Conditional inactivation of EIF2B5 gene in oligodendrocytes or astrocytes cell lineages in adult mice

par Abed El Rahim Bark

Thèse de doctorat en Physiologie et biologie des organismes - populations - interactions. Neurobiologie

Sous la direction de Odile Boespflug-Tanguy.

Soutenue le 18-12-2019

à l'Université Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Promoting Research Oriented Towards Early CnS Therapies (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Kumaran Deiva.

Le jury était composé de Odile Boespflug-Tanguy, Kumaran Deiva, Catherine Sarret, Aurélia Huyghe, Xavier Ayrignac.

Les rapporteurs étaient Catherine Sarret.

mots clés

• EIF2B5 (eukaryotic translation initiation factor 2B)
• Stress du réticulum endoplasmique
• Myéline
• Microglie
• Leucoencéphalopathies
• Facteur-2B d'initiation eucaryote
• Oligodendroglie
• Astrocytes

Titre traduit

Inactivation conditionnelle du gène EIF2B5 dans les lignées oligodendrocytaires ou astrocytaires chez les souris adultes

Résumé

Vanishing white matter disease (VWMD) ou childhood ataxia with central nervous system hypomyelination (CACH) est une maladie démyélinisante autosomale récessive qui présente un spectre phénotypique hétérogène et qui est causée par des mutations autosomales récessives touchant les gènes qui codent pour les cinq sous-unités du facteur d’initiation de la traduction EIF2B. Cette maladie provoque des dévastations et raréfactions de la substance blanche cérébrale avec une morphologie atypique des astrocytes et des oligodendrocytes d’aspect spumeux. Plusieurs modèles ont été développés pour comprendre la pathophysiologie de la maladie et pour essayer de trouver des stratégies thérapeutiques. Dans notre étude, nous avons établi deux nouveaux modèles murins. Dans le premier, nous avons ciblé le gène eif2b5 dans les oligodendrocytes en utilisant la forme inductible par Tamoxifen de le Cre (CreERT2) exprimée dans un locus de la protéine oligodendrocyte-spécifique protéolipoprotéine (PLP) ce qui permet la délétion du gène au moment précis dans les oligodendrocytes (Plp-Cre-ERT2/Eif2b5fl/fl). (i) Dans les souris femelles adultes, nous avons observé, neuf semaines après induction, une perte significative du poids accompagnée d’une paraplégie aigue ; (ii) Les tests de comportement ont montrés une déficience de la coordination motrice et de l’activité locomotrice avec une perte de la force musculaire ; (iii) Au niveau histologique, nous avons observé une baisse du nombre des oligodendrocytes matures olig2+/CC1+ avec persistance voir augmentation du pool des immatures. D’autre part, nous avons observé une augmentation des astrocytes GFAP+ et des microglies Iba1+ dans le cortex avec un aspect réactif des deux types cellulaires, en plus d’une perte neuronale. (iv) La microscopie électronique a montré une tendance qui reste non significative à la baisse du nombre des axones myélinisés ; (v) L’analyse en RNAseq des cellules triées (MACS) sur des cerveaux de souris adultes a révélé l’activation des voies du stress chronique exclusivement dans les oligodendrocytes immature (O4+) et la reprogrammation de l’expression des gènes favorisant le maintien des cellules immatures et l’activation des voies de la neuroinflammation lors de l’entrée dans la phase symptomatique. Dans le deuxième modèle, nous avons ciblé le gène eif2b5 dans les astrocytes en utilisant le même système avec la Cre exprimée dans un locus de la protéine Glutamate-Aspartate Transporter (Glast) ce qui permet la délétion du gène au moment précis dans les astrocytes (Glast-Cre-ERT2/Eif2b5fl/fl) ce qui a permis d’avoir deux phénotypes distincts résultant de la présence ou non d’une copie de Glast dans les souris (Glast-Cre-ERT2+/-/Eif2b5fl/fl avec une copie de Glast présente et Glast-Cre-ERT2-/-/Eif2b5fl/fl avec absence totale de Glast). (i) Chez les femelles Glast-Cre-ERT2+/-/Eif2b5fl/fl traitées au Tamoxifen, nous n’avons observé ni perte de poids ni paraplégie ; (ii) au niveau histologique, nous avons observé une augmentation des astrocytes GFAP+ et des microglies Iba1+ avec un aspect réactif des deux types cellulaires, alors que les oligodendrocytes et les neurones n’ont pas été affectés, ceci contrastant avec les souris Glast-Cre-ERT2-/-/Eif2b5fl/fl chez lesquelles nous avons observé (iii) une perte significative du poids accompagnée d’une paraplégie spastique à six semaines après induction; (iv) une augmentation des astrocytes GFAP+ et des microglies Iba1+ dans le cortex avec un aspect réactif des deux types cellulaires, en plus d’une baisse du nombre des oligodendrocytes matures olig2+/CC1+ et d’une perte neuronale. L’ensemble de ces travaux souligne la susceptibilité des cellules oligodendrocytes en particulier immature au stress du RE chronique induit par un déficit d’EIF2B. Les astrocytes nécessitent plusieurs facteurs associés pour entrainer une souffrance neurologique aigue. Ils sont peut être plus impliqués dans la phase développementale et chronique.

mots clés

• EIF2B5 protein, human
• Endoplasmic reticulum stress

Résumé

Vanishing white matter disease (VWMD) or childhood ataxia with central nervous system hypomyelination (CACH) is an autosomal recessive demyelinating disorder with wide phenotypic heterogeneity caused by autosomal recessive mutations in the genes encoding the five subunits of the translation-initiation factor eIF2B. It causes cerebral white matter devastations and rarefactions with an atypical morphology of astrocytes and a “foamy” morphology of oligodendrocytes. Several animal models were developed to understand the pathophysiology of the disease and to investigate therapeutic strategies. In our studies, we established two new mouse models. In the first, we targeted the eif2b5 gene in oligodendrocytes in the tamoxifen inducible form of Cre (CreERT2) expressed in the locus of the oligodendrocyte-specific proteolipid protein (PLP) that allows precisely timed gene deletion in adult oligodendrocytes (Plp-Cre-ERT2/Eif2b5fl/fl). (i) In adult female mice, we observed after nine weeks of induction a significant loss of weight and acute paralysis; (ii) Behavioral tests, showed a deficiency in motor coordination and locomotor activity, and a loss of muscular strength; (iii) At the histological level, we observed a decrease of olig2/CC1 mature oligodendrocytes with persistence and even an increase in the pool of immature cells. On the other hand, an increase of number of GFAP+ astrocytes and Iba1+ microglia has been observed in cortex with an activated aspect of both cell types in addition to a neuronal loss; (iv) Electronic microscopy showed a non-significant but obvious tendency to decrease in the number of myelinated axons; (v) RNAseq analysis on cells sorted (MACS) from brains of adult mice showed the activation of pathways related to chronic stress, especially in the immature (O4+) oligodendrocytes and the reprogramming of the expression of genes favoring the maintaining of the immature cells and the activation of neuroinflammation pathways when going into the symptomatic phase. In the second model, we targeted the eif2b5 gene in astrocytes using the same system with the Cre expressed in the locus of the Glutamate-Aspartate Transporter (Glast) protein that allows precisely timed gene deletion in adult astrocytes (Glast-Cre-ERT2/Eif2b5fl/fl) which resulted in two distinct phenotypes related to the presence or not of a copy of the Glast locus in the resulting mice (Glast-Cre-ERT2+/-/Eif2b5fl/fl where one copy of Glast exists and Glast-Cre-ERT2-/-/Eif2b5fl/fl where no copy of Glast exists). (i) In the Glast-Cre-ERT2+/-/Eif2b5fl/fl TMX treated female mice, no weight loss nor paraplegia were observed; (ii) At the histological level, we observed an increase of number of GFAP+ astrocytes and Iba1+ microglia with an activated aspect of both cell types while no oligodendrocyte nor neuronal loss were seen in contrast to the Glast-Cre-ERT2-/-/Eif2b5fl/fl where (iii) significant loss of weight and paraplegia were observed at six weeks after induction; (iv) an increase of number of GFAP+ astrocytes and Iba1+ microglia has been observed with an activated aspect of both cell types in addition to mature oligodendrocyte and neuronal loss. This whole work underlines the susceptibility of oligodendrocyte cells, particularly the immature ones, to chronic ER stress induced by EIF2B deficit. The astrocytes require the association of many factors in order to cause acute neurologic distress. They might be more involved in the developmental and chronic phase.