Complexes moléculaires C1QL1 & c-KIT : voies de signalisation de surface cellulaire agissant au niveau des synapses neuronales et au-delà

C1QL1 & c-KIT molecular complexes : cell surface signaling pathways acting at neuronal synapses and beyond

• Auteur / Autrice : Shayan Moghimyfiroozabad
• Direction : Fekrije Selimi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 16/06/2023
• 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 : Sophie Chauvet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tim Czopka, Mathieu Letellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annalisa Buffo, Jean-Raymond Fabrice Ango

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génétique moléculaire

Réseaux neuronaux (physiologie)

Synapses

Oligodendrocytes

Mots clés libres

C1ql1

CKIT

Cellules précurseurs d'oligodendrocytes

Circuit olivocérébelleux

Signalisation de la surface cellulaire

Synapse

C1ql1

CKIT

Oligodendrocyte precursor cells

Olivocerebellar circuit

Cell surface signaling

Synapse

Résumé

Le bon développement du cerveau repose sur la prolifération cellulaire, la migration et la différenciation de diverses populations cellulaires, la reconnaissance et l'adhésion entre différents types de cellules. Les complexes moléculaires de surface cellulaire sont essentiels pour nombre de ces processus. Pendant mon doctorat, j'ai travaillé sur deux complexes moléculaires de surface cellulaire et leur rôle pendant le développement postnatal du cerveau de la souris. Tout d'abord, j'ai étudié le rôle du complexe c-KIT/SCF dans la connectivité neuronale. c-KIT est un récepteur tyrosine kinase (RTK) transmembranaire qui contrôle la survie, la prolifération et l'adhésion cellule-cellule des cellules. J'ai identifié la présence de c-KIT à différents types de synapses des cellules de Purkinje (PC) cérébelleuses pendant le développement postnatal : les synapses faites par les fibres grimpantes (CF) et les synapses faites par les interneurones de la couche moléculaire (MLI). Les données de l'Allen Brain Atlas montrent que le gène codant le ligand de c-Kit, Scf, est exprimé dans le neurone cible (PC), ce qui suggère un rôle potentiel du complexe c-KIT/SCF dans la formation et le maintien des contacts cellule-cellule dans le circuit olivocérébelleux. En utilisant le knockout conditionnel postnatal de c-Kit dans les MLI, la perte de fonction de c-KIT pendant la quatrième semaine postnatale diminue la taille des boutons présynaptiques des MLI sur les PC d'une manière spécifique au lobule, alors que leur densité reste inchangée. L'élimination de c-KIT des MLI diminue également le volume des boutons présynaptiques des PC. Comme cette perte de c-KIT survient après la formation des synapses dans ce modèle, ces données suggèrent un rôle pour la voie c-KIT/SCF dans le maintien d'une connectivité et d'une fonction correctes du circuit olivocérébelleux et identifient un nouveau rôle potentiel pour cette classe de RTKs dans la fonction cérébrale. En parallèle, j'ai caractérisé une nouvelle lignée de souris Cre-driver dans laquelle, Cre est knocké dans le gène codant pour C1QL1. J'ai découvert que C1QL1 est exprimé dans un sous-type de cellules gliales, les cellules précurseurs d'oligodendrocytes (OPC). Les OPCs tapissent l'ensemble du système nerveux central pendant le développement et à l'âge adulte. Elles jouent plusieurs fonctions clés dans le cerveau, notamment la génération d'oligodendrocytes. Il n'a pas été établi si la diversité fonctionnelle des OPCs est le résultat de sous-populations génétiquement définies ou de leur régulation par des facteurs externes. Nous avons découvert qu'une sous-population d'OPCs présente dans tout le cerveau commence à exprimer le C1ql1 au cours de la première semaine postnatale dans le cerveau de la souris. L'ablation des OPC exprimant le C1ql1, qui constituent environ 30 à 50 % de l'ensemble des OPC, chez la souris n'est pas compensée par les OPC restants, et entraîne une forte diminution du nombre d'oligodendrocytes et un manque de myélinisation dans de nombreuses régions du cerveau. Par conséquent, C1ql1 est un marqueur moléculaire d'une sous-population fonctionnellement non redondante d'OPCs, qui contrôle la génération d'oligodendrocytes myélinisants. Dans l'ensemble, mes travaux de thèse montrent qu'un complexe moléculaire de surface cellulaire donné peut contrôler divers aspects de la formation et de la fonction des synapses entre les neurones tout en jouant des rôles dans d'autres aspects du développement du cerveau, comme la définition de la diversité fonctionnelle des cellules non neuronales. Il convient d'étudier plus avant la question de savoir si ces complexes déclenchent leurs voies canoniques ou s'ils fonctionnent par le biais d'autres mécanismes non canoniques dans différents contextes du développement. Il reste à démontrer si cette redondance de signalisation sous-tend une orchestration commune de divers aspects du développement et de la fonction du cerveau.

Proper brain development relies on cellular proliferation, migration and differentiation of various cell populations, recognition and adhesion between different cell types. Cell surface molecular complexes are essential for many of these processes. A given receptor complex can be used at several stages and might play different roles in various cell populations. During my PhD, I worked on two cell surface molecular complexes and their role during postnatal development of the mouse brain. First, I studied the role of the c-KIT/SCF complex in neuronal connectivity. c-KIT is a well-known protooncogene and a transmembrane tyrosine kinase receptor that controls cell survival, proliferation and maintenance of various tissues (e.g. hematopoietic tissue) as well as cell-cell adhesion. I identified the presence of c-KIT at different types of synapses of cerebellar Purkinje Cells (PC) during postnatal development: synapses made by the Climbing Fibers (CFs), the axons of inferior olivary neurons located in the brainstem, and synapses made by molecular layer interneurons (MLIs). Data from the Allen Brain Atlas show that the gene coding the c-Kit ligand, Scf, is expressed in the target neuron (PC), suggesting a potential role for the c-KIT/SCF complex in the formation and maintenance of cell-cell contacts in the olivocerebellar circuit. Using postnatal conditional knockout of c-Kit in MLIs, I showed that loss of function of c-KIT during the fourth postnatal week decreases the size of the presynaptic boutons of MLIs on PCs in a lobule-specific manner, while their density remains unchanged. The removal of c-KIT from MLIs also decreases the volume of presynaptic boutons from the CFs. Since this loss of c-KIT happens after synapse formation in this model, these data suggest a role for the c-KIT/SCF pathway in maintaining proper connectivity and function of the olivocerebellar circuit, and identify a potential new role for this class of tyrosine-kinase receptors in brain function. In parallel, I characterized a new Cre-driver mouse line that was generated to enable inferior olivary neuron- specific knockout of c-Kit during postnatal development. In this line, Cre is knocked in the gene coding for C1QL1, a secreted molecule involved in CF-PC synapse formation and highly expressed in inferior olivary neurons. During this characterization, I discovered that C1QL1 is expressed in a subtype of glial cells, oligodendrocyte precursor cells (OPCs). OPCs tile the whole central nervous system during development and adulthood. They play several key functions across the brain including the generation of oligodendrocytes. Whether the functional diversity of OPCs is the result of genetically defined subpopulations or of their regulation by external factors has not been established. We discovered that a subpopulation of OPCs found across the brain starts to express C1ql1 during the first postnatal week in the mouse brain. Ablation of C1ql1-expressing OPCs, which constitute about 30-50% of total OPCs, in the mouse is not compensated by the remaining OPCs, and results in a large decrease in oligodendrocyte numbers and lack of myelination in many brain regions. Therefore, C1ql1 is a molecular marker of a functionally non-redundant subpopulation of OPCs, which controls the generation of myelinating oligodendrocytes. Overall, my thesis work shows that a given cell surface molecular complex can control various aspects of synapse formation and function between neurons while playing roles in other aspects of brain development, such as defining the functional diversity of non-neuronal cells. Whether these complexes trigger their canonical pathways, or they function through other non-canonical mechanisms in different contexts of development should be further investigated. It remains to be demonstrated whether this signalling redundancy underlies a common orchestration of various aspects of brain development and function.