Migration neuronale et développement

du système nerveux

UE21/Master Sante/2010-2011Pr.A.AUTILLO-TOUATI

I Introduction : la migration neuronale dans le développement.

II De nouvelles techniques ont permis une meilleure compréhension de

la complexité de la migration neuronale.

III Migration radiale et neurones pyramidaux du cortex.

IV Migration tangentielle et inter neurones du cortex.

V Le mutant Reeler

VI Conclusion

I Introduction:la migration neuronale dans le développement.

Rappel des principales étapes du développement du SN

-Origine embryonnaire du SN

-origine commune: l’ectoderme

- trois sources distinctes de neurones: neuro-épithélium, la

crête neurale et les placodes (épaississements de l'ectoderme

rostral)

-Plusieurs stades

-Induction et Régionalisation axiale de la plaque neurale

-Neurulation / Tube neural : processus morphogénétique qui

donne le cerveau , la moelle épinière.

-Le SNP dérive de la crête neurale

-Les épithéliums olfactif et auditif dérivent des placodes

-Polarité dorso-ventrale et rostro caudale du tube neural

Plaque neurale Cerveau adulteAu niveau cellulaire: la neurogénèse

Vue externe latérale des 3 vésicules

cérébrales primitives

Tube neural rostral à la fin de la 4e

semaine, stade 14

La partie rostrale du tube neural montre des signes de

segmentation transitoire (neuromères A B C D). Ces

neuromères appelés rhombomères (D) dans le

rhombencéphale contiennent des unités de neurones qui ne se

mélangent pas avec ceux des autres rhombomères et qui sont

spécifiés quant à leur futur organe cible avant même leur

migration.

On a représenté ici les neuromères en transparence

(notamment huit rhombomères D), la chorde est schématisée

en orange.

Forebrain

(Prosencephalon)

Midbrain

(Mesencephalon)

Hindbrain

(Rhombencephalon)

Telencephalon

Diencephalon

Mesencephalon

Metencephalon

Myelencephalon

Olfactory lobes

Hippocampus

Cerebrum

Retina

Epithalamus

Thalamus

Hypothalamus

Midbrain

Cerebellum

Pons

Medulla

Neurogenin

bHLH

NeuroD

bHLH

Proneural genes Neural precursor genes Neurons

Determination Differentiation

Formation of the Brain

Neuron

‘Birthday’ –

final division

Hindbrain segmented

(rhombomeres) – isolated

‘territories’ of neurons

Inhibitory HLHs may

limit effects of proneural

genes to specific tissues

Eight Phases in Embryonic and Fetal

Development at a Cellular Level

1. Mitosis 2. Migration 3. Aggregation and

4. Differentiation

5. Synaptogenesis 6. Death 7. Rearrangement

8. Myelination

1. Mitosis/Proliferation

•Occurs in ventricular zone

•Rate can be 250,000/min

•After mitosis “daughter”

cells become fixed post

mitotic

Cultures de progéniteurs corticaux isolés (S. Temple)

Analyse de leur descendance

Progéniteurs prélévés à E11-E13 Progéniteurs prélévés à E16-E18

Neurons Arise before Glia in E10 Cortical Stem Cell Clones

E10 stem cells were cultured in serum-free basal medium

supplemented with 10 ng/ml FGF2, and astrocyte-meningeal

cell conditioned medium. Under these culture conditions,

cortical stem cells generate neurons, astrocytes, and

oligodendrocytes

In Vivo, Cortical Neurons Differentiate during the Embryonic

Period and Glia Largely during the Postnatal Period

Neuron. 2000 Oct;28(1):1-3. Timing of CNS cell generation: a

programmed sequence of neuron and glial cell production from isolated

murine cortical stem cells. Qian X, Shen Q, Goderie SK, He W, Capela

A, Davis AA, Temple S.

2. Migration

Note that

differentiation is

going on as neurons

migrate.

2. Migration

Radial glial cells

act as guide

wires for the

migration of

neurons

Radial Glia

2. Migration

Growth Cones

Growth cones crawl forward as they

elaborate the axons training behind them.

Their extension is controlled by cues in

their outside environment that ultimately

direct them toward their appropriate

targets.

The fine threadlike

extensions shown in red

and green are filopodia,

which find adhesive

surfaces and pull the

growth cone and

therefore the growing

axon to the right.

NeuronGlial

process Leading

process Filopodia

Neurons use glial cell extensions (processes) as migration guide

Adhesion proteins (e.g. astrotactin) important

Vertical layer destination of neurons fixed at ‘birthday’

Some migrate laterally and assume characteristics of the region they reach

Neuron Migration

Most neurons

migrate radially Some neurons

migrate laterally

They stop in tissue

directly above their

point of origin

II De nouvelles approches ont permis une meilleure

compréhension de la complexité de la migration neuronale.

-Vidéomicroscopie.

-Analyse de mutants murins.

-Identification de facteurs et de voies de signalisation

impliquées dans la migration.

-Electroporation et siRNA.

-Pathologies humaines de la migration.

-3 modèles: cortex cérébral, cortex cérébelleux, système visuel.

Comment s’organise le cortex cérébral?

Le développement du cortex cérébral des mammifères est une cascade d’événements

complexes comprenant deux neurogenèses successives.

La première survient précocement chez les foetus et permet la mise en place d’une pré

plaque corticale composée des premiers neurones post mitotiques, formant une couche

située entre la matrice proliférative ventriculaire et la surface méningée.

La plupart des cellules de la pré plaque disparaîtront lorsque l’ensemble des neurones

de la plaque corticale seront mis en place durant la seconde neurogenèse; la plaque

corticale est destinée à se transformer en substance grise du cortex définitif.

Lors du développement normal, la plaque corticale s’insère dans la pré plaque et isole

les cellules de Cajal-Retzius en une couche de neurones tangentiels exclusivement

situés dans la zone marginale (ZM).

Deux neurogenèses successives dans le cortex cérébral

-Migration neuronale au cours de la gestation entre E days 11-18

chez la souris et E weeks 10-20 chez l’homme.

-3 étapes:

-stade de la pré plaque (PP), migration de neurones

post mitotiques dans la PP à partir de la ZV

proliférative et des cellules de Cajal-Retzius dans la

zone marginale.

-stade de la plaque corticale (PC), migration radiale et

par vagues de neurones qui vont constituer les couches

2-6 du cortex .

-stade de maturation

III Migration radiale et neurones pyramidaux du cortex.

Les neurones pyramidaux dérivent du télencéphale dorsal

A: 4 étapes dans la migration des neurones pyramidaux du

cortex associées à des modifications morphologiques: migration

radiale initiale, arrêt dans la zone sub ventriculaire, migration

rétrograde, migration radiale secondaire.

Les 4 phases de migration

2 types de mouvement des

neurones corticaux:

-dans la corticogenèse précoce

-dans la corticogenèse tardive

Les Glies Radiaires sont des précurseurs astrocytaires?

Glial cells make intimate contact with synaptic terminals

Reconstruction 3D d’une cellule de la glie de Bergmann

Haydon Ph., Nature 2001, 186-196.

B:Les neurones les plus jeunes forment les couches les plus

superficielles.

Phénotypes des anomalies de

migration dans le cortex.

Cortex visuel du singe rhésus ( Rakic, 1974)

Détermination de l’identité laminaire dans le cerveau du furet

Précurseurs neuronaux jeunes

migrent dans la couche 6

Précurseurs neuronaux tardifs

migrent dans les couches 2/3

Expériences de transplantation de précurseurs neuronaux jeunes dans des

zones ventriculaires plus agées

Dans la plaque corticale la séquence de mise en place des neurones se réalise selon un

gradient intéro-externe de migration amenant les neurones derniers nés à occuper

toujours l’interface entre la couche marginale et la plaque corticale. Le cortex s’accroît

donc par sa périphérie mais est toujours contenu par les éléments de la couche

marginale qui forment un réseau neuronal perpendiculaire au vecteur d’épaississement

du cortex.

CONCLUSION

IV Migration tangentielle et inter neurones du cortex.

Kriegstein and Noctor,TINS, 2004, 27, 7,392-398

Les inter neurones corticaux dérivent du télencephale ventral et

migrent vers le télencéphale dorsal de façon tangentielle et

peuvent ensuite changer de direction pour rejoindre la PC

MGE: eminence ganglionnaire mediane

LGE: eminence ganglionnaire laterale

Des schémas différents de migration pour les inter neurones

et les neurones pyramidaux du cortex

En 1995, plusieurs groupes ont réussi à cloner le gène reelin (rln)

codant pour une protéine sécrétée de 400 kDa exclusivement

synthétisée dans le cortex par les cellules de Cajal-Retzius (cCR) .

Chez la souris normale, le développement en présence de reeline

aboutit à un cortex ordonné où la disposition des neurones

pyramidaux est essentiellement radiaire.

Chez la souris mutante homozygote reeler, en l’absence de reeline, le

cortex est désorganisé et l’orientation des neurones pyramidaux

devient aléatoire. La plaque corticale ne s’intercale plus dans la pré

plaque et le gradient de mise en place des neurones pyramidaux

apparaît relativement inversé (extéro-interne). De plus les cCR sont

situées en position sub normale et souvent collées contre la lame

basale méningée car la limitante gliale apparaît souvent perforée.

Effet répulsif de la reeline sur la migration neuronale

V Le mutant Reeler

Chez l'embryon de la souris homozygote reeler, la migration

des neurones se déroule normalement jusqu'au moment où

ceux-ci arrivent près de leur destination. La reeline n'étant pas

sécrétée dans la matrice extracellulaire par les cellules de Cajal-

Retzius, le gradient répulsif vis-à-vis des neurones de la plaque

corticale n'a pas lieu si bien que les cellules de la sous-plaque

sont comme repoussées vers l'extérieur en dehors de la plaque

corticale sous-jacent très désorganisée. Cela se traduit chez

l'animal très précocement par un cortex où les couches sont peu

apparentes : la plaque corticale ne s'intercale plus dans la

préplaque et le gradient de mise en place des neurones

pyramidaux se fait de manière quasiment inversée c'est-à-dire

selon un gradient extéro-interne.

Le cervelet du mutant homozygote est constitué

par l'emboîtement de deux structures : un cortex

cérébelleux atrophié et une masse cellulaire

centrale comportant la plupart des cellules de

Purkinje et des cellules des noyaux profonds. On

ne distingue aucune différence entre le témoin et

le mutant hétérozygote.

Technique utilisée : coloration à la thionine

phéniquée

Mutant Reeler

1 - Chez la souris normale

Dans le cortex cérébelleux, le rôle joué par les cellules de Cajal-Retzius dans le cortex cérébral en formation, serait joué par

les cellules granulaires externes. En effet, ces cellules sécréteraient la reeline dans la matrice extracellulaire qui aurait un rôle

répulsif dans la zone marginale repoussant la plaque des cellules de Purkinje à l'interface de la couche moléculaire et de la

couche granulaire.

2 - Chez le mutant homozygote reeler

Dans le cortex cérébelleux où la reeline est pourtant peu exprimée, la modification de la séquence nucléotidique de cette

protéine entraîne de grandes perturbation dans l'organisation du cortex cérébelleux chez le mutant homozygote. Les cellules

de Purkinje sont disposées de manière aléatoire vraisemblablement à cause d'un arrêt de leur migration si bien que le cervelet

paraît constitué de l'emboîtement de deux structures : à l'extérieur, un cortex cérébelleux dont l'architecture est semblable à

celle que l'on trouve chez l'animal normal mais très mince et à l'intérieur une masse cellulaire comportant la plupart des

cellules de Purkinje mélangées aux cellules des noyaux profonds.

Gene name Human disorder Mouse mutant Putative function

Initiation

filamin PVNH - Actin-binding protein

Arfgef2 PVH/microcephaly - Vesicle trafficking

Ongoing migration

Dcx DC/XLIS Hippocampal

malformation

MAP

Lis1 LIS/DC Disrupted cortex and

hippocampus

MAP/dynein

regulator

14-3-3epsilon - Migration defect Phosphatase inhibitor

kif2A - Migration defect + end motor

Map1b/Map2 - Migration defect MAP

Map1b/Tau - Migration defect MAP

Tabulated mutants or human condition,

if known and putative function

Lamination

reelin LCH reeler Glycoprotein

dab1 - scambler Adaptor protein

Apoer2 - Inverted cortex Reelin receptor

Vldlr - Inverted cortex Reelin receptor

p35 - Inverted cortex Activator of cdk5

cdk5 - Inverted cortex Serine-threonine

kinase

Brn1/Brn2 - Inverted cortex Transcriptional

activation of cdk5

and dab1

Stop signal

Fak -- Disrupted migration Focal-adhesion

kinase

POMT1 Walker-Warburg

syndrome

-- -dystroglycan O-

linked glycosylation

POMGnT1 Muscle-eye-brain

disease

-- -dystroglucan O-

linked glycosylation

fukutin Fukuyamu MD Disrupted migration Phospholigand

transferase

Abbreviations: PVNH, periventricular nodular heterotopia; PVH, periventricular heterotopia;

DC/XLIS, double cortex/X-linked lissencephaly; LIS, lissencephaly; LCH, lissencephaly

cerebellar hypoplasia; MD, muscular dystrophy; , is not described. Other abbreviations are

indicated in the text.

Oligophrénine= GAP (G Activating Protein) de la famille Rho.

Désordres neurologiques et retard mental