Etude de la distribution et du rôle du système pléitrophinergique dans le développement post-natal du cortes cérébelleux chez la souris

• Auteur / Autrice : Magda Hamza
• Direction : Delphine Burel, David Vaudry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie - Neurosciences
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Normande de biologie intégrative, santé, environnement (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neuroendocrine EndOcrine and GeRminal DIfferentiation and Communication (Mont-Saint-Aignan, Seine-Maritime ; 2022-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Différenciation (biologie)

Locomotion humaine

Protéines de la matrice extracellulaire

Ontogenèse

Croissance

Cervelet

Résumé

Le développement du système nerveux central requiert un microenvironnement approprié défini par une combinaison de facteurs solubles dans le milieu extra-cellulaire mais également par des éléments de la matrice extra-cellulaire (MEC). Parmi ces derniers, la pléitrophine (PTN) a été mise en évidence en tant que facteur mitogène et neurotrophique. Sécrétée par les cellules gliales et les neurones, cette cytokine de 18 kDa est capable de lier le récepteur transmembranaire de type héparane sulfate syndecan-3 (SDC-3), la protéine tyrosine phosphatase zêta (PTP-zêta) et l'anaplasic lymphoma kinase (ALK). Chez le rat, il a été démontré que la PTN est fortement exprimée dans le cervelet au cours des deux premières semaines post-natales, et qu'elle contrôle la morphogenèse des cellules de Purkinje ex vivo. Ces données suggèrent donc que cette cytokine pourrait jouer un rôle fondamental au cours de l'ontogenèse du cervelet. Afin de tester cette hypothèse, nous avons tout d'abord réalisé la cartographie spatiotemporelle du système pléitrophinergique dans le cervelet de la souris. Nos résultats révèlent que la PTN et les deux récepteurs PTP-zêta et SDC-3 sont présents dans le cortex cérébelleux dès la naissance (P0) avec un pic d'expression au cours de la première semaine post-natale. Entre P0 et le 12ème jour post-natal (P12), la PTN est localisée dans la MEC de la couche moléculaire et de la couche granulaire interne. Au cours de cette même période, SDC-3 est exprimé par les cellules de Purkinje, les cellules de Golgi et les précurseurs des cellules en grain, alors que PTP-zêta est situé sur les cellules de Purkinje et les cellules gliales de Bergmann. A partir de P21 et jusqu'à l'âge adulte, l'expression du système pléiotrophinergique diminue significativement. Ainsi, l'immuno-marquage de la PTN et de SDC-3 se limite aux somas des cellules de Purkinje et des cellules de Golgi tandis que la localisation de PTP-zêta se restreint autour des cellules de Purkinje et des interneurones de la couche moléculaire. Enfin, le récepteur ALK n'a pas été détecté dans le cortex cérébelleux quel que soit le stade étudié. Nous avons, par la suite, tenté de déterminer le rôle de la PTN in vivo au cours de l'ontogenèse du cervelet, en réalisant deux injections de cette cytokine à une concentration de 10 puissance -8 M à la surface du cortex cérébelleux. L'analyse de la vélocité des précurseurs des cellules en grain dans la couche moléculaire révèle que l'administration de PTN exogène à P4 et P6 réduit significativement la vitesse de migration radiaire des neurones à P10. De plus, les cellules en grain différenciées subissent une phase d'apoptose accrue conduisant à une diminution significative de l'épaisseur de la couche granulaire interne. Le fait que les précurseurs et les cellules en grain différenciées n'expriment aucun récepteur à la PTN au cours du développement suggère que ces effets anti-migratoire et pro-apoptotique s'exerceraient indirectement par l'intermédiaire des cellules de Purkinje et/ou des cellules de Bergmann. A l'appui de cette hypothèse, nos résultats révèlent que l'administration de PTN exogène provoque une atrophie de l'arborisation dendritique des cellules de Purkinje associée à une diminution significative du courant capacitif de cette cimposante cellulaire, tandis que la morphologie des cellules de Bergmann ne semble pas affectée. La cellule de Purkinje représentant le centre intégrateur de toutes les afférences cérébelleuses ainsi que la seule efférence du cortex cérébelleux, les conséquences intégratives et fonctionnelles de l'atrophie induite par la PTN ont été explorées à l'aide de tests comportementaux et de mesures électrophysiologiques. Nos données indiquent que les souriceaux traités à la PTN possèdent un bon réflexe de retournement mais ont un temps de maintien plus élevé au test d'agrippement au cours du développement, suggérant qu'ils présentent un retard de maturation du circuit permettant le réflexe de flexion/extension. Par ailleurs, ces déficits locomoteurs sont corrélés à une augmentation significative de la fréquence des courants post-synaptiques excitateurs reçus par les cellules de Purkinje alors que, de manière intéressante, la fréquence des courants synaptiques inhibiteurs n'est pas affectée. De plus, l'analyse immuno-histochimique des contacts synaptiques entre les fibres parallèles et les cellules de Purkinje révèle une augmentation des connexions somatiques chez les souris traitées à la PTN, alors que le nombre de synapses dendritiques diminue. A l'âge adulte, ces souris obtiennent des scores significativement diminués sur le Rotarod et le mât surélevé, associés à une altération de la composante cyclique de la démarche spontanée, indiquant que l'atrophie de l'arborisation dendritique des cellules de Purkinje induite par la PTN pourrait provoquer un défaut dans l'exécution de mouvements volontaires complexes. L'ensemble de nos résultats histologiques, électrophysiologiques et comportementaux révèle l'implication du système pléiotrophinergique au cours de l'ontogénèse post-natale du cervelet chez la souris. De plus, nos données démontrent que la PTN contrôle la morphogenèse des cellules de Purkinje et, par voie de conséquence, l'exécution de mouvements volontaires à court terme chez le jeune mais également chez l'adulte.

The development of the central nervous system requires an appropriate microenvironment defined by a combination of soluble factors in the extracellular medium but also by elements of the extracellular matrix (ECM). Among these, the pleiotrophin (PTN) is known as a mitogenic and neurotrophic factor. Secreted by neurons and glial cells, this 18k-Da cytokine binds the neuronal transmembrane heparan sulfate receptor syndecan-3 (SDC-3), the protein tyrosine phosphatase zeta (PTP-zeta) and the anaplasic lymphoma kinase receptor (ALK). In addition, it has been demonstrated that, in rat, PTN is highly expressed in the cerebellar cortex during the two first post-natal weeks and controls the morphogenesis of Purkinje cells ex vivo. So these data suggest that this cytokine could play a fundamental role in the ontogenesis of the cerebellum. To test this hypothesis, we have first determined the spatiotemporal cartography of the pleiotrophinergic system in the cerebellar cortex of the mouse. Our results indicate that PTN and its receptors PTP-zeta and SDC-3 are present in the cerebellum from birth (P0) with peak of expression during the first post-natal week. Between P0 ant the post-natal day 12 (P12), PTN is localized in the ECM of the molecular layer ant the internal granular layer. During that same period, SDC-3 is expresed by the Purkinje cells, the Golgi cells and the precursors of granule cells, while PTP-zeta is located on the Purkinje cells and Bergmann glial cells. From P21 to adulthood, the expression of pleiotrophinergic system significantly decreases. The PTN and SDC-3 immunoreactivities are limited around the soma of Purkinje cells and Golgi cells while the location of PTP-zeta is restricted around the Purkinje cells and the interneurons of the molecular layer. Finally, the ALK receptor has not been detected in the cerebellar cortex whenever the stage. To investigate the role of PTN in vivo during the ontogenesis of the cerebellum, we then performed two subrachnoidal injections of PTN on the surface of the cerebellar cortex. The analysis of the velocity of granular cell precursors in the molecular layer showed that the administration of exogenous PTN at P4 and P6 significantly reduces the rate of the radial migration of neurons at P10. Moreover it induces a high increase of granule cells apoptosis of leading to a significant decrease of the thickness of the internal granular layer. The fact that granule cells do not express PTN receptors during development suggests that these effects occur indirectly via Purkinje cells and/or Bergmann cells. According to this hypothesis, our results indicate that the administration of exogenous PTN causes an atrophy of the dendritic tree of Purkinje cells associated with a significant decrease in the capacitive current of this cell component, while the morphology of Bergmann cell seems to be not affected. As Purkinje cell represents the integrative center of the cerebellar afferences and the only output of the cerebellar cortex, we then explored the integrative and functional consequences of the atrophy induced by PTN using behavioral tests and electrophysiological measures. Our data show tha P8 PTN treated mice have a good turn over reflex but exhibit a higher latency to fall in the hanging test, suggesting that they could present a delay of the maturation of the flexion/extension reflex circuit. These deficits are correlated with a significant increase of the frequency of excitatory post-synaptic currents received by Purkinje cells while the frequency of inhibitory post-synaptic contacts between the parallel fibers and the Purkinje cells reveal an augmentation of somatic connections in PTN trated mice, whereas the number of dendritic synapses decreases. At adulthood, these mice obtained significantly reduced scores on the rotarod and the wooden mast associated with an alteration of the spontaneous gait, indicated that the atrophy of the dendritic tree of Purkinje cells induced by PTN could provoke a defect in the realization of complex voluntary movements. Taken together, all these histological, electrophysical and behavioral results revealed that the pleitrophic system is involved during the post-natal ontogenesis of the cerebellum in mice. Moreover our data demonstrate that PTN controls the morphogenesis of Purkinje cells and consequently the achievement of voluntary movements in short term in the young animal and also in adult.