Revisiting neuronal polarity in the context of PCP

par Ana Dorrego Rivas

Thèse de doctorat en Biologie Cellulaire et Physiopathologie

Sous la direction de Jérôme Ezan.

Soutenue le 26-03-2021

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé , en partenariat avec Physiopathologie de la plasticité neuronale (Bordeaux) (laboratoire) .

Le président du jury était François Georges.

Le jury était composé de Jérôme Ezan, François Georges, Matthew Grubb, Monica Sousa, Maren Engelhardt.

Les rapporteurs étaient Matthew Grubb, Monica Sousa.

  • Titre traduit

    La polarité neuronale revisitée dans le contexte de la PCP


  • Résumé

    La polarité cellulaire dans le plan (PCP) désigne classiquement une polarité alignée avec le plan de l'épithélium, et donc perpendiculaire à l'axe apico-basal. Cette polarité est régulée par une cassette de signalisation qui module le cytosquelette, et contrôle un large éventail de processus biologiques. La voie de signalisation de la PCP est conservée dans les épithéliums, de la drosophile aux mammifères, mais son rôle et sa fonction dans le système nerveux central sont encore mal connus. Cependant, des mutations de certains membres cette voie de signalisation conduisent à des phénotypes neuronaux graves et sont incompatibles avec la vie.Les neurones sont des cellules hautement polarisées comportant deux compartiments définis qui diffèrent par leur morphologie et leur fonction: le domaine axonal et le domaine somatodendritique. Cette ségrégation est cruciale pour le bon fonctionnement des neurones. Le maintien de cet état polarisé tout au long de la vie repose sur le segment initial de l'axone (SIA). Le SIA est un sous-domaine neuronal qui coordonne l'établissement et le maintien de la polarité axo-dendritique et qui constitue le site d'initiation et de modulation du potentiel d'action. Le SIA consiste en un réseau organisé du cytosquelette et de molécules associées comme l'Ankyrin-G (AnkG) et la spectrine βIV. L'AnkG est le maître organisateur du SIA, puisqu'il est recruté le premier à l'axone et qu'il recrute tous les autres membres. Des mutations de nombreux gènes du SIA sont liées à des pathologies neurodéveloppementales comme le trouble bipolaire, l'épilepsie ou l'autisme, ce qui en fait une cible potentielle pour des approches thérapeutiques. Malgré le rôle essentiel dans la fonction neuronale, les premières étapes de l'assemblage du SIA sont peu inconnues, notamment en raison du peu de partenaires directs de l'AnkG identifiés.Lors de cette thèse, j'ai étudié le rôle de Prickle-like 2 (Pk2) et Scribble (Scrib) dans la polarité neuronale et la fonction axonale. Pk2 et Scrib sont présentes au SIA tout au long de la maturation neuronale, in vivo et in vitro. J'ai identifié une colocalisation entre ces protéines et AnkG et la spectrine βIV et confirmé leurs interactions via des domaines spécifiques. Mes données suggèrent que Pk2 interagit pour stabiliser AnkG à la membrane, tandis que Scrib se lie à la spectrine βIV pour ancrer au SIA le long de l'axone.In vitro, la sous-expression de Pk2 perturbe la polarité neuronale et la formation du SIA en diminuant les niveaux d'AnkG et de molécules SIA associées. In vivo la sous-expression de Pk2 par électroporation in utero conduit également a une diminution des protéines du SIA dans les neurones du néocortex. J'ai utilisé un modèle de souris mutantes conditionnelles où Pk2 et Scrib sont tous deux supprimés dans les neurones excitateurs post-mitotiques de l'hippocampe et du cortex. Dans le cortex de ces mutants, j'observe également une diminution des principales protéines du SIA comme l'AnkG, la spectrine βIV et les canaux Nav.Au total, ces données révèlent un rôle original de protéines de la PCP dans la mise en place et la composition du SIA, et mettent en lumière de nouvelles fonctions pour les protéines de la PCP.


  • Résumé

    Planar cell polarity (PCP) classically refers to the coordination of cell polarity within the plane of the epithelium, perpendicularly to the apical-basal axis. A conserved signaling cassette that modulates the cytoskeleton regulates this type of tissue polarity, which in turn controls a wide range of biological processes. PCP signaling has conserved functions in epithelia from drosophila to mammals but its role and function in the central nervous system is still poorly known. However, mutations in some core PCP members result in severe phenotypes for the brain and are incompatible with life.Neurons are highly polarized cells with two defined compartments that differ in morphology and function: the axonal and the somatodendritic domains. This segregation is crucial for the proper function of neurons. The maintenance of this polarized state throughout life relies in the axon initial segment (AIS). The AIS is a neuronal subdomain that coordinates the axo-dendritic polarity establishment and maintenance and constitutes the site for action potential initiation and tuning. The AIS consists of an organized cytoskeleton meshwork and associated molecules like Ankyrin-G (AnkG) and βIV spectrin. AnkG is the AIS master organizer, since it arrives to the proximal axon first and recruits all the AIS members. Many of the AIS genes are linked to neurodevelopmental pathologies like bipolar disorder, epilepsy or autism, making it a potential target for therapeutical approaches. Despite the critical role of the AIS in neuronal function, the early steps of its assembly are still unknown notably because of few identified direct AnkG partners.This thesis focuses on the roles of Prickle-like 2 (Pk2) and Scribble (Scrib) in neuronal polarity and axonal function. Pk2 and Scrib accumulate at the AIS in early and late stages of neuronal development, both in vivo and in vitro. I show a colocalization between these proteins and AnkG and βIV spectrin and confirmed their interactions via specific domains. My data suggest that Pk2 interacts early at the AIS with AnkG to stabilize it at the membrane, while Scrib binds to βIV spectrin to anchor the AIS along the axon.In vitro downregulation of Pk2 impaired axonal establishment and AIS formation by altering the number of axons per neuron and the levels of AnkG and associated AIS molecules. In vivo downregulation of Pk2 via in utero electroporation similarly reduced AIS proteins levels in neurons from the developing neocortex. I used a conditional knockout mouse model where both Pk2 and Scrib are deleted in postmitotic excitatory neurons of the hippocampus and cortex. The reduction of PCP proteins was followed by a decrease of the main AIS proteins like AnkG, βIV spectrin and Nav channels.Altogether, these data unveil an original role of PCP proteins in AIS formation and composition, shedding light on novel PCP function.


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