Les signaux environnementaux ont une grande influence sur le devenir de certaines populations de motoneurones. J'étudie la population qui exprime le facteur de transcription PEA3, située au niveau brachial, caractérisée et spécifiée par ce facteur, et qui innerve les muscles dorsaux des membres (Livet et al., 2002 ; Vrieseling et al., 2006). Cette population représente un des exemples les mieux compris de l'acquisition d'une identité neuronale par des signaux provenant du muscle cible. Au cours du développement, l'expression de PEA3 se met en place de manière séquentielle. PEA3 est d'abord exprimé dans un premier sous-groupe de neurones localisé en position postérieure dans le domaine (neurones pionniers), puis dans un deuxième sous-groupe de neurones situé en position plus antérieure. Le développement de cette population implique des échanges de signaux entre les neurones pionniers, instruits par le muscle cible, et le deuxième groupe de neurones antérieurs, instruit par les neurones pionniers. Le GDNF, produit par les cellules du futur muscle cible, induit PEA3 dans les neurones pionniers (Haase et al., 2002). Puis le HGF, un autre facteur dérivé du membre, induit les neurones pionniers à sécréter un ‘signal de propagation’, qui agit à distance et induit l'expression de PEA3 dans le deuxième groupe de neurones (neurones recrutés) (Helmbacher et al., 2003). L'objectif initial de ma thèse a été basé sur l'identification de ce signal de propagation. J'ai d'abord utilisé une approche pharmacologique dans un système in vitro de cultures d'explants de moelles épinières d'embryons de souris. En y inhibant la voie EGF, j'ai démontré que le signal de propagation appartient à cette famille de molécules. Les récepteurs de la voie EGF (ErbB1 à ErbB4) sont exprimés chez l'embryon de poulet et de souris dans la moelle épinière brachiale, et spécifiquement dans les motoneurones, au moment où PEA3 est exprimé. Parmi les ligands de la voie EGF, je me suis intéressée aux neurégulines, une famille de glycoprotéines connue pour son implication dans la mise en place du système nerveux. J'ai montré que des isoformes du gène neuréguline1 (nrg1), possédant un domaine immunoglobuline (type I) sont capables d'induire l'expression de pea3 dans la moelle épinière brachiale, et spécifiquement dans les neurones recrutés. J'ai pu démontrer, en utilisant des souris mutantes pour le récepteur à l’HGF (metd/d), que le signal de propagation est vraisemblablement une isoforme NRG1, de type I. / Signals derived from the environment have an important influence on development of some motorneurons populations. I study the population that expresses the transcription factor PEA3, localized at the brachial level, characterized and specified by this factor. This population innervates the limb dorsal muscles (Livet et al., 2002 ; Vrieseling et al., 2006). This population represents one of the best understood examples of an acquisition of a neuronal identity induced by signals derived from the target muscle. During development, PEA3 expression is made in two times in motorneurons. Initially, PEA3 is expressed in a first population, localized in the posterior part of the domain (pionneers neurons), then in a second population, localized in a more anterior position. Development of this population implies exchanges of signals between pionneers neurons, instructed by the target muscle, and anterior neurons, instructed by pionneers neurons. GDNF, produced by cells of the future target muscle, induces PEA3 in the pioneers neurons (Haase et al., 2002). Then, HGF, another limb-derived factor, induces pioneers neurons to secrete a propagation signal’, which induces PEA3 expression in the second population of neurons (recruited neurons) (Helmbacher et al., 2003). The initial purpose of my phD was to identify this ‘propagation signal’. First, I used a pharmacological approach in an in vitro assay of mouse embryos spinal cord explants culture. I did inhibition of the EGF pathway in this assay, and I showed that the propagation signal belongs to this family. EGF receptors (ErbB1 à ErbB4) are expressed in chick and mouse embryos, and especially in motorneurons, when PEA3 is expressed. Among the EGF ligands, I studied neuregulins, a family of glycoproteins involved in the nervous system development. I showed that isoforms of neuregulin1 gene (nrg1), which have an immunoglobulin domain (type I) induce pea3 expression in the brachial spinal cord, and especially in the recruited neurons. I observed, by using mice mutants for HGF receptor (metd/d), that the propagation signal is plausibly a typeI NRG1 isoform. Keywords : motorneurons, PEA3, recruitment, ErbB.

The overall aim of this thesis was to establish strategies to minimize secondary damage to the injured spinal cord. Secondary damage that follows spinal cord injury (SCI) involves inflammatory and excitotoxic pathways. Regulation of these pathways using immunomodulatory and neuroprotective substances potentially protects the injured spinal cord from further damage. We also developed and studied resorbable biomaterials to be used as carriers for potential neuroprotectants to the injured spinal cord. We used transversal spinal cord slice cultures (SCSCs) derived from postnatal mice as a model. SCSCs were maintained on different biomaterials and were studied after treatment with immunomodulatory and/or neurotrophic factors. They were further excitotoxically injured and subsequently treated with interleukin-1 receptor antagonist (IL1RA) or by neural crest stem cell (NCSC)-transplantation. The results show that biocompatible and resorbable hydrogels based on hyaluronic acid (HA) preserved neurons in SCSCs to a much higher extent than a conventional collagen-based biomaterial or standard polyethylene terephthalate (PET) membrane inserts. Glial activation was limited in the cultures maintained on HA-based hydrogel. The anti-inflammatory factor IL1RA protected SCSCs from degenerative mechanisms that occur during in vitro incubation, and IL1RA also protected SCSCs from excitotoxic injury induced by N-Methyl-d-Aspartate (NMDA). IL1RA specifically protected neurons that resided in the ventral horn, while other neuronal populations such as dorsal horn neurons and Renshaw cells did not respond to treatment. Finally, transplantation of NCSCs onto excitotoxically injured SCSCs protected from neuronal loss, apoptosis and glial activation, while NCSCs remained undifferentiated. The results presented in this thesis indicate that carriers based on HA seem to be more suitable than conventional collagen-based biomaterials since they enhance neuronal survival per se. The observed neuroprotection is likely due to biomechanical properties of HA. IL1RA protects SCSCs from spontaneous degeneration and from NMDA-induced injury, suggesting that excitotoxic mechanisms can be modulated through anti-inflammatory pathways. Different neuronal populations are affected by IL1RA to various degrees, suggesting that a combination of different neuroprotectants should be used in treatment strategies after SCI. Finally, NCSCs seem to protect SCSCs from excitotoxic injury through paracrine actions, since they remain undifferentiated and do not migrate into the tissue during in vitro incubation. It seems that combinations of neuroprotectants and carrier substances should be considered rather than one single strategy when designing future treatments for SCI. Incorporation of neuroprotectants such as IL1RA combined with stem cells in injectable biocompatible carriers based on HA is the final goal of our group in the treatment of SCI.

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative caractérisée par une perte sélective des motoneurones et impliquant les effets neurotoxiques des astrocytes. Le but de ce travail est d’explorer les altérations du métabolisme dans les astrocytes induites par des conditions associées à la SLA. Nous avons dans un premier temps mis en place une méthodologie d’analyse spectrométrique (résonance magnétique nucléaire et spectrométries de masse) du métabolome cellulaire. Ensuite, nous avons invalidé les cellules NSC-34 comme modèle in vitro d’étude de l’excitotoxicité induite par le glutamate. Nous avons enfin étudié les altérations métaboliques dans les astrocytes primaires dans des conditions de la SLA et décrit plusieurs dysfonctionnements métaboliques dans ces cellules induits par l’expression de la mutation SOD1G93A, par la présence des motoneurones sauvages et par l’exposition au glutamate. Ce travail met en évidence les relations métaboliques entre la SLA et le métabolisme énergétique cérébral. Nos résultats contribuent à la compréhension des altérations métaboliques des astrocytes dans la SLA et pourraient aider à appréhender de nouvelles cibles thérapeutiques associées aux altérations métaboliques dans la SLA, afin de protéger les motoneurones des perturbations induites par le glutamate. / The selective degeneration of motoneuron that characterizes amyotrophic lateral sclerosis (ALS), implicates non-cell-autonomous effects of astrocytes. The aim of this work is to explore the metabolic status of astrocytes exposed to ALS-associated conditions, using metabolomics approach. We first, developed a methodology for the analysis of cellular metabolome using different analytical technologies, and then we evaluated the relevance of differentiated NSC-34 as an in vitro model for glutamate excitotoxicity studies. Finally, we evaluated metabolic alterations in astrocytes in ALS-associated conditions and we described several metabolic dysfunctions in these cells induced by the expression of a SOD1G93A mutation, the presence of wildtype motoneurons and glutamate exposition. These studies highlight major impacts of ALS on the brain energetic metabolism. This work provides novel insight for understanding the metabolic dysfunction of astrocytes in ALS conditions and opens perspective of therapeutics targets though focus on these metabolic ways, in order to protect motoneurons from glutamate injury.

La maladie d’Alzheimer est une maladie neurodégénérative déterminée par deux caractéristiques : les plaques extracellulaires composées d’amyloïde-β et l’accumulation intracellulaire de tau hyperphosphorylée, appelée enchevêtrements neurofibrillaires. Malgré le nombre important d’études, la nature de la toxicité des espèces tau hyperphosphorylée et hypophosphorylée reste mal connue. Notre projet de recherche vise à caractériser quel état de phosphorylation de la tau contribue le plus à la toxicité neuronale ainsi que d’identifier les mécanismes sous-jacents. Pour répondre à ces objectifs, nous avons généré des modèles transgéniques de C. elegans exprimant soit une tau hyperphosphorylée humaine (12 glutamates pour mimer l’hyperphosphorylation de la tau trouvée chez des patients Alzheimer), une tau sauvage, ou une tau hypophosphorylée (12 alanines pour mimer l’hypophosphorylation), dans les motoneurones GABAergiques. Ensuite, pour caractériser nos modèles, nous avons mesuré leur comportement principalement avec des tests de locomotion en utilisant le logiciel WormLab. Nos résultats ont montré que la tau phosphorylée est l’espèce la plus toxique car la souche hyperP a montré une perturbation du système locomoteur se traduisant par une neurodégénérescence ainsi que des problèmes développementaux (longueur des vers). Puis nous avons testé certains médicaments utilisés dans des modèles de tauopathies, afin d’identifier des voies biologiques impliquées dans la toxicité de la tau hyperphosphorylée. Pour conclure, nos modèles vont être des outils utiles pour identifier des modificateurs génétiques et pharmacologiques dans la toxicité de la tau. / Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by two hallmarks: extracellular plaques composed of amyloid-β (Aβ) deposits and intraneuronal accumulation of hyper and abnormal phosphorylated tau, also called neurofibrillary tangles (NFT). Despite many decades of research, the nature hypophosphorylated or hyperphosphorylated Tau toxicity remains ill understood. Our research project aims to characterize which state of Tau phosphorylation contributes to neuronal toxicity and identify the underlying mechanisms. To assess these objectives, we generated transgenic C. elegans models expressing either a human hyperphosphorylated tau (incorporation of 12 glutamate residues to mimic Tau hyperphosphorylation found in AD’s patients) human wild type Tau, or a human hypophosphorylated tau (incorporation of 12 alanine residues to mimic Tau hypophosphorylation) in the GABAergic motoneurons. Then, to characterize our models, we measured their behavior mainly with locomotion’s test using WormLab software. Our results showed that hyperphosphorylation of tau is the most toxic species for our models because hyperP strain showed an impair in the locomotor system translating into neurodegeneration, as well as developmental problems such as worm length. Then we tested some drugs used in taupathies C. elegans models to see if we could identify some biological pathways implicated in the toxicity. To conclude, our models may be a useful tool to identify genetic and pharmacological modifiers of tau toxicity.