Kinase-dependent and kinase-independent functions of EphA4 receptors in major axon tract formation in vivo

The EphA4 receptor tyrosine kinase regulates the formation of the corticospinal tract (CST), a pathway controlling voluntary movements, and of the anterior commissure (AC), connecting the neocortical temporal robes. To study EphA4 kinase signaling in these processes, we generated mice expressing mutant EphA4 receptors either lacking kinase activity or with severely downregulated kinase activity. We demonstrate that EphA4 is required for CST formation as a receptor for which it requires an active kinase domain. In contrast, the formation of the AC is rescued by kinase-dead EphA4, suggesting that in this structure EphA4 acts as a ligand for which its kinase activity is not required. Unexpectedly, the cytoplasmic sterile-alpha motif (SAM) domain is not required for EphA4 functions. Our findings establish both kinase-dependent and kinase-independent functions of EphA4 in the formation of major axon tracts.

Development and reorganization of corticospinal projections in EphA4 deficient mice

The Eph family of receptor tyrosine kinases and their ligands, the ephrins, are important regulators of axon guidance and cell migration in the developing nervous system. Inactivation of the EphA4 gene results in axon guidance defects of the corticospinal tract, a major descending motor pathway that originates in the cortex and terminates at all levels of the spinal cord. In this investigation, we report that although the initial development of the corticospinal projection is normal through the cortex, internal capsule, cerebral peduncle, and medulla in the brain of EphA4 deficient animals, corticospinal axons exhibit gross abnormalities when they enter the gray matter of the spinal cord. Notably, many corticospinal axons fail to remain confined to one side of the spinal cord during development and instead, aberrantly project across the midline, terminating ipsilateral to their cells of origin. Given the possible repulsive interactions between EphA4 and one of its ligands, ephrinB3, this defect could be consistent with a loss of responsiveness by corticospinal axons to ephrinB3 that is expressed at the spinal cord midline. Furthermore, we show that EphA4 deficient animals exhibit ventral displacement of the mature corticospinal termination pattern, suggesting that developing corticospinal axons, which may also express ephrinB3, fail to be repelled from areas of high EphA4 expression in the intermediate zone of the normal spinal cord. Taken together, these results suggest that the dual expression of EphA4 on corticospinal axons and also within the surrounding gray matter is very important for the correct development and termination of the corticospinal projection within the spinal cord. J. Comp. Neurol. 436: 248-262, 2001. (C) 2001 Wiley-Liss, Inc.

Étude ultrastructurale et développementale du récepteur EphA4 dans l’hippocampe du rat

Afin de mieux comprendre l’évolution des fonctions du récepteur EphA4 pendant le développement du système nerveux central (SNC), nous avons étudié sa localisation cellulaire et subcellulaire dans l’hippocampe du rat, d’abord chez l’adulte, puis pendant le développement postnatal, ainsi que ses rôles potentiels dans la genèse, la migration ou la maturation des cellules granulaires dans l’hippocampe adulte. Pour ce faire, nous avons utilisé la méthode d’immunocytochimie en microscopie photonique, électronique et confocale. En microscopie photonique, une forte immunoréactivité (peroxydase/DAB) pour EphA4 est observée aux jours 1 et 7 suivant la naissance (P1 et P7) dans les couches de corps cellulaires, avec un marquage notamment associé à la surface des corps cellulaires des cellules granulaires et pyramidales, ainsi que dans les couches de neuropile du gyrus dentelé et des secteurs CA3 et CA1. L’intensité du marquage diminue progressivement dans les couches de corps cellulaires, entre P7 et P14, pour devenir faible à P21 et chez l’adulte, tandis qu’elle persiste dans les couches de neuropile, sauf celles qui reçoivent des afférences du cortex entorhinal. En microscopie électronique, après marquage à la peroxydase/DAB, EphA4 décore toute la surface des cellules pyramidales et granulaires, du corps cellulaire jusqu’aux extrémités distales, entre P1 et P14, pour devenir confiné aux extrémités synaptiques, c’est-à-dire les terminaisons axonales et les épines dendritiques, à P21 et chez l’adulte. À la membrane plasmique des astrocytes, EphA4 est redistribué comme dans les neurones, marquant le corps cellulaire et ses prolongements proximaux à distaux, à P1 et P7, pour devenir restreint aux prolongements périsynaptiques distaux, à partir de P14. D’autre part, des axones en cours de myélinisation présentent souvent une forte immunoréactivité punctiforme à leur membrane plasmique, à P14 et P21. En outre, dans les neurones et les astrocytes, le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi et les vésicules de transport, organelles impliquées dans la synthèse, la modification posttraductionnelle et le transport des protéines glycosylées, sont aussi marqués, et plus intensément chez les jeunes animaux. Enfin, EphA4 est aussi localisé dans le corps cellulaire et les dendrites des cellules granulaires générées chez l’adulte, au stade de maturation où elles expriment la doublecortine (DCX). De plus, des souris adultes knockouts pour EphA4 présentent des cellules granulaires DCX-positives ectopiques, c’est-à-dire positionnées en dehors de la zone sous-granulaire, ce qui suggère un rôle d’EphA4 dans la régulation de leur migration. Ces travaux révèlent ainsi une redistribution d’EphA4 dans les cellules neuronales et gliales en maturation, suivant les sites cellulaires où un remodelage morphologique s’effectue : les corps cellulaires lorsqu’ils s’organisent en couches, les prolongements dendritiques et axonaux pendant leur croissance, guidage et maturation, puis les épines dendritiques, les terminaisons axonales et les prolongements astrocytaires distaux associés aux synapses excitatrices, jusque chez l’adulte, où la formation de nouvelles synapses et le renforcement des connexions synaptiques existantes sont exercés. Ces localisations pourraient ainsi correspondre à différents rôles d’EphA4, par lesquels il contribuerait à la régulation des capacités plastiques du SNC, selon le stade développemental, la région, l’état de santé, ou l’expérience comportementale de l’animal.

Distribution intracellulaire et trafic des récepteurs à tyrosine kinase EphA4 et EphB2 à la synapse mature dans le système nerveux central murin

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Rôle du récepteur EphA4 dans la plasticité structurale neurono-gliale du noyau supraoptique à la suite d’un régime à l’eau salée

Les noyaux supraoptiques (NSO) et paraventriculaires (NPV) de l’hypothalamus montrent un phénomène réversible de plasticité structurale neurono-gliale dans diverses conditions physiologiques telles que la parturition, l’allaitement ou lors d’une surcharge en sel. En effet, les feuillets astrocytaires qui enveloppent normalement les somas et dendrites des neurones à ocytocine (OT) ou à vasopressine (AVP) se rétractent alors, autour des neurones à OT, laissant place à la formation de nouvelles synapses, surtout GABAergiques. Nous avons émis l’hypothèse voulant que ces mouvements cellulaires soient régulés par des molécules connues pour leurs rôles dans l’adhérence et la motilité cellulaires, notamment les récepteurs Eph et les éphrines (Efn). Nous avons étudié le rôle de l’un de ces récepteurs, EphA4, un récepteur à tyrosine kinase reconnaissant l’ensemble des Efn, A ou B, puis tenté d’identifier les Efn partenaires dans le NSO, à la suite d’une surcharge en sel. Pour démontrer la présence d’EphA4 dans le NSO et déterminer l’effet d’une surcharge en sel sur son expression et sa localisation, nous avons utilisé l’hybridation in situ et l’immunohistochimie en microscopie électronique, sur des coupes de cerveaux de souris ou rats traités ou non à l’eau salée pendant 1-7 j, avec des ribosondes ou des anticorps spécifiques pour EphA4. Ces travaux ont démontré une augmentation de l’expression d’EphA4 dans le NSO, notamment dans des dendrites, après le régime salé. La distribution de cette expression correspondait à celle des neurones OT et était absente de la glia limitans. Nous avons ensuite déterminé l’effet d’une absence d’EphA4 sur les mouvements astrocytaires et la synaptogènese autour des dendrites à OT et AVP, en utilisant des souris EphA4 knockouts et des souris de type sauvage des mêmes portées. Nous avons ainsi mesuré la couverture astrocytaire des dendrites OT ou AVP, identifiées par immunocytochimie anti-OT ou anti-AVP, en microscopie électronique. Ces mesures ont confirmé la rétraction des feuillets astrocytaires et la synaptogenèse autour des dendrites OT, mais pas autour des dendrites AVP, chez les souris de type sauvage, et démontré que la rétraction des feuillets astrocytaires et la synaptogenèse sur les dendrites OT ne se produisait pas chez les souris knockouts soumises à la surcharge en sel. L’ensemble de ces résultats démontre un rôle d’EphA4 dans cette plasticité structurale neurono-gliale. Afin d’identifier l’Efn partenaire d’EphA4 dans cette fonction, nous avons utilisé l’hybridation in situ et l’immunohistochimie pour les EfnB3 et -A3. L’hybridation in situ n’a pas démontré d’expression de l’EfnB3 dans le NSO, tandis que les résultats pour l’EfnA3 restent à quantifier. Cependant, l’immunohistochimie anti-EfnA3 montre un marquage d’astrocytes dans le NSO et la glia limitans, marquage qui semble augmenter après surcharge en sel, mais il reste à démontrer que l’anticorps anti-EfnA3 est bien spécifique et à quantifier les éventuels changements sur un plus grand nombre d’animaux. L’ensemble de ces observations démontre un rôle du récepteur EphA4 dans les mécanismes à la base des changements structuraux neurono-gliaux du NSO et pointe vers l’EfnA3 comme partenaire d’EphA4 dans ce modèle.

The Role of EphA4 in Glial Scar Formation Following Injury

Although many areas of the brain lose their regenerative capacity with age, stem cell niches have been identified in both the subventricular zone (SVZ) along the lateral walls of the lateral ventricles and the subgranular zone (SGZ) of the dentate gyrus (Gage, 2000; Alvarez-Buylla et al., 2001; Alvarez-Buylla and Lim, 2004). The SVZ niche utilizes many mechanisms to determine the migration patterns of neuroblasts along the RMS into the olfactory bulb, one being Eph/ephrin signaling (Conover et al., 2000; Holmberg et al., 2005). EphA4-mediated signaling is necessary for axon guidance during development, and its continued expression in the SVZ niche suggests a regulatory role throughout adulthood. Previous studies have suggested that EphA4 plays a role in the regulation of astrocytic gliosis and glial scar formation, which inhibits axonal regeneration in these areas following spinal cord injury (Goldshmit et al., 2004). Blood vessels may also play an important role in SVZ cell proliferation and neuroblast migration following injury (Tavazoie et al., 2008; Yamashita et al., 2006). The goal of this project is to examine glial scar formation as well as the relationship between SVZ vasculature, neuroblasts, and neural stem cells in EphA4 +/+, EphA4 +/-, and EphA4 -/- mice following a needle stick injury in the cortex or striatum. The outcome of these experiments will determine whether invasive procedures such as injections will affect neuroblast migration and/or the organization of the SVZ.

EphA4 (Sek1) receptor tyrosine kinase is required for the development of the corticospinal tract

Members of the Eph family of tyrosine kinase receptors have been implicated in the regulation of developmental processes and, in particular, axon guidance in the developing nervous system. The function of the EphA4 (Sek1) receptor was explored through creation of a null mutant mouse. Mice with a null mutation in the EphA4 gene are viable and fertile but have a gross motor dysfunction, which is evidenced by a loss of coordination of limb movement and a resultant hopping, kangaroo-like gait. Consistent with the observed phenotype, anatomical studies and anterograde tracing experiments reveal major disruptions of the corticospinal tract within the medulla and spinal cord in the null mutant animals. These results demonstrate a critical role for EphA4 in establishing the corticospinal projection.

Axonal regeneration and lack of astrocytic gliosis in EphA4-deficient mice

Spinal cord injury usually results in permanent paralysis because of lack of regrowth of damaged neurons. Here we demonstrate that adult mice lacking EphA4 (-/-), a molecule essential for correct guidance of spinal cord axons during development, exhibit axonal regeneration and functional recovery after spinal cord hemisection. Anterograde and retrograde tracing showed that axons from multiple pathways, including corticospinal and rubrospinal tracts, crossed the lesion site. EphA4 -/- mice recovered stride length, the ability to walk on and climb a grid, and the ability to grasp with the affected hindpaw within 1-3 months of injury. EphA4 expression was upregulated on astrocytes at the lesion site in wild-type mice, whereas astrocytic gliosis and the glial scar were greatly reduced in lesioned EphA4-/- spinal cords. EphA4 -/- astrocytes failed to respond to the inflammatory cytokines, interferon-gamma or leukemia inhibitory factor, in vitro. Neurons grown on wild-type astrocytes extended shorter neurites than on EphA4 -/- astrocytes, but longer neurites when the astrocyte EphA4 was blocked by monomeric EphrinA5-Fc. Thus, EphA4 regulates two important features of spinal cord injury, axonal inhibition, and astrocytic gliosis.

EphA4 regulates central nervous system vascular formation

Molecules involved in axon guidance have recently also been shown to play a role in blood vessel guidance. To examine whether axon guidance molecules, such as the EphA4 receptor tyrosine kinase, might also play a role in development of the central nervous system (CNS) vasculature and repair following CNS injury, we examined wild-type and EphA4 null mutant (-/-) mice. EphA4-/- mice exhibited an abnormal CNS vascular structure in both the cerebral cortex and the spinal cord, with disorganized branching and a 30% smaller diameter. During development, EphA4 was expressed on endothelial cells. This pattern of expression was not maintained in the adult. After spinal cord injury in wild-type mice, expression of EphA4 was markedly up-regulated on activated astrocytes, many of which were tightly associated with blood vessels. In EphA4-/- spinal cord following injury, astrocytes were not as tightly associated with blood vessels as the wild-type astrocytes. In uninjured EphA4-/- mice, the blood-brain barrier (BBB) appeared normal, but it showed prolonged leakage following spinal cord injury. These results support a role for EphA4 in CNS vascular formation and guidance during development and an additional role in BBB repair.

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.

Complementary and layered expression of Ephs and Ephrins in developing mouse inner ear

The distributions of the Eph-class receptors EphA4 and EphB 1, and their ligands ephrin-A2, ephrin-B1, and ephrin-B2, were analysed by immunostaining in the mouse inner ear. Complementary patterns of EphA4 and its potential ligand ephrin-A2 were found, with ephrin-A2 in many of the structures lining the cochlear duct and within the cochlear nerve cells, and EphA4 in the deeper structures underlying the cochlear duct and in the cells lining the nerve pathway. EphB1 and its potential ligands ephrin-B1 and ephrin-B2 showed a segregated layered expression in the lateral wall of the cochlear duct (the external sulcus), which together with EphA4 expressed in the area, form a four-layered structure with an alternating pattern of receptors and ligands in the different layers. This arrangement gives the potential for different bidirectional Eph-mediated interactions between each of the layers. The results suggest that the Eph system in the cochlea may have a role in maintaining cell segregation during phases of cochlear development. (C) 2002 Wiley-Liss, Inc.

Expression of ephs and ephrins in developing mouse inner ear

Levels of expression of mRNAs encoding the different Ephs and ephrins were measured by semi-quantitative reverse-transcription polymerase chain reaction in developing mouse whole inner ears, and in dissected fractions of the neonatal mouse inner ear. Nineteen of the 24 known Ephs and ephrins were surveyed. The results showed that between embryonic age (E) 11.5 days and E12.5, levels increased 10-300 times per unit of tissue. In neonatal mice, the fraction containing combined organ of Corti and spiral ganglion showed relatively strong expression of EphA4, EphB3, ephrin-A3, ephrin-B2 and ephrin-B3. In the lateral wall, EphA4, ephrin-A3 and ephrin-B2 were strongly expressed, while ephrin-A3 was particularly strongly expressed in utricular and saccular sensory epithelia. The results suggest that the Ephs and ephrins are likely to play a part in the differentiation of the structures of the inner ear, and show which Ephs and ephrins are most likely to play important roles in the different structures. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

A gene expression signature that distinguishes desmoid tumours from nodular fasciitis.

Nodular fasciitis (NF) is a rapidly growing cellular mass composed of fibroblasts/myofibroblasts, usually localized in subcutaneous tissues, that typically undergoes fibrosis and almost never recurs. Desmoid tumours (DTs) are rare forms of fibroblastic/myofibroblastic growth that arise in deep soft tissues, display a propensity for local infiltration and recurrence, but fail to metastasize. Given that both entities are primarily fibroblastic/myofibroblastic lesions with overlapping histological features, their gene expression profiles were compared to identify differentially expressed genes that may provide not only potential diagnostic markers, but also clues as to the pathogenesis of each disorder. Differentially expressed transcripts (89 clones displaying increased expression in DTs and 246 clones displaying increased expression in NF) included genes encoding several receptor and non-receptor tyrosine kinases (EPHB3, PTPRF, GNAZ, SYK, LYN, EPHA4, BIRC3), transcription factors (TWIST1, PITX2, EYA2, OAS1, MITF, TCF20), and members of the Wnt signalling pathway (AXIN2, WISP1, SFRP). Remarkably, almost one-quarter of the differentially expressed genes encode proteins associated with inflammation and tissue remodelling, including members of the interferon (IFN), tumour necrosis factor (TNF), and transforming growth factor beta (TGF-beta) signalling pathways as well as metalloproteinases (MMP1, 9, 13, 23), urokinase plasminogen activator (PLAU), and cathepsins. The observations provide the first comparative molecular characterization of desmoid tumours and nodular fasciitis and suggest that selected tyrosine kinases, transcription factors, and members of the Wnt, TGF-beta, IFN, and TNF signalling pathways may be implicated in influencing and distinguishing their fate.

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

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.