Towards a Better Understanding of miRNA Function in Neuronal Plasticity : implications in Synaptic Homeostasis and Maladaptive Plasticity in Bone Cancer Pain Condition

par Sara Elramah

Thèse de doctorat en Sciences, technologie, santé. Neurosciences

Sous la direction de Alexandre Favereaux.

Soutenue le 22-11-2013

à Bordeaux 2 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux) .

Le président du jury était Martin Teichmann.

Le jury était composé de Valérie Fenelon, Florence Rage.

Les rapporteurs étaient Marzia Malcangio, Alain Trembleau.

  • Titre traduit

    MicroRNAs et Plasticité Neuronale : rôle dans l’Homéostasie Synaptique et la Plasticité Dysfonctionnelle en Condition de Douleur Cancéreuse


  • Résumé

    Les micro-ARNs (miRNAs) sont de petits ARNs (20-25 nt) qui ont un rôle important dans les mécanismes d'interférence ARN. Les miRNAs sont des inhibiteurs de l'expression génique qui interviennent au niveau post-traductionnel en s'hybridant à des sites spécifiques de leurs ARNm cibles. Ce mécanisme induit la dégradation de l'ARNm ou l'inhibition de sa traduction. Puisque l'hybridation partielle du miRNA est suffisante pour induire une inhibition, chaque miRNA peut avoir des centaines de cibles. Les miRNAs sont impliqués dans de nombreuses fonctions biologiques et en particulier dans processus neuronaux. Plus de la moitié des miRNAs connus sont exprimés dans le cerveau de mammifère avec une distribution spécifique du miRNA considéré. A l'échelle sub-cellulaire il y a également une distribution hétérogène des miRNAs. De plus, il a été montré récemment une implication des miRNAs dans la régulation de la traduction locale dans les neurones. En effet, des miRNAs et des protyeines impliquées dans la biogenèse et la fonction des miRNAs ont été retrouvés dans le soma, les dendrites et les axones. Il a été montré que la dérégulation des miRNAs été impliquée dans de nombreux mécanismes pathologiques. Cette thèse a pour objectif de révéler le rôle des miRNAs dans la plasticité synaptique. Nous avons étudié l'implication des miRNAs dans les mécanismes de la plasticité synaptique homéostatique et dans la plasticité dysfonctionnelle rencontrée en condition de douleur cancéreuse.Notre hypothèse était que la régulation de la traduction locale des récepteurs AMPA dans les dendrites en condition d'homéostasie synaptique implique les miRNAs. Par bio-informatique, qRT-PCR et test luciférase, nous avons identifié le miRNA miR-92a comme régulateur de la traduction de l'ARNm de GluA1. Des immunomarquages des récepteurs AMPA et des enregistrements des courants miniatures AMPA montrent que miR-92a régule spécifiquement l'incorporation synaptique de nouveau récepteurs AMPA contenant GluA1 en réponse à un blocage de l'activité synaptique. La douleur est un symptôme très fréquemment associé au cancer et constitue un challenge pour les médecins puisque aucun traitement spécifique et efficace n'existe. C'est sans doute le résultat d'un manque de connaissances des mécanismes moléculaires responsables de la douleur cancéreuse. En combinant les screening des miRNA et des ARNm, nous avons mis en évidence une voie de régulation impliquant miR-124, un miRNA enrichi dans le système nerveux. Ainsi, dans un modèle de douleur cancéreuse chez la souris, la diminution de miR-124 est associée à une augmentation de ces cibles : calpain 1, synaptopodine et tropomyosine 4. Toutes ces protéines ont précédemment été identifiées comme des molécules clef de la fonction et de la plasticité synaptique. Des experiences in vitro ont confirmé que miR-124 exercait une inhibition multiple de calpain 1, synaptopodine et tropomyosine 4. La pertinence clinique de cette découverte a été vérifiée par le screening du liquide cérébro-spinal de patients souffrant de douleur cancéreuse qui montre également une diminution de miR-124. Ce résultat suggère un fort potentiel thérapeutique du ciblage de miR-124 dans les douleurs cancéreuses. Enfin, l'injection intrathécale de miR-124 dans des souris cancéreuses a permis de normaliser l'expression de la synaptopodine et de stopper la douleur cancéreuse lors de la phase initiale de la maladie.


  • Résumé

    MicroRNAs (miRNAs) are a type of small RNA molecules (21-25nt), with a central role in RNA silencing and interference. MiRNAs function as negative regulators of gene expression at the post-transcriptional level, by binding to specific sites on their targeted mRNAs. A process results in mRNA degradation or repression of productive translation. Because partial binding to target mRNA is enough to induce silencing, each miRNA has up to hundreds of targets. miRNAs have been shown to be involved in most, if not all, fundamental biological processes. Some of the most interesting examples of miRNA activity regulation are coming from neurons. Almost 50% of all identified miRNAs are expressed in the mammalian brain. Furthermore, miRNAs appear to be differentially distributed in distinct brain regions and neuron types. Importantly, miRNAs are reported to be differentially distributed at the sub-cellular level. Recently, miRNAs have been suggested to be involved in the local translation of neuronal compartments. This has been derived from the observations reporting the presence of miRNAs and the protein complexes involved in miRNA biogenesis and function in neuronal soma, dendrites, and axons. Deregulation of miRNAs has been shown to be implicated in pathological conditions. The present thesis aimed at deciphering the role of miRNA regulation in neuronal plasticity. Here we investigated the involvement of miRNA in synaptic plasticity, specifically in homeostatic synaptic plasticity mode. In addition, we investigated the involvement of miRNAs in the maladaptive nervous system state, specifically, in bone cancer pain condition.We hypothesized that local regulation of AMPA receptor translation in dendrites upon homeostatic synaptic scaling may involve miRNAs. Using bioinformatics, qRT-PCR and luciferase reporter assays, we identified several brain-specific miRNAs including miR-92a, targeting the 3’UTR of GluA1 mRNA. Immunostaining of AMPA receptors and recordings of miniature AMPA currents in primary neurons showed that miR-92a selectively regulates the synaptic incorporation of new GluA1-containing AMPA receptors during activity blockade.Pain is a very common symptom associated with cancer and is still a challenge for clinicians due to the lack of specific and effective treatments. This reflects the crucial lack of knowledge regarding the molecular mechanisms responsible for cancer-related pain. Combining miRNA and mRNA screenings we were able to identify a regulatory pathway involving the nervous system-enriched miRNA, miR-124. Thus, miR-124 downregulation was associated with an upregulation of its predicted targets, Calpain 1, Synaptopodin and Tropomyosin 4 in a cancer-pain model in mice. All these targets have been previously identified as key proteins for the synapse function and plasticity. Clinical pertinence of this finding was assessed by the screening of cerebrospinal fluid from cancer patient suffering from pain who presented also a downregulation of miR-124, strongly suggesting miR-124 as a therapeutic target. In vitro experiments confirmed that miR-124 exerts a multi-target inhibition on Calpain 1, Synaptopodin and Tropomyosin 4. In addition, intrathecal injection of miR-124 was able to normalize the Synaptopodin expression and to alleviate the initial phase of cancer pain in mice.


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