Neurogénèse et migration

Neurogénèse et migration
Images tirées de « Fundamental Neuroscience », ©Academic Press, 1999
Traduction et présentation, © Claude Messier, 1999
Introduction
• Un des aspects les plus remarquables du système
nerveux en développement est la migration des
cellules nerveuses primitives (ou neuroblastes). Ces
mouvements sont orchestrés de façon à promouvoir
la différentiation d’un nombre étonnant de
phénotypes et placer les jeunes neurones dans la
structure biologique la plus complexe connue, le
cerveau des vertébrés.
• Chez l’humain, plus de cent milliards de cellules
utilisent ces mécanismes de migration pour trouver
leur place dans un réseau nerveux qui comprend
plus de 1014 synapses.
• (100,000,000,000,000 de synapses)
Suivre à la trace les neurones en migration
• Plusieurs techniques ont été utilisées pour découvrir où
les neurones primitifs issus des différentes régions du
tube neural terminaient leur migration.
• Les animaux chimériques.
• L’incorporation de marqueurs radio-actifs dans l ’ADN
des neurones primitifs.
• L’incorporation de colorants fluorescents dans les
neurones primitifs.
• L’incorporation de gènes rapporteur insérés à l ’aide de
rétrovirus dans les neurones primitifs.
Les animaux chimériques
• La première de ces techniques a été inventée
par Nicole LeDouarin qui a créé des animaux
chimériques (caille-poulet) en greffant une
partie du tube neural d’une caille à un
embryon de poulet.
• Cette technique a été utilisée pour démontrer
comment les neurones primitifs issus de
différents niveaux axiaux suivaient des routes
migratoires différentes et engendraient des
progénitures différentes.
Expériences de Nicole Le Douarin
Marquage radio-actif des neurones primitifs
• Dans une autre technique, des cellules
primitives sont retirées d’un embryon
puis incubées dans une solution de
[3H]thymidine qui s’incorpore dans le
noyau cellulaire pendant la synthèse de
l’ADN.
• Les cellules transplantées dans un
nouvel embryon peuvent être retracées
par la radio-activité qu’elles émettent.
Marquage radio-actif des neurones primitifs/2
• Comme la [3H]thymidine est incorporée à
l’ADN des cellules-filles, ces dernières
deviennent aussi radio-actives (et
détectables).
• Bien que la [3H]thymidine reste
prisonnière à l’intérieur de la cellule, les
divisions répétées des cellules marquées
viennent à diluer le marqueur
suffisamment pour que l’on ne puisse plus
le distinguer
Coloration des neurones primitifs
• Une autre technique consiste en l’injection
d’un colorant fluorescent lypophilique (DiI)
qui reste prisonnier à l’intérieur des cellules
primitives et dont une partie est transmise
aux cellules-filles lors de la division
cellulaire.
• Cependant à mesure des divisions
cellulaires, le colorant est progressivement
dilué et n ’est plus visible.
Une autre expérience de N. LeDouarin
Dans un premier temps, on enlève chez un
embryon de poulet la moitié du tube neural dans
la région du mésencéphale.
région enlevée
région intacte
Dans un deuxième temps, on injecte un colorant DiO (vert)
dans la région mésencéphalique résiduelle et un colorant
DiI (rouge-orange) dans la région du tronc cérébral.
mésencéphale
tronc cérébral
Finalement, 36 heures plus tard, on peut voir que les
cellules primitives du tube neural mésencéphalique ont
migrées pour former la crête neurale du mésencéphale.
mésencéphale
Finalement, 36 heures plus tard, on peut aussi voir que les
cellules primitives du tube neural de la région du tronc
cérébral ont migrées dans le second arc bronchial.
second arc branchial
Migration des cellules du télencéphale
• La migration des neurones primitifs de la crête
neurale débute dès que les replis neuraux se sont
fusionnés pour fermer le tube neural.
• Les neurones primitifs de la crête neurale antérieure
(du télencéphale) migrent ventralement en passant
entre le diencéphale et l’oeil embryonnaire.
• Ceux du mésencéphale prennent une route
ventrolatérale
• Ceux du tronc cérébral se divisent en trois voies qui
se dirigent ventromédialement vers les arcs
bronchiaux.
Dans la région du tronc, les cellules de la crête neurale
vont former les structures du système nerveux
périphérique incluant les chaînons des ganglions
sympathiques les ganglions de la racine dorsale
Dans la région du tronc, les cellules de la crête neurale
vont migrer ventralement (flèche jaune) dans la région
rostrale du dermatome du somite mais évitent la région
caudale. Ils formeront les neurones de la racine dorsale
et des ganglions sympathiques ainsi que les cellules de
Schwann et les cellules chromaffines des surrénales
ectoderme
dermatome
sclérotome
tube neural
aorte
R
C
R
C
R=rostral
C=caudal
Dans la région du tronc, les cellules de la crête neurale
vont aussi migrer dorsalement (flèches roses) entre
l ’épiderme (ectoderme) et le sclérotome pour
éventuellement former les mélanocytes.
ectoderme
dermatome
sclérotome
tube neural
aorte
R
C
R
C
R=rostral
C=caudal
Une combinaison d’indices permissifs et
d’indices répulsifs guide la migration des
cellules de la crête neurale
• Les cellules de la crête neurale utilisent mode
de locomotion de type « fibroblaste »
ressemblant à celui des cellules métazoaires.
• La motilité des cellules de la crête neurale est
facilitée par les intégrines, une classe de
récepteurs adhésifs situés sur la surface des
cellules et se fixant à des composantes de la
matrice extracellulaire.
Motilité cellulaire
Les cellules de la crête neurale se
déplace dans des régions ne contenant
pas d’autres cellules
• La fibronectine et la laminine sont les deux
substrats de la matrice extracellulaire auxquels
s ’attachent les cellules en migration.
• Comme les cellules transplantées d’une région du
tube neural à l’autre se déplacent également bien,
la matrice extracellulaire est un substrat permissif
plutôt qu ’instructif pour la migration.
• Il semble que les cellules en migration de la crête
neurale se déplacent de façon aléatoire.
Les cellules en migration sont gardées dans
« le droit chemin » par des signaux inhibiteurs
en provenance des tissus avoisinants.
• Ces signaux inhibiteurs forment des corridors
qu ’empruntent les cellules migratrices.
• Une fois que les cellules postmigratrices sont
rendues à destination, ils se mettent à
exprimer des molécules des superfamilles des
immunoglobulines G et des cadhérines. Ces
signaux facilitent l ’agrégation des cellules en
ganglions où ils se différencient en cellules
gliales et en neurones.
Sommaire
• Les cellules de la crête neurale migrent sur de longues
distances dans le corps pour former différent types de
cellules incluant les neurones, les cellules gliales, les
mélanocytes et les cellules des surrénales.
• Les voies migratrices des cellules de la crête neurale
varient le long de l ’axe antérieur-postérieur et
l ’environnement local dans lequel les cellules migrent
joue un rôle important dans la détermination des types
de neurones.
• La migration est guidée à la fois par des indices positifs
(attractifs ou permissifs) et des indices inhibiteurs
(répulsifs) qui se retrouvent dans la matrice
extracellulaire.
Développement du système nerveux central
• Comme pour le système nerveux
périphérique, les neurones du système
nerveux central sont générés à des endroits
très éloignés de leur position finale.
• Contrairement à la population de la crête
neurale, le développement du système
nerveux central s’édifie à partir d’une
organisation en colonnes.
• Cette organisation en colonnes favorise la
migration radiale des cellules.
Les mouvements des cellules nerveuses primitives
à partir des zones germinales du SNC amènent la
formation de 3 classes générales de structures:
• 1- Les structures en couches qui ont des
patrons de migration radiaux comme le cortex,
l’hippocampe et le cervelet.
• 2- Les structures en couches qui ont des
patrons de migration mixtes, radial et
tangentiel comme la rétine et la moëlle
épinière.
• 3- Les structures qui ne se développent pas en
couches tels le tronc cérébral, le mésencéphale
et le diencéphale.
Ramón y Cajal
La zone ventriculaire forme un
neuroépithélium organisé en colonne et
pseudostratifié
Sidman et Rakic
Certaines cellules à la surface des
ventricules apparaissent sphériques et se
préparent à se diviser
D ’autres cellules arrondies à la surface
externe sont de jeunes neurones en train
de se différencier
À l’intérieur de la zone ventriculaire, les
premières cellules qui se différencient
sont les cellules gliales radiales
• Ces cellules projettent de longs appendices
perpendiculairement à la surface ventriculaire
en direction de la surface cérébrale.
• Ces appendices continuent de se prolonger à
mesure que le tissu cortical s’épaissit.
• Ces appendices sont la base de l’arrangement
en colonne du tissu nerveux car ils
déterminent des voies migratoires pour les
jeunes neurones.
Les zones embryonnaires initiales sont les
futurs neurones et cellules gliales du cortex
cérébral. La zone ventriculaire contient ces
cellules primitives.
zone ventriculaire
8.5 semaines
Les premiers neurones à être générer colonisent la
pré-plaque; leurs axones, ainsi que les axones issus
du thalamus colonisent la zone intermédiaire
pré-plaque
zone intermédiaire
zone ventriculaire
10 semaines
Les neurones des
zone marginale
futures couches II-VI
qui sont générés
ensuite colonisent la
plaque corticale qui
plaque corticale
divise la pré-plaque
en deux parties: la
sous-plaque
zone marginale (la
future couche I) et la zone intermédiaire
sous-plaque un
groupe de neurones
en transition
zone ventriculaire
12 semaines
À la fin de la migration
neuronale et la
différenciation, six couches
corticales sont établies audessus de la matière blanche
et la sous-plaque a
pratiquement disparue.
I
II
III
IV
V
VI
matière blanche
Quand des cellules de la couche granulaire du cervelet
d’une souris sont transplantées dans le cervelet d’un
autre embryon de souris, elles se différencient
uniquement en cellules granulaires.
Couche granulaire externe
Couche moléculaire
Couche des cellules de Purkinje
Couche granulaire interne
Les cellules transplantées sont marquées d ’un colorant
fluorescent. Deux jours après la transplantation, les
cellules marquées déploient des fibres parallèles
Couche granulaire externe
Couche moléculaire
Couche des cellules de Purkinje
Couche granulaire interne
Trois ou quatre jours après la
transplantation, les cellules débutent leur
migration à travers la couche moléculaire
Couche granulaire externe
Couche moléculaire
Couche des cellules de Purkinje
Couche granulaire interne
Six jours après la transplantation, les
cellules atteignent la couche granulaire
interne où ils prennent la forme typique
des neurones granulaire à maturité
Couche granulaire externe
Couche moléculaire
Couche des cellules de Purkinje
Couche granulaire interne
Neurones marquées ayant terminé leur
migration vers la couche granulaire
interne et leur différentiation
C. gran. ext.
Couche mol.
C. gran. int.
Étapes migratoires
prolifération
migration
transition
Différentiation
terminale
couche externe du cerveau
Neurones en
migration
neurone en
migration
zone migratoire
fibre gliale
couche interne du cerveau
Résumé des étapes de la migration des cellules
de la couche granulaire externe vers la couche
interne où ils terminent leur différenciation.
1
2
3
fibre de la
cellule de
Bergman
4
5
6
Cellule de Purkinje
Cellule gliale de Bergmann
7
dessin de
C.A. Mason
1:Les cellules primitives se divisent, générant
des neurones post-mitotique.
1
2
3
fibre de la
cellule de
Bergman
4
5
6
Cellule de Purkinje
Cellule gliale de Bergmann
7
2: Les neurones déploient deux longs axones
appelées fibres parallèles qui sont ... parallèles
à la surface du cervelet.
1
2
3
fibre de la
cellule de
Bergman
4
5
6
Cellule de Purkinje
Cellule gliale de Bergmann
7
3: Le neurone granulaire en forme de T
s ’attache à une fibre de la cellule gliale de
Bergman et se déplace le long de celle-ci.
1
2
3
fibre de la
cellule de
Bergman
4
5
6
Cellule de Purkinje
Cellule gliale de Bergmann
7
4-5: La migration continue et les fibres
parallèles prennent de l ’expansion.
1
2
3
fibre de la
cellule de
Bergman
4
5
6
Cellule de Purkinje
Cellule gliale de Bergmann
7
6: Quand le neurone atteint la couche granulaire
interne, celui-ci se détache de la « route » gliale
7: Le neurone complète sa différentiation en
déployant de courts dendrites et formant des
contacts synaptiques
1
2
3
fibre de la
cellule de
Bergman
4
5
6
Cellule de Purkinje
Cellule gliale de Bergmann
7
Chez les vertébrés, des matrices
germinales secondaires se forment dans la
zone sous-ventriculaire.
• Durant la neurogénèse primaire et la migration,
les principaux neurones de projection du
télencéphale, du mésencéphale et du cortex
cérébelleux sont sont générés et assemblés en
couches.
• Durant les phase subséquentes de la
neurogénèse, des zones germinales
secondaires se forment dans la zone sousventriculaire qui est située immédiatement audessus des ventricules
Ces matrices germinales secondaires semblent
avoir apparues chez les mammifères les plus
évolués afin de générer des abondantes
populations neuronales tard dans le
développement du SNC.
• Chez la souris, la neurogénèse secondaire se
continue durant la deuxième semaine après la
naissance.
• Chez l’humain, la neurogénèse secondaire se
poursuit jusqu’à deux ans. Les neurones
produit durant cette période sont surtout des
petits interneurones comme les cellules
granulaires du cervelet et de l’hippocampe
Des nouvelles cellules peuvent être détectées dans le
cerveau humain adulte
a: La région hioppocampique d ’un cerveau humain
adulte colorée à l’aide d’une réaction immunohistochimique mettant en évidence le marqueur neuronal NeuN.
b: La couche de cellule granulaire (GCL) du gyrus dentelé
de l’hippocampe colorée à l’aide d’une réaction immunohistochimique mettant en évidence le marqueur neuronal
NeuN.
Neurogenesis in the adult human hippocampus, Peter S. Eriksson1, 4, Ekaterina Perfilieva1,
Thomas Björk-Eriksson2, Ann-Marie Alborn1, Claes Nordborg3, Daniel A. Peterson4 & Fred H.
Gage4 Nature Medecine, November 1998 Volume 4 Number 11 pp 1313 - 1317
Des nouvelles cellules peuvent être détectées dans le
cerveau humain adulte qui ont été traité avec le BrDu
c et d, Noyaux cellulaires marqués avec le BrdU dans le gyrus
dentelé. Ces noyaux qui se retrouvent dans la couche cellulaire
granulaire ont les caractéristiques des cellules granulaires
matures.
Des nouvelles cellules peuvent être détectées dans le
cerveau humain adulte qui ont été traité avec le BrDu
e et f, Noyaux cellulaires marqués avec le BrdU dans la zone
sousventriculaire du noyau caudé humain. Ces noyaux ont une
forme allongée caractéristique des cellules en migration dans
la même structure chez le rat.
Neurogenesis in the adult human hippocampus, Peter S. Eriksson, Ekaterina Perfilieva, Thomas
Björk-Eriksson, Ann-Marie Alborn, Claes Nordborg, Daniel A. Peterson & Fred H. Gage Nature
Medecine, November 1998 Volume 4 Number 11 pp 1313 - 1317
Neurones hippocampiques migrant in vitro le long
de prolongements de cellules astrogliales
provenant du cervelet
photo Dr. M.E. Hatten
Les neurones sont capables de migrer le long
d’une variété de fibres gliales radiales même
ceux provenant de d’autres régions du cerveau.
photo Dr. M.E. Hatten
Les neurones exprimant l ’hormone de
libération de la Gonadotropine (GnRH) migrent
de la cavité olfactive vers le cerveau
• Ces neurones qui se retrouvent dans
l ’hypothalamus produisent la GnRH, une
hormone clé pour la maturation des organes
reproducteurs.
• Les neurones primitifs pour les neurone GnRH
se retrouve dans la placode qui donnera la
muqueuse olfactive dans les cavités nasales.
• Chez la souris, environ 800 de ces neurones
migrent de 1 à 3 mm à travers le septum
nasal et entrent dans le cerveau en suivant les
axones des neurones olfactifs déjà en place.
Migration des neurones GnRH
bulbe olfactif
télencéphale
mésencéphale
GnRH
4
3
neurones
olfactifs
langue
nez
moelle
épinière
neurones récepteurs
des phéromone
Dans le syndrome de Kallman, une rare
anomalie génétique, les axones des
neurones olfactifs et des phéromones
migrent jusqu ’à la plaque criblée mais
s ’arrêtent sans entrer le cerveau.
• Le syndrome de Kallman s ’exprime par
l ’anosmie et l ’infertilité (hypogonadisme et
stérilité). L ’infertilité est due à l ’absence de
sécrétion de GnRH puisque les neurones
primitifs GnRH ne migrent pas dans
l ’hypothalamus.
Vecteurs viraux et thérapie génique
• Les virus causent un grand nombre de
maladies animales et il est ironique que ces
agents infectieux contenant uniquement
des acides nucléiques (ADN ou ARN) sont
maintenant employés comme des systèmes
thérapeutiques de livraison de gènes.
Vecteurs viraux et thérapie génique
• La thérapie génique peut s ’effectuer de
deux façons:
• La première est appelée thérapie génique
ex vivo dans laquelle des cellules sont
retirées de l ’individu à traiter, puis sont
amenées à se multiplier en culture. Les
cellules sont ensuite modifiées à l ’aide
d ’un vecteur viral et finalement réinjectées dans l ’individu
Vecteurs viraux et thérapie génique
• La deuxième est appelée thérapie génique
in vivo dans laquelle les vecteurs viraux
sont injectés dans des régions spécifiques
du cerveau, entrent dans les neurones et
ensuite les détruisent ou les modifient
sélectivement.
• Un grand nombre de virus ont été utilisés
en neuroscience, chacun ayant ses
avantages et désavantages.
Vecteurs viraux et thérapie génique
• Un type de virus, les rétrovirus, contiennent
un génome d ’ARN qui, après l ’entrée du
virus dans la cellule, doit être converti en
ADN complémentaire.
• Ce processus ne peut prendre place que s ’il
y a suffisamment de précurseurs d ’ADN;
ceux-ci ne sont présent en quantité
appréciable que dans les cellules se divisant
activement.
Vecteurs viraux et thérapie génique
• Les rétrovirus ont été
utilisés dans des
recherches portant sur le
développement du
cerveau. Dans ces
recherches, un gène
codant l ’enzyme ßgalatosidase (tiré de E.
Coli) est transféré dans
les cellules en
développement à l ’aide
de rétrovirus.
Vecteurs viraux et thérapie génique
• Dans cette image, on peut
voir grâce à cette
technique que les
neurones embryonnaires
dans la moelle épinière de
poulet migrent radialement
de la zone ventriculaire.
Puis certains neurones
prennent une direction
orthogonale (à 90 degrés).
Voies migratrices des neurones de la
région postérieure du thalamus humain
C=noyau caudé
3V=troisième ventricule
GE=ganglion de l ’éminence
C=noyau caudé
IC= capsule interne
GP=globus pallidus
CM=noyau centromédian
LV=ventricule latéral
H=hippocampe
GE=ganglion de l ’éminence