The role of Bmi1 in CNS development and in retinal degeneration

SUMMARY : The present work addresses several aspects of cell cycle regulation, cell fate specification and cell death in the central nervous system (CNS), specifically the cortex and the retina. More precisely, we investigated the role of Bmi1, a polycomb family gene required for stem cell proliferation and self-renewal, in the development of the cerebral cortex, as well as in the genesis of the retina. These data, together with studies published during the last two decades concerning cell cycle re-activation in apoptotic neurons in the CNS, raised the question of a possible link between regulation of the cell cycle during development and during retinal degeneration. 1. The effects of Bmi1 loss in the cerebral cortex : Consistently with our and others' observations on failure of Bmi9-/- stem cells to proliferate and self-renew in vitro, the Bmi9-/- cerebral cortex presented slight defects in proliferation in stem/progenitor cells compartments in vivo. This was in accordance with the pattern of Bmi1 expression in the developing forebrain. The modest proliferation defects, compared to the drastic consequences of Bmi9 loss in vitro, suggest that cell-extrinsic mechanisms may partially compensate for Bmi1 deletion in vivo during cortical histogenesis. Nevertheless, we observed a decreased proliferating activity in neurogenic regions of the adult telencephalon, more precisely in the subventricular zone, showing that Bmi1 controls neural stem/progenitor proliferation during adulthood in vivo. Our data also highlight an increased production of astrocytes at birth, and a generalized gliosis in the adult Bmi9-/- brain. Importantly, glial progenitors and astrocytes retained the ability to proliferate in the absence of Bmi1. 2. The effects of Bmi1 loss in the retina : The pattern of expression of Bmi1 during development and in the adult retina suggests a role for Bmi1 in cell fate specification and differentiation rather than in proliferation. While the layering and the global structure of the retina appear normal in Bmi1 /adult mice, immunohistochemìcal analysis revealed defects in the three major classes of retinal interneurons, namely: horizontal, bipolar and amacrine cells. Electroretinogram recordings in Bmi9-/- mice are coherent with the defects observed at the histological level, with a reduced b-wave and low-profile oscillatory potentials. These results show that Bmi1 controls not only proliferation, but also cell type generation, as previously observed in the cerebellum. 3. Cell cycle events and related neuroprotective strategies in retinal degeneration : In several neurodegenerative disorders, neurons re-express cell cycle proteins such as cyclin dependent kinases (Cdks) prior to apoptosis. Here, we show for the first time that this is also the case during retinal degeneration. Rd1 mice carry a recessive defect (Pdeóbrd/rd) that causes retinal degeneration and serves as a model of retinitis pigmentosa. We found that photoreceptors express Cdk4 and Cdk2, and undergo DNA synthesis prior to cell death. To interfere with the reactivation of Cdk-related pathways, we deleted E2fs or Brni1, which normally allow cell cycle progression. While deleting E2f1 (downstream of Cdk4/6) in Rd1 mice provides only temporary protection, knocking out Bmi1 (upstream of Cdks) leads to an extensive neuroprotective effect, independent of p16ink4a or p19arf, two tumor suppressors regulated by Bmi1. Analysis of Cdks and the DNA repair-related protein Ligase IV showed that Bmi1 acts downstream of DNA repair events and upstream of Cdks in this neurodegenerative mechanism. Expression of Cdks during an acute model of retinal degeneration, light damage-induced photoreceptor death, points to a role for Bmi1 and cell cycle proteins in retinal degeneration. Considering the similarity with the cell cycle-related apoptotic pathway observed in other neurodegenerative diseases, Bmi1 is a possible general target to prevent or delay neuronal death. RESUME : Ce travail aborde plusieurs aspects de la régulation du cycle cellulaire, de la spécification du devenir des cellules et de la mort cellulaire dans le système nerveux centrale (SNC), plus particulièrement dans le cortex cérébral et dans la rétine. Nous nous sommes intéressés au gène Bmi1, appartenant à la famille polycomb et nécessaire à la prolifération et au renouvellement des cellules souches. Nous avons visé à disséquer son rôle dans le développement du cortex et de la rétine. Ces données, ainsi qu'une série de travaux publiés au cours des deux dernières décennies concernant la réactivation du cycle cellulaire dans les neurones en voie d'apoptose dans le SNC, nous ont ensuite poussé à chercher un lien entre la régulation du cycle cellulaire pendant le développement et au cours de la dégénérescence rétinienne. 1. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans le cortex cérébral : En accord avec l'incapacité des cellules souches neurales in vitro à proliférer et à se renouveler en absence de Bmi1, le cortex cérébral des souris Bmi1-/- présente de légers défauts de prolifération dans les compartiments contenant les cellules souches neurales. Ceci est en accord avec le profil d'expression de Bmi1 dans le télencéphale. Les conséquences de la délétion de Bmi1 sont toutefois nettement moins prononcées in vivo qu'in vitro ; cette différence suggère l'existence de mécanismes pouvant partiellement compenser l'absence de Bmi1 pendant la corticogenèse. Néanmoins, l'observation d'une réduction de la prolifération dans la zone sous-ventriculaire, la zone majeure de neurogenèse dans le télencéphale adulte, montre que Bmi1 contrôle la prolifération des cellules souche/progénitrices neurales chez la souris adulte. Nos résultats démontrent par ailleurs une augmentation de la production d'astrocytes à la naissance ainsi qu'une gliose généralisée à l'état adulte chez les souris Bmi1-/-. Les progéniteurs gliaux et les astrocytes conservent donc leur capacité à proliférer en absence de Bmi1. 2. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans la rétine : Le profil d'expression de Bmi1 pendant fe développement ainsi que dans la rétine adulte suggère un rôle de Bmi1 dans la spécification de certains types cellulaires et dans la différentiation plutôt que dans la prolifération. Alors que la structure et la lamination de la rétine semblent normales chez les souris Bmi1-/-, l'analyse par immunohistochimie amis en évidence des défauts au niveau des trois classes d'interneurones rétiniens (les cellules horizontales, bipolaires et amacrines). Les électrorétinogrammes des souris Bmi1-/- sont cohérents avec les défauts observés au niveau histologique et montrent une réduction de l'onde « b » et des potentiels oscillatoires. Ces résultats montrent que Bmi1 contrôle la génération de certaines sous-populations de neurones, comme démontré auparavant au niveau de cervelet. 3. Réactivation du cycle cellulaire et stratégies théraoeutiaues dans les dégénérescences rétiniennes : Dans plusieurs maladies neurodégénératives, les neurones ré-expriment des protéines du cycle cellulaire telles que les kinases cycline-dépendantes (Cdk) avant d'entrer en apoptose. Nous avons démontré que c'est aussi le cas dans les dégénérescences rétiniennes. Les souris Rd1 portent une mutation récessive (Pde6brd/rd) qui induit une dégénérescence de la rétine et sont utilisées comme modèle animal de rétinite pigmentaire. Nous avons observé que les photorécepteurs expriment Cdk4 et Cdk2, et entament une synthèse d'ADN avant de mourir par apoptose. Pour interférer avec la réactivation les mécanismes Cdk-dépendants, nous avons inactivé les gènes E2f et Bmi1, qui permettent normalement la progression du cycle cellulaire. Nous avons mis en évidence que la délétion de E2f1 (en aval de Cdk4/6) dans les souris Rd1 permet une protection transitoire des photorécepteurs. Toutefois, l'inactivation de Bmi1 (en amont des Cdk) est corrélée à une neuroprotection bien plus durable et ceci indépendamment de p16ink4a et p19arf, deux suppresseurs de tumeurs normalement régulés par Bmi1. L'analyse des Cdk et de la ligase IV (une protéine impliquée dans les mécanismes de réparation de l'ADN) a montré que Bmi1 agit en aval des événements de réparation de l'ADN et en amont des Cdk dans la cascade apoptotique dans les photorécepteurs des souris Rd1. Nous avons également observé la présence de Cdk dans un modèle aigu de dégénérescence rétinienne induit par une exposition des animaux à des niveaux toxiques de lumière. Nos résultats suggèrent donc un rôle général de Bmi1 et des protéines du cycle cellulaire dans les dégénérescences de la rétine. Si l'on considère la similarité avec les événements de réactivation du cycle cellulaire observés dans d'autres maladies neurodégénératives, Bmi1 pourrait être une cible thérapeutique générale pour prévenir la mort neuronale.

Extrinsic Purinergic Regulation of Neural Stem/Progenitor Cells: Implications for CNS Development and Repair

There has been tremendous progress in understanding neural stem cell (NSC) biology, with genetic and cell biological methods identifying sequential gene expression and molecular interactions guiding NSC specification into distinct neuronal and glial populations during development. Data has emerged on the possible exploitation of NSC-based strategies to repair adult diseased brain. However, despite increased information on lineage specific transcription factors, cell-cycle regulators and epigenetic factors involved in the fate and plasticity of NSCs, understanding of extracellular cues driving the behavior of embryonic and adult NSCs is still very limited. Knowledge of factors regulating brain development is crucial in understanding the pathogenetic mechanisms of brain dysfunction. Since injury-activated repair mechanisms in adult brain often recapitulate ontogenetic events, the identification of these players will also reveal novel regenerative strategies. Here, we highlight the purinergic system as a key emerging player in the endogenous control of NSCs. Purinergic signalling molecules (ATP, UTP and adenosine) act with growth factors in regulating the synchronized proliferation, migration, differentiation and death of NSCs during brain and spinal cord development. At early stages of development, transient and time-specific release of ATP is critical for initiating eye formation; once anatomical CNS structures are defined, purinergic molecules participate in calcium-dependent neuron-glia communication controlling NSC behaviour. When development is complete, some purinergic mechanisms are silenced, but can be re-activated in adult brain after injury, suggesting a role in regeneration and self-repair. Targeting the purinergic system to develop new strategies for neurodevelopmental disorders and neurodegenerative diseases will be also discussed.

Constitutive expression of FGF4 disrupts the development of the eye and the anterior CNS during mouse embryogenesi, but does not influence the expressionof shh in these areas.

The biological consequences of constitutive fibroblast growth factor-4 (fgf4) expression have been analysed during anterior CNS development of mouse chimeric embryos. Severe mutant embryos exhibit exencephaly, absence of eye development and anomalous differentiation of neuropithelium. These embryos also show ectopic limb buds resembling the early phases of limb development. Because our results show that anterior CNS in those chimeric embrios does not express shh ectopically, we suggest that malformations may be due to interference between the ectopic expression of fgf4 in the cephalic area and the receptors for the members of the FGF family that regulate brain and eye development, namely fgf8. If this is correct, the results indirectly suport the crucial role of fgf8 in patterning the anterior CNS.

The receptor tyrosine kinase regulator sprouty1 is a target of the tumor suppressor WT1 and important for kidney development

WT1 encodes a transcription factor involved in kidney development and tumorigenesis. Using representational difference analysis, we identified a new set of WT1 targets, including a homologue of the Drosophila receptor tyrosine kinase regulator, sprouty. Sprouty1 was up-regulated in cell lines expressing wild-type but not mutant WT1. WT1 bound to the endogenous sprouty1 promoter in vivo and directly regulated sprouty1 through an early growth response gene-1 binding site. Expression of Sprouty1 and WT1 overlapped in the developing metanephric mesenchyme, and Sprouty1, like WT1, plays a key role in the early steps of glomerulus formation. Disruption of Sprouty1 expression in embryonic kidney explants by antisense oligonucleotides reduced condensation of the metanephric mesenchyme, leading to a decreased number of glomeruli. In addition, sprouty1 was expressed in the ureteric tree and antisense-treated ureteric trees had cystic lumens. Therefore, sprouty1 represents a physiologically relevant target gene of WT1 during kidney development.

Loss of ATF2 function leads to cranial motoneuron degeneration during embryonic mouse development.

The AP-1 family transcription factor ATF2 is essential for development and tissue maintenance in mammals. In particular, ATF2 is highly expressed and activated in the brain and previous studies using mouse knockouts have confirmed its requirement in the cerebellum as well as in vestibular sense organs. Here we present the analysis of the requirement for ATF2 in CNS development in mouse embryos, specifically in the brainstem. We discovered that neuron-specific inactivation of ATF2 leads to significant loss of motoneurons of the hypoglossal, abducens and facial nuclei. While the generation of ATF2 mutant motoneurons appears normal during early development, they undergo caspase-dependent and independent cell death during later embryonic and foetal stages. The loss of these motoneurons correlates with increased levels of stress activated MAP kinases, JNK and p38, as well as aberrant accumulation of phosphorylated neurofilament proteins, NF-H and NF-M, known substrates for these kinases. This, together with other neuropathological phenotypes, including aberrant vacuolisation and lipid accumulation, indicates that deficiency in ATF2 leads to neurodegeneration of subsets of somatic and visceral motoneurons of the brainstem. It also confirms that ATF2 has a critical role in limiting the activities of stress kinases JNK and p38 which are potent inducers of cell death in the CNS.

Mild guanidinoacetate increase under partial guanidinoacetate methyltransferase deficiency strongly affects brain cell development.

Among cerebral creatine deficiency syndromes, guanidinoacetate methyltransferase (GAMT) deficiency can present the most severe symptoms, and is characterized by neurocognitive dysfunction due to creatine deficiency and accumulation of guanidinoacetate in the brain. So far, every patient was found with negligible GAMT activity. However, GAMT deficiency is thought under-diagnosed, in particular due to unforeseen mutations allowing sufficient residual activity avoiding creatine deficiency, but enough guanidinoacetate accumulation to be toxic. With poorly known GAA-specific neuropathological mechanisms, we developed an RNAi-induced partial GAMT deficiency in organotypic rat brain cell cultures. As expected, the 85% decrease of GAMT protein was insufficient to cause creatine deficiency, but generated guanidinoacetate accumulation causing axonal hypersprouting and decrease in natural apoptosis, followed by induction of non-apoptotic cell death. Specific guanidinoacetate-induced effects were completely prevented by creatine co-treatment. We show that guanidinoacetate accumulation without creatine deficiency is sufficient to affect CNS development, and suggest that additional partial GAMT deficiencies, which may not show the classical brain creatine deficiency, may be discovered through guanidinoacetate measurement.

Creatine deficiency syndomes : a new model of partial GAMT deficiency affecting brain cell development

Les syndromes de déficiences cérébrales en créatine (CCDS) sont dus à des mutations dans les gènes GATM et G AMT (codant pour les enzymes AGAT et G AMT de la voie de synthèse de créatine) ainsi que SLC6A8 (transporteur de créatine), et génèrent une absence ou une très forte baisse de créatine (Cr) dans le cerveau, mesurée par spectroscopic de résonance magnétique. Les patients CCDS développent des handicaps neurologiques sévères. Les patients AGAT et GAMT peuvent être traités avec des doses importantes de Cr, mais gardent dans la plupart des cas des séquelles neurologiques irréversibles. Aucun traitement efficace n'existe à ce jour pour la déficience en SLC6A8. Bien que de nombreux modèles aient été développés pour comprendre la Cr cérébrale en conditions physiologiques, les pathomécanismes des CCDS ne sont pas encore compris. Des souris transgéniques pour les gènes Gatm, Gamt et Slc6a8 ont été générées, mais elles ne miment que partiellement la pathologie humaine. Parmi les CCDS, la déficience en GAMT est la plus sévère, en raison de l'accumulation cérébrale de l'intermédiaire guanidinoacétate (GAA). Alors que la toxicité cérébrale du GAA a été étudiée par exposition directe au GAA d'animaux adultes sains, les mécanismes de la toxicité du GAA en condition de déficience en GAMT dans le cerveau en développement sont encore inconnus. Le but de ce projet était donc de développer un modèle de déficience en GAMT dans des cultures 3D primaires de cellules nerveuses de rat en agrégats par knock-down du gène GAMT, en utilisant un virus adéno-associé (AAV) induisant le mécanisme d'interférence à l'ARN (RNAi). Le virus scAAV2, à la multiplicité d'infection de 1000, s'est révélé le plus efficace pour transduire tous les types de cellules nerveuses des cultures (neurones, astrocytes, oligodendrocytes), et générer un knock-down maximal de la protéine GAMT de 85% (jour in vitro 18). Cette déficience partielle en GAMT s'est révélée insuffisante pour générer une déficience en Cr, mais a causé l'accumulation attendue de GAA, à des doses comparables aux niveaux observés dans le LCR des patients GAMT. Le GAA a induit une croissance axonale anarchique accompagnée d'une baisse de l'apoptose naturelle, suivis par une induction tardive de mort cellulaire non-apoptotique. Le co-traitement par la Cr a prévenu tous les effets toxiques du GAA. Ce travail montre que l'accumulation de GAA en absence de déficience en Cr est suffisante pour affecter le développement du tissu nerveux, et suggère que des formes de déficiences en GAMT supplémentaires, ne présentant pas de déficiences en Cr, pourraient être découvertes par mesure du GAA, en particulier à travers les programmes récemment proposés de dépistage néonatal de la déficience en GAMT. -- Cerebral creatine deficiency syndromes (CCDS) are caused by mutations in the genes GATM and GAMT (respectively coding for the two enzymes of the creatine synthetic pathway, AGAT and GAMT) as well as SLC6A8 (creatine transporter), and lead to the absence or very strong decrease of creatine (Cr) in the brain when measured by magnetic resonance spectroscopy. Affected patients show severe neurological impairments. While AGAT and GAMT deficient patients can be treated with high dosages of Cr, most remain with irreversible brain sequelae. No treatment has been successful so far for SLC6A8 deficiency. While many models have helped understanding the cerebral Cr pathways in physiological conditions, the pathomechanisms underlying CCDS are yet to be elucidated. Transgenic mice carrying mutations in the Gatm, Gamt and Slc6a8 genes have been developed, but only partially mimic the human pathology. Among CCDS, GAMT deficiency is the most severe, due to the CNS accumulation of the guanidinoacetate (GAA) intermediate. While brain toxicity of GAA has been explored through direct GAA exposure of adult healthy animals, the mechanisms underlying GAA toxicity in GAMT deficiency conditions on the developing CNS are yet unknown. The aim of this project was thus to develop and characterize a GAMT deficiency model in developing brain cells by gene knockdown, by adeno-associated virus (AAV)-driven RNA interference (RNAi) in rat 3D organotypic primary brain cell cultures in aggregates. scAAV2 with a multiplicity of infection of 1000 was shown as the most efficient serotype, was able to transduce all brain cell types (neurons, astrocytes, oligodendrocytes) and to induce a maximal GAMT protein knockdown of 85% (day in vitro 18). Metabolite analysis showed that partial GAMT knockdown was insufficient to induce Cr deficiency but generated the awaited GAA accumulation at concentrations comparable to the levels observed in cerebrospinal fluid of GAMT-deficient patients. Accumulated GAA induced axonal hypersprouting paralleled with inhibition of natural apoptosis, followed by a later induction in non-apoptotic cell death. Cr supplementation led to the prevention of all GAA-induced toxic effects. This work shows that GAA accumulation without Cr deficiency is sufficient to affect CNS development, and suggests that additional partial GAMT deficiencies, which may not show the classical brain Cr deficiency, may be discovered through GAA measurement including by recently proposed neonatal screening programs for GAMT deficiency.

Comparative analysis of CNS populations in knockout mice with altered growth hormone responsiveness

Recently we have shown that growth hormone (GH) inhibits neuronal differentiation and that this process is blocked by suppressor of cytokine signalling-2 (SOCS2). Here we examine several cortical and subcortical neuronal populations in GH hyper-responsive SOCS2 null (-/-) mice and GH non-responsive GH receptor null (GHR-/-) mice. While SOCS2-/- mice showed a 30% decrease in density of NeuN positive neurons in cortex compared to wildtype, GHR-/- mice showed a 25% increase even though brain size was decreased. Interneuron sub-populations were variably affected, with a slight decrease in cortical parvalbumin expressing interneurons in SOCS2-/- mice and an increase in cortical calbindin and calretinin and striatal cholinergic neuron density in GHR-/- mice. Analysis of glial cell numbers in cresyl violet or glial fibrillary acidic protein (GFAP) stained sections of cortex showed that the neuron: glia ratio was increased in GHR-/- mice and decreased in SOCS2-/- mice. The astrocytes in GHR-/- mice appeared smaller, while they were larger in SOCS2-/- mice. Neuronal soma size also varied in the different genotypes, with smaller striatal cholinergic neurons in GHR-/- mice. While the size of layer 5 pyramidal neurons was not significantly different from wildtype, SOCS2-/- neurons were larger than GHR-/- neurons. In addition, primary dendritic length was similar in all genotypes but dendritic branching of pyramidal neurons in the cortex appeared sparser in GHR-/- and SOCS2-/- mice. These results suggest that GH, possibly regulated by SOCS2, has multiple effects on central nervous system (CNS) development and maturation, regulating the number and size of multiple neuronal and glial cell types.

Movement through slits: cellular migration via the Slit family

First isolated in the fly and now characterised in vertebrates, the Slit proteins have emerged as pivotal components controlling the guidance of axonal growth cones and the directional migration of neuronal precursors. As well as extensive expression during development of the central nervous system (CNS), the Slit proteins exhibit a striking array of expression sites in non-neuronal tissues, including the urogenital system, limb primordia and developing eye. Zebrafish Slit has been shown to mediate mesodermal migration during gastrulation, while Drosophila slit guides the migration of mesodermal cells during myogenesis. This suggests that the actions of these secreted molecules are not simply confined to the sphere of CNS development, but rather act in a more general fashion during development and throughout the lifetime of an organism. This review focuses on the non-neuronal activities of Slit proteins, highlighting a common role for the Slit family in cellular migration.

Caractérisation moléculaire du rôle de Lhx2 dans le développement de l'oeil et du cerveau

Le développement du système nerveux central (SNC) chez les vertébrés est un processus d'une extrême complexité qui nécessite une orchestration moléculaire très précise. Certains gènes exprimés très tôt lors du développement embryonnaire sont d'une importance capitale pour la formation du SNC. Parmi ces gènes, on retrouve le facteur de transcription à Lim homéodomaine Lhx2. Les embryons de souris mutants pour Lhx2 (Lhx2-/-) souffre d'une hypoplasie du cortex cérébral, sont anophtalmiques et ont un foie de volume réduit. Ces embryons mutants meurent in utero au jour embryonnaire 16 (e16) dû à une déficience en érythrocytes matures. L'objectif principal de cette thèse est de caractériser le rôle moléculaire de Lhx2 dans le développement des yeux et du cortex cérébral. Lhx2 fait partie des facteurs de transcription à homéodomaine exprimé dans la portion antérieure de la plaque neurale avec Rx, Pax6, Six3. Le développement de l'oeil débute par une évagination bilatérale de cette région. Nous démontrons que l'expression de Lhx2 est cruciale pour les premières étapes de la formation de l'oeil. En effet, en absence de Lhx2, l'expression de Rx, Six3 et Pax6 est retardée dans la plaque neurale antérieure. Au stade de la formation de la vésicule optique, l'absence de Lhx2 empêche l'activation de Six6 (un facteur de transcription également essentiel au développement de l'œil). Nous démontrons que Lhx2 et Pax6 coopèrent en s'associant au promoteur de Six6 afin de promouvoir sa trans-activation. Donc, Lhx2 est un gène essentiel pour la détermination de l'identité rétinienne au niveau de la plaque neurale. Plus tard, il collabore avec Pax6 pour établir l'identité rétinienne définitive et promouvoir la prolifération cellulaire. De plus, Lhx2 est fortement exprimé dans le télencéphale, région qui donnera naissance au cortex cérébral. L'absence de Lhx2 entraîne une diminution de la prolifération des cellules progénitrices neurales dans cette région à e12.5. Nous démontrons qu'en absence de Lhx2, les cellules progénitrices neurales (cellules de glie radiale) se différencient prématurément en cellules progénitrices intermédiaires et en neurones post-mitotiques. Ces phénotypes sont corrélés à une baisse d'activité de la voie Notch. En absence de Lhx2, DNER (un ligand atypique de la voie Notch) est fortement surexprimé dans le télencéphale. De plus, Lhx2 et des co-répresseurs s'associent à la chromatine de la région promotrice de DNER. Nous concluons que Lhx2 permet l'activation de la voie Notch dans le cortex cérébral en développement en inhibant la transcription de DNER, qui est un inhibiteur de la voie Notch dans ce contexte particulier. Lhx2 permet ainsi la maintenance et la prolifération des cellules progénitrices neurales.

Caractérisation du système des endocannabinoïdes au niveau de la rétine adulte et en développement

Le système endocannaboïde (eCB) est constitué des ligands, des récepteurs – les plus étudiés étant les récepteurs CB1 et CB2 – et les enzymes de synthèse et de dégradation. Les ligands étant lipophiles, ils ne sont pas encapsulés dans des vésicules, ce qui place les enzymes de synthèse et de dégradation dans une position de régulateurs clés. Plusieurs études démontrent une participation du système eCB à des processus de développement dans le système nerveux central (SNC). La rétine est un modèle important pour l’étude de ces processus car elle contient plusieurs types cellulaires bien connus, dont le patron de développement est clairement établi. Pour l’instant très peu est connu sur l’expression du système eCB durant le développement rétinien. C’est dans ce cadre que les patrons d’expression du récepteur CB1 et de l’enzyme de dégradation FAAH ont été étudiés pendant le développement rétinien postnatal chez le rat. Pour identifier les types cellulaires exprimant ces protéines, des co-marquages ont été accomplis pour le récepteur CB1 ou FAAH et des marqueurs des types cellulaires rétiniens. À P1, les cellules ganglionnaires, amacrines, horizontales et mitotiques expriment le récepteur CB1. Les cellules ganglionnaires et amacrines cholinergiques sont FAAH-positives. Au cours du développement, certains types cellulaires démontrent une expression transitoire de ces deux protéines, suggérant une implication du système eCB dans les processus de développement. Nos données démontrent également une importante expression du système eCB dans la rétine adulte, ce qui soutient l’hypothèse de son implication dans la réponse rétinienne. En bref, des études fonctionnelles in vitro sur des rétines de non-mammifères ont révélées que le récepteur CB1 modulait la réponse des cônes et des cellules bipolaires. Malgré la récente démonstration de sa présence dans la rétine, il n’existe pas de d’étude sur le rôle du récepteur CB2 dans la rétine. Dans cette thèse, les conséquences fonctionnelles de l’élimination des récepteurs CB1 ou CB2 ont été évaluées chez des souris transgéniques. Les réponses rétiniennes ont été enregistrées par électrorétinographie chez des souris cnr1-/- (CB1R-KO) et cnr2-/- (CB2R-KO). Nos données suggèrent une implication différente pour chaque récepteur dans la formation de la réponse rétinienne

Analyse der Funktion von Dystroglycan im frühen sich entwickelnden ZNS mittels inhibierender Antikörper

In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion von Dystroglycan in jungen und späten Stadien des sich entwickelnden ZNS untersucht. Hierzu wurden Antikörper generiert, die fähig waren, in vivo die Interaktion zwischen a-und b-Dystroglycan zu stören. Die Antikörper oder Fab-Fragmente wurden in das Mesencephalon oder Auge lebender Hühnerembryonen injiziert, um aus den beobachteten Veränderungen die Funktion des DAG zu untersuchen. Die Fab-Fragmentinjektionen führten zu Hyperproliferation, verbunden mit morphologischen Veränderungen der Neuroepithelzellen und Zunahme der Anzahl postmitotischer Neuronen. Ebenso wurde die basale und apikale Polarität von Neuroepithelzellen beeinflusst. Auch die Axonorientierung der tectobulbären Axone wurde durch die Injektionen gestört. In älteren embryonalen Stadien kam es, durch Fab-Fragmentinjektionen in die Augen von Embryonen, zu strukturellen Veränderungen der Retina, verbunden mit einer breiteren Verteilung des DAG, wie auch der Synapsen innerhalb der OPL. Die retinalen Zelltypen, wie Müller-Gliazellen und Stäbchen-Bipolarzellen, waren abgerundet und hatten ihre typische Zellform verloren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Dystroglycan einen entscheidenden Einfluss auf die Proliferation, Migration, Polarität und Differenzierung der Neuroepithelzellen ausübt. Außerdem zeigen diese Daten, dass Dystroglycan nicht nur in der frühen embryonalen ZNS-Entwicklung eine maßgebliche Rolle spielt, sondern auch in späten Stadien. Die Ähnlichkeit der beobachteten Veränderungen nach Fab-Fragmentinjektionen legt nahe, dass einige Veränderungen im ZNS bestimmter Muskeldystrophieformen, durch Beeinflussung der Neuroepithelzellen im sich entwickelnden ZNS, verursacht werden.

Unravelling the impact of microRNA on Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) pathogenesis

ALS is the most common adult neurodegenerative disease that specifically affects upper and lower neurons leading to progressive paralysis and death. There is currently no effective treatment. Thus, identification of the signaling pathways and cellular mediators of ALS remains a major challenge in the search for novel therapeutics. Recent studies have shown that noncoding RNA molecules have a significant impact on normal CNS development and on causes and progression of human neurological disorders. To investigate the hypothesis that expression of the mutant SOD1 protein, which is one of the genetic causes of ALS, may alter expression of miRNAs thereby contributing to the pathogenesis of familial ALS, we compared miRNA expression in SH-SY5Y expressing either the wild type or the SOD1 protein using small RNA deep-sequencing followed by RT-PCR validation. This strategy allowed us to find a group of up and down regulated miRNAs, which are predicted to play a role in the motorneurons physiology and pathology. The aim of my work is to understand if these modulators of gene expression may play a causative role in disease onset or progression. To this end I have checked the expression level of these misregulated miRNAs derived from RNA-deep sequencing by qPCR on cDNA derived from ALS mice models at early onset of the disease. Thus, I’m looking for the most up-regulated one even in Periferal Blood Mononuclear Cell (PBMC) of sporadic ALS patients. Furthermore I’m functionally characterizing the most up-regulated miRNAs through the validation of bioinformatic-predicted targets by analyzing endogenous targets levels after microRNA transfection and by UTR-report luciferase assays. Thereafter I’ll analyze the effect of misregulated targets on pathogenesis or progression of ALS by loss of functions or gain of functions experiments, based on the identified up/down-regulation of the specific target by miRNAs. In the end I would define the mechanisms responsible for the miRNAs level misregulation, by silencing or stimulating the signal transduction pathways putatively involved in miRNA regulation.

The involvement of miRNA Dysregulation in Amyotrophic Lateral Sclerosis

ALS is a neurodegenerative disease that specifically affects upper and lower motor neurons leading to progressive paralysis and death. There is currently no effective treatment. Thus, identification of the signaling pathways and cellular mediators of ALS remains a major challenge in the search for novel therapeutic approaches. Recent studies have shown that non-coding RNAs have a significant impact on normal CNS development and onset and progression of neurological disorders. Based on this evidence we specifically test the hypothesis that misregulation of miRNA expression is a common feature in familiar ALS. Hence, we are exploiting human neuroblastoma cell lines either expressing the SOD1(G93A) mutation or depleted from Fused in Sarcoma (FUS) as tools to investigate the role of miRNAs in familiar ALS. To this end we performed a genome-wide scale miRNA expression on these cells, using whole-genome small RNA deep-sequencing followed by quantitative real time validation (qPCR). This strategy allowed us to find a group of dysregulated miRNAs, which are predicted to play a role in the motorneurons physiology and pathology. We verified our data on cDNA derived from SOD1-ALS mice models at early stage of the disease and on cDNA derived from lymphocytes from a small group of ALS patients. In the future, we plan to define the mechanisms responsible for the miRNA dysregulation, by silencing or stimulating the signal transduction pathways putatively involved in miRNA expression and regulation.

The product of a thyroid hormone-responsive gene interacts with thyroid hormone receptors

Thyroid hormone is a critical mediator of central nervous system (CNS) development, acting through nuclear receptors to modulate the expression of specific genes. Transcription of the rat hairless (hr) gene is highly up-regulated by thyroid hormone in the developing CNS; we show here that hr is directly induced by thyroid hormone. By identifying proteins that interact with the hr gene product (Hr), we find that Hr interacts directly and specifically with thyroid hormone receptor (TR)—the same protein that regulates its expression. Unlike previously described receptor-interacting factors, Hr associates with TR and not with retinoic acid receptors (RAR, RXR). Hr can act as a transcriptional repressor, suggesting that its interaction with TR is part of a novel autoregulatory mechanism.