Projet ANR-10-BLAN-1401 – AxonGuidOR : Guidage axonal dépendant des récepteurs de molécules odorantes dans le système olfactif de la souris
Programme : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Neurosciences (Blanc SVSE 4)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Alain TREMBLEAU (CNRS - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique
Montant : 306544.0 euros
Date de début : 2010
Durée : 36 mois
Résumé : Récepteurs de molécules odorantes et guidage axonal dans le système olfactifL'objectif majeur de ce projet était de caractériser, sur un système modèle, des mécanismes moléculaires et cellulaires nouveaux impliqués dans le développement et la plasticité des réseaux neuronaux.
Analyse de nouveaux mécanismes moléculaires et cellulaires du guidage axonalL'organisation du système nerveux est extrêmement complexe. Sa mise en place se fait par étapes, avec notamment une phase embryonnaire cruciale, au cours de laquelle les neurones émettent des prolongements axonaux qui poussent dans le système nerveux jusqu'à établir des connexions avec d'autres neurones. Elle est suivie par des phases de maturations post-natales, au cours desquelles les réseaux sont réarrangés de manière cohérente avec le fonctionnement des systèmes. Dans certains systèmes, comme le système olfactif, il existe une neurogénèse continue tout au long de la vie de l'animal, impliquant l'insertion fonctionnelle de nouveaux neurones dans des réseaux pré-existants. L'objectif majeur de ce projet était de caractériser, sur un système modèle, des mécanismes moléculaires et cellulaires nouveaux impliqués dans la mise en place initiale des réseaux, et dans l'insertion de néo-neurones dans des réseaux déjà fonctionnels. La connaissance de ces mécanismes est d'une très haute importance puisque l'on sait que des défauts de développement ou de plasticité des réseaux neuronaux sont à l'origine de troubles chez l'Homme, comme les troubles autistiques et les retards mentaux.
Approches biophysiques, cellulaires et moléculaires du développement neuronalL'originalité du projet AxonGuidOR résidait essentiellement dans le fait que nous proposions d'étudier l'implication, dans le guidage de prolongement appelés axones, de récepteurs membranaires connus pour avoir d'autres fonctions : la réception des signaux odorants. Notre hypothèse, étayée par de nombreux résultats obtenus dans différents laboratoires à travers le monde, n'avait jamais été testée directement à l'aide des méthodologies utilisées dans le cadre de ce projet. L'hypothèse étant que ces récepteurs pourraient conférer des propriétés d'adhésion aux axones qui les expriment, nous avons fait exprimer artificiellement ces récepteurs par des cellules non-adhérentes, et testé avec une méthode biophysique si l'expression de ces récepteurs leur conférait des propriétés adhésives. Par ailleurs, notre hypothèse stipulant que ces récepteurs pourraient être synthétisés localement dans les axones, nous avons exploré les propriétés moléculaires des ARNm codant ces récepteurs, recherchant ainsi des signaux leur permettant d'être adressés dans l'axones, et d'y être traduits de façon régulée.
Résumé de la soumission : L’épithélium olfactif (EO) de la souris, situé dans la cavité nasale, comporte plusieurs millions de neurones sensoriels olfactifs (NSO) sensibles aux odeurs par le biais de récepteurs de molecules odorantes (RO). Il existe plus de 1000 gènes codant différents RO chez la souris, et chaque NSO n’exprime qu’un seul de ces gènes. Chaque NSO projette son axone sur un seul glomérule du bulbe olfactif (BO), dans lequel il établit des synapses avec les dendrites de neurones bulbaires. De manière remarquable, tous les NSO exprimant un RO particulier, bien que dispersés dans l’EO, convergent vers un ou deux glomérules spécifiques du BO, et tous les axones innervant un même glomérule sont issus de NSO exprimant un même RO. Ce mode de projection nécessite donc un tri des axones, dont nous savons qu’il ne commence qu’au moment où ils entrent dans le BO. De nombreuses études ont établi le rôle clé joué par les RO dans ce processus, et certains auteurs ont proposé que cette action passait par une activation de la production d’AMPc en aval de ces récepteurs, qui régulerait ensuite l’expression de molécules de guidages. Cependant, cette explication impliquant uniquement cette cascade AMPc demeure incomplète, et pour le moins controversée. Les résultats de nombreuses manipulations génétiques des RO, ajoutés au fait que ces derniers sont présents au niveau des segments terminaux des axones des NSO, ont conduit P. Mombaerts à proposer que l’identité des axones olfactifs était codée par leur RO, et que le tri des axones pourrait faire intervenir des interactions trans-homophiliques entre RO (ou entre complexes incluant des RO) portés par les axones. L’hypothèse est que si une adhésion maximale existe entre deux axones de même identité moléculaire, alors des interactions dynamiques entre l’ensemble des axones pourraient conduire à leur tri. Dans le cadre d’un précédent contrat financé par l’ANR (ANR-06-NEURO-039-01), qui portait sur un projet plus large d’analyse de la traduction locale d’ARNm dans des dendrites et axones, mon équipe a démontré la traduction, régulée au cours du développement, d’ARNm codant des RO dans l’axone des NSO (Dubacq, Jamet et Trembleau, 2009). Nos résultats indiquent donc que les RO axonaux pourraient avoir une origine locale, et ils nous amènent à proposer que le processus de tri axonal dépendant des RO pourrait être déclenché par la néosynthèse de ces protéines, au moment de l’entrée de ces axones dans le BO. Dans ce contexte, notre projet comporte deux objectifs principaux : 1) le premier est de déterminer si les RO sont impliqués, au niveau des axones olfactifs, dans des processus d’adhésion différentielle conduisant à leur tri ; 2) le second est de caractériser les mécanismes moléculaires et cellulaires nécessaires à la synthèse locale de RO dans l’axone des NSO, et d’analyser sa fonction. Pour remplir ces objectifs, nous déterminerons dans un système hétérologue si les RO sont capables de médier des adhésions différentielles entre cellules, nous identifierons les éléments régulateurs en cis (dans les séquences non traduites des ARNm codant les RO) et en trans (protéines interagissant avec ces éléments régulateurs) nécessaires au transport axonal et à la traduction locale de ces ARNm, et nous caratériserons les machineries de synthèse et de trafic intra-cellulaire des RO dans ces axones. Ces différentes tâches nous conduiront à l’obtention d’outils permettant d’interférer avec les interactions entre RO ou avec leur synthèse locale, et donc de déterminer enfin, dans des expériences réalisées ex vivo et in vivo sur des axones olfactifs, si ces manipulations altèrent leur tri et leur fasciculation homotypique. Ce projet vise donc à identifier de nouveaux mécanismes de guidage axonal, qui passeraient par de nouvelles fonctions de membres de la très grande famille des récepteurs couplés aux protéines G.
Résultats : Les résultats majeurs du projet sont la démonstration que des membres d'une famille de récepteurs membranaires (les récepteurs couplés aux protéines G) préalablement connus pour répondre à des signaux extracellulaire sont également capables de conférer aux cellules qui les expriment des propriétés d'adhésion. Cette famille de récepteurs étant largement exprimée dans le système nerveux mais aussi dans tout le reste du corps, cela a des implications potentielles non seulement dans le système sur lequel nous avons mis en évidence ces nouvelles propriétés (le système olfactif) mais aussi, plus largement, dans la plupart des systèmes biologiques.
Perspectives : Les perspectives de nos travaux sont importantes, puisqu'ils identifient une grande famille de gène connus pour exprimer des récepteurs de molécules extracellulaires (odorants, hormones, peptides, etc), comme des molécules potentiellement régulatrices de l'adhésion cellulaire. L'adhésion cellulaire joue un rôle crucial non seulement au cours du développement du système nerveux mais, bien au-delà, dans toute une série de processus biologiques comme la cohésion des tissus, la migration normale et pathologique des cellules, le cancer, etc. Ces nouvelles propriétés, identifiées pour cette famille de protéines, pourraient constituer dans l'avenir des cibles thérapeutiques pour de nouveaux médicaments.
Publications et brevets : Dans une première publication (Richard M et al. Homotypic and heterotypic adhesion induced by odorant receptors and the ß2-adrenergic receptor. PLoS One. 2013;8(12):e80100), nous avons montré que des récepteurs couplés aux protéines G confèrent aux cellules qui les expriment des capacités d'adhésion. Sur la base de ce résultat très original, nous avons publié une revue dans laquelle nous proposons un nouveau mécanisme de guidage des axones dans le système olfactif (Dubacq C et al. Making scent of the presence and local translation of odorant receptor mRNAs in olfactory axons. Dev Neurobiol. 2014;74(3):259-68).