Développement des circuits neuromusculaires Et pathologies
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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
