Étude de la signalisation de l’homéoprotéine OTX2 dans les cortex piriforme et visuel adultes pour la maturation des interneurones et la plasticité fonctionnelle

Investigating OTX2 homeoprotein signaling in adult piriform and visual cortices for interneuron maturation and functional plasticity

• Auteur / Autrice : Rachel Gibel-Russo
• Direction : Ariel Di Nardo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du vivant
• Date : Soutenance le 30/06/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Recherche en Biologie (Paris ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Alberto Bacci
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Mandairon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Lamonerie, Dulcé Papy-Garcia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aire visuelle

Interneurones

Plasticité neuronale

Facteur de transcription Otx2

Mots clés libres

Homéodomaine

Olfaction

Matrice extracellulaire

Sulfopeptide

Plasticité cérébrale

Parvalbumine

Homeodomain

Olfaction

Extracellular matrix

Sulfopeptide

Cerebral plasticity

Parvalbumin

Résumé

Le cortex piriforme est une structure singulière recevant des afférences directes du bulbe olfactif. Son renouvellement neuronal partiel pourrait conférer un état de plasticité important au système olfactif. Dans le cortex piriforme, les niveaux d’expression de parvalbumine (PV) et des réseaux matriciels périneuronaux (PNN) sont faibles mais augmentent plus lentement et tardivement que dans d’autres régions corticales. Cela soulève l’hypothèse d’une période critique de plasticité de longue durée. Pour analyser le rôle d’OTX2 dans cette maturation tardive du cortex piriforme, nous avons développé des approches virales ciblant spécifiquement les cellules PV du cortex piriforme. L’expression d’un anticorps anti-OTX2 (scFv) secrété par les cellules PV séquestre OTX2 dans le milieu extracellulaire, retarde la maturation des cellules PV et induit le désassemblage de leur PNN. À l’inverse, l’introduction d’OTX2 dans les cellules PV accélère leur maturation et l’accumulation des PNN. Les enzymes contrôlant le catabolisme de la matrice et la sulfatation des chondroïtines sont des cibles directes ou indirectes d’OTX2. Nous démontrons que jouer sur l’accumulation d’OTX2 dans les cellules PV module l’état de maturation de ces cellules et régule la mémoire olfactive. Avant internalisation spécifique par les cellules PV, OTX2 reconnaît préférentiellement les chondroïtines sulfates de type D/E des glycosaminoglycanes (GAG) dans les PNN des cellules PV. Ces sucres pourraient servir d’antagonistes d’OTX2, mais leur extraction, purification ou synthèse chimique reste difficiles. Notre stratégie a consisté à établir une bibliothèque de mimes peptidiques de GAG, puis de valider leur activité in vivo. Dans le cerveau de souris adulte, les peptides (EC'AC')6 diffusent, sont stables et déstabilisent fortement les PNN. Ils interfèrent avec la signalisation OTX2 et SEMA-3A, rompent la boucle de rétrocontrôle positive entre OTX2 et les PNN, déstabilisant ainsi la maturation des cellules PV. Dans le cortex visuel, le blocage d’OTX2 par les peptides (EC'AC')6 rouvre une fenêtre de plasticité chez les souris adultes, démontrant alors le potentiel thérapeutique des mimes de GAG. Ces deux projets contribuent à une meilleure compréhension de l’activité non-autonome d’OTX2 dans le contrôle de la plasticité des cortex piriforme et visuel. Ils ont permis le développement d’outils neutralisant OTX2 avec précision. Élargir ces banques de mimes, à d’autres protéines, devrait contribuer à mieux comprendre d'autres mécanismes de signalisation autour des GAG.

The piriform cortex is a unique structure receiving direct afferences from the olfactory bulb, which undergoes partial neuronal renewal and may confer significant plasticity to the olfactory system. In the piriform cortex, the expression levels of parvalbumin (PV) and perineural net (PNN) extracellular matrix are low but increase more slowly and later than in other cortical regions. This raises the hypothesis of a critical period of long-lasting plasticity. To analyze the role of OTX2 in piriform cortex PV cell maturation, we developed viral approaches specifically targeting these cells. Expression of an anti-OTX2 antibody (scFv) secreted by PV cells sequesters OTX2 in the extracellular medium, delays PV cell maturation and induces disassembly of their PNNs. Conversely, over-expression of OTX2 in PV cells accelerates their maturation and increases PNN assembly. Concomitant with changes in OTX2 levels are changes in the expression of enzymes controlling matrix catabolism and the sulfation patterns of chondroitin sulfate proteoglycans (CSPGs). We demonstrate that affecting OTX2 accumulation in PV cells modulates the maturation state of these cells and regulates olfactory memory. Prior to specific internalization by PV cells, OTX2 preferentially binds to type-E CSPGs within the PNNs of PV cells. Chondroitin sulfate glycosaminoglycans (GAGs) could serve as antagonists of OTX2, but their extraction, purification or chemical synthesis remains difficult. Our strategy was to establish a library of GAG peptide mimics and to validate their activity in vivo. In the adult mouse brain, the GAG mimic (EC'AC')6 diffuses significantly, is stable and strongly destabilizes PNN. It interferes with OTX2 and SEMA-3A signaling, breaks the positive feedback loop between OTX2 and PNNs, and reverses PV cell maturation. In the visual cortex, OTX2 blockade by (EC'AC')6 reopens a functional plasticity window in adult mice, demonstrating the therapeutic potential of GAG mimics. These two projects contribute to a better understanding of the non-autonomous activity of OTX2 in the control of plasticity in the piriform and visual cortices. They have allowed the development of tools that precisely neutralize OTX2. Extending these GAG mimic libraries to other proteins should contribute to a better understanding of other signaling mechanisms involving GAGs in the central nervous system.