Implication des connexines gliales dans les atteintes de la Neuromyélite Optique : un rôle dans la démyélinisation et les altérations neuronales

Glial connexins in neuromyelitis optica a link between astrocytopathy, demyelination and neuronal alterations

• Auteur / Autrice : Chloé Richard
• Direction : Romain Marignier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neuroimmunologie
• Date : Soutenance le 12/06/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en neurosciences de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Sandra Vukusic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Marignier, Martine Cohen-Salmon, Olivier Pascual
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Pot Kreis, Thomas Tourdias

Mots clés

Mots clés contrôlés

Démyélinisation

Astrocytes

Connexines

Neuromyélite optique aiguë

Mots clés libres

Neuromyélite optique

Connexines

Astrocyte

Démyélinisation

Neuromyelitis optica

Connexins

Astrocyte

Demyelination

Résumé

La Neuromyélite Optique (NMO) est une maladie auto-immune démyélinisante, rare et grave, du système nerveux central (SNC). Elle est caractérisée par une démyélinisation et une perte axonale ciblant principalement le nerf optique et la moelle épinière. La découverte d'un auto-anticorps (IgG-NMO) dirigé contre l'aquaporine-4 (AQP4), un canal hydrique exprimé par l'astrocyte, a été une étape clé dans la compréhension de la physiopathologie de la NMO, actuellement définie comme une astrocytopathie. La pathogénicité de l'IgG-NMO a été démontrée : il induit une internalisation d'AQP4 et des transporteurs au glutamate, provoquant une altération de la fonction astrocytaire. Cependant les mécanismes permettant de lier la dysfonction astrocytaire aux altérations caractéristiques de la NMO, notamment la démyélinisation, restent méconnus. Les astrocytes sont des cellules gliales essentielles à l'établissement et au maintien de l'homéostasie du SNC. Ils permettent la régulation des flux hydriques et ioniques, le contrôle extracellulaire des neuromédiateurs ainsi que l'apport de métabolites énergétiques aux neurones et aux oligodendrocytes. Ils sont aussi caractérisés par une très forte expression de connexines (Cx), des molécules transmembranaires s'assemblant sous une forme hexamérique : le connexon. Les connexines forment soit des hémicanaux, permettant l'échange de petites molécules entre les milieux intra- et extra-cellulaires, soit des jonctions communicantes par la juxtaposition de connexons appartenant à deux cellules, assurant le couplage intercellulaire avec le passage de petites molécules et d'ions (ATP, glutamate, lactate, calcium). Les fonctions hemicanal et jonction communicante sont fortement régulées en condition physiologique et altérées en condition pathologique, notamment en contexte neuroinflammatoire. Nous émettons l'hypothèse que les IgG-NMO altèrent l'expression et la fonction des connexines, et conduisent ainsi à la production d'un environnement toxique pour les oligodendrocytes et la myéline, et délétère pour le fonctionnement neuronal. Mon projet de thèse avait trois objectifs : i) la caractérisation du phénotype astrocytaire induit par les IgGNMO ; ii) l'identification d'altérations des connexines et leur implication dans la pathologie ; iii) la mise en évidence d'altérations de la transmission synaptique induites par les IgG-NMO et l'implication de connexines dans cet effet. Des modèles de cultures primaires gliales traitées par des IgG-NMO issue d'une cohorte de patients m'ont permis de caractériser le phénotype acquis par les astrocytes, et de proposer le concept d'un astrocyte réactif spécifique de pathologie. Les astrocytes réactifs spécifiques de la NMO induisent un milieu inflammatoire spécifique et toxique, provoquant une démyélinisation. Grâce au développement d'une coculture gliale et neuronale produisant des neurones myélinisés, et à l'utilisation de peptides inhibiteurs des Cx, j'ai pu montrer que les NMO-IgG ont un effet démyélinisant et que celui-ci implique les Cx. La démyélinisation est en effet associée à des modifications structurales et fonctionnelles des Cx astrocytaires, observées à la fois in vitro et dans notre modèle in vivo, le rat-NMO. Enfin, la mise en place d'une étude électrophysiologique en potentiel de champs local sur des tranches d'hippocampe de rats m'a permis d'étudier l'effet des IgG-NMO sur la transmission glutamatergique basale. J'ai pu mettre en évidence un effet dépresseur des IgG-NMO, partiellement bloqué par un inhibiteur de connexines, la carbenoxolone. Comme il a déjà été démontré par des études cliniques dans des pathologies neurodégénératives, l'utilisation de modulateurs de Cx semble être une voie thérapeutique prometteuse afin de prévenir la démyélinisation et les altérations du fonctionnement neuronal de la NMO

Neuromyelitis Optica (NMO) is a rare and severe auto-immune demyelinating disease of the central nervous system (CNS). It is characterized by demyelination and axonal loss targeted to the optic nerve dans the spinal cord. The identification of a specific autoantibody (NMO-IgG) directed against the astrocytic protein AQP4 was a key step in the understanding of NMO physiopathology: it is now considered as an astrocytopathy. NMO-IgG is also a biomarker of NMO, and its pathogenicity has been demonstrated. NMO-IgG induce an internalization of AQP4 together with other membrane proteins such à glutamate transport GLT1. This could alter astrocyte functions but the mechanisms connecting astrocytopathy and demyelination remain unclear. Astrocytes are abundant glial cells crucial for the establishment and the maintenance of CNS homeostasis. They regulate water flux and ion homeostasis and control extracellular volume and neurotransmitter concentrations. They also provide neurons and oligodendrocytes with energy substrates. Astrocytes are characterized by a high expression of connexins (Cx), transmembrane proteins assembling in hexameric form, called connexon. Cx form either hemichannels, unopposed connexon at the membrane, allowing the exchange of small molecules (<1,2kDa e.g. glutamate, ATP) and ions (Ca2+, K+) between extra- and intra-cellular compartments. Cx also form gap junctions, formed by the juxtaposition of two connexons at the membrane of two different cells, and allow the quick cell to cell exchange of small molecules, metabolites and ions (e.g. glucose, lactate, Ca2+). Hemichannel and gap junction functions are tightly regulated under physiological conditions and can be altered in pathological condition for example during neuroinflammation. We proposed that NMO-IgG by altering connexins expression and/or function could lead to the production of a toxic environment for oligodendrocytes and myelin but also for neuronal functioning. This feature of astrocyte dysfunction could participate to NMO alterations. My thesis project had three main goals: i) the characterisation of astrocyte phenotype induced buy NMO-IgG, ii) the identification of connexins alterations and their implication NMO physiopathology, iii) the highlight of synaptic alterations induced by NMO-IgG and the involvement of connexins in this effect. Primary glial cell cultures treated with NMO-IgG from a cohort of NMO patients, were used to characterize astrocyte phenotype and we proposed the concept of a specific reactive dysfunctioning astrocyte induced by NMO-IgG. Those astrocytes, called “NMO-astrocytes” are responsible for the production of a proinflammatory toxic microenvironment for oligodendrocytes and leading to demyelination. With the development of a myelinated culture model, composed of glial cells and neurons with myelinated axons, together with the use of specific inhibitors of Cx functions, we showed that NMO-IgG induced demyelination involved connexin dysfunction. In fact, demyelination was associated with structural and functional alterations of astrocytic connexins observed both in vitro and in vivo in the NMO-rat model. Electrophysiological recording of basal glutamatergic synaptic activity in the rat hippocampus showed a strong depression of synaptic responses induced by NMO-IgG. Connexins could be implicated in this alteration since blocking all connexins with carbenoxolone blocked NMO-IgG effect