Conséquences fonctionnelles, comportementales et adaptatives d'une mutation de la MAO (MonoAmine Oxydase) chez le poisson cavernicole aveugle Astyanax mexicanus.

Functional, Behavioral and Adaptive consequences of the mutation in MAO (Mono Amine Oxidase) in the blind cavefish Astyanax mexicanus

• Auteur / Autrice : Constance Pierre
• Direction : Sylvie Rétaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 26/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté de médecine (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Capy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Prunet, Patricia Gaspar, Laure Bally-Cuif, Claire Wyart
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Prunet, Patricia Gaspar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissertation universitaire

Dopamine

Tryptophane hydroxylase

Poissons -- Locomotion

Chromatographie en phase liquide à hautes performances

Agressivité

Mutation (biologie)

Adaptation (biologie)

Monoamine oxydase

Mots clés libres

Sérotonine (5-HT)

Syndrome comportemental

Stress

Phylogéographie

Neurogénétique

Poisson

Serotonin (5-HT)

Behavioral syndrome

Stress

Phylogeography

Neurogenetic

Fish

Résumé

Le neurotransmetteur sérotonine contrôle une grande variété de mécanismes physiologiques et comportementaux. Chez les humains, les mutations qui affectent la monoamine oxydase (MAO), l’enzyme qui dégrade la sérotonine, sont hautement délétères. Pourtant, le morphotype cavernicole aveugle de l’espèce Astyanax mexicanus (téléostéens) porte une mutation (P106L) induisant une perte de fonction partielle de cette enzyme, et semble prospérer dans son habitat souterrain naturel. Cette thèse décrit les effets de cette mutation, depuis l’échelle moléculaire à l’échelle des populations, afin de mieux cerner sa contribution à l’évolution des traits neuro-comportementaux du poisson cavernicole lors de son adaptation au milieu souterrain.Dans une première publication, nous avons établi 4 lignées de poissons, correspondant aux deux morphotypes de l’espèce Astyanax mexicanus (poisson cavernicole et poisson vivant en surface), chacun porteur ou non de la mutation P106L. La mutation P106L affecte le stress en augmentant l’amplitude de la réponse aigue au stress, tout en diminuant l’anxiété. Nous avons aussi étudié la distribution des allèles mutés dans les populations naturelles au Mexique et trouvé que l’allèle mutant est présent dans plusieurs grottes. L’évolution de l’allèle muté sous sélection ou dérive génétique est discutée.Dans une seconde publication, nous avons étudié les conséquences structurelles et biochimiques de la mutation P106L. La réduction de l’activité enzymatique de la MAO mutée est probablement due à une réduction de la flexibilité de l’une des boucles formant l’entrée au site actif, limitant l’accès des substrats. Des mesures d’HPLC ont montré des perturbations majeures de taux de sérotonine, dopamine et noradrénaline (et métabolites) dans le cerveau des poissons mutants. La mutation P106L mao est donc entièrement responsable du déséquilibre monoaminergique observé dans le cerveau des poissons cavernicoles. Enfin, l’effet de la mutation est partiellement compensé par une réduction de l’activité de synthèse de la sérotonine par la TPH. Nos résultats en révèlent plus sur les spécificités des systèmes monoaminergiques des poissons.Enfin, pour aggraver l’inhibition de la MAO, nous avons généré le premier poisson mutant knockout pour la MAO. Les mutants KO homozygotes sont chétifs et meurent durant les premières semaines de développement. Contrairement au système dopaminergique, le système sérotoninergique des poissons KO homozygotes est très fortement altéré : aucun neurone positif à la sérotonine n’est détecté dans l’hypothalamus.

The neurotransmitter serotonin controls a great variety of physiological and behavioral processes. In humans, mutations affecting the monoamine oxidase or MAO, the serotonin-degrading enzyme, are highly deleterious. Yet, blind cavefish of the species A. mexicanus carry a partial loss-of-function mutation in MAO (P106L) and seem to thrive in their subterranean environ-ment. This thesis describes the effects of this mutation, from the molecular level to the population level, in order to decipher the exact contribution of mao P106L in the evolution of cavefish neuro-behavioral traits, during their adaptation to the cave environment.In a first paper, we established 4 fish lines, corresponding to the blind cave-dwelling and the sighted river-dwelling morphs of this species, with or without the mutation. We found that mao P106L strongly affected anxiety-like behaviors. Cortisol measurements showed lower basal levels and an increased amplitude of stress response after a change of environment in fish carrying the mutation. Finally, we studied the distribution of the P106L mao allele in wild populations of cave and river A. mexicanus, and discovered that the mutant allele was present – and sometimes fixed - in all populations inhabiting caves of the Sierra de El Abra. The possibility that this partial loss-of-function mao allele evolves under a selective or a genetic drift regime in the particular cave environment is discussed.In a second paper, we assessed the structural and biochemical consequences of the mutation. We found that the reduction of enzymatic activity of mutant MAO is probably caused by a decrease of flexibility in one of the three loops forming the entrance of the active site, thus reducing the access of substrates. HPLC measurements in brains of mutant and non-mutant larvae and adult fish showed major disturbances in serotonin, dopamine and noradrenalin (and metabolites) contents, demonstrating that the P106L mao mutation is fully responsible for monoaminergic disequilibrium in the cavefish brain. We also discovered that the effects of the mutation were partially compensated by a decrease in activity of the TPH, the serotonin biosynthesis rate-limiting enzyme. Our results shade light on the specificities of fish monoaminergic systems.Finally in order to aggravate the MAO inhibition, we generated the first fish knockout MAO mutant. The KO homozygous mutants were stunted and died during the first weeks of development. Contrary to the dopaminergic system which seemed normal in the KO homozygous mutants, the serotonergic system was strongly impaired; no serotonin positive neuron was detected in the hypothalamus.