La Huntingtine régule l’organisation du cytosquelette durant la croissance axonale

Huntingtin regulates cytoskeleton organisation during axonal growth

• Auteur / Autrice : Rémi Carpentier
• Direction : Sandrine Humbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences neurobiologie
• Date : Soutenance le 11/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Alain Buisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Humbert, Julien Courchet, Anne Debant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Coralie Fassier, Alphée Michelot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Actine

Flux axonal

Cytosquelette

Gène de la huntingtine

Mots clés libres

Cône de croissance

Cytosquelette

Axone

Actine

Huntingtine

Huntington

Growth cone

Axon

Cytoskeleton

Actin

Huntingtin

Huntington

Résumé

La protéine Huntingtine (HTT) est mutée dans la maladie neurodégénérative de Huntington (MH). Les symptômes de la MH apparaissent à l’âge adulte mais des données suggèrent que la mise en place de la maladie se fait dès le développement. Notre équipe a montré que la HTT est impliquée dans des étapes précoces du développement cortical, une des structures dégénérant chez les patients atteints de la MH. En effet, la HTT contrôle la division des progéniteurs des neurones corticaux et est nécessaire pour la migration et polarisation des neurones nouvellement générés. De plus, le corps calleux présente une densité d’axones réduite avant toute neurodégénérescence, suggérant que les fibres de matière blanche sont également altérées dans la MH. De ce fait, nous avons émis l’hypothèse que l’atteinte de cette structure cérébrale pourrait être , au moins en partie, due à des défauts développementaux. Dans ce contexte, mon projet de thèse consiste à étudier le rôle de la HTT dans la croissance axonale, laquelle repose la formation des faisceaux de matière blanche. La croissance axonale repose sur le cône de croissance, une structure localisée au bout des axones qui contient un cytosquelette de microtubules et d’actine très organisé. J’ai tout d’abord observé que l’expression de la HTT augmente à des temps correspondant à la croissance axonale de neurones en culture. En supprimant le gène codant pour la HTT, j’ai observé des axones plus courts, indiquant que l’expression de la HTT est nécessaire pour une croissance axonale normale. J’ai montré que la HTT est présente dans les cônes de croissance, étant enrichie au niveau des filopodes contenant des faisceaux de filaments d'actine et à l'interface des microtubules explorateurs et de F-actine. De plus, la réduction des niveaux de HTT altère l’organisation de la F-actine dans les cônes de croissance, diminuant la densité de filopodes et augmente la longueur des microtubules explorateurs, suggérant un découplage microtubules/F-actine. En utilisant des protéines recombinantes purifiées, j’ai montré pour la première fois que la HTT se lie directement à la F-actine et est capable d’établir des faisceaux d’actine en formant des homodimères. De manière intéressante, la HTT forme des faisceaux avec un espacement entre les filaments d’actine particulier qui diffère des faisceaux assembles par d’autres protéines se liant à l’actine. Un concept relativement nouveau suggère que le l’architecture du réseau de filaments d’actine et que les changements de conformation induit par l’attachement d’une protéine sur un filament influencent l’attachement d’autres protéines, participant donc à l’adressage de protéines dans des domaines subcellulaires spécifiques. De ce fait, l’utilisation d’un système reconstitué in vitro m’a permis d’identifier un protéome spécifique associé aux filaments d’actine sur laquelle se trouve la HTT dont plusieurs protéines peuvent avoir une fonction dans les cônes de croissance. Mes résultats montrent donc que la HTT joue un rôle dans la croissance axonale des neurones corticaux, ayant une fonction sur le cytosquelette d’actine dans les cônes de croissance. En parallèle, j’ai collaboré à un travail visant à comprendre l’impact de la mutation de la HTT dans la croissance axonale. Dans un modèle murin de la MH, nous montrons l’existence d’un défaut dès les premières étapes de la croissance axonale et découvrons que la mutation de la HTT conduit à une désorganisation du cytosquelette de microtubules dû à l’absence de la protéine NUMA1 dans les cônes de croissance des neurones corticaux. Ainsi, l’ensemble de mes travaux montrent que la HTT est importante pour la croissance axonale des neurones corticaux durant le développement et mettent en valeur un nouveau mécanisme décrivant la HTT comme un régulateur du cytosquelette. De cette manière, ces nouvelles données invitent la communauté scientifique à prêter une attention particulière à l’intégrité du cytosquelette dans le cadre de la MH.

The protein Huntingtin (HTT) mutated in the neurodegenerative Huntington’s disease (HD), affecting cortex and striatum. Despite the fact that onset of symptoms occurs at mid-adulthood, evidences point out for a developmental contribution to the disease. Our team has shown that HTT is required for early steps of cortical development, one of the structures degenerating in HD patients. Indeed, we showed that HTT is necessary for the correct division of cortical progenitors and subsequent migration and polarisation of new-born neurons. A recent study showed a decreased of axonal density into the corpus callosum of a mouse model of HD before the neuronal loss occurs. We thus speculate that the susceptibility of this brain structure may be -at least in part- related to developmental abnormalities. In this context, my thesis project consists in studying the role of HTT in axonal growth of cortical neurons, a later stage of corticogenesis. Axonal outgrowth relies on growth cones, a subcellular compartment localised at the tips of the axons and composed of highly organised microtubules and actin cytoskeletons. I first observed that HTT protein levels increase during the maturation process of cortical neurons in culture at timing corresponding to axonal outgrowth. By suppressing HTT expression, I observed a shortening of the axons, indicating that HTT presence is required for proper axonal growth. I observed that HTT is present in growth cones, being enriched at the level of filopodia and at the interface exploratory microtubules/F-actin. Morphologic analyses of growth cones depleted of HTT revealed cytoskeletal alteration, diminishing filopodia density accompanied with an increased length of exploratory microtubules, suggesting a possible uncoupling of microtubules to F-actin. To investigate a possible direct role of HTT on the actin cytoskeleton, I used purified HTT and showed for the first time that HTT binds directly to F-actin, having the ability to form bundles and requires to dimerise to do so. Interestingly, HTT-mediated F-actin bundles display a caracteristic inter-filament spacing differing from the ones induced by other actin binding proteins. Together with the emerging idea that actin architecture and protein binding can trigger protein sorting, I wondered if HTT presence on F-actin would allow the formation of a specific protein network on this cytoskeleton. By performing an experiment based on an in vitro reconstituted system, I identified a specific proteome associated actin filaments bound by HTT. Overall, my results show that HTT plays a role in axonal growth of cortical neurons, having a function on F-actin in growth cones. In parallel, I collaborate to a work aiming at understanding of the developmental contribution of mutated HTT during axonal growth. In a mouse model of HD, we show that axonal growth is impaired since early steps of axonal development and we discover that the HTT mutation causes a downregulation of the microtubule binding protein NUMA1 and a disorganisation of microtubules arrays into the axonal growth cone of cortical neurons. Altogether, my thesis works show that HTT is important for axonal growth of cortical neurons during development and highlight a new mechanism in which HTT is an important regulator of cytoskeleton. Therefore, these new knowledge proposes to the scientific community to pay a particular attention microtubules and actin cytoskeleton in the context of HD.