Ecole Doctorale

Sciences de la Vie et de la Santé

Spécialité

Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Neurod2,Intégration synaptique,Plasticité,TSA,

Keywords

Neurod2,Synaptic integration,Plasticity,ASD,

Titre de thèse

Le rôle du facteur de transcription Neurod2 dans le développement du cortex et ses implications dans les troubles neurodéveloppementaux.
The role of transcription factor Neurod2 in cortex development and its implications in neurodevelopmental disorders.

Date

Mardi 24 Mai 2022 à 14:00

Adresse

INMED 163 Avenue de Luminy Parc scientifique de Luminy 13009 Marseille Salle de conférence

Jury

Directeur de these M. Carlos CARDOSO INMED Inserm
CoDirecteur de these M. Antoine DE CHEVIGNY INMED CNRS
Rapporteur Mme Juliette GODIN IGBMC
Rapporteur Mme Alessandra PIERANI Institut Imagine Paris Inserm
Examinateur Mme Emilie PACARY Neurocentre Magendie Bordeaux Inserm
Examinateur M. Jean-Christophe ROUX Marseille Medical Genetics

Résumé de la thèse

Le cortex cérébrale est une structure de matière grise formant la couche externe du cerveau et qui joue un rôle centrale dans les fonctions cognitives supérieures. Sa structure complexe est construite par une suite de processus neurodéveloppementaux finement régulés qui incluent la prolifération cellulaire, la migration neuronale et l'intégration synaptique dans le réseau. L'interruption ou l'altération de l'un de ces processus peut induire des malformations et des troubles neurodéveloppementaux. Malgré des recherches approfondies, les facteurs intrinsèques et extrinsèques qui contrôlent le développement du système nerveux et les pathologies neuronales sont largement méconnus. La protéine NEUROD2 est un facteur de transcription bHLH dépendant de l'activité fortement exprimé dans les neurones de projection corticaux dès le début du développement. NEUROD2 a été associé à l'intégration synaptique dans l'hippocampe et au développement du cortex somatosensoriels à barils chez la souris, et est considéré comme un co-activateur de l'activité des récepteurs minéralocorticoïdes dans la transmission de la réponse au stress. Récemment, quelques rares variants génétiques de NEUROD2 ont été identifiés chez des patients souffrant d'épilepsie ou de retard neurodéveloppemental, suggérant qu’il puisse être un nouveau candidat pour la genèse de troubles neurodéveloppementaux. Malgré cette association récente, la fonction précise de NEUROD2 dans le cerveau en développement et mature reste irrésolue. Dans la première partie de ma thèse, j'ai étudié comment la suppression de Neurod2 affecte le développement du cortex chez la souris. En utilisant de multiples approches, mon équipe et moi avons découvert que les neurones de projection corticaux migrent excessivement dans les embryons Neurod2 KO, modifiant ainsi la taille et la position finales des couches corticales. Chez les juvéniles et les adultes, la densité et le renouvellement des épines dendritiques sont dérégulés dans le compartiment apical des neurones de la couche 5. Fonctionnellement, des enregistrements en patch-clamp révèlent une excitabilité intrinsèque accrue. Sur le plan moléculaire, une expérience de séquençage haut débit par RNAseq a montré une expression dérégulée de nombreux gènes associés à l'excitabilité neuronale et à la fonction synaptique, dont les orthologues humains étaient fortement associés aux troubles du spectre autistique (TSA). Enfin, au niveau du comportement, les souris Neurod2 KO complètes ou conditionnelles avec délétion dans le cerveau antérieur présentent des déficits d'interaction sociale avec hyperactivité et crises occasionnelles. Compte tenu de ces observations, nous avons cherché et identifié 11 patients porteurs de mutations pathogènes de NEUROD2 qui ont été diagnostiqués avec un TSA et une déficience intellectuelle, indiquant ainsi un rôle crucial de NEUROD2 dans le développement cortical. Dans la deuxième partie de ma thèse, mes premiers résultats préliminaires sur les neurones avec délétion conditionnelle de Neurod2 indiquent que le défaut de migration observé dans les embryons Neurod2 KO est dû à des mécanismes non cellulaires autonomes au début du développement et cellulaire-autonomes dans les étapes finales de la migration. Enfin, comme Neurod2 est un co-activateur des récepteurs minéralocorticoïdes pour leur activité transcriptionnelle, j'ai étudié si la délétion cellule-autonome de Neurod2 pouvait inhiber les changements synaptiques structurels induits par une exposition prolongée au stress. Les résultats indiquent que l'absence de Neurod2 inhibe la perte d'épines dendritiques apicales induite par le stress chez les neurones témoins. Les résultats de ma thèse désignent NEUROD2 comme un gène central pour la régulation de divers processus neuronaux comme la migration neuronale embryonnaire, la fonction synaptique et le remodelage synaptique chez adulte, dont les altérations entraînent des troubles neurodéveloppementaux incluant l'épilepsie et TSA.

Thesis resume

The cerebral cortex is a structure of grey matter that forms the outermost layer of the brain and serves as the center for higher cognitive functions in mammals. Its complex structure is built following finely-tuned neurodevelopmental processes that include neuron proliferation, neuronal migration and synaptic integration into the network. Interruption or alteration of any of these processes can induce neurodevelopmental malformations and disorders. Despite extensive research, the intrinsic and extrinsic factors that monitor nervous system development and neuronal pathologies are largely unknown. The neuronal transcription factor NEUROD2 (neurogenic differentiation factor 2) is an activity-dependent bHLH that is strongly expressed in cortical projection neurons from early development onwards. NEUROD2 has been associated with synaptic integration in hippocampus and development of the barrel cortex and it is considered a co-activator of mineralocorticoid receptor activity in the transmission of the stress response. Recently, some genetic variants have been identified in patients with epilepsy and neurodevelopmental delay which makes NEUROD2 a new candidate for neurodevelopmental disorders. Despite this recent association, the precise function of NEUROD2 in the developing and mature brain remains elusive. In the first part of this thesis I aimed to study how deletion of Neurod2 in mice affects the development of the cerebral cortex. Using a variety of approaches I and my team found that cortical projection neurons in Neurod2 KO embryos over-migrate, thereby altering the final size and position of cortical layers. In juvenile and adults, dendritic spine density and turnover are dysregulated in apical but not basal compartments of layer 5 neurons. Functionally, patch-clamp recordings in layer 5 neurons of juvenile mice reveal increased intrinsic excitability. Molecularly, bulk RNA sequencing showed dysregulated expression of many genes associated with neuronal excitability and synaptic function, whose human orthologs are strongly associated with autism spectrum disorders (ASD). Finally, at the behavioral level, Neurod2 KO mice and conditional Neurod2 forebrain-deleted mice display social interaction deficits with hyperactivity, stereotypies and occasional seizures. Taking these observations into account we were able to identify eleven patients with pathogenic NEUROD2 mutations that were diagnosed with ASD and intellectual disability pointing thus to a crucial role of NEUROD2 in cortical development. Further, in the second part of this thesis, first preliminary results in conditionally-deleted Neurod2 neurons indicate that the migrational defect observed in Neurod2 KO embryos is due to cell non-autonomous mechanisms in early neural development (multi-to bipolar transition) and cell-autonomous mechanisms in final stages of migration (terminal translocation). Finally, as Neurod2 is a co-activator for mineralocorticoid receptor transcriptional activity, I attempted to decipher if Neurod2-depleted neurons in adult mice are able to structurally translate prolonged exposure to stress. First results show that lack of Neurod2 inhibits loss of apical dendritic spines that is observed in control cells. The results of this thesis point to NEUROD2 as a hub gene that regulates various neuronal processes from embryonic neuronal migration to synaptic function and spine turnover in adulthood, whose alterations drive neurodevelopmental disorders, like ASD, epilepsy and intellectual disability.