Mechanisms of brain dysfunction in myotonic dystrophy type 1 : impact of the CTG expansion on oligodendrocytes and myelin
Dysfonction des cellules oligodendriales et anomalies de la myéline dans un modèle de souris transgénique de la dystrophie myotonique de type 1
Résumé
Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is a neuromuscular disease that affects many tissues. Brain involvement is demonstrated by debilitating neurological symptoms, as well as brain structural changes, such as predominant white matter lesions. DM1 neurological manifestations have a profound impact on the daily life of patients and their families. DM1 is caused by the abnormal expansion of a CTG repeat in the 3¿UTR of the DMPK gene. Expanded transcripts are toxic: they accumulate in RNA aggregates (foci), affecting RNA-binding proteins and deregulating primarily the alternative splicing of downstream targets and other aspects of RNA metabolism. Today, we still do not know which cell types and molecular pathways are primarily affected in the brain and how they contribute to DM1 neurological symptoms. To investigate this problem our laboratory has developed a transgenic mouse model of DM1. The DMSXL mice express expanded human DMPK transcripts in multiple tissues, notably in the brain, and display relevant behavioural, electrophysiological and neurochemical phenotypes. As a result, these mice provide a powerful tool to study DM1 brain dysfunction. A previous global proteomics study of DMSXL brain tissue revealed changes in oligodendrocyte-specific proteins, among others. Together with the prevalent white matter lesions reported in patients, the abnormalities in mouse myelin proteins suggest the implication of oligodendrocytes (OL) in DM1 neuropathology. Thus, my project aimed to investigate OL and myelin dysfunction in the aetiology of DM1 brain disease. I first looked for signs of RNA toxicity in OLs and characterised myelin phenotypes in DMSXL mice. I confirmed RNA foci accumulation in vivo, associated with mild spliceopathy of candidate genes in OL isolated from adult mice. To confirm the impact on myelin biology, I studied the expression of key myelin protein components and found delayed expression in young DMSXL animals, as well as in other complementary mouse models of DM1. Although myelin protein deregulation was not accompanied by abnormalities in myelin ultrastructure, it was associated with a decrease in the number of myelinated axons, suggestive of early hypomyelination in these animals. To investigate whether hypomyelination was due to abnormalities in OL maturation, I quantified subpopulations of the oligodendroglial cell lineage and found a decrease in fully differentiated cells. Following the confirmation of myelin phenotypes in DMSXL mice, I investigated the underlying cellular physiology. To this end, I used DMSXL mice as a renewable source of homogenous cultures of OL. I optimised cell culture conditions and semi-automated analysis of live-cell videomicroscopy to monitor OL proliferation and differentiation in culture. Although displaying normal proliferation in culture, DMSXL OL precursor cells (OPC) display signs of impaired migration and defective differentiation. To gain insight into the molecular mechanisms behind OL defective differentiation, I used RNA sequencing to find expression and splicing events deregulated in primary DMSXL OLs. Gene ontology analysis of transcriptome abnormalities pointed to abnormal expression of structural and regulatory components of the cytoskeleton, as well as critical signalling pathways involved in cell motility and differentiation. Interestingly, the analysis revealed that the spliceopathy detected in DMSXL OLs recreates the splicing profiles of undifferentiated OPC, providing molecular support for the maturation delay of these cells. Importantly, the cell maturation defects are recreated to some extent in human OLs differentiated from DM1 iPS cells models. All together my work has provided novel insight into the cell-specific mechanisms operating in DM1, demonstrating the implication of OL and myelin defects in a DM1 mouse model, and contributing towards an integrative understanding of brain pathology.
La dystrophie myotonique de type 1 (DM1) est une maladie neuromusculaire multisystémique. L'atteinte cérébrale se manifeste par des symptômes neurologiques handicapants et des modifications structurales du cerveau, telles que des lésions prédominantes de la substance blanche. Les manifestations neurologiques de la DM1 impactent sévèrement le quotidien des patients et de leurs familles. La DM1 est due à l'amplification anormale de répétitions CTG dans la partie 3'UTR du gène DMPK. Les transcrits DMPK mutants ont un effet toxique en trans: ils s'accumulent sous forme d'agrégats d'ARN (foci) qui dérégulent des protéines de liaison à l'ARN, l'épissage alternatif ainsi que d'autres aspects du métabolisme des ARN. Aujourd'hui, les types cellulaires et voies moléculaires principalement perturbés dans le cerveau ainsi que leur contribution aux symptômes neurologiques restent méconnus. Pour étudier ces mécanismes, notre laboratoire a créé des modèles murins transgéniques DM1 dont les DMSXL. Ces souris expriment des transcrits DMPK mutants humains dans plusieurs tissus, y compris le cerveau, et présentent des phénotypes comportementaux, électrophysiologiques et neurochimiques pertinents. Ces souris représentent un outil unique pour l'étude du dysfonctionnement cérébral dans la DM1. Une approche protéomique réalisée sur le cerveau des DMSXL a notamment montré une dérégulation de protéines spécifiques des oligodendrocytes (OL). Cette dérégulation protéique dans les DMSXL, associée aux lésions de la substance blanche décrites chez les malades, suggère l'implication des OL dans la neuropathologie de la DM1. Mon projet de thèse avait comme objectif d'étudier l'implication des OL et de la myéline dans l'étiologie de l'atteinte cérébrale de la DM1. J'ai d'abord caractérisé la toxicité des ARN CUG dans les OL et les phénotypes de la myéline dans les DMSXL. J'ai confirmé l'accumulation de foci d'ARN in vivo, associée à des défauts d'épissage dans les OL isolés de souris adultes. Pour confirmer les atteintes de la myéline, j'ai étudié l'expression de ses composants clés, et j'ai constaté une expression retardée de certaines protéines dans les souriceaux DMSXL, ainsi que dans d'autres modèles murins de la DM1. La dérégulation de ces protéines n'est pas associée à des anomalies ultrastructurales de la myéline dans les souris DMSXL, en revanche moins d'axones y sont myélinisés, suggérant une hypomyélinisation précoce chez ces animaux. Pour rechercher si l'hypomyélinisation était due à des anomalies de maturation des OL, j'ai quantifié les sous-populations de la lignée oligodendrogliale : l'hypomyélinisation des souris DMSXL est associée à une diminution de la densité d'OL pleinement maturés. J'ai par la suite étudié les défauts cellulaires derrière les phénotypes de la myéline. Pour cela, j'ai mis au point les conditions de culture d'OL primaires issus des souris DMSXL, ainsi que les protocoles d'analyse de leur prolifération et différentiation par vidéo-microscopie semi-automatisée. Malgré une prolifération normale en culture, les précurseurs des OL (OPC) présentent des défauts de migration et de différenciation. Afin de caractériser les anomalies d'expression et d'épissage dans les OL primaires des DMSXL j'ai fait un séquençage des ARN. L'analyse bioinformatique a mis en évidence une dérégulation du cytosquelette, ainsi que des voies de signalisation impliquées dans la motilité et la différenciation cellulaire. De plus, l'analyse a montré que les défauts d'épissage détectés dans les OL DMSXL ressemblent aux profils d'épissage d'OPC indifférenciés, appuyant l'hypothèse d'un retard de maturation de la lignée oligodendrogliale. Certains défauts de maturation cellulaire ont été validés dans des OL humains différenciés à partir de cellules iPS dérivés de patients DM1. Mes travaux ont démontré des défauts des OL et de la myéline dans un modèle de la DM1, contribuant ainsi à une compréhension intégrative des atteintes cérébrales dans la DM1.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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