Étude des voies de signalisation impliquées dans le contrôle de l’expression de SMN dans des modèles murins d’Amyotrophie Spinale Infantile

par Julien Branchu

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Frédéric Charbonnier.

Soutenue le 12-12-2012

à Paris 5 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) .

Le président du jury était François Couraud.

Le jury était composé de Frédéric Charbonnier, François Couraud, Brigitte Pettmann, Laurent Schaeffer, Sophie Nicole.

Les rapporteurs étaient Brigitte Pettmann, Laurent Schaeffer.


  • Résumé

    L'amyotrophie spinale infantile (SMA) est une maladie génétique autosomique récessive de l'enfant pour laquelle aucun traitement efficace n'existe. La SMA est caractérisée par la perte spécifique des motoneurones spinaux conduisant à une faiblesse musculaire sévère. Le décès des patients survient lorsque les muscles vitaux sont touchés. Cette maladie est causée par la mutation du gène Survival of Motor Neuron 1 (Smn1) conduisant à une diminution importante de l’expression de la protéine Survival of Motor Neuron (SMN). Tous les patients possèdent un ou plusieurs gènes copie de Smn1, le gène Smn2. Ces copies modulent la sévérité de la maladie en produisant une faible quantité de transcrits SMN complets, en particulier possédant l’exon 7, un exon alternatif qui code pour un domaine important pour que la protéine SMN soit fonctionnelle et stable. Des résultats récents, obtenus au laboratoire, indiquent que l'exercice physique retarde la mort des motoneurones, conduit à une augmentation du taux de maturation postnatale des unités motrices et déclenche l’expression du gène Smn2 chez des souris mimant la SMA de type II. Les premières données moléculaires suggèrent que les effets de l'exercice physique pourraient être relayés par la signalisation dépendante 1) des récepteurs au NMDA (Biondi et coll., J Neurosci, 2008) et/ou 2) du récepteur à IGF-1. Dans notre étude, nous avons d’abord testé les effets de l’activation directe des récepteurs au NMDA (NMDAR) dans un contexte de SMA. Nous montrons qu’une activation adéquate de ces récepteurs dans plusieurs modèles souris mimant les SMA sévères accélère la maturation postnatale des unités motrices, limite l'apoptose dans la moelle épinière et active l’expression du gène Smn2 favorisant l'expression de la protéine SMN. Ces effets bénéfiques sont dépendants du niveau d’activation des NMDARs et suggèrent que l'accélération de la maturation postnatale des unités motrices, induite par le NMDA, est indépendante du niveau d’expression de la protéine SMN. De manière importante, l’activation pharmacologique des NMDARs augmente fortement la durée de vie de deux modèles différents de souris mimant la SMA de type sévère. L'analyse des cascades de signalisation intracellulaire a révélé une altération inattendue des profils d’activation des voies de signalisation ERK et AKT/CREB, qui se rééquilibrent quand les NMDARs sont activés (Branchu et coll., J Neurosci, 2010).Comme la kinase ERK est constitutivement suractivée dans la moelle épinière des souris mimant la SMA, nous avons ensuite examiné son rôle potentiel dans la régulation de l'expression des gènes Smn2. Nous avons démontré que l'inhibition pharmacologique de la voie de signalisation MEK/ERK/Elk-1, notamment avec un médicament anti-cancéreux actuellement en essai clinique de phase 2, est bénéfique pour les souris mimant la SMA de type I. Nous avons identifié une relation croisée entre les voies de signalisation ERK et AKT impliquant la modulation, calcium-dépendante, de l'activité CaMKII. Ainsi, l'inhibition pharmacologique de ERK durant la phase symptomatique de la maladie chez ces souris, entraîne l'activation de la voie CaMKII/AKT/CREB et conduit à une augmentation significative de l’expression de la protéine SMN dans les motoneurones suite à une augmentation de la transcription du gène Smn2. Ces modifications sont corrélées avec une augmentation remarquable de la durée de vie et de la mobilité des souris et une neuroprotection des motoneurones spinaux. De plus, l’inhibition de ERK dans des cellules musculaires différenciées provenant de patients atteints de SMA de type II induit également une augmentation de l’activité de la voie AKT/CREB et de l’expression de SMN (Branchu et coll., J Neurosci, en révision positive). Enfin, nous avons montré que l'exercice physique est capable de diminuer l'expression du récepteur à l'IGF-1 (IGF-1R), qui est surexprimé dans la moelle épinière des souris mimant la SMA sévère...

  • Titre traduit

    Study of Signaling pathways involved in SMN gene expression in Spinal Muscular Atrophy-like mouse models


  • Résumé

    Spinal muscular atrophy (SMA) is a severe autosomal recessive disease in childhood for which no efficient therapy is currently available. SMA is characterized by the specific loss of spinal motor neurons leading to a severe muscular weakness and death when vital muscles are affected. This disease is caused by mutation of the survival of motor neuron 1 (Smn1) gene leading to a deficiency of the Survival of Motor Neuron (SMN) protein expression. All patients retain one or more copies of the Smn2 gene, which modulates the disease severity by allowing a small amount of full-length SMN transcripts and stable SMN protein to be produced. Recent results in our laboratory indicate that physical exercise delays motor neuron death, leads to an increase in the motor-units postnatal maturation rate and trigger Smn2 gene expression in motor neurons. Furthermore, on the one hand, exercise is capable of specifically enhancing the expression of the gene encoding NR2A, the major activating subunit of the NMDA receptor in motor neurons. This subunit is known to be dramatically down-regulated in the spinal cord of severe SMA-like mice. Accordingly, inhibiting NMDA-receptor activity abolishes the exercise-induced effects on muscle development, motor neuron protection and life span gain (Biondi et al., J Neurosci, 2008). Thus, we tried to restore NMDA-receptor function as a therapeutic approach to SMA treatment. We demonstrated that an adequate NMDA receptor activation in severe SMA-like mouse model significantly accelerated motor-unit postnatal maturation, counteracted apoptosis in the spinal cord, and induced a marked increase in SMN expression resulting from a modification of Smn2 gene transcription pattern. These beneficial effects are dependent on the level of NMDA receptor activation since a treatment with high doses of NMDA led to an acceleration of the motor unit maturation but favored the apoptotic process and decreased SMN expression. Thus, these results suggest that the NMDA-induced acceleration of motor-unit postnatal maturation occurred independently of SMN. The NMDA receptor activating treatment strongly extended the life span in two different severe SMA-like mouse models. The analysis of the intracellular signaling cascades that lay downstream the activated NMDA receptor revealed an unexpected competition between the MEK/ERK/Elk-1 and the AKT/CREB signaling pathways for Smn2 gene regulation. Actually, the reactivation of the AKT/CREB pathway, thought calcium influx and the phosphorylation of CaMKII, opposed to MEK/ERK/Elk-1 inhibition, induces an enhanced SMN expression (Branchu et al., J Neurosci, 2010). On the other hand, exercise is capable of strongly decreasing the expression of IGF-1 receptor (IGF-1R); which is over-expressed in the spinal cord of severe SMA-like mice. We report that this reduction is also correlated with a reactivation of the AKT/CREB pathway and a MEK/ERK/Elk-1 inhibition. Therefore we generated an IGF-1R+/- SMA-like mouse model to investigate the functional link between IGF-1R expression level and the intracellular signaling pathway triggered in SMA spinal cord. We provided the first evidence that reducing the IGF-1R expression level is neuroprotective for SMA motor neurons, accelerates motor-unit postnatal maturation and leads to a remarkable increase in SMN expression and lifespan. The analysis of the intracellular signaling cascades revealed the same competition for Smn2 gene regulation. However, the activation of AKT/CREB is calcium-independent. In addition, we showed a drastic reduction of STAT3 phosphorylation and SOCS-1 and -3 expressions, which are over-expressed in SMA spinal cord and known to positively modulate ERK phosphorylation and negatively AKT (Data not published). Taken together all these data suggest new perspectives to therapeutic strategy, based on specific pharmacological correction, for SMA...


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