EphB2 and two of its ligands have dynamic protein expression patterns in the developing olfactory system

Primary olfactory neurons are located in the olfactory neuroepithelium lining the nasal cavity. Their axons converge and form glomeruli with the dendrites of second-order neurons in the olfactory bulb. The molecular basis of primary olfactory axon guidance, targeting and subsequent arborisation is largely unknown. In this study we examined the spatio-temporal expression of the Eph receptor EphB2 and its ligands, ephrin-B1 and ephrin-B2, during development of the rat primary olfactory system. Unlike in other regions of the nervous system where receptor and ligand expression patterns are usually non-overlapping, EphB2, ephrin-B1 and ephrin-B2 were all expressed by primary and second-order olfactory neurons. In the embryonic animal we found that these three proteins had distinct and different expression patterns. EphB2 was first expressed at E18.5 by the perikarya of primary olfactory neurons. In contrast, ephrin-B1 was expressed from E13.5 and was localised to the axons of these cells up to E18.5 but was then restricted to the perikarya. Ephrin-B2, however, was expressed by olfactory ensheathing cells. EphB2, ephrin-B1 and ephrin-B2 were also expressed in the prenatal olfactory bulb and were restricted to the perikarya of mitral cells. In the post-natal olfactory bulb there was a shift in the localisation of both EphB2 and ephrin-B1 to the dendritic arborisations of mitral cells. The dynamic and tightly regulated spatio-temporal expression patterns of EphB2, ephrin-B1 and ephrin-B2 by specific olfactory cell populations suggest that these molecules have the potential to regulate important developmental events in the olfactory system. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Expression of glycoproteins in the vomeronasal organ reveals a novel spatiotemporal pattern of sensory neurone maturation

The main olfactory and the accessory olfactory systems are both anatomically and functionally distinct chemosensory systems. The primary sensory neurones of the accessory olfactory system are sequestered in the vomeronasal organ (VNO), where they express pheromone receptors, which are unrelated to the odorant receptors expressed in the principal nasal cavity. We have identified a 240 kDa glycoprotein (VNO240) that is selectively expressed by sensory neurones in the VNO but not in the main olfactory neuroepithelium of mouse. VNO240 is first expressed at embryonic day 20.5 by a small subpopulation of sensory neurones residing within the central region of the crescent-shaped VNO, Although VNO240 was detected in neuronal perikarya at this age, it was not observed in the axons in the accessory olfactory bulb until postnatal day 3.5, This delayed appearance in the accessory olfactory bulb suggests that VNO240 is involved in the functional maturation of VNO neurones rather than in axon growth and targeting to the bulb, During the first 2 postnatal weeks, the population of neurones expressing VNO240 spread peripherally, and by adulthood all primary sensory neurones in the VNO appeared to be expressing this molecule. Similar patterns of expression were also observed for NOC-1, a previously characterized glycoform of the neural cell adhesion molecule NCAM, To date, differential expression of VNO-specific molecules has only been reported along the rostrocaudal axis or at different apical-basal levels in the neuroepithelium. This is the first demonstration of a centroperipheral wave of expression of molecules in the VNO, These results indicate that mechanisms controlling the molecular differentiation of VNO neurones must involve spatial cues organised, not only about orthogonal axes, but also about a centroperipheral axis, Moreover, expression about this centroperipheral axis also involves a temporal component because the subpopulation of neurones expressing VNO240 and NOC-1 increases during postnatal maturation. (C) 2001 John Wiley & Sons, Inc.

Expression of specific glycoconjugates in both primary and secondary olfactory pathways in BALB/C mice

Binding of cell surface carbohydrates to their receptors specifically promotes axon growth and synaptogenesis in select regions of the developing nervous system. In some cases these interactions depend upon cell-cell adhesion mediated by the same glycoconjugates present on the surface of apposing cells or their processes. We have previously shown that the plant lectin Dolichos biflorus agglutinin (DBA) binds to: a subpopulation of mouse primary olfactory neurons whose axons selectively fasciculate prior to terminating in the olfactory bulb. In the present study, we investigated whether these glycoconjugates were also expressed by postsynaptic olfactory neurons specifically within the olfactory pathway. We show here for the first time that DBA ligands were expressed both by a subset of primary olfactory neurons as well as by the postsynaptic mitral/tufted cells in BALB/C mice. These glycoconjugates were first detected on mitral/tufted cell axons during the early postnatal period, at a time when there is considerable synaptogenesis and synaptic remodelling in the primary olfactory cortex. This is one of the few examples of the selective expression of molecules in contiguous axon tracts in the mammalian nervous system. These results suggest that glycoconjugates recognized by DBA may have a specific role in the formation and maintenance of neural connections within a select functional pathway in the brain. J. Comp. Neurol. 443:213-225, 2002. (C) 2002 Wiley-Liss, Inc.

EphA receptors and ephrin-A ligands exhibit highly regulated spatial and temporal expression patterns in the developing olfactory system

The spatiotemporal expression patterns of the chemorepulsive EphA receptors, EphA4 and EphA7, and three ephrins-A2, A4 and A5, were examined in the developing rat primary olfactory system. Unlike the visual system that has simple and stable gradients of Ephs and ephrins, the olfactory system demonstrates complex spatiotemporal expression patterns of these molecules. Using immunohistochemistry, we demonstrate that expression of these molecules is dynamic and tightly regulated both within and between different cell types. We reveal restricted targeting of these proteins within subcellular compartments of some neurons. EphA4, ephrin-A2 and ephrin-A5 were expressed by primary olfactory axons during the embryonic formation of the olfactory nerve. There were no gradients in expression along the rostrocaudal or ventrodorsal axes in the nasal cavity and olfactory bulb. However, during the early neonatal period, axons expressing different levels of ephrin-A5 sorted out and terminated in a subpopulation of glomeruli that were mosaically dispersed throughout the bulb. The expression of EphA4 and ephrin-A2 was dramatically down-regulated on all axons during the early neonatal period of glomerular formation. The uniform co-expression of receptors and ligands before glomerular formation suggests they play a generic role in axon-axon interactions in the olfactory nerve and nerve fibre layer. In contrast, loss of EphA4 from axons during glomerular formation may facilitate the interaction of ephrin-A5 with Eph receptors on target cells in the bulb. While EphA4, EphA5 and EphA7 are not mosaically expressed by bulbar neurons, other Eph receptors may have expression patterns complementary to the ephrin-A5-positive subpopulation of glomeruli. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Triiodothyronine exerts a trophic action on rat sensory neuron survival and neurite outgrowth through different pathways.

Apart from several growth factors which play a crucial role in the survival and development of the central and peripheral nervous systems, thyroid hormones can affect different processes involved in the differentiation and maturation of neurons. The present study was initiated to determine whether triiodothyronine (T3) affects the survival and neurite outgrowth of primary sensory neurons in vitro. Dorsal root ganglia (DRG) from 19-day-old embryos or newborn rats were plated in explant or dissociated cell cultures. The effect of T3 on neuron survival was tested, either in mixed DRG cell cultures, where neurons grow with non-neuronal cells, or in neuron-enriched cultures where non-neuronal cells were eliminated at the outset. T3, in physiological concentrations, promoted the growth of neurons in mixed DRG cell cultures as well as in neuron-enriched cultures without added nerve growth factor (NGF). Since neuron survival in neuron-enriched cultures cannot be promoted by endogenous neurotrophic factors synthesized by non-neuronal cells, the increased number of surviving neurons was due to a direct trophic action of T3. Another trophic effect was revealed in this study: T3 sustained the neurite outgrowth of sensory neurons in DRG explants. The stimulatory effect of T3 on nerve fibre outgrowth was considerably reduced when non-neuronal cell proliferation was inhibited by the antimitotic agent cytosine arabinoside, and was completely suppressed when the great majority of non-neuronal cells were eliminated in neuron-enriched cultures. These results indicate that the stimulatory effect of T3 on neurite outgrowth is mediated through non-neuronal cells. It is conceivable that T3 up-regulates Schwann cell expression of a neurotrophic factor, which in turn stimulates axon growth of sensory neurons. Together, these results demonstrate that T3 promotes both survival and neurite outgrowth of primary sensory neurons in DRG cell cultures. The trophic actions of T3 on neuron survival and neurite outgrowth operate under two different pathways.

The extracellular matrix in multiple sclerosis: an update

Extracellular matrix (ECM) molecules play important roles in the pathobiology of the major human central nervous system (CNS) inflammatory/demyelinating disease multiple sclerosis (MS). This mini-review highlights some recent work on CNS endothelial cell interactions with vascular basement membrane ECM as part of the cellular immune response, and roles for white matter ECM molecules in demyelination and remyelination in MS lesions. Recent basic and clinical investigations of MS emphasize axonal injury, not only in chronic MS plaques, but also in acute lesions; progressive axonal degeneration in normal-appearing white matter also may contribute to brain and spinal cord atrophy in MS patients. Remodeling of the interstitial white matter ECM molecules that affect axon regeneration, however, is incompletely characterized. Our ongoing immunohistochemical studies demonstrate enhanced ECM versican, a neurite and axon growth-inhibiting white matter ECM proteoglycan, and dermatan sulfate proteoglycans at the edges of inflammatory MS lesions. This suggests that enhanced proteoglycan deposition in the ECM and axonal growth inhibition may occur early and are involved in expansion of active lesions. Decreased ECM proteoglycans and their phagocytosis by macrophages along with myelin in plaque centers imply that there is "injury" to the ECM itself. These results indicate that white matter ECM proteoglycan alterations are integral to MS pathology at all disease stages and that they contribute to a CNS ECM that is inhospitable to axon regrowth/regeneration.

Le rôle des récepteurs aux cannabinoïdes CB1 et CB2 dans le guidage axonal

Au cours du développement, les axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) voyagent sur de longues distances pour établir des connexions avec leurs cellules cibles. La navigation des cônes de croissance est guidée par différentes molécules chimiotropiques présentes dans leur environnement. Les endocannabinoïdes (eCB) sont d’importants neuromodulateurs qui régulent de manière rétrograde la fonction de nombreuses synapses du cerveau. Ils agissent principalement par le biais de leurs récepteurs liés à une protéine Gi/o CB1 (CB1R) et CB2 (CB2R). La présence des eCBs durant le stade fœtal et la période postnatale suggère leur implication dans des événements régulant le développement du système nerveux. Cette thèse confirme l’expression des récepteurs aux cannabinoïdes CB1 et CB2 ainsi que l’enzyme dégradant les eCBs lors du développement embryonnaire et perinatal des CGRs et de la voie rétinothalamique in vivo. La manipulation pharmacologique de l’activité de CB1R et CB2R réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs et des neurones corticaux in vitro. De plus, la stimulation locale avec un agoniste de CB1R ou de CB2R modifie le comportement du cône de croissance entraînant sa répulsion. CB1R et CB2R modulent par le biais de la voie de signalisation AMPc/PKA, la mobilisation de DCC à la membrane plasmique. Par ailleurs, les résultats de cette recherche démontrent également l’implication de CB1R et CB2R dans la ségrégation des projections ipsi- et controlatérales et le développement de la voie rétinothalamique.

Développement et caractérisation d’une méthode photonique pour créer des distributions spatiales de protéines

Les cellules sont capables de détecter les distributions spatiales de protéines et ainsi de migrer ou s’étendre dans la direction appropriée. Une compréhension de la réponse cellulaire aux modifications de ces distributions spatiales de protéines est essentielle pour l’avancement des connaissances dans plusieurs domaines de recherches tels que le développement, l’immunologie ou l’oncologie. Un exemple particulièrement complexe est le guidage d’axones se déroulant pendant le développement du système nerveux. Ce dernier nécessite la présence de plusieurs distributions de molécules de guidages étant attractives ou répulsives pour connecter correctement ce réseau complexe qu’est le système nerveux. Puisque plusieurs indices de guidage collaborent, il est particulièrement difficile d’identifier la contribution individuelle ou la voie de signalisation qui est déclenchée in vivo, il est donc nécessaire d’utiliser des méthodes pour reproduire ces distributions de protéines in vitro. Plusieurs méthodes existent pour produire des gradients de protéines solubles ou liées aux substrats. Quelques méthodes pour produire des gradients solubles sont déjà couramment utilisées dans plusieurs laboratoires, mais elles limitent l’étude aux distributions de protéines qui sont normalement sécrétées in vivo. Les méthodes permettant de produire des distributions liées au substrat sont particulièrement complexes, ce qui restreint leur utilisation à quelques laboratoires. Premièrement, nous présentons une méthode simple qui exploite le photoblanchiment de molécules fluorescentes pour créer des motifs de protéines liées au substrat : Laser-assisted protein adsorption by photobleaching (LAPAP). Cette méthode permet de produire des motifs de protéines complexes d’une résolution micrométrique et d’une grande portée dynamique. Une caractérisation de la technique a été faite et en tant que preuve de fonctionnalité, des axones de neurones du ganglion spinal ont été guidés sur des gradients d’un peptide provenant de la laminine. Deuxièmement, LAPAP a été amélioré de manière à pouvoir fabriquer des motifs avec plusieurs composantes grâce à l’utilisation de lasers à différentes longueurs d’onde et d’anticorps conjugués à des fluorophores correspondants à ces longueurs d’onde. De plus, pour accélérer et simplifier le processus de fabrication, nous avons développé LAPAP à illumination à champ large qui utilise un modulateur spatial de lumière, une diode électroluminescente et un microscope standard pour imprimer directement un motif de protéines. Cette méthode est particulièrement simple comparativement à la version originale de LAPAP puisqu’elle n’implique pas le contrôle de la puissance laser et de platines motorisées, mais seulement d’envoyer l’image du motif désiré au modulateur spatial. Finalement, nous avons utilisé LAPAP pour démontrer que notre technique peut être utilisée dans des analyses de haut contenu pour quantifier les changements morphologiques résultant de la croissance neuronale sur des gradients de protéines de guidage. Nous avons produit des milliers de gradients de laminin-1 ayant différentes pentes et analysé les variations au niveau du guidage de neurites provenant d’une lignée cellulaire neuronale (RGC-5). Un algorithme pour analyser les images des cellules sur les gradients a été développé pour détecter chaque cellule et quantifier la position du centroïde du soma ainsi que les angles d’initiation, final et de braquage de chaque neurite. Ces données ont démontré que les gradients de laminine influencent l’angle d’initiation des neurites des RGC-5, mais n’influencent pas leur braquage. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse faciliteront l’utilisation de motifs de protéines liées au substrat dans les laboratoires des sciences de la vie, puisque LAPAP peut être effectué à l’aide d’un microscope confocal ou d’un microscope standard légèrement modifié. Cela pourrait contribuer à l’augmentation du nombre de laboratoires travaillant sur le guidage avec des gradients liés au substrat afin d’atteindre la masse critique nécessaire à des percées majeures en neuroscience.

Deletion of the RMGA and CHD2 genes in a child with epilepsy and mental deficiency

We describe a novel chromosome microdeletion at 15q26.1 detected by oligo-array-CGH in a 6-year-old girl presenting with global development delay, epilepsy, autistic behavior and facial dysmorphisms. Although these features are often present in Angelman syndrome, no alterations were present in the methylation pattern of the Prader-Willi-Angelman critical region. The deletion encompasses only 2 genes: CHD2, which is part of a gene family already involved in CHARGE syndrome, and RGMA which exerts a negative control on axon growth. Deletion of either or both genes could cause the phenotype of this patient. These results provide a further chromosome region requiring evaluation in patients presenting Angelman features. (C) 2011 Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Large scale multiphysics modeling of neurites

Situado en el límite entre Ingeniería, Informática y Biología, la mecánica computacional de las neuronas aparece como un nuevo campo interdisciplinar que potencialmente puede ser capaz de abordar problemas clínicos desde una perspectiva diferente. Este campo es multiescala por naturaleza, yendo desde la nanoescala (como, por ejemplo, los dímeros de tubulina) a la macroescala (como, por ejemplo, el tejido cerebral), y tiene como objetivo abordar problemas que son complejos, y algunas veces imposibles, de estudiar con medios experimentales. La modelización computacional ha sido ampliamente empleada en aplicaciones Neurocientíficas tan diversas como el crecimiento neuronal o la propagación de los potenciales de acción compuestos. Sin embargo, en la mayoría de los enfoques de modelización hechos hasta ahora, la interacción entre la célula y el medio/estímulo que la rodea ha sido muy poco explorada. A pesar de la tremenda importancia de esa relación en algunos desafíos médicos—como, por ejemplo, lesiones traumáticas en el cerebro, cáncer, la enfermedad del Alzheimer—un puente que relacione las propiedades electrofisiológicas-químicas y mecánicas desde la escala molecular al nivel celular todavía no existe. Con ese objetivo, esta investigación propone un marco computacional multiescala particularizado para dos escenarios respresentativos: el crecimiento del axón y el acomplamiento electrofisiológicomecánico de las neuritas. En el primer caso, se explora la relación entre los constituyentes moleculares del axón durante su crecimiento y sus propiedades mecánicas resultantes, mientras que en el último, un estímulo mecánico provoca deficiencias funcionales a nivel celular como consecuencia de sus alteraciones electrofisiológicas-químicas. La modelización computacional empleada en este trabajo es el método de las diferencias finitas, y es implementada en un nuevo programa llamado Neurite. Aunque el método de los elementos finitos es también explorado en parte de esta investigación, el método de las diferencias finitas tiene la flexibilidad y versatilidad necesaria para implementar mode los biológicos, así como la simplicidad matemática para extenderlos a simulaciones a gran escala con un coste computacional bajo. Centrándose primero en el efecto de las propiedades electrofisiológicas-químicas sobre las propiedades mecánicas, una versión adaptada de Neurite es desarrollada para simular la polimerización de los microtúbulos en el crecimiento del axón y proporcionar las propiedades mecánicas como función de la ocupación de los microtúbulos. Después de calibrar el modelo de crecimiento del axón frente a resultados experimentales disponibles en la literatura, las características mecánicas pueden ser evaluadas durante la simulación. Las propiedades mecánicas del axón muestran variaciones dramáticas en la punta de éste, donde el cono de crecimiento soporta las señales químicas y mecánicas. Bansándose en el conocimiento ganado con el modelo de diferencias finitas, y con el objetivo de ir de 1D a 3D, este esquema preliminar pero de una naturaleza innovadora allana el camino a futuros estudios con el método de los elementos finitos. Centrándose finalmente en el efecto de las propiedades mecánicas sobre las propiedades electrofisiológicas- químicas, Neurite es empleado para relacionar las cargas mecánicas macroscópicas con las deformaciones y velocidades de deformación a escala microscópica, y simular la propagación de la señal eléctrica en las neuritas bajo carga mecánica. Las simulaciones fueron calibradas con resultados experimentales publicados en la literatura, proporcionando, por tanto, un modelo capaz de predecir las alteraciones de las funciones electrofisiológicas neuronales bajo cargas externas dañinas, y uniendo lesiones mecánicas con las correspondientes deficiencias funcionales. Para abordar simulaciones a gran escala, aunque otras arquitecturas avanzadas basadas en muchos núcleos integrados (MICs) fueron consideradas, los solvers explícito e implícito se implementaron en unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Estudios de escalabilidad fueron llevados acabo para ambas implementaciones mostrando resultados prometedores para casos de simulaciones extremadamente grandes con GPUs. Esta tesis abre la vía para futuros modelos mecánicos con el objetivo de unir las propiedades electrofisiológicas-químicas con las propiedades mecánicas. El objetivo general es mejorar el conocimiento de las comunidades médicas y de bioingeniería sobre la mecánica de las neuronas y las deficiencias funcionales que aparecen de los daños producidos por traumatismos mecánicos, como lesiones traumáticas en el cerebro, o enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad del Alzheimer. ABSTRACT Sitting at the interface between Engineering, Computer Science and Biology, Computational Neuron Mechanics appears as a new interdisciplinary field potentially able to tackle clinical problems from a new perspective. This field is multiscale by nature, ranging from the nanoscale (e.g., tubulin dimers) to the macroscale (e.g., brain tissue), and aims at tackling problems that are complex, and sometime impossible, to study through experimental means. Computational modeling has been widely used in different Neuroscience applications as diverse as neuronal growth or compound action potential propagation. However, in the majority of the modeling approaches done in this field to date, the interactions between the cell and its surrounding media/stimulus have been rarely explored. Despite of the tremendous importance of such relationship in several medical challenges—e.g., traumatic brain injury (TBI), cancer, Alzheimer’s disease (AD)—a bridge between electrophysiological-chemical and mechanical properties of neurons from the molecular scale to the cell level is still lacking. To this end, this research proposes a multiscale computational framework particularized for two representative scenarios: axon growth and electrophysiological-mechanical coupling of neurites. In the former case, the relation between the molecular constituents of the axon during its growth and its resulting mechanical properties is explored, whereas in the latter, a mechanical stimulus provokes functional deficits at cell level as a consequence of its electrophysiological-chemical alterations. The computational modeling approach chosen in this work is the finite difference method (FDM), and was implemented in a new program called Neurite. Although the finite element method (FEM) is also explored as part of this research, the FDM provides the necessary flexibility and versatility to implement biological models, as well as the mathematical simplicity to extend them to large scale simulations with a low computational cost. Focusing first on the effect of electrophysiological-chemical properties on the mechanical proper ties, an adaptation of Neurite was developed to simulate microtubule polymerization in axonal growth and provide the axon mechanical properties as a function of microtubule occupancy. After calibrating the axon growth model against experimental results available in the literature, the mechanical characteristics can be tracked during the simulation. The axon mechanical properties show dramatic variations at the tip of the axon, where the growth cone supports the chemical and mechanical signaling. Based on the knowledge gained from the FDM scheme, and in order to go from 1D to 3D, this preliminary yet novel scheme paves the road for future studies with FEM. Focusing then on the effect of mechanical properties on the electrophysiological-chemical properties, Neurite was used to relate macroscopic mechanical loading to microscopic strains and strain rates, and simulate the electrical signal propagation along neurites under mechanical loading. The simulations were calibrated against experimental results published in the literature, thus providing a model able to predict the alteration of neuronal electrophysiological function under external damaging load, and linking mechanical injuries to subsequent acute functional deficits. To undertake large scale simulations, although other state-of-the-art architectures based on many integrated cores (MICs) were considered, the explicit and implicit solvers were implemented for central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs). Scalability studies were done for both implementations showing promising results for extremely large scale simulations with GPUs. This thesis opens the avenue for future mechanical modeling approaches aimed at linking electrophysiological- chemical properties to mechanical properties. Its overarching goal is to enhance the bioengineering and medical communities knowledge on neuronal mechanics and functional deficits arising from damages produced by direct mechanical insults, such as TBI, or neurodegenerative evolving illness, such as AD.

Understanding the Effect of Protein Tyrosine Phosphatase Receptor Type 0 on Mammalian Sensory Development: Behavioral Studies on PTPRO Knockout Mice

Nerve development, which includes axon outgrowth and guidance, is regulated by many protein families, including receptor protein tyrosine phosphatases (RPTP's).Protein tyrosine phosphatase receptor type 0 (PTPRO) is a type III RPTP that is important for axon growth and guidance, as observed in chicks and flies. In order to examine the effects ofPTPRO on mammalian development, standard behavioral tests were used to compare mice lacking the gene for PTPRO (ROKO mice) to wild-type (WT) mice. The ROKO mice showed a significant delay in reacting to a thermal noxious stimulus, hotplate analgesia, when compared to the WT mice suggesting deficient nociceptive function. In a rotarod test for proprioceptive function the ROKO mice exhibited a significant decrease in the amount of time spent on the rotating rod than did the WT mice. Additional proprioception tests were performed including the climb, step reflex, beam, and mesh walk tests. In the climb and step (place) test, the ROKO group had a significantly lower accuracy in performing the tests than did the WT mice. Thus, mice lacking the PTPRO gene showed behavioral deficiencies that reflect impairment in sensory function, specifically for nociception and proprioception.

Rôle des récepteurs aux protéines G (GPR55, GPR91 et GPR99) dans la croissance et le guidage axonal au cours du développement du système visuel

Lors de l’attribution du prix Nobel de chimie aux docteurs Robert Leftkowitz et Brian Kobika pour leurs travaux essentiels sur les récepteurs couplés à des protéines G (RCPGs), Sven Lindin, membre du comité Nobel, a affirmé que « jusqu'à la moitié » des médicaments « reposent sur une action ciblant les RCPG ». En raison de leurs rôles importants, leurs mécanismes d'activation et l’action de leurs ligands, les RCPG demeurent les cibles potentielles de la majorité des recherches pour le développement de nouveaux médicaments et de leurs applications cliniques. Dans cette optique, nous avons concentré nos recherches à travers cette thèse pour élucider les rôles, les mécanismes d’action et les effets des ligands de trois RCPG : GPR55; GPR91 et GPR99 au cours du développement des axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Les résultats de nos études confirment l’expression des récepteurs lors du développement embryonnaire, postnatal et adulte des CGRs ainsi qu’au cours de l’établissement de la voie rétinothalamique. In vitro, la modulation pharmacologique et génétique de l’activité de ces RCPGs réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs, celle des neurones corticaux et elle modifie la croissance axonale globale. De plus, les effets de la stimulation avec des ligands des ces trois RCPGs sur le guidage axonal varient d’aucun effet (GPR91 et GPR99) à la répulsion ou l’attraction (GPR55). La voie de signalisation MAPK-ERK1/2 joue un rôle essentiel dans la médiation des effets des ligands de ces récepteurs avec une implication de la voie de RhoA à hautes concentrations pour l’agoniste endogène de GPR55. In vivo, cette recherche démontre également l’implication de GPR55 dans les processus de sélection des cibles thalamiques et de raffinement au cours du développement du système nerveux visuel.

Rôle des récepteurs aux protéines G (GPR55, GPR91 et GPR99) dans la croissance et le guidage axonal au cours du développement du système visuel.

Lors de l’attribution du prix Nobel de chimie aux docteurs Robert Leftkowitz et Brian Kobika pour leurs travaux essentiels sur les récepteurs couplés à des protéines G (RCPGs), Sven Lindin, membre du comité Nobel, a affirmé que « jusqu'à la moitié » des médicaments « reposent sur une action ciblant les RCPG ». En raison de leurs rôles importants, leurs mécanismes d'activation et l’action de leurs ligands, les RCPG demeurent les cibles potentielles de la majorité des recherches pour le développement de nouveaux médicaments et de leurs applications cliniques. Dans cette optique, nous avons concentré nos recherches à travers cette thèse pour élucider les rôles, les mécanismes d’action et les effets des ligands de trois RCPG : GPR55; GPR91 et GPR99 au cours du développement des axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Les résultats de nos études confirment l’expression des récepteurs lors du développement embryonnaire, postnatal et adulte des CGRs ainsi qu’au cours de l’établissement de la voie rétinothalamique. In vitro, la modulation pharmacologique et génétique de l’activité de ces RCPGs réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs, celle des neurones corticaux et elle modifie la croissance axonale globale. De plus, les effets de la stimulation avec des ligands des ces trois RCPGs sur le guidage axonal varient d’aucun effet (GPR91 et GPR99) à la répulsion ou l’attraction (GPR55). La voie de signalisation MAPK-ERK1/2 joue un rôle essentiel dans la médiation des effets des ligands de ces récepteurs avec une implication de la voie de RhoA à hautes concentrations pour l’agoniste endogène de GPR55. In vivo, cette recherche démontre également l’implication de GPR55 dans les processus de sélection des cibles thalamiques et de raffinement au cours du développement du système nerveux visuel.

Two novel COLVI long chains in zebrafish that are essential for muscle development

Collagen VI (COLVI), a protein ubiquitously expressed in connective tissues, is crucial for structural integrity, cellular adhesion, migration and survival. Six different genes are recognized in mammalians, encoding six COLVI-chains that assemble as two ‘short’ (α1, α2) and one ‘long’ chain (theoretically any one of α3–6). In humans, defects in the most widely expressed heterotrimer (α123), due to mutations in the COL6A1-3 genes, cause a heterogeneous group of neuromuscular disorders, collectively termed COLVI-related muscle disorders. Little is known about the function(s) of the recently described α4-6 chains and no mutations have been detected yet. In this study, we characterized two novel COLVI long chains in zebrafish that are most homologous to the mammalian α4 chain; therefore, we named the corresponding genes col6a4a and col6a4b. These orthologues represent ancestors of the mammalian Col6a4-6 genes. By in situ hybridization and RT-qPCR, we unveiled a distinctive expression kinetics for col6a4b, compared with the other col6a genes. Using morpholino antisense oligonucleotides targeting col6a4a, col6a4b and col6a2, we modelled partial and complete COLVI deficiency, respectively. All morphant embryos presented altered muscle structure and impaired motility. While apoptosis was not drastically increased, autophagy induction was defective in all morphants. Furthermore, motoneuron axon growth was abnormal in these morphants. Importantly, some phenotypical differences emerged between col6a4a and col6a4b morphants, suggesting only partial functional redundancy. Overall, our results further confirm the importance of COLVI in zebrafish muscle development and may provide important clues for potential human phenotypes associated with deficiency of the recently described COLVI-chains.

Les récepteurs GPR91 et GPR99 et leur implication dans le développement du système nerveux visuel

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) démontrent de plus en plus de capacités à activer des mécanismes jusqu’alors associés à des facteurs de transcription ou des molécules d’adhésion. En effet, de nouvelles preuves rapportent qu’ils pourraient également participer au guidage axonal qui est le mécanisme permettant aux axones de cellules nerveuses de rejoindre leur cible anatomique. Le guidage axonal se fait par l’interaction entre les molécules de guidage et une structure particulière présente à l’extrémité de l’axone, le cône de croissance. Par exemple, les RCPGs participent au guidage des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones s’étendent de la rétine jusqu’au noyaux cérébraux associés à la vision. Cet effet est observé avec des RCPGs tels que les récepteurs aux cannabinoïdes (CB1 et CB2) et celui du lysophosphatidylinositol, le GPR55. Les RCPGs GPR91 et GPRG99, respectivement récepteurs au succinate et à l’α-cétoglutarate, se trouvent à la surface de ces CGRs, ce qui en font des candidats potentiels pouvant participer au guidage axonal. Dans ce mémoire, l’effet des ligands de ces récepteurs sur la croissance et la navigation des axones des CGRs fut analysé. L’impact produit par ces récepteurs ainsi que leurs ligands sur la morphologie des cônes de croissance fut déterminé en mesurant leur taille et le nombre de filopodes présents sur ces cônes. Pour évaluer le rôle du succinate et de l’a-cétoglutarate sur la croissance globale des axones de CGRs, la longueur totale des projections axonales d’explants rétiniens a été mesurée. L’effet de ces ligands des récepteurs GPR91 et GPR99 sur le guidage axonal a également été évalué en temps réel à l’aide d’un gradient créé par un micro injecteur placé à 45° et à 100µm du cône de croissance. La distribution in vivo des récepteurs GPR91 et GPR99 sur la rétine a été étudié à l’aide d’expériences d’immunohistochimie. Les résultats obtenus indiquent que l’ajout de 100µM de succinate produit une augmentation de la taille des cônes de croissance et du nombre de filopodes présents à leur surface. Il augmente également la croissance des axones. Ce type de réponse fut également observé lorsque les cellules furent soumises à 200µM d’α-cétoglutarate. Fait à noter, les deux récepteurs n’ont pas d’impact sur le guidage axonal. Ces résultats indiquent donc que les agonistes des récepteurs GPR91 et GPR99 augmentent la croissance des cellules ganglionnaires lorsqu’ils sont présents lors du développement. Par contre, ils n’ont pas d’influence sur la direction prise par les cônes de croissance. Ces nouvelles données sont un pas de plus dans la compréhension des mécanismes qui gèrent et participent au développement et la croissance des CGRs, ce qui pourrait donner de nouvelles cibles thérapeutique pouvant mener à la régénération de nerfs optiques endommagés.