Participation de la perturbation de l'interaction entre mGluR5 et Homer dans la physiopathologie du Syndrome de l'X Fragile

Involvement of mGluR5/Homer crosstalk disruption in the pathophysiology of Fragile X Syndrome

• Auteur / Autrice : Elisabetta Aloisi
• Direction : Pier Vincenzo Piazza, Maria Vincenza Catania
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 03/02/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Università degli studi (Catane, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physiopathologie de la plasticité neuronale (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement d'accueil : Université Bordeaux-II (1971-2013)
• Jury : Président / Présidente : Vincenzo Perciavalle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Coradetti Renato, Gepetti Pierangelo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Récepteur-5 métabotropique du glutamate

Syndrome de l'X fragile

Mots clés libres

Syndrome de l'X Fragile

Protéines Homer

MGluR5

Fragile X Syndrom

Homer proteins

MGluR5

Résumé

Le Syndrome de l'X Fragile (FXS) est la forme héréditaire majoritaire de déficience intellectuelle et la cause monogénique de l'autisme. Le FXS est causé par une mutation du gène Fragile X Mental Retardation 1 (Fmr1), qui entraîne son inactivation et l'absence d’expression de la protéine codée: Fragile X Mental Retardation Protein(FMRP). FMRP est une protéine de liaison à l’ARN, impliquée dans la régulation de la synthèse protéiques à la synapse. Un rôle central est attribué au sous-type 5 des récepteurs métabotropiques au glutamate du groupe I (mGluR5) dans la physiopathologie du FXS. En effet, une réponse exagérée suite à l'activation de mGluR5 pourrait expliquer le dysfonctionnement synaptique dans ce syndrôme. Bien que de nombreux travaux aient mis l'accent sur la dérégulation de la synthèse des protéines synaptiques comme une conséquence de cette signalisation accrue du mGluR5, il y a aussi un équilibre altéré dans l'association de mGluR5 avec les différentes isoformes des protéines Homer, partenaires de densité post-synaptique (PSD) du mGluR5. Bien qu'une abondante littérature décrit l'association mGluR5/Homer, les conséquences de la perturbation de cette interaction dans le contexte du FXS sont peu connues. Par conséquent, l'objectif de ma thèse était d'étudier les conséquences de la perturbation de l’interaction mGluR5/Homer au niveau des propriétés et des fonctions de mGluR5, telles que l'expression durant le développement, l'expression de surface et le ciblage axonal/dendritique, l’internalisation déclenchée par l'agoniste, les dynamiques de surface, et la modulation des courants NMDAR induite par mGluR5. Dans un premier temps, nous avons étudié l’expression de surface de mGluR5 dans des neurones hippocampiques in vitro issus de souris sauvages et Fmr1 KO, par des techniques d’immunofluorescence et de biotinylation. Nous avons constaté que mGluR5 est plus exprimé à la surface neuronale et est différemment distribué dans les dendrites et les axones des neurones Fmr1 KO. Puis, nous avons démontré que cette altération d’expression et de ciblage est une conséquence directe de l’altération de l’interaction mGluR5/Homer. Nous avons aussi observé que mGluR5, indépendamment de l’altération de l’interaction mGluR5/Homer, ne subit pas d’internalisation suite son activation soutenue par DHPG dans les neurones Fmr1 KO. Dans la seconde partie de mon étude, nous avons étudié les conséquences de la perturbation de l’interaction mGluR5/Homer dans les dynamiques de surface de mGluR5 et par conséquent pour la fonction du NMDAR dans les neurones Fmr1 KO. Par des techniques d'imagerie et de pistage moléculaire, nous avons constaté que l’altération du complexe mGluR5/Homer augmente spécifiquement la diffusion latérale à la synapse des neurones hippocampiques Fmr1 KO in vitro. La mobilité élevée du mGluR5 conduit à une probabilité accrue d'une interaction physique transitoire avec NMDAR dans la PSD du Fmr1 KO. Cette interaction altère la modulation, induite par mGluR5, des courants NMDAR. En effet, en utilisant des enregistrements en patch-clamp de neurones pyramidaux de CA1 sur tranches couplés à la stimulation des fibres collatérales de Schaffer, nous avons constaté que les courants excitateurs post-synaptiques induits par NMDAR (NMDAR-EPSCs) présentent des amplitudes plus faibles dans les neurones Fmr1 KO. De plus, l'expression post-synaptique de mGluR5, induite par la dépression à long-terme de NMDAR-EPSCs est réduite dans les neurones Fmr1 KO. Finalement, nous avons démontré que ces défauts des courants NMDAR sont dépendants de la perturbation de l’interaction mGluR5/Homer et altèrent les dynamiques de mGluR5. Cette étude pourrait avoir des conséquences dans le traitement des dysfonctionnements synaptiques du mGluR5 dans le FXS, en ciblant l’interactionmGluR5/Homer, et offre de nouvelles suggestions pour corriger la signalisation défectueuse sous-jacente aux troubles du spectre autistique.

Fragile X Syndrome (FXS) is the most common inherited form of intellectual disability and autism. FXS is caused by a mutation in the fragile X mental retardation 1(Fmr1) gene which leads to the lack of the encoded FMRP protein. FMRP is an RNA binding protein involved in protein synthesis regulation at synapses. Many evidences suggest a central role of the Group-I metabotropic glutamate receptor subtype 5(mGluR5) in the FXS pathophysiology. In particular, an exaggerated signaling response following mGluR5 activation may underlie synaptic dysfunction in this disorder. Although much work has focused on the dysregulation of synaptic protein synthesis as aconsequence of this enhanced mGluR5 signaling, it becomes clear that in FXS there is also an altered balance of mGluR5 association with Homer scaffolding proteins, whichare postsynaptic density (PSD) partners of mGluR5. Although an extensive literature describes the mGluR5/Homer association, very little is known about the consequences of the disruption of this interaction in the FXS context. Therefore, the goal of my thesis was to study the consequences of mGluR5/Homer crosstalk disruption in the Fmr1 knockout(KO) mouse model of FXS in terms of properties and functions of mGluR5, such as expression during development, surface expression and axonal/dendritic targeting, agonist-induced internalization, surface dynamics and mGluR5-mediated modulation ofNMDA receptor (NMDAR) currents. In a first set of experiments we investigated the mGluR5 surface expression incultured hippocampal neurons from WT and Fmr1 KO mice by using immunofluorescence techniques and biotinylation assay. We found that mGluR5 was more expressed on the neuronal surface and was differently distributed in dendrites andaxons of Fmr1 KO cultured neurons. We then hypothesized that these alterations were adirect consequence of the mGluR5/Homer crosstalk disruption. We demonstrated that the altered expression and targeting of mGluR5 were critically dependent on mGluR5/Homer crosstalk disruption. We also observed that mGluR5 did not undergo internalization upon sustained mGluR5 activation with DHPG in Fmr1 KO neurons. This latter phenotype, however, was not dependent on the disruption of the mGluR5/Homer crosstalk. Altogether, these results demonstrate that mGluR5/Homer crosstalk disruption contributes to the pathophysiology of FXS altering expression and targeting of mGluR5 on the surface of Fmr1 KO neurons. In the second part of my study we investigated the consequences of the disrupted mGluR5/Homer crosstalk for the mGluR5 surface dynamics, and consequently for NMDAR function in Fmr1 KO neurons. Using a combination of live-cell imaging and single-molecule tracking, we found that mGluR5/Homer crosstalk disruption specifically increased the mGluR5 lateral diffusion at the synapse of cultured Fmr1 KO hippocampal neurons. The higher mGluR5 mobility resulted in an increased probability of transient physical interaction with NMDAR in the PSD of Fmr1 KO. This interaction altered the mGluR5-mediated modulation of NMDAR currents as evidenced by the two following changes. First, using patch-clamp recordings from CA1 pyramidal neurons, we found that NMDAR-mediated excitatory postsynaptic currents (NMDAR-EPSCs) evoked by Schaffer collateral stimulation showed lower amplitudes in Fmr1 KO neurons. Second, the postsynaptic expression of mGluR5 mediated long term depression (LTD) of NMDAR-EPSCs was reduced in Fmr1 KO neurons. Finally, we demonstrated that these defects in NMDA currents were strongly dependent on the mGluR5/Homer crosstalk disruption and altered mGluR5 dynamics. Altogether, our results show that mGluR5/Homer disruption contributes to the mGluR5 dysregulation in Fmr1 KO neurons. This study might have implication for the treatment of mGluR5 synaptic dysfunctions in FXS by targeting mGluR5/Homer interaction and provide new suggestions to correct the defective signaling underly ingcognitive impairment and autism.