Étude des bases moléculaires et cellulaires de la vulnérabilité des neurones moteurs dans l'amyotrophie spinale distale des membres inférieurs

Investigating the molecular and cellular basis of motor neuron vulnerability in distal spinal muscular atrophy with lower extremity dominance

• Auteur / Autrice : Maëliss Calon
• Direction : Stéphane Nedelec, Alexandre Baffet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 26/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du Fer à Moulin (Paris ; 2007-2024)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Martinat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Miserey-Lenkei, Nadia Bahi-Buisson
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cécile Martinat, Claire Legay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amyotrophie

Maladies neurodégénératives

Développement neurologique

Cellules souches pluripotentes

Neurones moteurs

Mots clés libres

Cellules souches pluripotentes humaines

Maladie des motoneurones

Transport intracellulaire

Neurodéveloppement

BICD2

AMS

Human pluripotent stem cells

Motor neuron disease

Intracellular transport

Neurodevelopment

BICD2

SMALED

Résumé

Les altérations du transport intracellulaire peuvent provoquer une neurodégénérescence ou entraver le développement des circuits neuronaux. Ainsi, des mutations dominantes dans DYNC1H1 (chaîne lourde de la dynéine) et dans son partenaire BICD2, deux composants essentiels de la machinerie de transport intracellulaire, sont à l'origine d'une maladie neurodéveloppementale des motoneurones appelée amyotrophie spinale avec prédominance des membres inférieurs (SMALED). Dans cette maladie, les motoneurones innervant les membres sont sélectivement affectés indiquant une dépendance graduelle au transport intracellulaire parmi les types neuronaux et même les sous-types spécifiques de motoneurones. Mon travail de thèse a visé à étudier les mécanismes responsables de l'atteinte des motoneurones dans cette maladie. En analysant les premiers modèles murins porteur d'une mutation causale de SMALED dans BICD2, j'ai observé que ce type de mutation peut induire une perte de la protéine BICD2 contrairement à ce qui est observé chez les patients. Cette mutation entraîne la mort in utero des embryons homozygotes mais les animaux hétérozygotes, correspondants à la configuration génétique chez l'homme, ne présente pas de phénotypes. Ces résultats suggèrent que les modèles murins de SMALED pourraient, au moins dans certains cas, mimer imparfaitement la maladie. J'ai alors développé un modèle complémentaire humain basé sur la différenciation en motoneurones de cellules souches pluripotentes induites humaines (CSPih) dérivées de patients SMALED. J'ai montré que les mutations SMALED n'ont pas d'impact sur la spécification et la survie des motoneurones. En revanche, le transport axonal de vésicules impliquées dans la signalisation par les facteurs neurotrophiques (FNTs), semble affecté, ainsi que la réponse au GDNF, un FNT essentiel à l'innervation musculaire et à la survie de certains groupes de motoneurones. Mes résultats suggèrent que SMALED pourrait être dû à des défauts de transport axonal qui perturberaient l'intégration de la signalisation par les FNTs qui sont essentiels au développement et au maintien des circuits locomoteurs, en particulier ceux contrôlant les membres. Le développement de nouvelles conditions de maturation des motoneurones humains lors de ma thèse permettra de mieux comprendre les liens entre signalisation rétrograde par les FNTs, le développement des circuits moteurs et la dérégulation de ces voies dans les maladies au-delà de SMALED.

Intracellular transport alterations can cause neurodegeneration or hinder the development of neural circuits. Dominant mutations in DYNC1H1 (dynein heavy chain) and its partner BICD2, two essential components of intracellular transport machinery, underlie a neurodevelopmental motor neuron disease called spinal muscular atrophy with lower extremity predominance (SMALED). In this disease, motor neurons innervating the limbs are selectively affected, indicating a gradual dependence on intracellular transport among neuronal types and even motor neuron subtypes. My thesis work aimed to study the mechanisms responsible for motor neuron impairment in this disease. By analyzing the first mouse models carrying a SMALED-inducing point mutation in BICD2, I observed that this type of mutation can induce a loss of the BICD2 protein, unlike what is observed in patients. This mutation results in the in-utero death of homozygous embryos, but heterozygous animals, which correspond to the genetic configuration in patients, do not present a phenotype. These results suggest that mouse models of SMALED may, at least in some cases, imperfectly mimic the disease. I therefore developed a complementary human model based on the differentiation into motor neurons of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) derived from SMALED patients. I showed that SMALED mutations do not impact the specification and survival of motor neurons. However, the axonal transport of vesicles involved in neurotrophic factor (NTF) signaling seems affected, as well as the response to GDNF, an NTF essential for muscle innervation and the survival of certain motor neuron groups. My results suggest that SMALED could be due to defects in axonal transport that disrupt the integration of NTF signaling, which is essential for the development and maintenance of locomotor circuits, particularly those controlling the limbs. The development of new conditions for the maturation of human motor neurons during my thesis will provide a better understanding of the links between retrograde signaling by NTF, the development of motor circuits and the deregulation of these pathways in diseases beyond SMALED.