Role of the Glycogen Synthase Kinase 3 for the Retinal Development and Homeostasis

par François Paquet-Durand (Braginskaja)

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Muriel Perron.

Le président du jury était Simon Saule.

Le jury était composé de Muriel Perron, Simon Saule, Thomas Lamonerie, Marie-Paule Felder-Schmittbuhl, Jérôme Roger, Gaël Orieux.

Les rapporteurs étaient Thomas Lamonerie, François Paquet-Durand.

  • Titre traduit

    Rôle de la Glycogène Synthase Kinase 3 dans le Développement et l'Homéostasie de la Rétine


  • Résumé

    Les modifications post-traductionnelles (MPTs) permettent un haut degré de régulation de l'expression des gènes en générant une diversité fonctionnelle au niveau du protéome. Dans le système nerveux, les MPTs régulent entre autres des facteurs de transcription permettant une adaptation rapide à un microenvironnement dynamique. Dans ce contexte, je me suis concentrée sur l’étude des Glycogène Synthase Kinases 3 (GSK3s). Elles sont au centre de la régulation de nombreuses voies de signalisation et contrôlent la stabilité de multiples cibles par phosphorylation. Au cours du développement du cerveau, les kinases GSK3 contrôlent la balance entre la prolifération et la différenciation. La dérégulation de l'activité des kinases GSK3 a un rôle clé dans les maladies neurodégénératives du cerveau. En revanche, le rôle important de ces kinases au cours du développement rétinien ainsi que dans les maladies neurodégénératives rétiniennes reste une question ouverte.L'objectif de ma thèse était d'étudier le rôle de ces kinases au cours du développement et de l'homéostasie rétinienne. J’ai montré que l'absence totale de Gsk3α et de Gsk3β très tôt au cours du développement rétinien entraîne une microphtalmie chez l'adulte. Les deux kinases jouent des rôles redondants puisque l'expression d'un seul allèle Gsk3 est suffisante pour prévenir le phénotype de microphtalmie. Cependant, une analyse phénotypique approfondie dans ce contexte génétique (un seul allèle Gsk3) a révélé une forte augmentation du nombre de cellules ganglionnaires déplacées (dRGCs) dans la couche nucléaire interne, associée à une modification des projections axonales des cellules ganglionnaires dans le cerveau par rapport aux contrôles. Dans l’ensemble, ces données suggèrent que les kinases GSK3s sont essentielles au maintien des progéniteurs rétiniens et sont impliquées dans la genèse des dRGCs. Compte tenu du très faible nombre de dRGCs en conditions normales, la fonction de ces cellules a été très peu étudiée à ce jour. Le modèle génétique que j’ai développé offre par conséquent un modèle de choix pour étudier l’ontogenèse et la fonction de ces cellules.Mes travaux de thèse se sont ensuite concentrés sur le rôle de GSK3 dans les photorécepteurs. En effet, des défauts de développement ou leur mort est l’une des principales causes de dégénérescence rétiniennes. Afin de mieux comprendre la fonction de ces kinases dans la maintenance des photorécepteurs, j'ai donc utilisé des souris invalidées de manière conditionnelle pour Gsk3α et Gsk3β spécifiquement dans les précurseurs des photorécepteurs. L’absence de GSK3 conduit à une altération de la maturation et de la fonction des photorécepteurs, suivie de leur dégénérescence. J’ai alors combiné des analyses transcriptomiques et des approches in vitro pour élucider les mécanismes sous-jacents. Mes données m’ont conduit à proposer un modèle selon lequel l’absence de GSK3 dans les photorécepteurs conduit à des défauts de phosphorylation de NRL (facteur de transcription nécessaire au développement des photorécepteurs de type bâtonnet), augmentant sa stabilité. Cette dérégulation post-traductionnelle conduit à la diminution d’expression d'un sous-ensemble de gènes cibles de NRL, co-régulés par CRX, et impliqués dans le développement et l'homéostasie des photorécepteurs. Cette dérégulation conduirait alors à la dégénérescence des photorécepteurs observée dans les mutants GSK3. Ce travail suggère donc que GSK3 joue un rôle essentiel dans la régulation de NRL pour contrôler la maturation et l'homéostasie des photorécepteurs. De telles données suggèrent également que ce mécanisme de régulation pourrait être déficient chez les patients atteints de rétinites pigmentaires dues à des mutations de NRL empêchant sa phosphorylation par GSK3.


  • Résumé

    Post-translational modifications (PTMs) allow a higher degree of regulation for the control of gene expression by generating functional diversity at the proteome level. In the central nervous system, PTMs regulate stability or activity of transcription factors allowing a rapid response to external signals and a quick adaptation to a dynamic cellular microenvironment. In this context, I focused on the ubiquitously expressed and highly conserved Glycogen Synthase Kinases 3 (GSK3s). They are at the crossroad of multifunctional signalling pathways. During mammalian brain development, GSK3 kinases control the balance between proliferation and differentiation. Deregulation of GSK3 kinases activity has also a key role in neurodegenerative diseases by causing the accumulation/aggregations of proteins causing neuronal cell death. Drugs targeting GSK3s hold a lot of promises to treat such diseases. Whether these kinases are also important during retinal development and involved in retinal diseases remains an open question. Several studies suggest the importance of regulating GSK3 function in photoreceptor under pathological conditions. Therefore, the main objective of my PhD was to investigate the role of these kinases during photoreceptor development and homeostasis. To better understand the role of these two kinases during retinal development and to highlight potential differences with the developing brain, we also investigated their function in the control of the balance between proliferation and differentiation of retinal progenitors. To achieve my work, I used conditional knockout mice for Gsk3α and Gsk3β specifically deleted either in photoreceptor precursors or in retinal progenitors during early development. The lack of GSK3 kinases in photoreceptor precursors led to impaired photoreceptor maturation and function followed by their degeneration. Transcriptomic analysis (RNAseq) 6, 10 and 14 days postnatally prior degeneration revealed several genes downregulated belonging to biological processes involved in eye development and visual functions. Among them, the expression of the transcription factor Nrl that is required for rod photoreceptor development was decreased. Astonishingly, NRL expression was highly increased at protein level. By in vitro approaches, I demonstrated that GSK3-dependent phosphorylation regulates NRL protein stability. Despite such increase, a large number of NRL target genes were downregulated leading to impaired photoreceptor maturation and function. Surprisingly, a vast majority of these downregulated genes were also target genes for CRX, another transcription factor working in synergy with NRL. This work demonstrates that PTMs of NRL play a critical role in fine tuning the expression of a subset of genes involved photoreceptor development and homeostasis. Such findings could allow the development of innovative therapeutic strategies for retinal dystrophies. The functional characterisation of GSK3 in the course of retinal development by invalidating both Gsk3α and Gsk3β in retinal progenitors early during development revealed their requirement for controlling cell cycle exit and neuronal differentiation. Indeed, the complete lack of Gsk3α and Gsk3β led to microphtalmia in adults. Interestingly, the expression of only one Gsk3 allele was enough to rescue the phenotype. However, further analysis revealed a large number of displaced ganglion cells in the inner nuclear layer. The function of these cells remains to be determined, but their timing of production corresponds to other ganglion cells. Strikingly, these displaced ganglion cells project in distinct brain regions than normal ganglion cells. Therefore, our work could provide the first step toward determining the function of the displaced ganglion cells, which appear at low number in wildtype but whose function remains to be clarified.


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