Huntingtin functions in the regulation of axonal transport : consequences on neuronal network homeostasis and behavior, in health and disease
Conséquences de la régulation du transport axonal par la huntingtine sur l'homéostasie de réseaux neuronaux et sur le comportement, en conditions saine et pathologique
Résumé
Neuronal circuits are at the basis of behaviors such as motor coordination or learning and memory. As being part of a network, neurons communicate at synapses through finely tuned molecular and cellular processes. One key mechanism regulating synapse homeostasis involves transport of vesicles within axons and dendrites which is dysregulated in many neurological disorders such as Rett syndrome, Alzheimer’s (AD) and Huntington’s diseases (HD). Thus, deciphering the regulation of vesicular transport within neurites in physiological context is crucial to understand, and potentially restore, the consequences of these dysregulations in pathological contexts.Huntingtin (HTT) protein, known for its devastating role in HD when mutated, is a key actor of axonal transport. It promotes and regulates vesicular transport in neurites by scaffolding adaptors and molecular motors. Particularly, HTT phosphorylation status on S421 regulates the directionality of BDNF, APP and VAMP-7 vesicles within neurites in cultured and transfected neurons. However, several questions remain to be elucidated regarding the mechanisms and the consequences of this HTT-dependent regulation of axonal transport such as the neuritic specificity (axons or dendrites) and the behavioral consequences of such modifications. Finally, we do not know whether transport regulation can be influenced in pathological conditions to restore disease-associated phenotypes in vivo.This thesis aims at characterizing in vivo the mechanisms and the consequences of axonal transport regulation of three different vesicles through the phosphorylation of Huntingtin at S421 and to investigate its propensity to restore disease-associated phenotypes in mouse models of human neurological disorders.In order to reproduce in vitro the in vivo networks associated to neurological disorders we used microfluidic devices. We investigated the transport of Amyloid Precursor Protein (APP) vesicles, precursors of synaptic vesicles (SVPs) or dense-core vesicles (DCVs) in neurons in which the HTT phosphorylation status was modified. These neurons came from mice in which Serine 421 has been replaced by an aspartic acid to mimic the phosphorylated form of HTT (HTTS421D) or by an alanine to mimic the unphosphorylatable form of HTT (HTTS421A).Transport of APP vesicles is impaired in AD. We investigated APP transport and accumulation at synapses within a corticocortical circuit. We found that Akt-mediated HTT phosphorylation at S421 regulates the directionality of APP containing vesicles in axons but not in dendrites: the phospho-defective form of HTT decreases axonal anterograde flux of APP and reduces its levels at presynaptic zones both in vitro and in vivo. Reducing anterograde flux of APP in familial AD mouse model restored synapse homeostasis in vivo and memory deficits (Publication 21; Bruyere*, Abada*, Vitet* et al., eLife, 2020).SVP axonal transport regulates the number of SVs at the synapse, which, within a corticostriatal synapse, is essential for motor skill learning. We found that HTT phosphorylation increases the recruitment of the molecular motor KIF1A on SVPs, thus promoting anterograde transport and the probability of release. Silencing KIF1A in the corticostriatal network of HTTS421D mice, we found that pHTTS421 increases the number of SVs at the synapse and impairs procedural memory through a specific HTT-KIF1A dependent mechanism. This study defines a pathway by which axonal transport of SVP impact the behavioral phenotype. (Publication 2; Vitet et al, in prep)Finally, it has been shown that BDNF transport within DCVs is dysregulated in the corticostriatal network of Rett syndrome’s patients. We found that endogenous HTT phosphorylation at S421 or a chemical inhibitor of calcineurin (FK506) rescue BDNF transport in the corticostriatal network, neuronal communication, and behaviors of Rett Syndrome mice (Publication 3; Ehinger et al., Embo Mol Med,2020).
Les circuits neuronaux régissent les comportements tels que la coordination motrice ou la mémoire et l’apprentissage. Au sein d’un réseau, les neurones communiquent par des processus moléculaires et cellulaires finement réglés à la synapse. Un des mécanismes régulant l’homéostasie synaptique, le transport de vésicules dans les neurones, est dérégulé dans les maladies neurologiques telles que le syndrome de Rett, la maladie d’Alzheimer et la maladie d’Huntington. Ainsi, investiguer la régulation du transport de vésicules dans les neurites dans un contexte physiologique est important pour comprendre, et potentiellement rétablir, les conséquences de ces dérégulations pathologiques.La protéine Huntingtine (HTT), connue pour son implication dans la maladie d’Huntington, est un acteur clé du transport axonal. Elle promeut et influence le transport des vésicules en favorisant le recrutement des adaptateurs et des moteurs moléculaires. Sa phosphorylation sur la sérine 421 (pHTTS421) régule la directionnalité des vésicules de BDNF, d’APP et de VAMP-7 dans des neurones transfectés in vitro. Cependant, les mécanismes et les conséquences de la régulation du transport par HTT comme la spécificité neuritique et les conséquences comportementales restent peu connus. Enfin, nous ignorons si la régulation du transport peut être influencée dans des conditions pathologiques afin de restaurer les phénotypes in vivo.Ce projet de thèse vise à caractériser les mécanismes et les conséquences de la régulation du transport axonal de trois types de vésicules par pHTTS421 et d’investiguer sa propension à restaurer les phénotypes associés à des maladies neurologiques dans des modèles de souris.Dans le but de reproduire in vitro les réseaux associés à des maladies neurologiques, nous avons utilisé des chambres microfluidiques. Nous avons étudié le transport des vésicules d’APP, des précurseurs des vésicules synaptiques (PVSs) ou des vésicules à cœur dense (VCDs) contenant BDNF au sein d’un réseau neuronal dans lequel pHTTS421 a été modifiée. Ces neurones sont issus de souris pour lesquelles la sérine 421 a été remplacée par un acide aspartique ou par une alanine pour mimer respectivement l’état phosphorylé (HTTS421D) ou non phosphorylable (HTTS421A) de la HTT.Dans la maladie d’Alzheimer, l’homéostasie d’APP est dérégulée. Nous avons donc étudié son transport et son accumulation synaptique dans un circuit corticocortical. Nous avons trouvé que la phosphorylation de la sérine S421 par Akt régule la directionnalité des vésicules d’APP uniquement dans les axones : HTTS421A diminue le flux antérograde axonal d’APP ainsi que ses niveaux à la synapse in vitro et in vivo. Réduire le flux antérograde d’APP dans un modèle murin d’Alzheimer restaure l’homéostasie synaptique in vivo et les déficits de mémoire associés (publication 1 ; Bruyère*, Abada*, Vitet* et al., eLife, 2020).Le transport axonal des PVSs régule le nombre de vésicules synaptiques (VSs), ce qui, dans un réseau corticostriatal, est essentiel à l’apprentissage de compétences motrices. Nous avons montré que pHTTS421 augmente le recrutement de la kinésine KIF1A sur les PVSs, augmentant le transport antérograde et la probabilité d’exocytose. En réduisant les niveaux de KIF1A dans le réseau corticostriatal des souris HTTS421D, nous avons trouvé que pHTTS421 augmente le nombre de VSs et altère la mémoire procédurale. Cette étude décrit comment le transport axonal des PVSs impacte les phénotypes comportementaux (publication 2 ; vitet et al., in prep).Enfin, le transport de BDNF est dérégulé dans le réseau corticostriatal des jeunes filles atteintes du syndrome de Rett. Nous avons observé que l’expression endogène de pHTTS421 ou l’injection d’un composé inhibant la calcineurine (FK506) restaure le transport de BDNF dans un réseau corticostriatal, la communication neuronale et les symptômes associés chez les souris modèles du syndrome de Rett (Publication 3 ; Ehinger et al., Embo Mol Med, 2020).
Origine : Version validée par le jury (STAR)