Dégénérescence locale et réparation anormale de la jonction neuromusculaire dans un modèle de la sclérose latérale amyotrophique

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est maladie neurodégénérative agressive, caractérisée par la perte des motoneurones supérieurs et inférieurs, ainsi que de leurs connexions synaptiques avec les fibres musculaires, les jonctions neuromusculaires (JNMs). Au courant de la dernière décennie, une panoplie de nouvelles causes génétiques de la SLA furent identifiées, et de nombreux mécanismes de toxicité cellulaire leur furent associés. Notamment, il est maintenant reconnu que les motoneurones ne dégénèrent pas seuls dans la SLA et que les cellules gliales contribuent à de nombreux aspects de sa pathogenèse. Néanmoins, aucun consensus quant à l’origine de la dégénérescence sélective de ces neurones n’a été atteint. Plusieurs études récentes ont identifié des altérations locales au niveau des JNMs, dont notamment une dysfonction des cellules gliales y étant associées, les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs), suggérant qu’une déstabilisation précoce de cette synapse pourrait contribuer à la SLA. Néanmoins, la séquence d’événements menant à la perte des JNMs dans la SLA demeure mal définie. Notamment, si la perte de JNMs est causée par la dégénérescence sélective d’un sous-groupe de motoneurones ou par la dégénérescence locale de branches axonales individuelles demeure une question controversée. Cette distinction est d’une grande importance, les mécanismes sous-jacents à ces deux événements différant potentiellement grandement. D’autre part, bien que plusieurs éléments portent à croire que certains motoneurones tentent de compenser pour la perte de JNMs, l’ampleur et l’efficacité de cette compensation demeurent incertaines.  L’objectif de cette thèse était donc dans un premier temps de caractériser les événements dégénératifs et compensatoires prenant place au sein de l’arborisation axonale des motoneurones durant la progression de la maladie chez un modèle classique de la SLA, la souris SOD1G37R. En imageant à répétition des arborisations axonales uniques in vivo, nous montrons que des branches axonales individuelles se rétractent progressivement de leurs JNMs alors que d’autres sont maintenues durant plusieurs semaines avant que l’axone entier ne dégénère. Ce démantèlement asynchrone des terminaisons axonales est accompagné par la formation de nombreuses nouvelles branches axonales, rétablissant des connexions synaptiques avec des JNMs qui n’étaient pas préalablement innervées par ce motoneurone. De manière intéressante, nous montrons que ces événements compensatoires sont nettement plus fréquents chez les femelles, mais qu’ils sont associés à une progression légèrement plus rapide de la pathologie, suggérant qu’une compensation excessive puisse être délétère. De plus, malgré la présence de certains types d’événements compensatoires (bourgeonnement axonal), d’autres semblaient absents ou inefficaces (bourgeonnement terminal) suggérant que les mécanismes régulant la réparation des JNMs sont altérés durant la SLA. Ainsi, dans un deuxième temps, nous avons investigué plus en profondeur l’un des mécanismes pouvant contribuer à l’instabilité et à la réparation anormale des JNMs, la dysfonction des CSPs. Plus particulièrement, nous avons évalué si l’altération des propriétés des CSPs affectait leur capacité à promouvoir la réparation des JNMs et contribuait ainsi aux déficits que nous avons observés in vivo. Nous avons identifié que les CSPs semblaient incapables d’adapter leur phénotype suite au démantèlement des JNMs. Notamment, nous montrons que les CSPs n’augmentent pas leur expression de la Galectine-3, un facteur associé à la phagocytose de débris axonaux, suite à la perte de la terminaison axonale. De manière importante, cette incapacité des CSPs à promouvoir la réinnervation reflète le gradient de vulnérabilité des différents types de JNMs dans la SLA, suggérant que les CSPs soient l’un des facteurs y contribuant. Dans l’ensemble, ces études montrent que la perte initiale de JNMs chez les souris SOD1 est causée par le démantèlement local de branches axonales individuelles, et est associée à une compensation aberrante des CSPs contribuant potentiellement aux déficits de réparation des JNMs. Ces données suggèrent fortement que des mécanismes locaux, au niveau des terminaisons axonales et dans leur entourage, mènent à la perte de JNMs dans la SLA. Des thérapies favorisant la stabilité des JNMs pourraient ainsi être bénéfiques afin d’améliorer la fonction motrice des patients atteints de la SLA. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an aggressive neurodegenerative disease characterized by the loss of upper and lower motor neurons, and of their connections to muscle cells, the neuromuscular junctions (NMJs). In the last century, a plethora of novel genetic causes of ALS were identified and were associated with numerous mechanisms of cellular toxicity. Notably, it is now well appreciated that motor neurons do not degenerate by themselves and that glial cells contribute to numerous aspects of ALS pathogenesis. Nevertheless, no consensus has been reached on the origin of the selective degeneration of these neurons.  Multiple recent studies identified local alterations at the level of NMJs, including notably a dysfunction of the glial cells at this synapse, the perisynaptic Schwann cells (PSCs). These alterations suggest that an early destabilization of NMJs could contribute to ALS. Nevertheless, the sequence of events leading to NMJ loss in ALS is ill-defined. Notably, whether the loss of NMJs is caused by the selective degeneration of a subpopulation of motor neurons or by the local degeneration of individual axonal branches remains a controversial question. This distinction is of great importance as the mechanisms underlying these two events potentially differ greatly. Furthermore, the extent and efficiency of compensatory events remain uncertain, even though ample elements suggesting that some motor neurons attempt to compensate for the loss of NMJs.  Hence, the goal of this thesis was first to characterize the degenerative and compensatory events taking place within the axonal arborization of individual motor neurons during disease progression in a classical model of ALS, the SOD1G37R mice. Through the repeated in vivo imaging of individual axonal arborization, we show that some axonal branches progressively retract from their NMJs while others are maintained for several weeks before global axonal degeneration. This asynchronous dismantlement of axon terminals is accompanied by the formation new axonal branches, reestablishing synaptic connections with NMJs which were not initially innervated by this motor neuron. Interestingly, we show that these compensatory events were much more frequent in females, but were associated with a slightly faster disease progression, suggesting that excessive compensation could be deleterious. Moreover, we show that, despite the presence of some types of compensatory events (axonal sprouting), other types of compensatory events seemed absent or inefficient (terminal sprouting), suggesting that mechanisms regulating NMJ repair are altered in ALS. Hence, we next wanted to investigate one of the mechanisms which could contribute to NMJ instability and repair abnormalities, namely the dysfunction of PSCs. Specifically, we evaluated if the alteration of PSC properties affected their capacity to promote NMJ repair and contributed to the deficits observed in vivo. We identified that PSCs failed to adapt their phenotype upon the dismantling of NMJs. Notably, we show that PSCs did not upregulate their expression of Galectin-3, a factor associated with glial phagocytosis of axonal debris. Importantly, this incapacity of PSCs to promote reinnervation reflected the selective vulnerability of different types of NMJs in ALS, suggesting that PSCs could be one of the factors contributing to this vulnerability gradient.  Altogether, these studies show that the inital loss of NMJs in SOD1 mice is caused by the local dismantlement of individual axonal branches. This phenomenon is accompanied by a maladapted response of PSCs which potentially contributes to NMJ repair deficits in ALS. These evidence strongly suggest that local mechanisms, at the level of axon terminals and their neighboring cells, lead to NMJ loss in ALS. Therapies aimed at stabilizing NMJs could thus benefit ALS patients by improving their motor function.

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