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Thèse Vera Pinheiro

The Scrib1 Interactome and its relevance for synaptic plasticity & neurodevelopmental disorders

Le 4 décembre 2014

Soutenance de  Vera Pinheiro  /  Directrice de thèse  Nathalie Sans / Soutenance à   14 h30  à la CGFB , Université de Bordeaux (Carreire)

Séminaire  Ana Luisa Carvalho  le vendredi 5 dec


The brain is made up of billions of nerve cells, or neurons.
Neurons communicate with each other through functionally distinct structures - the axon and the dendrite - which are able to release and receive an electrical or chemical signal from a pre- to a post-synaptic compartment, respectively. We focused our study on hippocampal neurons synapses, which ultimately underlie high-order brain functions, such as learning and memory. In particular, we studied the development and maintenance of dendritic spines, whose changes in morphology are intimately correlated with synaptic plasticity, or the ability to respond to synaptic activity.

Dendritic spines originate from motile dendritic filopodia, which mature into spines following axonal contact. The filopodia-to-spine transition involves a plethora of molecular actors, including glutamate receptors, scaffold proteins and the actin cytoskeleton, able to receive, transmit and integrate the pre-synaptic signal. The spatial and temporal coordination of all these molecular components throughout the formation and maturation of a synapse remains, however, unclear. Scribble1 (Scrib1) is planar cell polarity protein (PCP) classically implicated in the homeostasis of epithelial tissues and tumour growth. In the mammalian brain, Scrib1 is a critical scaffold protein in brain development and function.

The main goal of this work was, therefore, to investigate the molecular mechanisms underlying Scrib1 role in synapse formation and maintenance. In a first part, the functional consequences of a recently identified autism spectrum disorder (ASD) mutation of Scrib1 on neuronal morpholgy and function. We demonstrated that Scrib1 regulates dendritic arborization as well as dendritic spine formation and functional maintenance via an actin-dependent mechanism, whose disruption might underlie the ASD phenotype. In a second part, we depict the importance of Scrib1 PDZ-dependent interactions on glutamate receptors trafficking as well as bidirectional plasticity signalling pathway underying spatial memory.
Taken altogether, this thesis highlights the PCP protein Scrib1 as key scaffold protein in brain development and function, playing a plethora of roles from the subcelular to the cognitive level.

Keywords: Scrib1, autism spectrum disorders, hippocampal neurons, synaptic plasticity, dendritic spine, glutamate receptors traffic, actin dynamics.


Résumé
Le cerveau contient environ cent milliards de cellules nerveuses, ou neurones. Ces neurones communiquent entre eux par des structures fonctionnellement distinctes – l’axone et la dendrite – capables d’émettre et recevoir des signaux électriques ou chimiques à partir d’un compartiment présynaptique vers un compartiment, dit post-synaptique. Nous avons focalisé notre étude sur les synapses des neurones hippocampiques, qu’on estime responsables de fonctions cérébrales dites supérieures, comme la mémoire et l’apprentissage.

Plus particulièrement, on s’est intéressé au développement et au maintien des épines dendritiques, dont les changements morphologiques sont intimement liés à la plasticité synaptique, autrement dit, capacité de réponse à l’activité synaptique. Les épines dendritiques ont pour origine les filopodes qui évoluent en épines lors du contact axonal.

La transition entre filopode et épine implique une myriade de molécules, dont des récepteurs glutamatergiques, des protéines d’échafaudage et du cytosquelette d’actine capables de recevoir, transmettre et intégrer le signal présynaptique. Cependant, la coordination spatiale et temporelle de tous ces composants moléculaires au long de la formation et maturation d’une synapse reste largement méconnue. Scribble1 (Scrib1) est une protéine de polarité cellulaire (PCP) classiquement impliquée dans l’homéostasie de tissues épithéliaux ainsi que dans la croissance et progression des tumeurs. Scrib1 est aussi une protéine d’échafaudage critique pour le développement et le bon fonctionnement du cerveau. L’objectif de cette étude a donc été d’étudier les mécanismes moléculaires sous-jacents à un rôle potentiel de Scrib1 dans la formation et le maintien des synapses.

Dans un premier temps, nous avons évalué les conséquences fonctionnelles d’une mutation de Scrib1 récemment identifiée chez un patient humain atteint des troubles du spectre autistique (TSA) dans la morphologie et fonction des neurones. On a démontré que Scrib1 régule l’arborisation dendritique ainsi que la formation et le maintien fonctionnel des épines dendritiques via un mécanisme dépendent du cytosquelette d’actine.

Le dérèglement de ces mécanismes pourrait être à l’origine du phénotype TSA. Dans un second temps, on a décrit l’importance d’interactions dépendantes des domaines PDZ sur le trafic des récepteurs glutamatergiques ainsi que sur la voie de signalisation de plasticité synaptique sous-jacente à la mémoire spatiale.

L’ensemble de ce travail met en évidence que Scrib1, protéine d’échafaudage clé dans le développement et la fonction du cerveau, joue une multitude de rôle du niveau subcellulaire au niveau cognitif.

Mots clés: Scrib1, troubles du spectre autistique, neurones hippocampiques, plasticité synaptique, épine dendritique, trafic des récepteurs glutamatergiques.

 

Publications

Piguel NH, Fievre S, Blanc JM, Carta M, Moreau MM, Moutin E, Pinheiro VL, Medina C, Ezan J, Lasvaux L, Loll F, Durand CM, Chang K, Petralia RS, Wenthold RJ, Stephenson FA, Vuillard L, Darbon H, Perroy J, Mulle C, Montcouquiol M, Racca C & Sans N. Scribble1/AP-2 complex coordinates NMDA receptor endocytic recycling. Cell Reports 9, 1–16, October 23, 2014;

Hilal M, Moreau MM, Racca C, Pinheiro VL, Santoni MJ, Carvalho SS, Piguel NH, Rachel R, Abada YS, Blanc JM, Medina C, Doat H, Papouin T, Panatier A, Borg JP, Montcouquiol M, Oliet SHR & Sans N. Scribble 1 scaffolds protein phosphatases 1 and 2A to regulate bidirectional plasticity underlying spatial memory. In preparation;

Pinheiro VL, Mehidi A, Piguel NH, Fanet H, Medina C et al. & Sans N. Disrupting Scrib1-mediated actin regulation impacts neuronal complexity, synapse formation and maintenance. In preparation; Pinheiro, VL, Racca C & Sans N. Reviewing AMPA receptor trafficking – The Who, What, Why, When, Where & How. In preparation.

 

Jury

Dr. Maurice GARRET
Bordeaux, France- Chairman

Prof. Ana Luisa Carvalho
Coimbra, Portugal - Reviewer Prof. Jeremy HENLEY
Bristol, United Kingdom - Reviewer

Dr. Olivier Thoumine
Bordeaux, France - Examiner

Prof. Jean Paul BORG
Marseille, France - Examiner

Dr. Nathalie SANS
Bordeaux, France - Thesis supervisor

Directrice de thèse



Nathalie SANS, Ph.D.
INSERM
Associate team leader: Planar Polarity and Plasticity

Neurocentre Magendie, INSERM U862. Université de Bordeaux 


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