Développement des circuits neuromusculaires
Et pathologies
Françoise Helmbacher
http://www.helmbacher-ibdml.eu
Les différents types neuronaux dans la moelle épinière:
Ganglions sensoriels
(DRG: dorsal root ganglia)
(racine dorsale)
nocicepteurs
Dorsal:
sensoriel
Corne dorsale
Ventral:
moteur
mecanorécepteurs
Propriocepteurs
(ds muscles)
Corne ventrale
Racine ventrale, motrice
Coupe de moelle épinière
de souris adulte
Les différents types neuronaux dans la moelle épinière:
Le circuit reflexe
Ia afferents
Muscle spindle
muscle
Antagonist
muscle
Synergist
muscle
Motor pool position
Muscle position
Muscle – synapse - spindle
Sensory neurons- interneuron
Les différents types neuronaux dans la moelle épinière:
Le circuit reflexe: à quoi ca sert ?
Neurones sensoriels
proprioceptifs
Ia afferents
+
+-
Interneurone
inhibiteur
Motoneurones
Flexion
extension
Muscle extenseur
antagoniste
Muscles Fléchisseurs
synergiques
Expériences de traçages rétrogrades
Injection de colorants vitaux:
DiI, HRP, autres
Cartographie des pools de MNs par traçages rétrogrades
Marquages rétrogrades de deux pools de
motoneurones dans des embryons sauvages ou
suite à une greffe homotopique
Sartorius
femorotibialis
Matise and Lance-Jones 1996
Les différents types neuronaux dans la moelle épinière:
Cartographie des pools de MNs par tracages rétrogrades
Pools de Motoneurones spécifiques des muscles
Innervation des muscles des membres
Les motoneurones innervant un muscle sont regroupés en pools.
Pas de mélange des MNs de Pools distincts
Les différents types neuronaux dans la moelle épinière:
Marqueurs de Pools de Motoneurones
Chaque pool de motoneurones est aussi reconnaissable par les
genes (combinaisons de gènes) qu’il exprime
Diversification fonctionnelle des motoneurones
MMC
Medial motor
column
Muscles axiaux (dos)
LMC
lateral motor
columns
Muscles des membres
Target muscles
Moelle épinière
Muscles axiaux
(intercostaux)
Contrôle transcriptionnel de l’identité des pools?
Identité des pools PEA3+
pea3
PEA3: Facteur de transcription: contrôle de l’identité du pool
Quelles sont les cibles de PEA3 ?
Que contrôlent ces cibles ?
Concrètement:
Embryon de
souris, E12.5
Concrètement:
Embryon de
souris, E12.5
Moelle épinière
disséquée
Hybridations in situ sur moelles
épinières disséquées:
Concrètement:
PEA3 + ER81
PEA3 + Tel
Embryon de
souris, E12.5
LMC
brachiale
MMC
thoracique
Hybridations in situ sur moelles
épinières disséquées:
LMC
lombaire
Développement des motoneurones et des muscles
Motoneurones
Muscles
Naissance - neurogénèse
Programme de différenciation
Programme de différenciation
Migration des précurseurs
de muscles
Migration
Projections axonales
Mort et survie des MNs
Fusion, formation des myofibres
Adaptation du métabolisme
Développement du système nerveux:
Du tube neural au système nerveux adulte
diencéphale
mesencéphale
Ébauche du
cervelet
n.III
A
télencéphale
n.IV
rhombencéphale
g.V.
trijumeau
VO
g.VII
C1
g.VIII
n.V
n.XI
C2
n.VII
n.IX
n.X
n.XII
C3
C4
Plexus brachial
Innervation du
membre antérieur
P
V
D
Système nerveux d’un embryon
de souris de E13.5
Signaux de diversification des motoneurones
Tube neural
Moelle épinière
Signaux précoces
agissant sur les
précurseurs (FGF8, RA)
Signaux tardifs
agissant sur les
neurones postmitotiques
Vue d’ensemble: régionalisation de la moelle épinière
Développement du système nerveux:
formation du tube neural (neurulation)
a: Plaque neurale (neural plate)
b: goutière neurale (neural fold)
c: tube neural
Neurogenèse
Ex: moelle épinière et différenciation neuronale
Renouvellement des précurseurs: divisions symétriques
Neurogénèse: divisions asymétriques
(neurones = cellules post-mitotiques)
1- Développement du système nerveux:
1-e: régionalisation de la moelle épinière ventrale
Domaines de progéniteurs
ventraux
Types de neurones
ventraux
régionalisation de la moelle épinière :
Actions opposées de deux morphogènes: Shh et BMP
BMPs
Shh
régionalisation de la moelle épinière ventrale par le
morphogene Sonic Hedgehog (Shh)
Shh (ARN)
Shh (protéine)
Shh produit par la
notochorde + plaque du
plancher (Floor plate)
Des concentrations différentes de
Shh induisent des réponses
cellulaires distinctes
Mise en place de domaines de
progéniteurs distincts
régionalisation de la moelle épinière ventrale par le
morphogene Sonic Hedgehog (Shh)
1- Développement du système nerveux:
Du tube neural au système nerveux adulte
diencéphale
mesencéphale
Ébauche du
cervelet
n.III
A
télencéphale
n.IV
rhombencéphale
g.V.
trijumeau
VO
g.VII
C1
g.VIII
n.V
n.XI
C2
n.VII
n.IX
n.X
n.XII
C3
C4
Plexus brachial
Innervation du
membre antérieur
P
V
D
Système nerveux d’un embryon
de souris de E13.5
Conclusion
Régionalisation antéro-postérieure du système nerveux
•La formation de l’axe AP (ici souris) commence très précocement
(avant la gastrulation)
Exemples de régionalisation AP
moléculaire
Spécification précoce des MNs
Manipulations dans l’embryon de poulet: transpositions de fragments de tube
neural en position ectopique (ou inversée) à des stades précoces
Lance-Jones and Landmesser 1981; Matise and Lance-Jones 1996
Transplantation tardives: segments programmés
Inversion des segments LS1-3; Les MNs verts se retrouvent en position postérieure, et les
rouges en position antérieure. Comment cela affecte t-il leurs projections ?
les MNs (precurseurs) sont déjà programmés pour trouver leurs
cibles respectives
Matise and Lance-Jones 1996
Engagés dans une voie de spécification (commitment)
Régionalisation antéro-postérieure du système nerveux
Embryon de
poulet
•L’élongation de l’axe neural est concomitante de la gastrulation
•La spécification également
Signaux de l’environnement: acquisition de l’identité AP
Stade 13
Destinée non
déterminée
(précurseurs)
« naissance » des
motoneurones
Stade 15
Embryon de
poulet
Précurseurs engagés dans
une voie de spécification
(niveau AP)
1. Quels sont les signaux ?
2. D’où proviennent t-ils ?
3. Comment se manifeste l’identité AP ?
Engagement des précurseurs neuraux dans une voie de différentiation AP
Signaux de l’environnement: acquisition de l’identité AP
Embryon de
poulet
Stade 15
1. Quels sont les signaux ?
2. D’où proviennent t-ils ?
3. Comment se manifeste l’identité AP ?
Raldh2: rétinaldéhyde
deshydrogénase 2
Enzyme de sythèse de
l’acide rétinoique
Signaux de l’environnement: acquisition de l’identité AP
Embryon de
poulet
Stade 15
1. Quels sont les signaux ?
2. D’où proviennent t-ils ?
3. Comment se manifeste l’identité AP ?
Gènes Hox: facteurs de transcription à homéodomaine
Expression précoce dans les précurseurs
Signaux de l’environnement: acquisition de l’identité AP
Embryon de
poulet
Stade 15
1. Quels sont les signaux ?
2. D’où proviennent t-ils ?
3. Comment se manifeste l’identité AP ?
Autres marqueurs différenciant les niveaux AP:
RALDH2: LMCs
BMP5: MNs thoraciques (spécifiques)
Technique d’electroporation du tube neural d’embryons de Poulet
ADN
-
+
Injection
ADN
2 jours
D’incubation
electroporation
Signaux de l’environnement: acquisition de l’identité AP
Effet d’un signal postérieur
ectopique (FGF8) sur l’identité
AP des motoneurones
Electroporation d’un plasmide
d’expression FGF8 (+GFP)
Coté électroporé
Thoracique-Brachial
Hoxc9-Hoxc6
FGF8/GFP
Coté sauvage
Coté électroporé
Coté sauvage
Les différents types neuronaux dans la moelle épinière:
Cartographie des colonnes motrices et codes de facteurs de transcription
MMC
Medial motor
column
Muscles axiaux (dos)
LMC
Muscles des membres
lateral motor
columns
Target
muscles
Moelle épinière
Muscles axiaux
(intercostaux)
subdivision des colonnes motrices latérales
E10.5
Early born
Produce RA
E11.5
late born
RA -> Lim1
E12.5
Seggregation
LMC(m)/LMC(l)
E15.5
Colonnes
distinces
LMC(m) isl1+-RALDH2+
RA
New born LMC isl1+
LMC(l) Lim1+
Sockanathan & Jessell, 1998
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Spécification des trajectoires axonales par les FT Lim1 et Islet1
Generation des LMC(l)
Isl1
RA
Lim1
Lim1
isl1
Spécification des trajectoires
axonales
Dorsal
LMC(m)
Isl1
Lim1
LMC(l)
Lim1
Dorsal
Ventral
Kania et al., 2003
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Technique d’electroporation du tube neural d’embryons de Poulet
Kania et al., 2003
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Exemple des Facteurs de transcription Lim1 et Islet 1
Kania et al., 2003
Lim1 est suffisant pour l’innervation dorsale des LMCl
Islet1 pour l’innervation ventrale
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Exemple du Facteur de Transcription Lim1 et de l’innervation dorsale
Lim1TauLacZ
Anti-NF
Lim1tau-lacZ: trace LMC(l) axons
Kania et al., 2000
Lim1 est nécessaire pour l’innervation dorsale des LMCl
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Mécanismes types de Guidage axonal
Voir aussi cours Fanny Mann
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Molécules classiques de Guidage axonal
Voir aussi cours Fanny Mann
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
la vue d’ensemble
epaxial
hypaxial
Dorsal limb muscles
LMC(l)
Lim1
Non-appendicular
migratory muscles
PEA3
Dorsal
EphA4-ephrinAs (Helmbacher 2000,
Kania 2003, Eberhardt 2004)
Ret-GDNF (Kramer 2006)
?
Ventral limb muscles
Np1-Sema3 (Huber 2005)
LMC(m)
Isl1
Lim1
EphBs-EphrinBs (Luria, 2008)
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Guidage des axones dorsaux: coopération de deux couples ligand/Récepteur
GDNF
Ret
Instructive ?
Permissive ?
EphA4
EphrinAs
repulsion
Deux signaux pour une décision de guidage axonal
Comment coopèrent-ils ?
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Signalisation bidirectionnelle par les ephrines et leurs récepteurs Ephs
R. Klein 2008
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Guidage des axones dorsaux: Role essentiel du Récepteur EphA4
EphA4
EphrinAs
WT
EphrinAs
EphA4-/Helmbacher et al. 2000
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Guidage des axones dorsaux: Role essentiel du Récepteur EphA4
EphA4
EphrinAs
WT
EphrinAs
-/EphA4EphA4
overexpression
Eberhart et al., 2002;
Helmbacher
al. 2000
Kania et al., et
2003
Contrôle Transcriptionnel des trajectoires des axones moteurs ?
Guidage des axones dorsaux: GDNF/Ret aussi
GDNF
GDNF
Ret
WT
Ret-/Kramer et al., 2006
TWO signals
THREE
signals
for
for
one
one
guidance
guidance
decision
decision
EphrinAs
Ret
EphA4
Ret ?
EphrinAs
GDNF
EphA4
Ret ?
Signaux de diversification des motoneurones
Tube neural
Moelle épinière
Signaux précoces
agissant sur les
précurseurs (FGF8, RA)
Signaux tardifs
agissant sur les
neurones postmitotiques
Studying functional diversification of Neuromuscular circuits
Motor Neuron pools :
Combinatorial codes
Retrograde Signals
– guidance cues
- Specification
- survival
- target selection
- NMJ formation
Muscles :
Identity cues ???
Anterograde signals
– intra-muscular patterning
- Migration / Shape
- NMJ formation
- activity-dependent plasticity
Æ Relevance for MN/Muscle pathologies ?
Ægeneric
ÆSubtype specific
Diversification fonctionnelle des motoneurones
brachial
Un exemple de
Pool bien étudié
Example of co-developing muscle and MN pool: the GDNF/PEA3 circuit
Gndf-lacZ
CM
PEA3
PEA3
GDNF
HGF
Forelimb
E12.0
Livet et al., 2002; Haase et al., 2002
Helmbacher et al., 2003
Vrieseling et al., 2006, 2010
GDNF labels/specifies PEA3 target muscles
Example of co-developing muscle and MN pool: the GDNF/PEA3 circuit
Gndf-lacZ
CM
Pea3-/-
Ab- anti NF
WT
Forelimb
E12.0
Livet et al., 2002; Haase et al., 2002
GDNF labels/specifies PEA3 target muscles
GDNF et l’induction de PEA3
Ant
PEA3
post
GDNF
Membre antérieur
MNs brachiaux
E10.5
PEA3
GDNF
Membre antérieur
E12.0
Livet et al., 2002; Haase et al., 2002
Axones des motoneurones PEA3 exposés à une source de GDNF
Dissect brachial spinal cord
before onset of pea3
expression
A
33-38 somites
ct
C
G
GDNF induces
pea3 in C7-C8
wt
gdnf-/pea3-/-
Absence of
pea3 axons
Quel role couvre un facteur de transcription comme PEA3 ?
Ia afferents
Muscle spindle
muscle
Antagonist
muscle
Synergist
muscle
Position des pools de Motoneurones
Projections axonales,
Positionnement des dendrites
Contrôle de la position des pools par PEA3
PEA3 est essentiel pour déterminer la position des corps cellulaires
From Livet et al., 2002
Quelle cible transcriptionnelle est responsable ?
Contrôle de la position des pools par PEA3
Cibles transcriptionnelles de PEA3 ? Cadherines ?
pea3-/-
Cadherin 8
wt
Cadherin 8:
adhesion ?
contrôle de la position relative des pools de MNs ?
Contrôle de la position des pools de motoneurones?
ségrégation des pools: rôles des cadhérines
MN Cad
Une combinatoire de cadherines
eF Cad
Price et al., 2002
Contrôle de la position des pools de motoneurones?
ségrégation des pools: rôles des cadhérines
Surexpression des
Cadhérines dans le
tube neural par
Electroporation
Price et al., 2002
Contrôle de la position des pools de motoneurones?
ségrégation des pools: rôles des cadhérines
MN cad in the A pool
(adductor muscle)
eF MNs overexpressing MN cad
mix with A MNs
A MNs expressing
DN-MN cad mix
with eF MNs
Price et al., 2002
PEA3 contôle le profil d’arborisation dendritique des MNs
Expériences de traçages rétrogrades
PEA3+
PEA3+
Vrieseling et al., 2006
Quelle cible transcriptionnelle est responsable ? inconnue
Connectivité sensori-motrice: l’arc réflexe
Ia afferents
Muscle spindle
muscle
Antagonist
muscle
Synergist
muscle
C’est vrai pour tous les pools de MNs, Sauf ceux qui expriment PEA3
Contrôle de connectivité sensori-motrice
PEA3 spécifie l’absence de connection monosynaptique
CM: PEA3positif
Connection indirecte
(di- ou poly-synaptique)
Triceps: PEA3negatif
Connection directe
(monosynaptique)
Quelle cible transcriptionnelle est responsable ?
Vrieseling et al., 2006
Contrôle de connectivité sensori-motrice
PEA3 détermine l’absence de connection monosynaptique
CM: PEA3positif Connection indirecte (di- ou poly-synaptique)
Triceps: PEA3negatif Connection directe (monosynaptique)
Quelle cible transcriptionnelle est responsable ?
Vrieseling et al., 2006
Contrôle de la connectivité sensorimotrice par PEA3
Cible transcriptionnelle effectrice ?
pea3-/-
Sema3E
wt
Sema3E dans les MNs
CM: PEA3positif
PlexD1 dans les neurones
sensoriels proprioceptifs
Connection indirecte
(di- ou poly-synaptique)
Sema3E-PlexinD1: guidage axonal (repulsion)
Contrôle de la connectivité sensorimotrice par PEA3
Cible transcriptionnelle effectrice ? Sema3E ?
PEA3+
Sema3E+
PEA3negatif
Sema3Enegatif
Pecho-Vrieseling et al., 2009
Sema3E: effecteur de la répulsion des afferents PlexD1:
Empêche la connection monosynaptique
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