Lien fonctionnel entre les sémaphorines et les métalloprotéases matricielles : Implication pendant la croissance des neurites corticaux

Functional link between semaphorins and matrix metalloproteinases : Implication during cortical neurite outgrowth

• Auteur / Autrice : Bertrand Gonthier
• Direction : Dominique Bagnard, Josef P. Kapfhammer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Développement neurologique

Sémaphorines

Neurotrophines

Neurones

Résumé

Au-delà de son importance fondamentale, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires de la croissance axonale et dendritique représente un enjeu majeur pour appréhender les situations pathologiques consécutives à des troubles lésionnels ou neurodégénératifs du système nerveux. Mon travail de thèse a porté sur l’identification d’une interaction moléculaire entre deux familles de protéines largement impliquées dans le développement du système nerveux mais également lors de nombreuses pathologies du système nerveux : les Sémaphorines et les Métalloprotéases de la Matrice (MMPs). Dans le cortex cérébral en développement, les axones et les dendrites se mettent en place progressivement en réponse à des molécules de guidage attirant ou repoussant les neurites en croissance. Des travaux récents ont démontré qu’il existait pour des familles de molécules de guidage (les nétrines et les éphrines) un lien fonctionnel avec les Métalloprotéases. Au cours de mon projet de thèse, j'ai recherché l’existence d’une telle interaction fonctionnelle entre les Métalloprotéases Matricielles et la famille des Sémaphorines. Dans la première partie du travail, j’observe que le patron d'expression et l'activité protéolytique de MMP-3 sont compatibles avec un rôle de cette MMP pendant la croissance des axones corticaux. De plus, je montre que MMP-3 est nécessaire à l’élongation optimale des axones in vitro. Finalement, je démontre que Sema3C exerce son effet chimioattracteur sur les axones par le recrutement spécifique de MMP-3. Ainsi, l’analyse du comportement de croissance des axones corticaux en présence de gradients de Sema3C révèle que MMP-3 est nécessaire non seulement à la stimulation de croissance déclenchée par Sema3C mais aussi à l’orientation de la croissance. Il s’agit là de l’une des premières démonstrations d’un rôle direct des MMPs dans un processus de guidage axonal. Par ailleurs, j’ai constaté que le profil d’expression dans le cortex de deux autres MMPs de la famille des gélatinases (MMP-2 et -9) suggérait un rôle potentiel de ces enzymes dans la corticogenèse. En effet, il apparait clairement que ces deux MMPs sont fortement exprimées à E15 dans les neurones corticaux des couches V et VI avec un fort enrichissement de MMP-2 dans les dendrites de ces neurones. Cette observation est la base de la deuxième partie de mon travail de thèse qui porte également sur l'analyse de Sema3A, un signal inhibiteur pour les axones corticaux qui induit la croissance des dendrites de ces mêmes neurones. L'ensemble de cette partie du travail montre ainsi que MMP-2 et -9 sont exprimées et actives dans le néocortex E15 en développement mais que seule MMP-2 participe à la croissance dendritique déclenchée par Sema3A. Je mets également en évidence l’implication de neuropiline-1, neuropiline-2 et plexineA1 dans le recrutement différentiel de MMP-2. Finalement, j'ai obtenu des résultats préliminaires qui suggèrent que le recrutement de MMP-2 par Sema3A passe par la modulation de l'activité de PKCα. Globalement, mes travaux de thèse démontrent pour la première fois l’existence d’une interaction entre les Sémaphorines et les Métalloprotéases Matricielles. Cette interaction fonctionnelle montre que les effets chimioattracteurs des Sémaphorines, encore largement méconnus, passent par le recrutement différentiel de MMPs. Compte tenu de l’importance grandissante des MMPs et des Sémaphorines dans le contexte de la régénération du système nerveux, mes résultats pourraient contribuer à dessiner de nouvelles stratégies thérapeutiques basées sur l’interférence de cette interaction fonctionnelle.

Beyond its fundamental importance, the comprehension of the cellular and molecular mechanisms of axonal and dendritic outgrowth represents a major challenge to better understand the lack of central nervous system regeneration observed in case of traumatic lesions. My thesis work concerned the identification of a molecular interaction between two families of proteins largely implied in the development of the nervous system but also at the time of many pathological processes of the nervous system: Semaphorins and Matrix Metalloproteinases (MMPs). In the developing cerebral cortex, the axons and dendrites are gradually set up in response to guidance molecules attracting or repelling the growing neurites. Recent work showed the existence of a functional link between families of guidance molecules (Netrins and Ephrins) and Metalloproteinases. During my thesis, I sought the existence of such a functional interaction between the Matrix Metalloproteinases and the Semaphorin family. In the first part of this work, I observed that the expression pattern and the proteolytic activity of MMP-3 in situ are compatible with a role of this MMP during the growth of the cortical axons. Moreover, I showed that MMP-3 is necessary to the optimal elongation of axons in vitro. Finally, I showed that Sema3C exerts its chemoattractive effect on the axons by specific recruitment of MMP-3. The analysis of cortical axons growth behaviour in the presence of Sema3C gradients revealed that MMP-3 is necessary not only for the stimulation of growth induced by Sema3C but also for the orientation of the growth. This result is one of the first demonstrations of a direct role of MMPs in a process of axonal guidance. Moreover, I found that the expression profile in the cortex of two other MMPs (MMP-2 and - 9) was consistent with a potential role of these enzymes in cortical development. Indeed, it appeared clearly that these two MMPs are strongly expressed in E15 cortical neurons in layer V and VI. I performed a series of experiments similar to the work undertaken for MMP-3 to analyse the interaction between gelatinases and Sema3A during cortical dendrite outgrowth. I showed that MMP-2 and -9 are expressed and active in the E15 neocortex and that MMP-2 is involved in the dendritic growth triggered by Sema3A. This part of the study also revealed the nature of the receptor complex leading to Sema3A-dependent recruitment of MMP-2. Strikingly, this complex is composed at least of neuropilin-1, neuropilin-2 and plexinA1. Hence, preliminary results showed that the selective activation and secretion of MMP-2 by Sema3A is PKCα dependent. Overall, this study provides the first evidence for the existence of an interaction between the Matrix Metalloproteinases and the Semaphorins. This functional interaction appears as a key element to trigger the chemoattractive effects of Semaphorins. Because MMPs and Semaphorins are important in the context of CNS regeneration, my results are also of prime importance to delineate new possible therapeutic strategies based on the interference of this functional interaction.