La reprogrammation de cellules gliales en neurones GABAergiques : une nouvelle approche thérapeutique de l'épilepsie

Direct Reprogramming of glial cell into functional GABAergic neurons : a new avenue to epileptic seizure relief

• Auteur / Autrice : Célia Lentini
• Direction : Antoine Depaulis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences - Neurobiologie
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Grenoble (Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Rémy Sadoul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Depaulis, Benedikt Berninger, Philippe Kahane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Rampon, Sergio Gascón

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux cérébraux

Épilepsie

Cellules gliales

Récepteurs GABA

Mots clés libres

Reprogrammation directe

Réparation du cerveau

Neurones GABAergiques

Cellules gliales

Epilepsie

Direct reprogramming

Brain repair

GABAergic neurons

Glial cells

Epilepsy

Résumé

La conversion de cellules non-neuronales en nouveaux neurones par reprogrammation cellulaire émerge comme une stratégie innovante pour régénérer les neurones perdus dans de nombreuses pathologies cérébrales. En effet plusieurs études ont précédemment montré que les cellules gliales peuvent être reprogrammées en neurones fonctionnels par expression forcée de facteurs neurogéniques. Le challenge est désormais de montrer, dans un contexte physiopathologique, que ces neurones induits s’intègrent dans les réseaux neuronaux existants et contribuent à restaurer les fonctions perdues. Nous avons choisi d’explorer ce potentiel thérapeutique des neurones issus de reprogrammation dans le contexte de l’épilepsie de la face mésiale du lobe temporal (ou EMLT) qui est la forme la plus courante des épilepsies résistantes aux traitements médicamenteux. Ce syndrome est associé à une perte de neurones GABAergiques dans l’hippocampe qui contribue à l’augmentation de l’excitabilité neuronale responsable des crises. La plupart des caractéristiques de l’EMLT peuvent être reproduites chez la souris par l’injection intrahippocampique de kainate qui déclenche une perte neuronale associée à la survenue de crises spontanées et récurrentes dans l’hippocampe.Nous avons dans un premier temps identifié in vitro les facteurs neurogéniques capables d’induire une reprogrammation efficace des cellules gliales en neurones GABAergiques inhibiteurs matures. Un challenge majeur a été ensuite de transposer ces résultats obtenus in vitro dans l’hippocampe de la souris EMLT. Nous avons montré que les cellules gliales qui expriment les facteurs de reprogrammation et sont transplantées dans l’hippocampe au cours de l’épileptogénèse, sont efficacement reprogrammées in vivo en neurones induits se différenciant en neurones GABAergiques. Par ailleurs, nous avons mis en évidence l’intégration sans précédent de ces neurones inhibiteurs induits au sein des réseaux hippocampiques du cerveau épileptique, en utilisant une méthode récente de traçage monosynaptique rétrograde à l’aide d’un virus désactivé et pseudo-typé de la rage. En effet ces nouveaux neurones GABAergiques sont massivement contactés par les neurones endogènes mais étendent eux aussi des axones contactant les cellules granulaires du gyrus dentelé, que nous avons préalablement identifiées comme étant les cellules à inhiber dans l’hippocampe épileptique. Finalement, les enregistrements électroencéphalographiques intra-hippocampiques ont révélé une réduction drastique des crises épileptiques sévères médiée par les neurones induits chez les souris EMLT greffées. Remarquablement l’activation ciblée des neurones induits (technologie DREADD) supprime totalement l’activité épileptique.Ces travaux de thèse montrent que les neurones GABAergiques dérivés d’astrocytes sont capables de restaurer l’inhibition GABAergique perdue dans l’épilepsie, permettant ainsi de réduire l’activité de crises. Plus généralement, nous montrons pour la première fois de manière spécifique le plein potentiel des neurones induits dans un contexte pathologique en ayant généré efficacement des neurones induits (i) de même phénotype que les neurones perdus, (ii) capables de s’intégrer pleinement en contactant les bonnes cibles cellulaires et (iii) capables de restaurer les fonctions perdues. Ainsi la conversion des glies en neurones pourrait avoir des implications majeures pour de nombreuses pathologies du système nerveux central associées à une perte neuronale.

Injury to the human central nervous system (CNS) is devastating because our adult mammalian brain lacks intrinsic regenerative capacity to replace lost neurons and induce functional recovery. The main goal of regenerative medicine for CNS repair is to replace lost neurons in order to restore lost functions. An exciting approach towards achieving this goal is to induce direct fate conversion of brain-resident glial cells into induced neurons (iNs) by direct lineage reprogramming. Considerable progress has been made in converting various source cell types of mouse and human origin into clinically-relevant iNs. However, it remains a fundamental question whether iNs are endowed with the ability to stably integrate within endogenous neuronal networks and to promote functional recovery in pathological contexts.Here we aimed to answer these questions in the context of Mesial-Temporal Lobe Epilepsy (MTLE), the most common form of drug-resistant epilepsy, which is characterized by recurrent focal seizures originating in the hippocampus and is associated with a loss of GABAergic neurons suggested to promote the epileptic state.First we identified in vitro combinations of transcription factors to efficiently convert mouse astroglia into GABAergic iNs showing specification into distinct interneuron subtypes, known to be lost in MTLE. Using a MTLE mouse model, we showed that direct neuronal conversion of astroglia can take place in the adult epileptic hippocampus, astroglia-derived iNs acquiring a GABAergic identity and interneuron subtype specification. Remarkably, after long-term survival of several months, we observed a stable and unprecedented level of synaptic integration of astroglia-derived iNs within endogenous networks, iNs not only receiving massive synaptic contacts from local dentate granule cells but also from long-range connection neurons. What is more, iNs were able to send axonal projections impinging on surrounding granule cells responsible for hippocampal seizures, thus appearing as the appropriate cells to be targeted to drive effective functional rescue. Strikingly, spontaneous activity of iNs significantly reduced severe hippocampal spontaneous seizures, while selective chemogenetic activation of iNs, specifically expressing hM3Dq, totally suppressed epileptic activity in MTLE mice.Together, our data provide first compelling evidence that astroglia-derived GABAergic iNs functionally and stably integrate within epileptic networks and compensate for lost inhibitory transmission, thereby suppressing seizures and shedding light on direct lineage reprogramming as a promising cell-replacement strategy to control seizures in patients with intractable epilepsy.