Développement d'outils pour étudier l'interleukine-1 beta dans le système nerveux central en condition non inflammatoire

Tools development to study interleukin-1 beta in the central nervous system in non-inflammatory condition

• Auteur / Autrice : Vincent Seube
• Direction : François Rassendren, Vincent Compan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 21/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Génomique Fonctionnelle (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Nadine Laguette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Rassendren, Vincent Compan, Nadine Laguette, Laurent Bezin, Laetitia Mony, Yann Percherancier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Bezin, Laetitia Mony

Mots clés

Mots clés contrôlés

Indicateurs biologiques

Hippocampe (anatomie)

Neurones

Interleukine 1

Mots clés libres

Interleukine-1 beta

Bret

Neurone

Nmda

Hippocampe

Biosenseur

Interleukin-1 beta

Bret

Neuron

Nmda

Hippocampus

Biosensor

Résumé

L'interleukine-1 beta (IL-1β) est une cytokine pro-inflammatoire impliquée dans l'initiation de l'inflammation. Dans les cellules immunitaires, cette cytokine est synthétisée sous la forme d'un précurseur immature (pro-IL-1β) et nécessite un clivage enzymatique pour devenir biologiquement active. Pendant des décennies, il était admis que le rôle de l'IL-1β se limitait à la régulation des processus inflammatoires. Cependant, un nombre croissant d'évidences supportent l'idée, qu'en condition homéostatique, des cellules non-immunitaires du système nerveux central (SNC) peuvent exprimer et/ou être réactives à l'IL-1β. Entre autres, cette cytokine est capable de moduler l'activité synaptique et la plasticité des réseaux à la suite d'une activité neuronale soutenue. Ces effets sont médiés par les récepteurs à l'IL-1, exprimés au niveau des épines dendritiques, qui peuvent interagir physiquement et fonctionnellement avec les récepteurs N-methyl-D-aspartate (NMDA). Basé sur ces observations, nous avons cherché 1/ à caractériser le type cellulaire capable de produire de l'IL-1β en condition homéostatique dans le SNC et 2/ à décrypter les mécanismes cellulaires impliqués dans la maturation et la libération de cette cytokine.Dans cette étude, l'expression de l'IL-1β a été analysée dans l'hippocampe de souris grâce au RNAscope, une technique d'hybridation in situ. L'ARNm de l'IL-1β a été détecté dans les neurones pyramidaux de l'hippocampe, et plus précisément au niveau du gyrus denté et de l'aire Cornu Ammonis 1 (CA1). En condition homéostatique, environ 40% des neurones de l'aie CA1 expriment en moyenne 0.7 molécules d'ARNm codant pour l'IL-1β. Nous avons également utilisé un biosenseur de BRET permettant de suivre dans le temps et dans l'espace la maturation de l'IL-1β. Exprimé dans les neurones excitateurs de l'hippocampe en culture, cet outil nous a permis de d'identifier qu'une activité neuronale soutenue conduit à la maturation et à la libération de cette cytokine par les neurones. Bien que nos données montrent également que l'IL-1β neuronale est préférentiellement localisée dans les épines dendritiques, la détection des signaux de BRET en microscopie montre que le clivage de cette dernière peut avoir lieu indifféremment dans le corps cellulaire, les dendrites ou les épines dendritiques. La maturation de l'IL-1β est gouvernée par l'activation des récepteurs NMDA et implique les sous-unités GluN2A et GluN2B. Enfin, en couplant la technologie de marquage de proximité par biotinylation à l'aide de l'enzyme APEX2 et une analyse par spectrométrie de masse, nous avons identifié des protéines associées à l'IL-1β dans les neurones en condition basale et après l'activation des récepteurs NMDA. Nos résultats ont identifiés une protéase potentiellement responsable de la maturation de l'IL-1β neuronale et montrent un enrichissement en protéines impliquées dans le transport vésiculaire et les mécanismes d'exocytoses suite à la stimulation NMDA.Ces résultats montrent que les neurones excitateurs de l'hippocampe sont capables de synthétiser, de maturer et de libérer de l'IL-1β en condition non-inflammatoire dans le SNC. L'ensemble des outils développés durant cette thèse permettront de décrypter les mécanismes cellulaires associés aux fonctions de l'IL-1β en conditions physiologiques dans le SNC mais pourront également servir pour mieux caractériser l'implication de cette cytokine dans différents processus physio-pathologiques à travers l'organisme.

Interleukin-1 beta (IL-1β) is a pro-inflammatory cytokine involved in the initiation of inflammation. In immune cells, this cytokine is synthesized as an immature precursor (pro-IL-1β) and requires enzymatic cleavage to become biologically active. For decades, it was thought that the role of IL-1β was limited to the regulation of inflammatory processes. However, a growing number of evidence supports the idea that, under homeostatic conditions, non-immune cells of the central nervous system (CNS) can express and/or be reactive to IL-1β. Among other things, this cytokine can modulate synaptic activity and network plasticity following sustained neuronal activity. These effects are mediated by IL-1 receptors, expressed at dendritic spines, which can physically and functionally interact with N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors. Based on these observations, we sought 1/ to characterize the cell type capable of producing IL-1β under homeostatic conditions in the CNS and 2/ to decipher the cellular mechanisms involved in the maturation and release of this cytokine.In this study, IL-1β expression was analyzed in mouse hippocampus using RNAscope, an in-situ hybridization technique. IL-1β mRNA was detected in hippocampal pyramidal neurons, specifically in the dentate gyrus and Cornu Ammonis 1 (CA1) areas. Under homeostatic conditions, approximately 40% of CA1 neurons express on average 0.7 molecules of mRNA encoding IL-1β. We also used a BRET biosensor to track IL-1β maturation in time and space. Expressed in cultured hippocampal excitatory neurons, this tool allowed us to identify that sustained neuronal activity leads to the maturation and release of this cytokine from neurons. Even if our data also show that neuronal IL-1β is preferentially localized in dendritic spines, the detection of BRET signals by microscopy shows that IL-1β cleavage can also occur indifferently in the cell body, dendrites or dendritic spines. IL-1β maturation is governed by NMDA receptor activation and involves the GluN2A and GluN2B subunits. Finally, by coupling biotinylation proximity labeling technology using the APEX2 enzyme and mass spectrometry analysis, we identified IL-1β-associated proteins in neurons in basal condition and after NMDA receptor activation. Our results identified a protease potentially responsible for neuronal IL-1β maturation and show an enrichment in proteins involved in vesicular transport and exocytosis mechanisms following NMDA stimulation.These results show that hippocampal excitatory neurons can synthesize, mature and release IL-1β under non-inflammatory conditions in the CNS. All the tools developed during this thesis will allow to decipher the cellular mechanisms associated with the functions of IL-1β under physiological conditions in the CNS but can also be used to better characterize the involvement of this cytokine in various physio-pathological processes throughout the organism.