Physiopathologie des malformations du développement cortical associées à des mutations du gène tubuline β3

par Yoann Saillour

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Jamel Chelly.

Soutenue le 20-11-2013

à Paris 5 , dans le cadre de École doctorale Génétique, cellulaire, immunologie, infectiologie et développement (....-2013 ; Paris) , en partenariat avec Institut Cochin (laboratoire) .

Le président du jury était Marc Delpech.

Le jury était composé de Jamel Chelly, Marc Delpech, Hilde Van Esch, Fatiha Nothias, Alfonso Represa, Irina Giurgea.

Les rapporteurs étaient Hilde Van Esch, Fatiha Nothias.


  • Résumé

    D’une organisation très complexe, le cortex résulte de différents processus coordonnés qui comprennent la neurogenèse, la migration et la différenciation neuronales. L’altération d’un ou plusieurs de ces processus peut entrainer chez l’homme l’apparition de malformations du développement cortical (MDC).L’identification de mutations chez des patients présentant des MDC dans les gènes DCX et LIS1 codant des protéines s’associant directement ou indirectement aux microtubules a montré le rôle primordial du cytosquelette dans le développement cortical. Ce constat fut renforcé par la découverte de mutations dans des gènes codant des sous-unités tubulines elles-mêmes (TUBA1A, TUBB2B et TUBB5), unités structurelles et fonctionnelles des microtubules.Notre étude apporte des contributions à cette observation importante. En effet, nous avons tout d’abord identifié l'existence de six mutations faux-sens dans le gène TUBB3, chez douze patients, incluant un cas fœtal. Les mutations ont été trouvées principalement à l'état hétérozygote et peuvent être de novo ou transmises selon un mode autosomique dominant. Tous les patients ont en commun des anomalies complexes du développement du cortex, évocatrices de polymicrogyries frontales ou de désorganisations et simplifications gyrales en combinaison avec des anomalies du corps calleux et de la capsule interne des ganglions de la base ainsi qu'une hypoplasie du pont et du cervelet. La deuxième partie de ce travail s’intéresse à l’effet de la perte d’expression de la tubuline β3 et des mutations responsables de MDC sur les processus de la migration radiaire des neurones pyramidaux par une approche d’électroporation in utero chez la souris. L’inactivation de Tubb3 entraine un défaut de migration drastique : la majorité des cellules électroporées sont présentes dans la zone sous ventriculaire et la zone intermédiaire. Des explorations montrent une diminution du nombre de cellules multipolaires présentant des processus multiples et bien élongés, et une augmentation du nombre de cellules rondes ne présentant pas ou peu de processus. Ces résultats laissent penser que la diminution de Tubb3 entraine des défauts du contrôle des étapes de multipolarisation et rebipolarisation des neurones pyramidaux lors de la migration radiale. Nous avons également mis en évidence une augmentation de la population de progéniteurs intermédiaires électroporés avec l’ARNsh anti-Tubb3. Cette augmentation est accompagnée d’une forte diminution de leur division cellulaire. Ce résultat soulève de nombreuses questions sur le rôle potentiel de Tubb3 dans cette population. Enfin, nous avons pu constater que l’arrêt de migration observé peut être sauvé par une surexpression du transcrit de TUBB3 alors que les tubulines TUBB1, TUBB2B et TUBB4A sont dans l’incapacité de restaurer pleinement la migration radiaire des neurones sous exprimant Tubb3. Ces observations tendent à étayer l’hypothèse selon laquelle les sous unités tubulines possèdent des spécificités fonctionnelles.Dans l’ensemble, nos travaux montrent donc que des mutations de TUBB3 sont liées à des formes de MDC et que Tubb3 joue un rôle important dans la migration des neurones pyramidaux chez la souris, notamment par le contrôle des changements morphologiques qui interviennent dans la phase multipolaire. Enfin, nous apportons une nouvelle proposition d’interdépendance entre l’arrêt de migration neuronale et la division des progéniteurs neuronaux dans le développement cortical.

  • Titre traduit

    Physiopathologic exploration of malformation of cortical development due to mutation in TUBB3


  • Résumé

    Over the last years, the critical role of the cytoskeletal network in the proper cortical development has been established. The importance of microtubules was further emphasized with the association of mutations in gene encoding for alpha-tubulin (TUBA1A, TUBA8), beta-tubulin (TUBB2B) in malformations of cortical development (MCD) including lissencephalies and polymicrogyria (Keays 2007, Poirier 2007, Jaglin 2009, Abdollahi 2009) and TUBB5 in microcephaly with cortical gyration abnormalities. We report the implication of TUBB3 missense mutations in polymicrogyria and cortical simplifications in 6 different families including a foetal case harboring a severe micerolissencephaly.We investigated the properties of MT network in patients' fibroblasts and revealed that MCD-related mutations can alter the resistance of microtubules to depolymerisation. These results led us to hypothesise that either microtubule dynamics or their interactions with various MT interacting proteins could be differently affected by TUBB3 variations, thus resulting in distinct alteration of downstream processes and therefore explaining the phenotypic diversity of the TUBB3-related spectrum. In a second time, we investigate further the association between TUBB3 mutations and MCDs by analyzing the consequences of Tubb3 knockdown on cortical development in mice. Using the in utero electroporation approach, we demonstrate that Tubb3 knockdown leads to delayed bipolar morphology and radial migration with evidence suggesting that the neuronal arrest is a transient phenomenon overcome after birth. Silenced blocked cells display a round shape and decreased number of processes and a delay in the acquisition of the bipolar morphology. Also, more Tbr2 positive cells are observed, although less cells express the proliferation marker Ki67, suggesting that Tubb3 inactivation might have an indirect effect on intermediate progenitor proliferation. Furthermore, we show by rescue experiments the non interchangeability of other beta-tubulins which are unable to rescue the phenotype. Our study highlights the critical and specific role of Tubb3 on the stereotyped morphological changes and polarization processes that are required for initiating radial migration to the cortical plate.

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