Axon guidance of regenerating retinal ganglion cells into the suprachiasmatic nucleus

Les neurones matures du système nerveux central (SNC) sont incapables de régénérer. De ce fait toute lésion du SNC conduit à des pertes irréversibles des fonctions motrices, sensitives et/ou cognitives. Ainsi, comprendre les mécanismes sous-jacents de la régénération axonale constitue l’un des plus grands défis en Neurobiologie. En plus d’un environnement réfractaire à la repousse axonale, les neurones du SNC perdent leur capacité de croissance une fois mature et après la lésion. Ainsi, moduler les capacités intrinsèques des neurones matures ouvre une nouvelle voie de recherche très prometteuse pour réparer le SNC endommagé. En utilisant le modèle du nerf optique, nous avons démontré que l’activation simultanée des voies de signalisation mTOR, JAK/STAT et c-myc dans les cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) permet une repousse axonale robuste à longue distance chez la souris : depuis l’œil jusqu’au cerveau. Cependant, ces axones en cours de régénération présentent de nombreux défauts de projections faisant obstacle à la formation des circuits nerveux. En effet, ces défauts de projections représentent des axones perdus qui n’atteindront jamais leurs cibles et qui peuvent même conduire, dans le pire des cas, à la formation de circuits aberrants et compromettre le retour des fonctions. La question principale de ma thèse est de savoir s’il est possible de modifier la trajectoire des axones en cours de régénération et de les conduire vers leurs cibles originales. En effet, le guidage axonal est un mécanisme qui permet la formation des circuits nerveux lors du développement chez l’embryon. Or, nous ne savons pas si les axones matures sont capables de répondre à leur environnement ou d’intégrer les signaux de guidage. De plus, la topographie d’expression des facteurs de guidage dans le système nerveux mature est peu connue. Pour répondre à ces questions, j’ai choisi comme modèle d’étude la cible la plus proche des CGR : le noyau Suprachiasmatique (NSC). Ce noyau, situé dans l’hypothalamus antérieur juste au-dessus du chiasma optique, est innervé par une population spécifique de CGR : les CGRip qui expriment le photopigment mélanopsine et qui sont intrinsèquement sensibles à la lumière. De manière intéressante, dans notre modèle de régénération, les axones qui régénèrent évitent le NSC alors que les CGRip survivent très bien suite à une lésion du nerf optique. Grâce à un criblage par candidats, nous avons identifié des facteurs de guidage répulsifs dans le NSC mature et leurs récepteurs dans les CGR adultes. En utilisant des cultures ex-vivo d’explant de rétines et de SCN adultes ou des cellules COS exprimant nos molécules d’intérêt, nous avons confirmé leur effet répulsif sur les CGR matures. In vivo, nous avons montré que la délétion des récepteurs de ces facteurs de guidage dans les CGR, permettait d’augmenter considérablement le nombre d’axones entrant dans le NSC. Pour finir, nous avons étudié la fonctionnalité du circuit nerveux nouvellement formé. L’ensemble de ces travaux a permis de montrer que le guidage axonal dans un contexte de régénération est une étape clé pour la formation de nouveaux circuits nerveux chez l’adulte.Central nervous system (CNS) impairment leads to irreversible loss of sensitive, motor and/or cognitive functions, as mature neurons do not regenerate. Thus, understanding the detailed mechanisms of axonal growth and repair remains one of the greatest challenges in Neurobiology. Besides the inhibitory role of the CNS environment on axon regeneration, neurons from the CNS lose their ability to regrow their axons during development and after an injury. Thus, the modulation of intrinsic capabilities of matures neurons open up new ways to repair damaged CNS. By using the mouse visual system, we showed that the simultaneous activation of mTOR, JAK/STAT and c-myc pathways, within the retinal ganglion cells (RGC), induces unprecedented extent of regeneration, from the eye to the brain, and provides an exciting avenue for functional studies and therapeutic strategies. However, our results also exacerbate axon guidance defects hindering nervous circuits formation. Indeed, mis-projecting axons not only miss their targets but they could evenutally form aberrant circuits counteracting any attempt for functional recovery. Thus, the main question of my thesis is to determine whether it is possible to modify regenerating axons trajectory to drive them towards their original targets. Indeed, axon guidance is a process involved during nervous circuits formation in the embryo. However, we do not know whether matures neurons are able to respond to their environment or to integrate guidance factors signaling. Moreover, the expression pattern of guidance cues in the adult nervous system is poorly known. To address these exciting questions, I chose as a proof of concept to focus on the first target encountered by regenerative RGC: the Suprachiasmatic nuclei (SCN). These brain nuclei are located in the anterior part of the hypothalamus just above the optic chiasm. They are innervated by a specific RGC subpopulation: ipRGC which express a photopigment the melanopsin and that are intrinsically sensitive to the light. Interestingly, we observed that regenerating axons avoid the SCN in our model even if ipRGC are surviving after optic nerve crush. After a candidates screening, we identified repulsive guidance cues expressed by mature SCN and their receptors within RGC. By using co-cultures of adult retinal explant with adult SCN explants or COS cells expressing our guidance cues of interest, we confirmed their repulsive effect on mature RGC axons. In vivo, we showed that receptors modulation of these repulsive guidance cues within RGC allows to increase greatly the number of regenerative axons into the SCN. Finally, we assessed the functionality of this new neuronal circuit. All together these results point out that axon guidance mechanism is a key step for the formation of new neuronal circuit in adult during regeneration