Rôle du microARN 146a dans le développement cérébral et pertinence pour les maladies du neurodéveloppement

par Julien Fregeac

Thèse de doctorat en Génétique humaine

Sous la direction de Laurence Colleaux.

Soutenue le 21-11-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) et de Imagine - Institut des maladies génétiques / IMAGINE - U1163 (laboratoire) .


  • Résumé

    Les maladies du neurodéveloppement (MND) regroupent des pathologies caractérisées par des troubles de la cognition, de la communication, du comportement en conséquence d'un développement cérébral atypique. Les MND incluent la déficience intellectuelle (DI), les troubles du spectre autistique (TSA), le trouble du déficit de l'attention et les troubles de l'apprentissage. Avec une prévalence globale de 3%, les MND sont responsables de 10% des dépenses de santé dans les pays développés et constituent donc un défi médical et socioéconomique majeur. Les microARNs (miARNs) sont de petits ARNs non codant de ~20-22 nucléotides. Ils exercent une régulation post-transcriptionnelle de l'expression génique en dégradant ou réprimant la traduction d'ARNs messagers spécifiques. Chaque miARN ciblant plusieurs centaines de transcrits, ils constituent des médiateurs clés de l'expression génique. Les microARNs régulent la majorité des processus biologiques et notamment le développement cérébral. Plusieurs miARNs ont été associés à des pathologies neurologiques comme la maladie d'Alzheimer ou la sclérose latérale amyotrophique mais aussi à des MND telles que le TSA, la DI et l'épilepsie. Des études d'expression réalisées sur divers échantillons de patients TSA ont identifié miR-146a comme le miARN le plus fréquemment dérégulé. Une expression anormale de ce miARN a également été observée dans des cas de DI et d'épilepsie. Il est important de noter que moduler l'expression de miR-146a est suffisant pour réduire la latence, la durée et l'intensité des crises d'épilepsie induites dans des modèles rongeurs d'épilepsie télencéphalique. miR-146a est un régulateur connu des voies de signalisation NFκB, Notch et Wnt/β-caténine et a été associé à des cas de cancers et de maladies inflammatoires mais peu de choses sont connues sur ses fonctions dans le cerveau. Des travaux in vitro décrivent le rôle de miR-146a dans la survie et l'apoptose des neurones, la croissance axonale et l'endocytose des récepteurs AMPA. Notre groupe a également montré l'effet pro-neuronal de la sur-expression de miR-146a dans des cellules souches neurales humaines H9. Collectivement, ces données donnent un aperçu des fonctions de miR-146a dans des cellules en culture mais ne fournissent que peu d'informations quant à son rôle in vivo au cours du neurodéveloppement. Nous avons donc caractérisé la souris Mir146a-/- par des techniques d'imagerie, de biologie cellulaire et moléculaire ainsi que des études de comportement. Nous avons démontré que la neurogenèse est altérée dans les souris Mir146a-/-. Au jour embryonnaire 14 (E14), les embryons mutants ont plus de progéniteurs neuraux engagés vers un destin neuronal ainsi qu'un plus grand nombre de neurones post-mitotiques dans le néocortex. Grâce à des cultures de cellules primaires, nous avons montré que l'absence de miR-146a cause une augmentation de la croissance dendritique ainsi qu'une altération de la recapture du glutamate par les astrocytes et nous avons prouvé que le transporteur de glutamate GLT-1 est une cible directe de miR-146a. Des analyses transcriptomiques sur des échantillons de cerveau à E14, P30 et P60 indiquent que la perte de miR-146a affecte principalement les neurones. Enfin, des analyses par IRM et des études de comportement montrent une anatomie anormale de l'hippocampe ainsi qu'une altération des capacités d'apprentissage chez les souris mutantes. Ce travail décrit une des premières caractérisations du neurodéveloppement d'un modèle murin inactivé pour un miARN. Il montre que miR-146a est impliqué dans le contrôle de la balance entre renouvellement des progéniteurs neuraux et différentiation neuronale. Il démontre également que plusieurs signes retrouvés chez les patients comme l'altération de la neurogenèse, l'anatomie anormale du cerveau et les défauts d'apprentissage, sont également observés chez les souris Mir146a-/-, soulignant la pertinence de ce modèle pour l'étude des maladies du neurodéveloppement.

  • Titre traduit

    Role of the microARN 146a in mouse brain development and relevance for developmental brain disorders


  • Résumé

    Developmental brain disorders (DBD) encompass a group of diseases characterised by impairments in cognition, communication, behaviour or motor functioning as a result of atypical brain development. This group includes intellectual disability (ID), autism spectrum disorder (ASD), attention deficit hyperactivity disorder, specific learning disorder and motor disorders. With an overall prevalence of 3 %, DBD accounts for 10% of the total health care cost in Western countries and is thus a major medical and socio-economical challenge. MicroRNAs (miRNAs) are small non coding RNAs of ~20-22 nucleotides. They play a key role in post-transcriptional gene expression regulation by targeting specific messenger RNA (mRNA) for degradation or translation repression. miRNAs are key mediator of gene expression as each of them can target hundreds of transcripts. miRNAs are expressed throughout the development and life of most eukaryote organisms and regulate a wide range of biological processes including brain development. Consistently, several miRNAs have been associated with neurological pathologies such as Alzheimer's disease (AD) or amyotrophic lateral sclerosis (ALS) but also with (DBD) namely ASD, ID and epilepsy. Expression studies performed on various sources of samples from ASD patients identified miR-146a as the most commonly deregulated miRNA. It has been reported in four different cohorts and tissue types including post-mortem brain, olfactory mucosal stem cells, fibroblasts and lymphoblastoid cell lines. Abnormal miR-146a expression has also been reported in ID and epilepsy. Importantly, modulating the expression of this particular miRNA was shown to reduce the latency, the duration as well as the intensity of the induced epilepsy in rodent models of telecephalon epilepsy. miR-146a is a known regulator of NFkB, Notch and Wnt/B-catenin pathways and has been associated with cancers and inflammatory disorders but little is known about its functions in the brain. A body of in vitro work describes the role of miR-146a in neuron survival and apoptosis, axonal growth and AMPA receptor endocytosis. Our group also showed the pro-neuronal effects of miRNA overexpression in a H9 model of human neural stem cells. Altogether, these data provide insight into the roles of miR-146a in cultured cells but give no indication on its functions in vivo during neurodevelopment. To investigate this aspect further, we studied a miR146a-/- mouse model using a combination of imaging, molecular and cell biology techniques as well as behavioral studies. We first demonstrated that neurogenesis is altered in miR146a-/-mice. At embryonic day 14 (E14), mutant embryos display increased number of neural progenitors committed towards a neuronal fate as well as more post-mitotic neurons in the neocortex compared to controls. Using primary cell cultures,we found that loss of miR-146a causes increased neurite outgrowth and impaired astrocyte glutamate uptake capacities and we proved the glutamate transporter GLT-1 to be a direct target of miR-146a. Transcriptomic analyses of brain samples at E14, P30 and P60 indicated spatial- and temporal-specific effects of miR-146a inactivation and, consistent with our findings, we observed that loss of miR-146a mainly impacts neuron development. Lastly, brain MRI and behavior investigations revealed an abnormal hippocampal anatomy as well as impaired learning capacities in mutant mice. This work reports the first characterization of a mouse model inactivated for a miRNA in the context of neurodevelopment. We demonstrated the role of miR-146a in brain development and its role in the control of the balance between neural progenitor cell renewal and neuronal differentiation. Lastly, we show the relevance of the miR146a-/-mouse model to study DBD as several aspects recapitulate the features observed in patients, including impaired neurogenesis, abnormal brain anatomy and learning deficits.


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