Engrailed : hippocampal expression and role in dendritic complexity
Etude de l’expression de l'homéoprotéine Engrailed dans l’hippocampe et de ses effets sur la complexité dendritique
Résumé
Engrailed (En) is an important transcription factor in embryo’s segmentation and anterior-posterior axis establishment during early embryogenesis. As several homeoproteins, Engrailed can act as an extracellular signalling molecule which can be internalized by target cells thanks to its penetratin domain and act through transcriptional and/or translation dependent mechanisms. Engrailed has for instance, translation-dependent effects on axonal guidance and cerebral infusion of Engrailed protects dopaminergic neurons in a Parkinson disease model by increasing mitochondrial protein translation. Also, cognitive defects were observed in En1+/+ and En2-/- and En2 expression is increased in ASD patients. This work consisted in extending the knowledge of Engrailed expression and functions. We explored the links with a telencephalic structure where it is a priori fewly expressed (hippocampus). Our results confirm En1 and En2 expression in the mature hippocampus and describe their respective expression along the development of this structure. En1 and En2 have different expression patterns during the first post-natal week as well as in the adulthood suggesting a genetic dosage of Engrailed during the development, specifically with the beginning of synaptogenesis. We also reveal that Engrailed, expressed in hippocampal neurons, is more expressed in GABA-ergic neurons, notably in their dendritic and axonal neurites. We observe that an excess of Engrailed (described in some ASD cases) increases dendritic complexity as well as plastic dendritic spine density, without affecting mature excitatory synapses. We show that En2-/- and heterozygote En1 mice have variations in dendritic spine density, which confirms that Engrailed is involved either in their formation or stabilization. Even though our experiments show no modification of synapse density with an excess of Engrailed, a mutant showing a decreased eIF4E interaction and less efficient than wild type Engrailed to increase dendritic spine density, decreases presynaptic button density and synaptic matching. Those results indicate that eIF4E interaction with Engrailed is, at least in part, responsible for its effects on spinogenesis and suggest a role of Engrailed in presynaptic button formation/stabilization. Key-role of eIF4E in translation allow to hypothesize that some of Engrailed effects we report could be translation dependent. In this sense, our results show that Engrailed is able to increase proteic synthesis in hippocampal neurons. This translation is different from the one induced by chemical LTP (LTPc): it is not altered by synthetic AβO, which are the main toxic agent when produced at abnormally high levels in Alzheimer disease. Engrailed is also able to restore defaulting translation in neurons from Alzheimer disease mice model (TG2576). As a whole, our results identify Engrailed as a novel actor in dendritic plasticity. They reveal that an excess of Engrailed during synaptogenesis can modify dendrite characteristics. This can lead to dendritic network dysfunction in a context of pathologic surexpression of Engrailed. Our observations open to new perspectives contributing to a better understanding of the relationship between Engrailed and ASD. Finally, this work lays the foundation to potentially fruitful links between Engrailed and AβOligomers signalling pathways, where modulation of protein synthesis could be a therapeutic lever in physiopathologic conditions.
Engrailed (En) est un facteur de transcription important pour la mise en place de la segmentation de l’embryon et du plan d’organisation antéro-postérieur. Comme d’autres membres de la famille des homéoprotéines, Engrailed peut aussi agir comme une molécule de signalisation extracellulaire, internalisable grâce à son domaine « pénétratine » et stimulant dans la cellule cible la transcription ou la traduction des ARNm. De cette façon, Engrailed guide les axones en modifiant la traduction dans le cône de croissance axonal et l’infusion cérébrale d’Engrailed protège les neurones dopaminergiques dans un modèle de la maladie de Parkinson en augmentant la traduction de protéines mitochondriales. Des troubles cognitifs et un déficit des interactions sociales ont été observés chez les souris En1+/- et les souris En2-/-. Une augmentation de l’expression d’En2 a aussi été observée chez des patients atteints de troubles du spectre autistique. Néanmoins, le lien entre les modifications de l’expression d’Engrailed et l’autisme ne sont pas compris. L’objectif de cette thèse a été d’étendre notre connaissance des fonctions d’Engrailed dans une région télencéphalique où elle est a priori peu exprimée (l’hippocampe). Nos résultats confirment l’expression d’En1 et En2 dans l’hippocampe mature et décrivent les variations de l’expression de ces gènes au cours du développement de cette structure. En1 et En2 présentent des patrons d’expression différents pendant la première semaine postnatale et chez l’adulte suggérant que des variations du dosage génique d’Engrailed sont liées à certaines phases du développement, en particulier au début de la synaptogenèse. Nous avons également découvert que dans les cultures de cellules d’hippocampe Engrailed est exprimé dans les neurones et que son expression est plus forte dans les neurones GABA-ergiques, notamment dans leurs prolongements dendritiques et axonaux. Nous avons constaté qu’un excès d’Engrailed (décrit dans certains cas de TSA) augmente la complexité dendritique ainsi que la densité des épines dendritiques plastiques mais sans augmenter parallèlement la formation de synapses matures excitatrices. Nous avons observé des variations de densité des épines dendritiques chez les souris En2-/- et les souris En1+/-, ce qui confirme l’implication d’Engrailed dans leur formation ou leur stabilisation. Si dans nos conditions expérimentales l’excès d’Engrailed ne modifie pas la densité des synapses, un mutant d’Engrailed qui présente une interaction réduite avec eIF4E est moins efficace qu’Engrailed pour augmenter la densité des épines et diminue la densité des boutons présynaptiques et le synaptic matching. Ces résultats indiquent que l’interaction avec eIF4E régule au moins en partie les effets d’Engrailed sur la spinogenèse et suggèrent également une implication d’Engrailed dans la formation ou la stabilisation des boutons présynaptiques. Le rôle clef d’eIF4E dans la traduction permet de postuler que certains effets d’Engrailed observés dans notre étude pourraient dépendre de la synthèse protéique. Nos résultats montrent à cet égard qu’Engrailed augmente la synthèse protéique dans les neurones d’hippocampe. Cette traduction est différente de celle induite par la LTP chimique (LTPc) car insensible à l’action des oligomères synthétiques d’AβO, responsables sous leur forme naturelle de synaptopathies dans le contexte de la maladie d’Alzheimer. Engrailed permet également de restaurer la traduction défaillante de neurones issus de souris TG2576, modèles de la maladie d’Alzheimer. Dans leur ensemble, nos résultats identifient Engrailed comme un nouvel acteur de la plasticité dendritique. Ils révèlent qu’un excès d’Engrailed au cours de la synaptogenèse modifie les caractéristiques des dendrites, une situation susceptible d’altérer les caractéristiques fonctionnelles du réseau dendritique dans une situation de surexpression pathologique de la protéine. (...)
Origine : Version validée par le jury (STAR)