Soutenance de thèse de Rémi MATHIEU

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Développement cortical,troubles neuropsychiatriques,séquençage d'ARN en cellules uniques,Interneurones,Neurones excitateurs,Ligand-récepteur
Keywords
Cortical development,neuropsychiatric disorders,Single-cell RNA sequencing,Interneurons,Excitatory neurons,Ligand-receptor
Titre de thèse
Étude du développement cortical à travers la caractérisation d’un modèle murin d’autisme et l’inférence des interactions cellulaires par séquençage en cellules uniques
Investigating cortical development through characterisation of a mouse model of autism and inference of cell-cell interactions by single-cell RNA sequencing
Date
Tuesday 4 October 2022 à 14:00
Adresse
Inmed UMR1249 Parc scientifique de Luminy 163 avenue de Luminy BP13 - 13273 Marseille cedex 09 - France
Salle de conférence
Jury
Directeur de these M. Alfonso REPRESA INMED
Rapporteur M. Frédéric CAUSERET Institut imagine
Rapporteur Mme Loulier KARINE Institut des neurosciences de Montpellier (INM)
CoDirecteur de these M. Antoine DE CHEVIGNY INMED
Examinateur Mme Sonia GAREL Collège de France
Examinateur M. Denis JABAUDON UNIGE

Résumé de la thèse

Le néocortex des mammifères est responsable du traitement des informations sensorielles, du contrôle des sorties motrices et des fonctions cognitives supérieures. Au cours du développement, sa formation résulte d’une succession d’étapes finement régulées comprenant la prolifération des progéniteurs néocorticaux, la migration neuronale et leur maturation. Des perturbations, même subtiles, affectant une ou plusieurs de ces étapes peuvent induire des maladies neurodéveloppementales telles que les troubles du spectre autistique ou la schizophrénie. Le néocortex est une structure laminaire finement organisée en six couches. Il est peuplé d’une grande diversité de types cellulaires et, en particulier, deux principaux types de neurones : les neurones gluta- matergiques excitateurs et les interneurones GABAergic inhibiteurs. Chaque sous-type de neurone a une position laminaire et une connectivité spécifique dans le réseau cortical. Au cours de mon doctorat, j’ai étudié les phénotypes corticaux et comportementaux des souris déficientes pour le facteur de transcription NEUROD2, protéine que nous avons démontré comme étant associée à des troubles neuropsychiatriques chez l’humain. Nous avons découvert des variants perte-de-fonction associés à des troubles autistiques avec retard mental accompagnés parfois d’hyperactivité et/ou d’épilepsie. Chez la souris KO pour Neurod2, nous trouvons des déficits de migration, de positionnement final, de densité synaptique et d’excitabilité des neurones excitateurs dans le cortex, ainsi qu’une dérégulation de nombreux gènes associés aux troubles psychiatriques. Au niveau comportemental, les souris KO et hétérozygotes ont une mémoire sociale altérée, sont hyperactives et montrent une propension à l’épilepsie spontanée. Ces résultats démontrent le rôle crucial de Neurod2 dans le développement néocortical et l’influence causative de ses mutations pertes de fonction dans les troubles neurodéveloppementaux. En corollaire de ce projet, j’ai également étudié la question fondamentale des mécanismes cellulaires et moléculaires par lesquels différents sous-types de neurones inhibiteurs sont préférentiellement recrutés par, et interagissent avec, différents sous-types de neurones excitateurs dans le cortex cérébral. Pour cela, j’ai effectué des expériences de single-cell RNA seq et de single-nucleus RNA-seq sur cortex somatosensoriel de souris pendant la période critique d’invasion du cortex par les neurones inhibiteurs (P0, P2, P5, P8) et d’établissement de la connectivité synaptique corticale (P8, P16, P30). J’ai également intégré des données de scRNA-seq publiées pour compléter mon étude en ajoutant des âges plus précoces et plus tardifs, dans le but de couvrir l’intégralité du développement cortical. En utilisant des outils bioinformatiques avancés, j’ai identifié les principaux types neuronaux et analysé leur dynamique transcriptionnelle de E11.5 à l’âge adulte. Afin de déterminer quelles molécules de surface ou sécrétées pourraient être impliquées dans le regroupement préférentiel et à l’origine d’une connectivité spécifique entre sous-types d’inhibiteurs et d’excitateurs, j’ai construit un atlas ligand-récepteur entre ces types cellulaires. Cet atlas permet d’inférer des interactions spécifiques et communes qui pourraient gouverner la lamination et/ou la connectivité spécifique entre les différents sous-types de neurones corticaux. Enfin, nous démontrons la validité de notre atlas à travers un exemple, la cadhérine 13 (Cdh13). L’atlas identifie Cdh13 comme enrichie dans les neurones excitateurs et les interneurones parvalbumine profonds. Nos expériences fonctionnelles chez la souris indiquent qu’effectivement Cdh13 est nécessaire pour la connectivité entre ces 2 types cellulaires. En résumé, nos données indiquent que mon atlas sera une ressource précieuse pour identifier et tester l’implication d’autres combinaisons de ligand récepteur dans la mise en place des circuits corticaux.

Thesis resume

The mammalian neocortex allows the processing of multiple modalities of sensory information, the control of motor output and the mediation of higher-order cognitive functions. During development, its formation is characterized by tightly regulated successive steps encompassing cortical progenitor proliferation, neuronal migration and maturation as well as synaptic connectivity. Perturbations occurring at any of these steps can trigger neurodevelopmental disorders such as autism spectrum disorders or schizophrenia. The neocortex is a highly organized laminar structure organized in six concentric layers. It contains a huge diversity of cell-types and, in particular, two main neuronal types: the excitatory glutamatergic neurons, and the inhibitory GABAergic interneurons. Each neuron subtype has a specific laminar position and connectivity patterns in the cortical network. During my thesis, I studied the cortical and behavioral phenotypes of mice deficient for the transcription factor NEUROD2, a protein that we have shown to be associated with neuropsychiatric disorders in humans. We have discovered loss-of-function variants associated with autistic behaviors with mental retardation sometimes accompanied by hyperactivity and/or epilepsy. In Neurod2 KO mice, we find deficits in migration, in final positioning, in synaptic density and in excitability of excitatory glutamatergic neurons in the cortex, accompanied by a deregulation of many genes associated with neuropsychiatric disorders. At the behavioral level, KO and heterozygous mice have impaired social memory, are hyperactive and show a propensity for spontaneous epilepsy. These results demonstrate the crucial role of Neurod2 during neocortical development and the causative nature of its mutations in neurodevelopmental disorders. In parallel, I also investigated the fundamental question of the cellular and molecular mechanisms by which different subtypes of inhibitory neurons are preferentially recruited by different subtypes of excitatory neurons in the cerebral cortex. To this end, I performed single-cell and single-nucleus RNA-seq experiments from the mouse somatosensory cortex during the critical period of cortical invasion by inhibitory neurons (P0, P2, P5 and P8) and of establishment of synaptic connectivity (P8, P16, P30). I also integrated previously published scRNA-seq datasets to complement my study by adding earlier and later ages, in the goal of covering the entirety of cortical development. Using advanced bioinformatic tools, I identified the major neuronal cell types and analyzed their transcriptional dynamics during development from E11.5 to adulthood. In order to determine which surface or secreted molecules might be involved in the stereotypic laminar positioning and/or synaptic connectivity between inhibitory and excitatory neuron subtypes, I constructed a ligand-receptor atlas between these neuronal cell types over cortical development. This atlas allowed to infer specific and shared interactions that might overall govern cortical circuit formation. Finally, we demonstrate the validity of my atlas through the example of the atypical cadherin 13 (Cdh13). Indeed, the atlas identifies Cdh13 as enriched in deep layer excitatory and inhibitory parvalbumin neurons, and our functional experiments in mice indicate that Cdh13 is required for the specific connectivity between these two cell types through homophilic interactions. Together, our data indicate that my atlas will be a valuable resource to identify and test the implication of other ligand-receptor pairs for the establishment of cortical circuitry.