The role of insulin in retinal ganglion cell dendrite and synapse regeneration after optic nerve injury : molecular mechanisms and potential therapeutic targets

Le glaucome, comme beaucoup d’autres maladies neurodégénératives, entraîne la mort des neurones et reste à ce jour incurable, représentant de ce fait un véritable fardeau pour la société. Il y a donc un réel besoin de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques afin de ralentir la progression, voire de guérir les maladies neurologiques. Depuis des décennies, les chercheurs qui étudient les blessures ainsi que les maladies qui affectent le système nerveux central (SNC) ont focalisé leur attention sur la compréhension des mécanismes impliqués dans la dégénérescence axonale afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques pour la protection et la régénération des axones. Mais des données récentes indiquent que des déficits dendritiques constituent une caractéristique précoce de la neurodégénérescence, un phénomène maintenant appelé la pathologie dendritique et qui jouerait un rôle prépondérant dans la pathogénèse des maladies neurodégénératives comme le glaucome. Parce que les dendrites représentent des structures essentielles pour la communication et la fonction neuronale, il est donc crucial de protéger et de restaurer non seulement les axones mais aussi les dendrites des neurones encore vivants afin d’améliorer la condition des patients. Malgré cela, la capacité des neurones à régénérer leurs arbres dendritiques reste encore largement inconnue. L’hypothèse centrale de cette thèse propose que : 1) les neurones du SNC peuvent faire repousser leurs dendrites après une blessure axonale, et 2) l’identification des voies de signalisation impliquées pourrait offrir de nouvelles possibilités thérapeutiques permettant de ralentir, voire de prévenir la dégénérescence des neurones rétiniens lors de pathologies oculaires telles que le glaucome.   Dans la première partie de cette thèse, nous avons démontré que les neurones des mammifères sont pourvus d’une capacité à restaurer leur arbre dendritique et leurs connectivités synaptiques. Grâce à l’utilisation de souris transgénique soumis à une transsection du nerf optique (axotomie), nous avons montrés que les cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) subissent rapidement un rétrécissement dendritique, bien avant que les dommages axonaux ou la perte des soma ne soient visibles. Nous avons également démontré que l’administration quotidienne d’insuline, par voie topique (gouttes oculaires) ou systémique (injection intrapéritonéale) après la rétraction des dendrites mais avant la mort neuronale induit une régénération robuste des dendrites ainsi qu’une restauration des connections avec les cibles présynaptiques. De plus, cette régénération des arbres dendritiques suite au traitement d’insuline permet d’étendre la survie neuronale et de restaurer la réponse rétinienne à la lumière. Des expériences de perte de fonction ciblée via l’utilisation de petits ARN interférents ont révélé que la régénération induite par l’insuline requiert l’activité des deux complexes de la voie mTOR, mTORC1 et mTORC2. Ces derniers agissent de manière synergique, mTORC1 régulant l’apparition de nouvelles branches dendritiques pour restaurer la complexité des arbres alors que mTORC2 stimule l’élongation des dendrites. Dans la deuxième étude présentée dans cette thèse, nous avons montré pour la première fois que morgana, une protéine chaperonne en aval de mTORC2, est exprimée par les CGRs et que son expression est sévèrement inhibée rapidement après une blessure axonale. Nous avons également démontré que morgana est nécessaire au succès de la régénération ainsi que de la neuroprotection induite par le traitement d’insuline. De plus, nous avons montré que le rétablissement de l’expression de morgana spécifiquement dans les CGRs via l’utilisation d’un vecteur viral (AAV) mène à une régénération robuste non seulement de leurs dendrites mais aussi de leurs synapses. Ainsi, nous avons identifié un nouveau rôle pour la protéine morgana dans la régulation de la morphologie des arbres dendritiques des neurones adultes chez les mammifères. En conclusions, les résultats présentés dans cette thèse contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes pathologiques impliqués dans la pathologie dendritique des CGRs et identifient des cibles prometteuses pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques dans le cadre des maladies neurodégénératives telles que le glaucome. Glaucoma, just as many other neurodegenerative diseases, triggers neuronal death and remained incurable, hence representing a heavy burden for the society. Therefore, there is a critical need for developing new therapeutic strategies to delay the progression of and, ultimately, cure neurological conditions. For decades, neuroscientists studying injuries and diseases of the CNS have largely focused on understanding the mechanisms of axon degeneration to identify new targets for axonal protection and regeneration. But recent data indicates that dendritic deficits represent an early feature of neurodegeneration, a phenomenon now called dendritic pathology and playing a key role in the pathogenesis of neurodegenerative diseases including glaucoma. Because dendrites are essential structures for neuronal communication and function, it is therefore crucial to protect or restore connectivity as well as axons of surviving neurons to improve patients’ condition. In spite of this, the ability of injured neurons to regenerate dendrites remains largely ignored. The central hypothesis of the thesis is that: i) adult CNS neurons can regrow their dendrites after axonal injury, and ii) the identification of underlying signalling pathways would offer new therapeutic avenues to slow or prevent retinal ganglion cell death during ocular neuropathies such as glaucoma. In the first part of my thesis, I demonstrated that mammalian neurons are endowed with the ability to restore their dendritic arbor and synaptic connectivity. Using adult transgenic mice subjected to optic nerve axotomy, we have shown that retinal ganglion cells (RGCs) rapidly undergo dendritic shrinkage before cell death or axonal damage become visible. We also demonstrated that daily insulin, administered topically (eye drops) or systemically (intraperitoneal) after dendritic arbour shrinkage and prior to neuronal loss results in a robust regeneration of dendrites and successful reconnection with presynaptic targets. Moreover, insulin-mediated restoration of dendritic arbors extended neuronal survival and rescued lighttriggered retinal responses. Targeted loss-of-function experiments using siRNAs revealed that insulin-dependent regeneration requires both the activity of both mTOR complexes, mTORC1 and mTORC2 which act synergistically, mTORC1 promoting new dendritic branching to restore arbor complexity, while mTORC2 drives dendritic process elongation.   In the second study presented in my thesis, we showed for the first time that morgana, a chaperone protein downstream of mTORC2, is expressed by RGCs and severely downregulated soon after axonal injury. We also demonstrate that morgana is required for successful insulinmediated regeneration of RGC dendrites and neuroprotection. Morgana specific knockdown using siRNA designed against morgana resulted in substantial alterations of dendrite elongation, without changes in arbor complexity. Further, we showed that AAV-mediated rescue of morgana expression selectively in RGCs promoted striking regeneration of dendrites and synapses. Hence, our findings identified a new role for morgana in the regulation of dendritic arbor morphology in adult mammalian neurons Collectively, the findings presented in this thesis contribute to a better understanding of the pathological mechanisms underlying RGC dendritic pathology and identified promising targets for the development of novel neuroprotective treatments for neurodegenerative diseases such as glaucoma.

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