Latéral Hypothalamic Neurons: From Development to disease

L'hypothalamus latéral joue un rôle important dans la régulation des comportements tels que l'alimentation et le sommeil. Mch (melanin-concentrating hormone) et Hcrt (hypocretine ou orexine) sont des neurones entremêlés les uns avec les autres et localisés dans cette région qui envoient des projections dans tout le cerveau. Les neurones Hcrt sont actifs principalement pendant l'éveil actif et sont silencieux pendant le sommeil tandis que les neurones Mch accomplissent un rôle inverse. La narcolepsie esr un trouble du sommeil caractérisé par une somnolence diurne excessive et la cataplexie (perte de tonus musculaire déclenchée par les émotions). Elle est due à la perte des neurones Hcrt pour des raisons inconnues à ce jour. Cependant, l'hypothèse la plus plausible est la participation d'une attaque auto-immune. Le but de cette thèse est d'approfondir notre compréhension du rôle de l'hypothalamus latéral dans les états de vigilance, d'essayer de générer ces populations neuronales in vitro et de comprendre la cause de la narcolepsie. Nous montrons que la vitamine C et BMP7 sont respectivement les principales molécules pour induire l'expression de Hcrt et Mch in vitro, indiquant que ces deux populations neuronales ne dérivent pas des mêmes cellules progénitrices. Ces molécules activent certains facteurs de transcription parmi lesquels Rax pour déterminer la destinée finale des neurones hypothalamiques. Afin de trouver des molécules spécifiques qui représentent les cibles de l'attaque auto-immune dans la narcolepsie, nous avons isolé les neurones de l'hypothalamus latéral et séquencé (RNAseq) leurs ARN messagers. Ainsi, le gène Qrfp a été identifié comme s'exprimant dans les neurones Hcrt. Qrfp joue un rôle important dans le comportement alimentaire et la régulation du sommeil. Dans une autre étude, nous nous sommes intéressés à la modulation de la voie sérotoninergique chez les souris Hcrt knock-out (un modèle de la narcolepsie humaine). Les résultats préliminaires montrent que l'augmentation du tonus sérotoninergique dans le cerveau des souris knock-out Hcrt par l'introduction d'une mutation nulle du gène de transporteur de la sérotonine réduit considérablement la cataplexie tandis que le sommeil paradoxal est augmenté. En résumé, nos résultats mettent en lumière les mécanismes de développement des neurones hypothalamiques latéraux et comment ces neurones contrôlent les états de vigilance et pourquoi leur perte provoque la narcolepsie. -- Latéral hypothalamus plays important rôles in the proper régulation of behaviors such as feeding and sleep. Mch (melanin-concentrating hormone) and Hcrt (hypocretin or orexin) neuronal populations localized in this région are intermingled with each other and send projections throughout the brain. Hcrt neurons are active mainly during active wakefulness and are silent during sleep while Mch neurons accomplish an opposite rôle. Narcolepsy is a sleep disorder characterized by excessive daytime sleepiness and cataplexy (loss of muscle tone triggered by émotion). In narcolepsy patients Hcrt neurons are lost due to unknown reasons so far. However, the most plausible hypothesis is the involvement of an autoimmune attack. The purpose of this thesis is to further our understanding of the rôle of the latéral hypothalamus in vigilance states and how its neuronal populations can be developed in vitro and to investigate the cause of narcolepsy. We showed that vitamin C and BMP family member 7 are the major requirements to induce Hcrt and Mch gene expression in vitro, respectively, indicating that these two important neuronal population do not develop from the same progenitor cells. These molecules activate some transcription factors among which Rax to induce the latéral hypothalamic neuronal fate. To find some specific molecules that possibly represent as targets of the autoimmune attack in narcolepsy, the isolation and purification of these populations was carried out and in early experiments Qrfp was identified to be expressed in Hcrt neurons. Qrfp has an important rôle in feeding behavior and sleep régulation. In another behavioral study we investigated the modulation of serotonergic pathway in Hcrt knockout mice, which is a model of human narcolepsy. Preliminary results showed that increasing the serotonergic tone in the brain of Hcrt knockout mice via introducing a null mutation in serotonin transporter gene dramatically reduces cataplexy while REM sleep is increased. Taken together our results shed light on the developmental mechanisms of the latéral hypothalamic neurons and how these neurons are controlling the vigilance states and how their loss causes the sleep disorder narcolepsy

Epigenetic silencing of selected hypothalamic neuropeptides in narcolepsy with cataplexy

Narcolepsy with cataplexy is a sleep disorder caused by deficiency in the hypothalamic neuropeptide hypocretin/orexin (HCRT), unanimously believed to result from autoimmune destruction of hypocretin-producing neurons. HCRT deficiency can also occur in secondary forms of narcolepsy and be only temporary, suggesting it can occur without irreversible neuronal loss. The recent discovery that narcolepsy patients also show loss of hypothalamic (corticotropin-releasing hormone) CRH-producing neurons suggests that other mechanisms than cell-specific autoimmune attack, are involved. Here, we identify the HCRT cell-colocalized neuropeptide QRFP as the best marker of HCRT neurons. We show that if HCRT neurons are ablated in mice, in addition to Hcrt, Qrfp transcript is also lost in the lateral hypothalamus, while in mice where only the Hcrt gene is inactivated Qrfp is unchanged. Similarly, postmortem hypothalamic tissues of narcolepsy patients show preserved QRFP expression, suggesting the neurons are present but fail to actively produce HCRT. We show that the promoter of the HCRT gene of patients exhibits hypermethylation at a methylation-sensitive and evolutionary-conserved PAX5:ETS1 transcription factor-binding site, suggesting the gene is subject to transcriptional silencing. We show also that in addition to HCRT, CRH and Dynorphin (PDYN) gene promoters, exhibit hypermethylation in the hypothalamus of patients. Altogether, we propose that HCRT, PDYN, and CRH are epigenetically silenced by a hypothalamic assault (inflammation) in narcolepsy patients, without concurrent cell death. Since methylation is reversible, our findings open the prospect of reversing or curing narcolepsy