Les cellules de Cajal-Retzius et la Rééline dans le développement du cortex cérébral chez la souris et les pathologies humaines

Cajal-Retzius cells and Reelin in mouse cortical development and human pathologies

• Auteur / Autrice : Martina Riva
• Direction : Alessandra Pierani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurobiologie
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de psychiatrie et neurosciences de Paris (2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Poncer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Poncer, Fiona Francis, Heiko J. Luhmann, Sonia Garel, Pascale Chavis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fiona Francis, Heiko J. Luhmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maladies neurologiques

Migration neuronale

Croissance

Cortex cérébral

Interneurones

Glycoprotéines

Mots clés libres

Neurones de Cajal-Retzius

Rééline

Développement cortical

Mort cellulaire

Troubles de la migration neuronale

Troubles neuropsychiatriques

Épilepsie

Cajal-Retzius neurons

Reelin

Cortical development

Cell death

Neuronal migration disorders

Neuropsyhiatric disorders

Epilepsy

Résumé

Les cellules de Cajal-Retzius (CR) font partie des premières classes de neurones générées dans le télencéphale embryonnaire, à la limite du pallium, d'où elles migrent tangentiellement pour peupler toute la surface du cortex en développement. Ici elles résident jusqu'à leur mort cellulaire programmée, qui survient après la naissance. Les CR sécrètent la Rééline (RELN), une glycoprotéine qui agit comme un régulateur clé de divers aspects dans la formation des couches du neocortex. Après la naissance, alors que les CR disparaissent progressivement, des sous-types d'interneurones GABAergiques commencent à exprimer la RELN et en deviennent la principale source après la mort des CR. Les souris reeler homozygotes et hétérozygotes (haploinsuffisantes pour le RELN) présentent des anomalies cognitives et comportementales. Chez l'homme, des études génétiques ont rapporté que des altérations du locus RELN en hétérozygotie sont associées à des troubles neuropsychiatriques, tels que la schizophrénie, les troubles bipolaires et l'autisme, tandis que des mutations homozygotes sont associées à la lissencéphalie. De plus, une persistance anormale des CR aux stades postnataux est détectée dans des conditions pathologiques souvent associées à l'épilepsie, telles que la dysplasie corticale focale ou la polymicrogyrie. L'étude du rôle du RELN et des CR tout au long de la vie est donc fondamentale afin de comprendre les bases moléculaires de ces troubles. L'objectif principal de mon projet de thèse est de comprendre le rôle joué par le RELN, du développement embryonnaire au stade adulte en étudiant les deux sources (CRs et interneurones) qui la produisent. i) Effets des variants de la RELN trouvés chez les patients. Nous avons identifié des mutations faux-sens chez des patients hétérozygotes et composés présentant un ensemble de troubles de la migration neuronale (NMDs) tels que la polymicrogyrie et la pachigyrie. Ce travail a permis d'associer les mutations de RELN aux NMDs récessifs et dominants et de corréler la sévérité des malformations corticales avec le comportement de la protéine dans les essais in vivo et in vitro. ii) Rôle de la RELN dans les troubles psychiatriques. Le mutant hétérozygote de la RELN est considéré comme un modèle des troubles psychiatriques. Cependant, on ne sait pas encore si le RELN produite par différentes sources joue des rôles différents tout au long du développement cortical. J'ai généré un mutant conditionnel de RELN spécifique des interneurones et j'ai montré que ces animaux présentent des défauts comportementaux, suggérant que l'altération de RELN produite par des sous-populations d'interneurones est suffisante pour l'apparition de troubles neuropsychiatriques. iii) Effets de la présence simultanée des deux sources de RELN dans le cerveau postnatal. Nous avons abordé tester si l'absence de disparition des CR contribue au dysfonctionnement des circuits corticaux. Nous avons montré qu'une persistance anormale des CR dans le cortex entraîne un mauvais câblage des circuits des couches supérieures, tandis que dans l'hippocampe elle conduit à une altération de l'apprentissage et de la mémoire spatiale et à une susceptibilité à développer des crises d'épilepsie conduisant à la mort après injection de kainate. Ces résultats montrent que la survie aberrante même d'une proportion faible de CR chez l'animal postnatal entraîne une altération des circuits et du comportement et une prédisposition à l'épilepsie chez l'adulte. Globalement, ce travail identifie pour la première fois de nouvelles formes de malformations corticales causées par des mutations faux-sens de RELN, donne un aperçu de l'implication de RELN dans les troubles psychiatriques et apporte des preuves fonctionnelles à l'hypothèse selon laquelle la persistance des CR est associée à l'épilepsie. En conclusion, cette étude met en lumière les mécanismes qui sous-tendent la susceptibilité aux troubles neurodéveloppementaux et psychiatriques.

Cajal-Retzius cells (CRs) are among the first neuronal classes generated in the embryonic telencephalon at the border of the pallium. From these sources they migrate tangentially to populate the whole surface of the developing cortex where they reside until their programmed cell deathin the first two postnatal weeks in mice. CRs secrete Reelin (RELN), a glycoprotein that acts as a key regulator of multiple steps of laminar formation, including neuronal migration, cell aggregation and dendrite formation. After birth, as CRs gradually disappear, subtypes of GABAergic interneurons start expressing RELN and become the main source of cortical RELN after CRs death. Homozygous and heterozygous reeler mice (haploinsufficient for RELN) show cognitive and behavioral abnormalities. In humans, genetic studies reported that alterations at the RELN locus in heterozygosity are associated with neuropsychiatric disorders, such as Schizophrenia, bipolar disorders and autism, while homozygous mutations were associated with lissencephaly. Moreover, abnormal persistence of CRs at postnatal ages were detected in pathological conditions often associated with epilepsy, such as focal cortical dysplasia or polymicrogyria. Studying the role of RELN and CRs throughout life is thus fundamental to understand the molecular bases of these complex disorders. The main goal of my PhD project is to understand the roles played by RELN from embryonic development to adulthood by focusing on the two sources that produce it, namely CRs and interneurons. i) Effects of RELN variants found in patients. We identified RELN missense mutations in both compound and heterozygous patients displaying an array of neuronal migration disorders (NMDs) such as polymicrogyria and pachigyria. This work allowed to associate for the first time RELN mutations to both recessive and dominant NMDs and to correlate the severity of cortical malformations with the behavior of the protein in in vivo and in vitro assays. ii) Role of RELN in psychiatric disorders. The heterozygous reeler mutant is considered to be a model for psychiatric disorders. However, whether RELN produced by different sources plays different roles in cortical development remains unknown. To address this question, I have generated an interneuron-specific conditional mutant for RELN and showed that these animals display behavioral defects, suggesting that altering RELN produced by subpopulations of interneurons is sufficient for the insurgence of neuropsychiatric disorders. iii) Effects of the simultaneous presence of the two sources of RELN in the postnatal brain. We addressed the possibility that the lack of CRs disappearance may be contributing to dysfunction of cortical circuits. We showed that an abnormal persistence of CRs in the neocortex results in a miswiring of upper layers circuits, while in the hippocampus it leads to impairment in spatial learning and memory and increased susceptibility to developing seizures leading to death upon kainate-injection. These results show that aberrant survival of even a small proportion of CRs in the postnatal animal alters cortical circuits and behaviour promoting epilepsy in the adult. Overall, this work identifies for the first time new forms of cortical malformations caused by RELN missense mutations, gives insights on the involvement of RELN in psychiatric disorders and brings functional evidences supporting that CRs persistence is associated with epilepsy. In conclusion, it sheds light on the mechanisms underlying the susceptibility to neurodevelopmental and psychiatric disorders.