Mutations in Eml1 lead to ectopic progenitors and neuronal heterotopia in mouse and human.

Neuronal migration disorders such as lissencephaly and subcortical band heterotopia are associated with epilepsy and intellectual disability. DCX, PAFAH1B1 and TUBA1A are mutated in these disorders; however, corresponding mouse mutants do not show heterotopic neurons in the neocortex. In contrast, spontaneously arisen HeCo mice display this phenotype, and our study revealed that misplaced apical progenitors contribute to heterotopia formation. While HeCo neurons migrated at the same speed as wild type, abnormally distributed dividing progenitors were found throughout the cortical wall from embryonic day 13. We identified Eml1, encoding a microtubule-associated protein, as the gene mutated in HeCo mice. Full-length transcripts were lacking as a result of a retrotransposon insertion in an intron. Eml1 knockdown mimicked the HeCo progenitor phenotype and reexpression rescued it. We further found EML1 to be mutated in ribbon-like heterotopia in humans. Our data link abnormal spindle orientations, ectopic progenitors and severe heterotopia in mouse and human.

Characterization of the HeCo mutant mouse: a new model of subcortical band heterotopia associated with seizures and behavioral deficits.

In human, neuronal migration disorders are commonly associated with developmental delay, mental retardation, and epilepsy. We describe here a new mouse mutant that develops a heterotopic cortex (HeCo) lying in the dorsolateral hemispheric region, between the homotopic cortex (HoCo) and subcortical white matter. Cross-breeding demonstrated an autosomal recessive transmission. Birthdating studies and immunochemistry for layer-specific markers revealed that HeCo formation was due to a transit problem in the intermediate zone affecting both radially and tangentially migrating neurons. The scaffold of radial glial fibers, as well as the expression of doublecortin is not altered in the mutant. Neurons within the HeCo are generated at a late embryonic age (E18) and the superficial layers of the HoCo have a correspondingly lower cell density and layer thickness. Parvalbumin immunohistochemistry showed the presence of gamma-aminobutyric acidergic cells in the HeCo and the mutant mice have a lowered threshold for the induction of epileptic seizures. The mutant showed a developmental delay but, in contrast, memory function was relatively spared. Therefore, this unique mouse model resembles subcortical band heterotopia observed in human. This model represents a new and rare tool to better understand cortical development and to investigate future therapeutic strategies for refractory epilepsy.

CELLULAR AND MOLECULAR STUDY OF SUBCORTICAL BAND HETEROTOPIA IN THE MOUSE MUTANT HECO

The HeCo mouse model is characterized by a subcortical heterotopia formed by misplaced neurons normally migrating into the superficial cortical layers. The mutant mouse has a tendency to epileptic seizures. In my thesis project we discovered the mutated Eml1 gene, a member of the echinoderm microtubule-associated protein (EMAP) family, in HeCo as well as in a family of three children showing complex malformation of cortical development. This discovery formed an important step in exploring the pathogenic mechanisms underlying the HeCo phenotype. In vitro results showed that during cell division the EML1 protein is associated with the midbody and a mutated version of Eml1 highlighted an important role of the protein in the astral MT array during cell cycle. In vivo, we found that already at an early age of cortical development (E13), ectopic progenitors such as RGs (PAX6) and IPCs (TBR2) accumulate in the IZ along the entire neocortex. We demonstrated that in the VZ of the HeCo mouse, spindle orientation and cell cycle exit are perturbed. In later stages (E17), RG fibers are strongly disorganized with deep layer (TBR1) and upper layer (CUX1) neurons trapped within an ectopic mass. At P3, columns of upper layer neurons were present between the heterotopia and the developing cortex; these columns were also present at P7 but at lesser extent. Time lapse video recording (E15.5) revealed that the parameters characterizing the migration of individual neurons are not disturbed in HeCo; however, this analysis showed that the density of migrating neuron was smaller in HeCo. In conclusion, truncated EML1 is likely to play a prominent role during cell cycle but also acts on the cytoskeletal architecture altering the shape of RG fibers thus influencing the pattern of neuronal migration. The signal transduction between external cues and intracellular effector pathways through MTs may be secondary but sustains the heterotopia development and further studies are needed to clarify the impact of EML1 in progenitors versus post-mitotic cells.

Traitement de l'information sensorielle chez la souris HeCo

L'hétérotopie sous-corticale en bandes ou double-cortex est une malformation cérébrale causée par une interruption de la migration des neurones du néocortex pendant sa formation. La souris HeCo est un modèle murin de cette affection, caractérisée par un amas de neurones corticaux dans la substance blanche sous-corticale. Les signes cliniques de cette maladie sont le plus souvent une épilepsie réfractaire, un retard développemental et mental. Chez l'homme, l'hétérotopie se trouve en partie en profondeur du cortex somatotopique moteur et sensitif et semble participer à leurs fonctions. L'IRM fonctionnelle a montré lors d'une tâche motrice (taper des doigts), l'activation en plus du cortex moteur controlatéral du cortex hétérotopique sous-jacent. La pathogenèse des malformations corticales est toujours mal comprise, c'est pourquoi il est important d'avoir plusieurs modèles animaux. Jusqu'il a peu, il n'existait que le rat TISH, découvert en 1997, dont la génétique n'est pas connue à ce jour. La souris HeCo est un nouveau modèle animal de malformation corticale dont le gène muté impliquant une protéine associée aux microtubules a été découvert récemment. Elle partage avec les cas humains un seuil épileptique abaissé et un certain retard développemental. Objectif : Déterminer si le cortex hétérotopique de la souris HeCo est activé lors d'une tâche sensitive (exploration de l'environnement à l'aide des vibrisses du museau). Méthode : Chez la souris, les vibrisses sont des organes sensitifs essentiels dans l'exploration de l'environnement. Pour déterminer si le cortex hétérotopique est actif lors d'une tâche sensitive, on utilisera donc un exercice de découverte d'une cage enrichie en stimulus. Afin de visualiser les régions du cerveau actives, on utilisera plusieurs méthodes: l'autoradiographie ([14C]2- deoxyglucose, 2-DG) et l'immunohistochimie c-Fos. Le 2-DG est un analogue du glucose qui se fixe dans les régions cérébrales métaboliquement actives, ici impliquées dans la sensibilité. Il est injecté dans le péritoine de la souris à jeun avant l'exploration. Le contrôle négatif se fera en coupant les vibrisses d'un côté avant la tâche sensitive. A la fin de la tâche, on prélève des coupes du cerveau pour mesurer l'autoradioactivité. L'immunohistochimie c-Fos est réalisée sur les cerveaux de souris ayant effectué la même tâche sensitive et détecte une protéine d'activation neuronale. Afin de détecter une activation de l'hétérotopie à plus long terme, on utilisera la cytochrome oxydase, une enzyme qui met en évidence les régions contenant beaucoup de mitochondries, donc métaboliquement très actives. Résultats : La cytochrome oxydase a marqué de façon égale le cortex homotopique de la souris HeCo et le cortex des souris contrôle. Par ailleurs, chez le mutant, elle a montré un faible marquage dans la partie médiale de l'hétérotopie et des zones de marquage plus intenses dans sa partie latérale. L'autoradiographie 2-DG a montré un pattern classique d'activation du cortex homotopique du côté stimulé, avec une intensité plus marquée dans la couche IV. Du même côté, l'hétérotopie latérale montre une intensité similaire à celui de la couche IV. Du côté non stimulé, on note une intensité faible, tant dans le cortex homotopique que dans le cortex hétérotopique. L'immunohistochimie c-Fos a montré une nette différence entre l'hémisphère stimulé et l'hémisphère non stimulé dans la couche IV comme dans l'hétérotopie. Il existe, tant du côté stimulé que du côté non stimulé, un gradient dans l'hétérotopie, le marquage latéral étant du même ordre que dans la couche IV alors qu'il est moins intense médialement. Conclusion : l'hétérotopie corticale latérale, située en particulier sous le cortex somatosensoriel, semble traiter l'information périphérique controlatérale dans le même ordre que le cortex homotopique.

Large national series of patients with Xq28 duplication involving MECP2: Delineation of brain MRI abnormalities in 30 affected patients.

Xq28 duplications encompassing MECP2 have been described in male patients with a severe neurodevelopmental disorder associated with hypotonia and spasticity, severe learning disability, stereotyped movements, and recurrent pulmonary infections. We report on standardized brain magnetic resonance imaging (MRI) data of 30 affected patients carrying an Xq28 duplication involving MECP2 of various sizes (228 kb to 11.7 Mb). The aim of this study was to seek recurrent malformations and attempt to determine whether variations in imaging features could be explained by differences in the size of the duplications. We showed that 93% of patients had brain MRI abnormalities such as corpus callosum abnormalities (n = 20), reduced volume of the white matter (WM) (n = 12), ventricular dilatation (n = 9), abnormal increased hyperintensities on T2-weighted images involving posterior periventricular WM (n = 6), and vermis hypoplasia (n = 5). The occipitofrontal circumference varied considerably between >+2SD in five patients and <-2SD in four patients. Among the nine patients with dilatation of the lateral ventricles, six had a duplication involving L1CAM. The only patient harboring bilateral posterior subependymal nodular heterotopia also carried an FLNA gene duplication. We could not demonstrate a correlation between periventricular WM hyperintensities/delayed myelination and duplication of the IKBKG gene. We thus conclude that patients with an Xq28 duplication involving MECP2 share some similar but non-specific brain abnormalities. These imaging features, therefore, could not constitute a diagnostic clue. The genotype-phenotype correlation failed to demonstrate a relationship between the presence of nodular heterotopia, ventricular dilatation, WM abnormalities, and the presence of FLNA, L1CAM, or IKBKG, respectively, in the duplicated segment.