokalen strukturellen Läsionen im Hippocampus einher. Durch eine funktionelle Störung der Resting-State-Konnektivität des Default-Mode- und Salienznetzwerkes beeinträchtigen diese Hippocampusläsionen auch Hirnregionen außerhalb des limbischen Systems. Bei Patient:innen mit NMDA-Rezeptor-Enzephalitis finden sich in der longitudinalen neuropsychologischen Untersuchung trotz guter allgemeiner Genesung auch noch mehrere Jahre nach der Akutphase persistierende Defizite des Gedächtnisses und exekutiver Funktionen. Zuletzt zeigt eine transdiagnostische Analyse, dass der anteriore Hippocampus eine erhöhte Vulnerabilität gegenüber immunvermittelten pathologischen Prozessen aufweist. Diese Ergebnisse legen nahe, dass kognitive Symptome auch noch nach der Entlassung aus der stationären Behandlung fortbestehen können. Sowohl umschriebene strukturelle Hippocampusläsionen als auch Veränderungen in makroskopischen funktionellen Hirnnetzwerken tragen zur pathophysiologischen Erklärung dieser Symptome bei. Zudem erlauben diese Ergebnisse einen Einblick in neuroplastische Veränderungen des Gehirns und haben weitreichende Implikationen für die Langzeitversorgung und das Design zukünftiger klinischer Studien. / Autoimmune encephalitis is a recently described inflammatory disease of the central nervous system that can cause memory deficits, psychosis, or seizures. The trajectory of cognitive dysfunction and the underlying long-term imaging correlates are, however, not yet fully understood. By using advanced structural and functional neuroimaging, this thesis shows that cognitive deficits persist beyond the acute phase. In LGI1 encephalitis, MRI postprocessing revealed that memory deficits are related to focal structural hippocampal lesions. These hippocampal lesions propagate to brain areas outside the limbic system through aberrant resting-state connectivity of the default mode network (DMN) and the salience network. In NMDA receptor encephalitis, a longitudinal analysis of neuropsychological data describes persistent cognitive deficits, especially in the memory and executive domains, despite good physical recovery several years after the acute disease. Lastly, a transdiagnostic analysis reveals that the anterior hippocampus is particularly vulnerable to immune-mediated damage. In conclusion, these results demonstrate that cognitive symptoms in autoimmune encephalitis can persist beyond discharge from neurological care. Both discrete structural hippocampal damage and changes in macroscopic functional networks shed light on the pathophysiological basis of these symptoms. These findings help to explain how the brain responds to pathological damage and have substantial implications for long-term patient care and the design of future clinical studies.