Pathologie neuronale et gliale en lien avec les atteintes neurologiques de la dystrophie myotonique de type 1 (DM1)

Neuronal and glial pathology in neurological defects of myotonic dystrophy type 1 (DM1)

• Auteur / Autrice : Louison Lallemant
• Direction : Mário Gomes-Pereira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en myologie (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : François Treussart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Claude Potier, Guillaume Bassez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Escartin, Sandrine Baghdoyan
• DOI : 10.70675/7b68e0b6z008bz491fza549ze45dd170cde2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Myotonie atrophique

Névroglie

Flux axonal

Souris transgéniques

ARN

Troubles du métabolisme

Mots clés libres

Dystrophie myotonique

Neurones

Transport axonal

Glie

Souris transgéniques

ARN

Myotonic dystrophy

Neurons

Axonal transport

Glia

Transgenic mice

RNA

Résumé

La dystrophie myotonique de type 1 (DM1) est une maladie neuromusculaire grave affectant de nombreux tissus et organes. Les manifestations neurologiques varient du dysfonctionnement exécutif chez les adultes aux déficits d'attention chez les enfants, en passant par une déficience intellectuelle sévère dans les cas congénitaux. Les manifestations neurologiques de la DM1 ont un impact important sur la vie quotidienne des patients et de leurs familles, et il n’existe actuellement aucun traitement pour cette maladie. La DM1 est causée par l'expansion anormale d'une répétition CTG dans le gène DMPK. Les transcrits DMPK mutés sont toxiques car ils s’accumulent dans le noyau de la cellule, perturbant l’activité d’importantes protéines de liaison à l’ARN. En conséquence, les cellules DM1 présentent un métabolisme anormal de l’ARN et une régulation anormale de nombreux transcrits en aval. Malgré les progrès dans la compréhension de la physiopathologie musculaire, les mécanismes de la maladie restent flous et méconnus dans le SNC. Nous ne savons toujours pas quels types de cellules et voies moléculaires sont principalement affectés dans le cerveau, ni comment ils contribuent aux symptômes neurologiques de la DM1. Afin d'étudier ce problème, notre laboratoire a développé un modèle murin transgénique de la DM1 : les souris DMSXL expriment des transcrits DMPK humain contenant plus de 1000 répétitions CUG dans plusieurs tissus, notamment dans le cerveau. Ces souris présentent des phénotypes comportementaux, électrophysiologiques et neurochimiques pertinents de la DM1. A l'aide de ce modèle murin, l'objectif de ma thèse était de mieux comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans les anomalies neuronales, mais aussi non neuronales liées aux atteintes neurologiques de la DM1. Je me suis d'abord concentrée sur la caractérisation des différents types cellulaires du cerveau des souris DMSXL. Une étude multi-omique a été réalisée sur les neurones, les astrocytes et les oligodendrocytes ces souris. Nos résultats, qui montrent que les cellules gliales sont davantage impactées par les répétitions CTG, ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires de la DM1 dans le SNC, mais surtout de souligner l'importance d'étudier non seulement les neurones, mais aussi les astrocytes et oligodendrocytes dans le contexte pathologique de la DM1. Je me suis ensuite impliquée dans l'étude de la pathologie des astrocytes dans la DM1. Nous avons ainsi démontré que les astrocytes DMSXL présentaient une ramification réduite et une adhésion cellulaire altérée, et avaient un fort impact négatif sur la neuritogenèse. Parallèlement, j'ai également participé à l'étude de l'altération oligodendrogliale dans la DM1. Nous avons constaté que l'ARN CUG toxique perturbe le programme moléculaire de différenciation des oligodendrocytes (OL), en association avec des modifications du transcriptome se produisant au cours de la transition des cellules progénitrices des oligodendrocytes (OPC) en OL et conduisant à une hypomyélinisation transitoire chez la souris. J'ai également étudié la pathologie neuronale chez la souris DMSXL. Nos résultats ont démontré que l’accumulation de foci d’ARN toxiques dans les neurones perturbe principalement la phosphorylation des protéines, ce qui semble conduire à des défauts morphologiques neuronaux associés à des troubles de la dynamique des vésicules et à des défauts de transport axonal.Les 3 types cellulaires du cerveau présentent donc des dommages importants dans le cadre de la DM1, qui pourraient avoir un impact sur des processus cruciaux du fonctionnement cérébral. En effet, nous avons démontré une altération de la neurotransmission et de la plasticité synaptique chez la souris DMSXL. Dans l'ensemble, mes travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires spécifiques des astrocytes, des oligodendrocytes et des neurones dans la pathologie cérébrale de la DM1.

Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is a severe neuromuscular disease affecting many tissues and organs. The debilitating neurological manifestations vary from executive dysfunction in adults, to attention deficits and low processing speed in pediatric patients, to severe intellectual disability in congenital cases. DM1 neurological manifestations have a profound impact on the daily life of patients and their families, and there is currently no treatment for this disease. DM1 is caused by the abnormal expansion of a CTG repeat in DMPK gene. Expanded DMPK transcripts are toxic because they accumulate in the cell nucleus, disrupting the activity of important RNA-binding proteins. As a consequence, DM1 cells show abnormal RNA metabolism and processing of many downstream transcripts. Despite progress in the understanding of the muscle pathophysiology, the disease mechanisms remain unclear in the CNS. We still do not know which cell types and molecular pathways are primarily affected in the brain and how they contribute to DM1 neurological symptoms. In order to investigate this problem, our laboratory has developed a transgenic mouse model of DM1: DMSXL mice express expanded human DMPK transcripts in multiple tissues, notably in the brain, and display relevant behavioral, electrophysiological and neurochemical phenotypes. Using this mouse model, the objective of my thesis was to better understand the cellular and molecular mechanisms involved in the neuronal and non-neuronal impairment linked to the neurological damages of DM1. I first focused on the characterization of the different cell types in the DMSXL brain. A multi-omics study was carried out on DMSXL neurons, astrocytes and oligodendrocytes. Our results, which show that glial cells are more impacted by CTG repeats, have allowed us to better understand the cellular and molecular mechanisms of DM1 in the CNS, but above all to emphasize the importance of studying not only the neurons, but also astrocytes and oligodendrocytes in the pathological context of DM1. I then got involved in the study of astrocyte pathology in DM1. We thus demonstrated that DMSXL astrocytes exhibited reduced ramification and impaired cell adhesion, and had a strong negative impact on neuritogenesis. In the same time, I also participated in the study of oligodendroglia impairment in DM1. We found that the toxic CUG RNA disrupts the molecular program of oligodendrocyte (OL) differentiation, impairing the transcriptome changes occurring during the oligodendrocyte precursor cells (OPC)-OL transition and leading to transient hypomyelination in mice. I also studied the neuronal pathology in DMSXL mice. Our results demonstrated that the accumulation of toxic RNA foci in neurons perturbs mainly protein phosphorylation, which seems to lead to neuronal morphological defects associated with vesicle dynamics impairment and axonal transport defects. The three main cell types of the brain therefore present significant damage in the context of DM1, which could have an impact on crucial processes of cerebral functioning. Indeed, we have demonstrated an alteration in neurotransmission and synaptic plasticity in DMSXL mice. All together my work has provided novel insight into the cell-specific mechanisms operating in DM1, demonstrating the implication of astrocyte, oligodendrocyte and neuron defects in a DM1mouse model, and contributing towards an integrative understanding of brain pathology.