Structural Composition and Functional Characterization of the Synapse in lntellectual Disabilities

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ID Serval
serval:BIB_3DB244DE3AC5
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Institution
Titre
Structural Composition and Functional Characterization of the Synapse in lntellectual Disabilities
Auteur⸱e⸱s
Gastaldo Denise
Directeur⸱rice⸱s
Bagni Claudia
Codirecteur⸱rice⸱s
Mercaldo Valentina
Détails de l'institution
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2022
Langue
anglais
Résumé
Glutamate is the most abundant excitatory neurotransmitter in the brain and glutamatergic synapses are instrumental for many brain processes during brain development and adulthood. They are asymmetric structures characterized by a dense lamina called post-synaptic density, on which are anchored many proteins that are important for their correct functioning. Although some of the proteins are conserved among glutamatergic synapses, more than 1 billion of individual and structurally different synapses have been identified, suggesting that glutamatergic synapses are extremely numerous and heterogeneous.
Mutations in the proteins that compose the glutamatergic synapses lead to the so called "synaptopathies", which can be revealed at different stages of life, from early development to aging.
Among the different synaptopathies, the Fragile X syndrome (FXS) is one of the most studied. FXS is the most common form of inherited intellectual disability, with a prevalence of 1:6000 in males and 1:8000 in females. FXS is characterized by a series of clinical and behavioral features, which span from body abnormalities to epilepsy, social defects, and perseverative behaviors. Sorne of these features are shared among other disorders, including autism spectrum disorders (ASOs), that affects a large percentage (60%) of FXS individuals. FXS is caused by the absence of FMRP, an RNA-binding protein which plays a crucial role in RNA metabolism. During the past years, many efforts have converged to study the effect of FMRP reduction/absence and to characterize FXS behaviors in animal models. However, a clear causal link between the typical molecular alterations observed in FXS and how these impact on specific brain circuits and behaviors is still largely unknown.
A fraction of the FXS individuals (14%) is prone to develop epilepsy, especially during adolescence. Epilepsy is characterized by the occurrence of recurrent seizures caused by neuronal hyperexcitability that can result, if prolonged, in the so-called status epilepticus (SE). lt affects synapse functioning and involves 1-2% of the population worldwide. As of today, it remains not adequately treated in about one third of the cases. Many studies highlighted the role of several genes in the pathogenesis of epilepsy and discovered that alterations in RNA-binding proteins, including FMRP and FXR2P, have a crucial role in the development of the disease.
My PhD work aimed at understanding how altered levels of two RNA-binding proteins such as FMRP and FXR2P, a FMRP homologue, impact differentially on the protein composition of glutamatergic synapses in different brain regions, and to link these molecular alterations to specific behavioral features in animal models.
We discovered that the absence of FMRP impacts specifically on the PSD protein composition of the striatum in a mouse that model FXS, the Fmr1Y1- mouse. Actin­ dynamics are perturbed, and these alterations are linked to impaired striatal-dependent behavior. Rescuing the actin-defects promoted an amelioration of this behavioral deficits.
ln addition, we discovered that the absence of FXR2P in mice leads to reduced sensitivity to kainic acid-induced status epilepticus. We found that FXR2P associated mRNAs are enriched in genes that encode glutamatergic post-synaptic components and significantly overlap with epilepsy and SE risk genes. Our findings show that the absence of FXR2P decreases the expression of glutamatergic proteins in the hippocampus, preventing self-sustained seizures.
Finally, we described two unrelated families having one child with FXS and another sibling with mild intellectual disability and behavioral features reminiscent of FXS. Examining the FMRP levels in different tissues from these individuals, we highlighted that decreased FMRP levels correlate with the severity of FXS clinicat phenotypes.
ln conclusion, our results provide extensive evidence on how FMRP and FXR2P absence induces changes in protein composition at the synapses, which causes specific behavioral features, and how FMRP level correlates and impacts the severity of the clinical phenotypes.
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Le glutamate est le neurotransmetteur excitateur le plus abondant dans le cerveau, et les synapses glutamatergiques jouent un rôle déterminant dans de nombreux processus cérébraux pendant le développement du cerveau et à l'âge adulte. Ce sont des structures asymétriques caractérisées par une lame dense appelée densité post­ synaptique, sur laquelle sont ancrées de nombreuses protéines importantes pour leur bon fonctionnement. Bien que certaines des protéines soient conservées parmi les synapses glutamatergiques, plus d'un milliard de synapses individuelles et structurellement différentes ont été identifiées, ce qui suggère que les synapses glutamatergiques sont extrêmement nombreuses et hétérogènes.
Des mutations dans les protéines composant les synapses glutamatergiques conduisent à ce qu'on appelle les « synaptopathies », qui peuvent être révélées à différents stades de la vie, du développement précoce au vieillissement.
Parmi les différentes synaptopathies, le syndrome de l'X fragile (FXS) est l'une des plus étudiées. Le FXS est la forme la plus courante de déficience intellectuelle héréditaire, avec une prévalence de 1:6000 chez les hommes et de 1:8000 chez les femmes. Le FXS se caractérise par une série de ca(actéristiques cliniques et comportementales, qui vont des anomalies corporelles à l'épilepsie, en passant par les altérations sociales et les comportements persévérants. Certaines de ces caractéristiques sont partagées avec d'autres troubles, y compris les troubles du spectre autistique (TSA), qui affectent un grand pourcentage (60%) des individus FXS. Le FXS est causé par l'absence de FMRP, une protéine de liaison à l'ARN qui joue un rôle crucial dans le métabolisme de l'ARN. Au cours des dernières années, de nombreux efforts ont convergé pour étudier l'effet d'une réduction/absence de FMRP et pour caractériser les comportements du FXS dans des modèles animaux. Cependant, un lien de causalité clair entre les altérations moléculaires typiques observées dans le FXS et leur impact sur des circuits cérébraux et des comportements spécifiques est encore largement inconnu.
Une fraction des individus atteints du FXS (14%) est susceptible de développer une épilepsie, en particulier pendant l'adolescence. L'épilepsie se caractérise par l'apparition de crises récurrentes causées par une hyperexcitabilité neuronale qui peut aboutir, si elle est prolongée, à ce que l'on appelle le statut épileptique (SE). Elle affecte le fonctionnement des synapses et concerne 1 à 2% de la population mondiale.
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A ce jour, elle demeure sans traitement adéquat dans environ un tiers des cas. De nombreuses études ont mis en évidence le rôle de plusieurs gènes dans la pathogenèse de l'épilepsie et ont découvert que des altérations des protéines de liaison à l'ARN, notamment FMRP et FXR2P, jouent un rôle crucial dans le développement de la maladie.
Mon travail de thèse visait à comprendre comment les niveaux modifiés de deux protéines de liaison à l'ARN telles que FMRP et FXR2P, un homologue de FMRP, ont un impact différentiel sur la composition protéique des synapses glutamatergiques dans différentes régions du cerveau, et à lier ces altérations moléculaires à des caractéristiques comportementales spécifiques dans modèles animaux.
Nous avons découvert que l'absence de FMRP a un impact spécifique sur la composition protéique de la densité post-synaptique au niveau du striatum chez la souris Fmr1Y1-, un modèle du FXS. La dynamique de l'actine est perturbée et cette altération est liée à une altération des comportements qui dépendent du striatum. En effet, restaurer la dynamique de l'actine permettait une amélioration des troubles comportementaux.
De plus, nous avons découvert que l'absence de FXR2P chez la souris entraîne une sensibilité réduite à l'état épileptique induit par l'acide kaïnique. Nous avons constaté que les ARNm associés à FXR2P sont enrichis en gènes qui codent pour les composants post-synaptiques glutamatergiques et coïncident de manière significative avec les gènes de risque d'épilepsie et d'état épileptique. Nos résultats montrent que l'absence de FXR2P diminue l'expression des protéines glutamatergiques dans l'hippocampe, prévenant ainsi les crises auto-entretenues.
Enfin, nous avons décrit deux familles non apparentées ayant un enfant atteint du FXS et un autre, frère ou sœur, avec une déficience intellectuelle légère et des caractéristiques comportementales rappelant le FXS. En examinant les niveaux de FMRP dans différents tissus de ces individus, nous avons mis en évidence qu'une diminution des niveaux de FMRP est en corrélation avec la sévérité des phénotypes cliniques du FXS.
En conclusion, nos résultats fournissent de nombreuses preuves sur la façon dont l'absence de FMRP et de FXR2P induit des changements dans la composition des protéines au niveau des synapses, ce qui provoque des caractéristiques comportementales spécifiques, et comment le niveau de FMRP est corrélé et impacte la gravité des phénotypes cliniques.
Création de la notice
25/08/2022 11:37
Dernière modification de la notice
26/08/2022 5:42
Données d'usage