Mécanismes moléculaires régulant la pathologie dendritique dans la rétine adulte lésée in vivo

Abstract

Les dendrites sont essentielles pour la réception et l’intégration des stimuli afférents dans les neurones. De plus en plus d’évidences d’une détérioration dendritique sont associées à une axonopathie dans les maladies neurodégénératives. Le glaucome dont la physiopathologie est caractérisée par une détérioration progressive et irréversible des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) est la première cause de cécité irréversible dans le monde. Son évolution est associée à un amincissement graduel des axones et à l’atrophie des somas des CGRs. La majorité des études de neuroprotection des neuropathies rétiniennes visent la survie et la protection des somas et des axones. Des études récentes ont démontré des changements dendritiques associés à cette pathologie, toutefois les mécanismes moléculaires les régulant sont méconnus. L’hypothèse principale de ma thèse stipule qu’une lésion axonale entraîne des altérations précoces des structures dendritiques. L’identification de voies de signalisation régulant ces changements permettrait d’élaborer des stratégies de neuroprotection et de rétablir la fonction de ces neurones. Dans la première étude, nous avons examiné l’effet précoce d’une lésion axonale aigüe sur la morphologie dendritique des CGRs in vivo. En utilisant des souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente jaune (YFP) soumises à une axotomie, nous avons démontré un rétrécissement de l’arbre dendritique des CGRs et une diminution sélective de l’activité de mTOR avant le début de la mort des CGRs lésées. Aussi nous avons démontré une augmentation de l’expression de la protéine Regulated in development and DNA damage response 2 (REDD2), un régulateur négatif en amont de la protéine mTOR en réponse à la lésion du nerf optique in vivo. Nous avons démontré que la réactivation de mTOR par l’inhibition de l’expression de REDD2 préserve les arbres dendritiques des CGRs adultes. En effet, l’injection de petits ARN d’interférence contre la REDD2 (siREDD2) stimule l’activité de mTOR dans les CGRs lésées et augmente significativement la longueur et la surface dendritique totale. De plus, la rapamycine, un inhibiteur de mTOR, inhibe complètement l’effet du siREDD2 sur la croissance et l’élaboration des dendrites. L’analyse électrophysiologique des CGRs démontre une augmentation de l’excitabilité des CGRs lésées qui est restaurée en présence du siREDD2. Par ailleurs, des données récentes ont mis en évidence l’implication de la neuro-inflammation dans le glaucome, caractérisée par une augmentation de cytokines pro-inflammatoires dont principalement le facteur de nécrose tumorale (TNFα). Ainsi dans la deuxième étude nous avons examiné l’effet du TNF exogène sur la morphologie de l’arbre dendritique des CGRs et commencé l’étude des mécanismes moléculaires sous-jacents à ces changements. Nos résultats démontrent que l’injection de TNF recombinante dans le vitrée induit une rétraction dendritique précoce qui corrèle à une réduction de phospho-S6 suggérant l’implication de mTOR dans ces CGRs lésées. Ainsi, les études présentées dans cette thèse mettent en évidence un nouveau rôle de mTOR dans la stabilité et le maintien des dendrites de neurones rétiniennes adultes. Ces études ont aussi démontré l’effet précoce de stress direct ou indirect, c’est-à-dire l’axotomie et le TNFα respectivement sur la pathologie dendritique et sur leur effet sur la fonction neuronale.

Dendrites are major determinants of how retinal neurons integrate and process incoming information. In neurodegenerative disorders, such as glaucoma, dendritic alterations are usually accompanied by axonopathy. However, the mechanisms that regulate these pathological changes are poorly understood. The physiopathology of glaucoma, characterized by a progressive and irreversible degeneration of retinal ganglion cells (RGCs), is the leading cause of irreversible blindness worldwide. This desease is associated with a gradual thining of RGC axons and loss of RGC soma. Most studies on neuroprotection have focused on morphological and quantitative analysis of RGC bodies and axons. Yet, dendrites are critical for neurotransmission between retinal neurons and, as such, play a vital role in the functional properties of the retinal circuit. The main hypotheses of this thesis is that: i) axonal injury induces early dendrite pathology, and ii) the identification of signaling pathways underlying dendritic changes is critical to design neuroprotective strategies and restore neuronal function. In the first study, we investigated the molecular mechanisms involved in the early dendritic changes that occur in RGCs induced by an acute axonal injury (axotomy) in vivo. Using adult transgenic mice carrying the yellow fluorescent protein (YFP) gene subjected to optic nerve axotomy, we demonstrate a marked retraction of RGC dendritic arbors and selective downregulation of the mammalian target of rapamycin (mTOR) activity prior to overt cell death. Axotomy triggered rapid up-regulation of the stress-induced protein Regulated in development and DNA damage response 2 (REDD2), a potent inhibitor of mTOR. Treatment with siRNA against REDD2 stimulated mTOR activity in axotomized RGCs and promoted a significant increase in the length and complexity of injured RGCs compared to retinas treated with control siRNA. Administration of rapamycin completely blocked the effect of siREDD2 on dendritic growth and branching thus confirming that this response occurred via mTOR stimulation. Whole-cell recordings demonstrated that REDD2 depletion leading to mTOR activation in RGCs restored their light response properties. Lastly, we show that REDD2-dependent mTOR activity extended RGC survival following axonal damage. Collectively, these results demonstrate that injury-induced stress leads to REDD2 upregulation, mTOR inhibition and dendrite pathology causing neuronal dysfunction and subsequent cell death. Recent data demonstrate a neuroinflammatory component in glaucoma characterized by upregulation of pro-inflammatory cytokines, most notably tumor necrosis factor α (TNFα) (Tezel, 2013, Soto and Howell, 2014). Therefore, in the second study of my thesis, we investigated the effect of exogenous TNFα on RGC dendritic structure in vivo and initiated the analysis of molecular signals involved in this response. Our results show that injection of recombinant TNFα into the vitreous chamber of YFP mice induced early retraction of the dendritic arbors of RGCs concomitant with a reduction of mTOR activity in these neurons. Taken together, the results shown in this thesis reveal a novel role for mTOR in the stability and maintenance of dendrites in adult retinal neurons. These studies also demonstrate the effect of early direct and indirect stressors, axotomy or TNFα respectively, on the pathology of dendrites and their effect on neuronal function.