Dans le système nerveux central, la synaptogenèse est un processus complexe multi-étapes qui se déroule aux contacts axones/dendrites. Les molécules d’adhérence neurexines/neuroligines jouent un rôle essentiel dans ce processus, en créant un lien physique entre les compartiments pré- et post-synaptiques et en participant au recrutement des complexes macromoléculaires essentiels à la fonction synaptique. Plus spécifiquement, le complexe neurexine-1β/neuroligine-1 induit la formation de post-synapses excitatrices, en recrutant des molécules d’échafaudage telles que PSD-95 et des récepteurs du glutamate.Mon travail de thèse a consisté à étudier les mécanismes moléculaires mis en jeu par les adhésions neurexines/neuroligines lors de la formation des post-synapses glutamatergiques. En utilisant des systèmes biomimétiques (neurexine purifiée fixée sur des billes, ou agrégée par des anticorps réticulés), nous avons induit des adhésions spécifiques neurexine-1β/neuroligine-1 sur des neurones d’hippocampe en culture. Nous avons ainsi étudié la distribution dynamique des composants post-synaptiques (récepteurs AMPA, PSD-95) endogènes ou étiquetés avec des protéines fluorescentes, par vidéo-microscopie. Dans un premier article, nous avons montré que la formation de ces contacts induisait un recrutement rapide de PSD-95 ainsi que des récepteurs NMDA et AMPA fonctionnels. En utilisant des récepteurs AMPA recombinants, j’ai montré que ce recrutement était dicté par la sous-unité GluA2. Dans une deuxième étude, en comparant le recrutement de PSD-95 induit par la neurexine avec des anticorps non–activants, nous avons mis en évidence un mécanisme d’activation spécifique de neuroligine-1 induit par la liaison de neurexine-1β. L’utilisation de mutants ponctuels de neuroligine-1 a permis de montrer que cette activation passe probablement par la déphosphorylation d’une tyrosine unique située dans le domaine C-terminal de la neuroligine-1.Enfin, en étudiant la diffusion latérale des rAMPA de surface par suivi de particules uniques fluorescentes (Quantum dots), ainsi qu’une batterie d’outils moléculaires pour moduler les adhésions neurexine/neuroligine (sur-expression, siRNA, souris KO), nous avons montré que les rAMPA sont recrutés aux adhésions neurexine-1β/neuroligine-1 via l’échafaudage PSD-95 et que ce recrutement nécessite la diffusion des récepteurs dans la membrane plasmique. Nous proposons ainsi que les récepteurs AMPA soient recrutés aux contacts naissants via un mécanisme original de diffusion/piégeage. / In the central nervous system, synaptogenesis is a multi step process occuring at axo-dendritic contacts. Neurexins/neuroligins adhesions are particularly involved in this process, making a bridge between the pre- and the post-synapse, and participating to the recruitment of macromolecular complexes essential for synaptic function. More precisely neurexin-1β/neuroligin-1 complex is specifically involved in the formation of excitatory synapses, inducing the recruitment of glutamatergic post-synapses components, such as PSD-95, and glutamate receptors.During my PhD, I focused on the molecular mechanisms involved in glutamatergic post-synapses formation triggered by neurexin-1β/neuroligin-1 adhesions. Using biomimetic models (beads coated with purified neurexin, or purified neurexin cross-linked with aggregated antibodies) we induced specific neurexin-1β/neuroligin-1 adhesions on cultured hippocampal neurons. We then studied the dynamic distribution of either endogenous or recombinant post-synaptic components (PSD-95, AMPARs) with live-imaging techniques. First, we showed that the formation of these contacts induced a rapid recruitment of PSD-95 and functional NMDA and AMPA receptors. Using recombinant AMPA receptors, I showed that this recruitment was mediated by GluA2 subunit.In a second study, using systematic comparison between the recruitment of PSD-95 induced either by neurexin-1β or by “non activating” antibody binding on neuroligin-1, we revealed a specific activation mechanism of neuroligin-1 induced by neurexin-1β binding. Using point mutations on neuroligin-1, we showed that this activation mechanism is mediated by a tyrosine dephosphorylation on neuroligin-1 intracellular tail.Finally, we studied AMPA receptor surface diffusion with single particle tracking experiments, using different molecular tools to perturb neurexin-1β/neuroligin-1 adhesions (overexpression, RNA interference, KO mice). We showed that AMPA receptors recruitment at new-formed neurexin-1β/neuroligin-1 adhesions occurs through PSD-95, and involves surface diffusion of AMPA receptors. We proposed an original diffusion/trap mechanism of AMPA receptors at nascent contacts.

Le sommeil est essentiel au bon fonctionnement de l’organisme. Ce dernier est régulé, entre autres, par le processus de régulation homéostatique qui dépend de la pression de sommeil accumulée suite à l’éveil. Des études ont suggéré que ce processus pourrait être lié à la plasticité synaptique, et que le changement de la pression de sommeil affecterait le degré de plasticité du cerveau. Les récepteurs N-méthyl-D-aspartate, des médiateurs importants de plasticité, semblent impliqués dans les conséquences délétères du manque de sommeil ainsi que dans la régulation de la synchronisation corticale caractéristique du sommeil lent profond. Leur activité est contrôlée par Neuroligine 1 (NLGN1), une molécule d’adhésion synaptique. Une mutation de Nlgn1 a des effets similaires à ceux de la privation de sommeil sur la mémoire et le comportement. Dans le manuscrit de mon mémoire, nous présentons l’hypothèse d’une implication de NLGN1 dans la régulation du sommeil et de l’éveil. Pour tester cette hypothèse, l’expression d’ARNm et de protéine NLGN1 a été mesurée suite à une privation de sommeil et le sommeil de souris n’exprimant pas NLGN1 a été caractérisé. Les résultats de mon projet de maîtrise montrent, en premier lieu, qu’une augmentation de la pression pour dormir altère l’expression de l’ARNm et de la protéine NLGN1 chez la souris. De plus, nos observations révèlent qu’une mutation de Nlgn1 diminue la quantité d’éveil et modifie l’activité spectrale en éveil et en sommeil. Ces observations dévoilent l’importance de NLGN1 dans le maintien de l’éveil et la régulation du sommeil, et supportent un rôle de NLGN1 dans la régulation de l’activité neuronale. / Sleep is essential for the well-functioning of the body. It has been suggested that sleep is regulated, in part, by the homeostatic process of sleep regulation which controls a pressure for sleep in function of the amount of time spent awake. Studies have suggested that the homeostatic process could be linked to synaptic plasticity, and that changes in sleep pressure can affect brain plasticity. N-methyl-D-aspartate receptors, which are important plasticity mediators, appear to be implicated in the deleterious effects related to sleep loss as well as in the regulation of cortical synchrony characteristic of slow wave sleep. Their activity is controlled by Neuroligin 1 (NLGN1), a synaptic adhesion molecule. Also, a Nlgn1 mutation has similar effects on memory and behavior as those observed following a sleep deprivation. In this master’s thesis, we hypothesized that NLGN1 is implicated in sleep and wake regulation. To test this hypothesis, Nlgn1 mRNA and protein expression has been measured after sleep deprivation, and the sleep of mice lacking NLGN1 has been studied. The results of my research project show that an increase in sleep pressure changes Nlgn1 mRNA and protein expression in mice. We also find that Nlgn1 mutation reduces wake duration and modifies the EEG spectral composition during wake and sleep. These results indicate that NLGN1 is important in the maintenance of wakefulness and the regulation of sleep, and provide further support to a role for NLGN1 in the regulation of neuronal activity.

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Le sommeil est essentiel au bon fonctionnement de l’organisme. Ce dernier est régulé, entre autres, par le processus de régulation homéostatique qui dépend de la pression de sommeil accumulée suite à l’éveil. Des études ont suggéré que ce processus pourrait être lié à la plasticité synaptique, et que le changement de la pression de sommeil affecterait le degré de plasticité du cerveau. Les récepteurs N-méthyl-D-aspartate, des médiateurs importants de plasticité, semblent impliqués dans les conséquences délétères du manque de sommeil ainsi que dans la régulation de la synchronisation corticale caractéristique du sommeil lent profond. Leur activité est contrôlée par Neuroligine 1 (NLGN1), une molécule d’adhésion synaptique. Une mutation de Nlgn1 a des effets similaires à ceux de la privation de sommeil sur la mémoire et le comportement. Dans le manuscrit de mon mémoire, nous présentons l’hypothèse d’une implication de NLGN1 dans la régulation du sommeil et de l’éveil. Pour tester cette hypothèse, l’expression d’ARNm et de protéine NLGN1 a été mesurée suite à une privation de sommeil et le sommeil de souris n’exprimant pas NLGN1 a été caractérisé. Les résultats de mon projet de maîtrise montrent, en premier lieu, qu’une augmentation de la pression pour dormir altère l’expression de l’ARNm et de la protéine NLGN1 chez la souris. De plus, nos observations révèlent qu’une mutation de Nlgn1 diminue la quantité d’éveil et modifie l’activité spectrale en éveil et en sommeil. Ces observations dévoilent l’importance de NLGN1 dans le maintien de l’éveil et la régulation du sommeil, et supportent un rôle de NLGN1 dans la régulation de l’activité neuronale. / Sleep is essential for the well-functioning of the body. It has been suggested that sleep is regulated, in part, by the homeostatic process of sleep regulation which controls a pressure for sleep in function of the amount of time spent awake. Studies have suggested that the homeostatic process could be linked to synaptic plasticity, and that changes in sleep pressure can affect brain plasticity. N-methyl-D-aspartate receptors, which are important plasticity mediators, appear to be implicated in the deleterious effects related to sleep loss as well as in the regulation of cortical synchrony characteristic of slow wave sleep. Their activity is controlled by Neuroligin 1 (NLGN1), a synaptic adhesion molecule. Also, a Nlgn1 mutation has similar effects on memory and behavior as those observed following a sleep deprivation. In this master’s thesis, we hypothesized that NLGN1 is implicated in sleep and wake regulation. To test this hypothesis, Nlgn1 mRNA and protein expression has been measured after sleep deprivation, and the sleep of mice lacking NLGN1 has been studied. The results of my research project show that an increase in sleep pressure changes Nlgn1 mRNA and protein expression in mice. We also find that Nlgn1 mutation reduces wake duration and modifies the EEG spectral composition during wake and sleep. These results indicate that NLGN1 is important in the maintenance of wakefulness and the regulation of sleep, and provide further support to a role for NLGN1 in the regulation of neuronal activity.

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Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil. / Sleep is a vital need and the proper functioning of the body depends on the amount and quality of sleep. Sleep is regulated by two processes: a circadian process that depends on the activity of suprachiasmatic nuclei of the hypothalamus and regulates the time of day during which we are going to sleep, and a homeostatic process that seems to depend on neuronal activity and that reflects sleep intensity. The homeostatic process controls a pressure for sleep as a function of the amount of time spent awake. Indeed, sleep quality depends on the duration of preceding wakefulness, the more one is awake, deeper the sleep afterwards as measured by electroencephalographic markers (EEG). Studies have shown that the proper functioning of these two sleep regulatory processes depends on synaptic plasticity. Thus, elements that regulate synaptic communication and synaptic strength are important candidates to act upon the physiology of sleep regulation. Cell adhesion molecules are key elements regulating synaptic plasticity. They control synapse activities and maturation. Studies have shown that their absence leads to consequences similar to sleep deprivation. The aim of this study is to explore the effect of the absence of two different cellular adhesion molecule, Neuroligin‐1 and EphA4 receptor in sleep regulatory processes. Our hypothesis is that the absence of either of these molecules will affect sleep regulation and more specifically sleep homeostasis. To address our hypothesis, we first studied EEG activity in mice which do not express Nlgn1 and EphA4 in normal condition or after sleep deprivation. Secondly, we measured the molecular changes that occur in these two models after sleep deprivation. At the level of EEG activity, our results show that the absence of Nlgn1 increases the density of slow waves under baseline condition, and that the amplitude and slope of slow waves are increased after sleep deprivation. We concluded that Nlgn1 is required for normal functioning of cortical synchrony especially after sleep deprivation, thereby giving it a key role in sleep homeostasis. Regarding the EphA4 receptor, its absence affects the duration of paradoxal sleep and sigma activity which are known to depend on the circadian process. These results suggest that the EphA4 receptor is an important element in the circadian regulation of sleep. The transcriptional response after sleep deprivation in mice not expressing Nlgn1 or EphA4 is not different from that in wild‐type mice. However, we found that sleep deprivation affects the distribution of specific epigenetic markers like methylation and hydroxymethylation and the expression of molecules regulating these changes is altered in EphA4 null mice. Our observations show that two cell adhesion molecules, Nlgn1 and EphA4 receptor, have an important role in the homeostatic and circadian sleep process and contribute differentially to sleep regulation.