Institut de Biologie du Développement de Marseille

Cellules souches et réparation du système nerveux adulte

L’équipe s’intéresse à la plasticité mise en jeu suite à une atteinte de la myéline. Chez certains patients atteints de sclérose en plaques (SEP), une remyélinisation spontanée des lésions existe, avec une variabilité très importante entre les patients et aussi entre différentes lésions d’un même patient. Les études chez le rongeur ont permis d’identifier deux sources de cellules participant à la remyélinisation: les progéniteurs d’oligodendrocytes (OPC) présents dans tout le parenchyme cérébral et les progéniteurs neuraux dérivés de la zone sous-ventriculaire (SVZ), où résident les cellules souches du cerveau adulte.

Notre objectif est de décrypter les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sous-tendent la mobilisation de ces cellules afin de mieux décrire le processus régénératif et d’ouvrir la voie à de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Interactions cellulaires, neurodégénérescence et neuroplasticité

L’équipe étudie les interactions cellulaires et les capacités adaptatives du cerveau adulte, en particulier dans le contexte du fonctionnement normal et pathologique des ganglions de la base.

Les projets en cours sont centrés sur la physiopathologie et le traitement de la maladie de Parkinson, avec un focus sur le rôle des systèmes glutamatergiques.

Notre approche combine l’utilisation et le développement de modèles expérimentaux pertinents chez le rongeur (stimulation cérébrale profonde chronique, modèle génétique d’ablation cellulaire spécifique et modulation optogénétique de l’activité de populations neuronales ciblées) avec des approches d’anatomie fonctionnelle, d’électrophysiologie (in vitro et in vivo), de neurochimie et de biologie cellulaire/moléculaire.

Spécialisation fonctionnelle de sous-populations distinctes de neurones nociceptifs

Notre équipe contribue de façon très active à la compréhension des mécanismes moléculaires qui sous-tendent la diversité des neurones sensoriels somatiques et comment cette diversité neuronale est traduite d’un point de vue fonctionnel. Pour ce faire, on combine un large panel d’approches comme la génétique de la souris, des études transcriptomiques à grande échelle, de la biologie moléculaire et cellulaire, des approches électrophysiologiques et comportementales.

Lors des dernières années, nous avons mis en évidence plusieurs mécanismes moléculaires qui contrôlent la spécification de plusieurs sous-populations de neurones nociceptifs, nous avons aussi identifié et mis en évidence le rôle fonctionnel de deux nouveaux gènes spécifiquement dans la sensibilité à la douleur mécanique et nous avons tout récemment démontré la spécialisation fonctionnelle de deux classes distinctes de neurones sensoriels primaire dans le toucher léger et dans la douleur induite par la formaline. Nos projets futurs visent à comprendre la circuiterie entre les neurones sensoriels primaires et les interneurones spinaux. Nous développons aussi des projets plus dirigés vers la clinique visant à comprendre les mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la transition de la douleur aigue vers la douleur chronique.

Polarisation et décisions binaires au sein du système nerveux

Chez les vertébrés et les invertébrés, les neurones sont souvent générés par division asymétrique de cellules précurseurs comme les cellules souches neurales. Ce mécanisme à la base de la construction du système nerveux soulève deux questions importantes: comment ces divisions sont coordonnées dans l’espace et comment les deux cellules filles acquièrent une identité différente.

Nous abordons ces questions en utilisant comme système modèle le nématode C. elegans. Chez C. elegans, la plupart des neurones sont générés durant la neurulation par des divisions asymétriques orientées le long de l’axe antéro-postérieur. Nous avons récemment montré que ces divisions sont régulées par une voie Wnt/β-caténine. Nous cherchons maintenant à établir :

1. Comment le champ de précurseurs neuronaux est polarisé.
2. Comment les cellules filles acquièrent des destins différents et plus particulièrement comment la machinerie de division asymétrique est reliée au programme de différenciation terminale des neurones.

La voie Wnt/β-caténine étant impliquée dans de nombreux cancers et dans la régulation des divisions asymétriques des cellules souches neurales de vertébrés, cette étude pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour le traitement de cancers et la manipulation contrôlée des cellules souches neurales à des fins de thérapies régénératives.

Contrôle moléculaire de la neurogenèse

Comment les cellules souches neurales sont-elles déterminées pour générer des neurones produisant différents types de neurotransmetteurs ? Quels mécanismes permettent aux neurones de migrer jusqu’à leur position finale ? Comment ces neurones intègrent-ils leurs synapses dans une circuiterie neuronale préexistante ? Quelles sont leurs fonctions physiologiques ?

Nous utilisons la neurogenèse du bulbe olfactif pour identifier et caractériser au niveau fonctionnel, les facteurs et les cascades de signalisation qui régulent ces processus. Dans ce but, nous combinons des cribles d’expression géniques à haute résolution  avec des modèles génétiques de souris et des techniques de pointe d’imagerie in vivo par microscopie multiphoton.

Contrôle moléculaire de la différenciation des cellules mésenchymateuses

Teashirt3 (TSHZ3) est un facteur de transcription à doigts à zinc dont les cibles et les implications fonctionnelles restent méconnues. Notre hypothèse de travail, fondée sur nos données préliminaires, est que le gène Tshz3 joue un rôle clé dans le développement et la fonction de circuits corticaux. Pour tester cette hypothèse, nous caractérisons différents modèles d’inactivation de Tshz3, par un ensemble d’approches génétique, moléculaire, anatomique, électrophysiologique et comportementale. Cette étude devrait permettre d’améliorer nos connaissances des mécanismes régulant l’identité moléculaire, l’organisation laminaire et la connectivité axonale spécifique des neurones corticaux.

Développement et pathologies des circuits neuromusculaires

L’équipe Helmbacher étudie le développement neuromusculaire et des pathologies associées. Nos travaux visent à comprendre les mécanismes orchestrant le développement des circuits neuromusculaires, et à découvrir comment des altérations de ces processus développementaux conduisent à des pathologies humaines. Nos travaux intègrent l’étude de l’acquisition et la diversification des phénotypes neuronaux, et de la dépendance mutuelle entre les motoneurones et leurs muscles cibles. Nous cherchons à identifier les signaux échangés par les neurones et les muscles, agissant sur la spécification neuronale, sur l’architecture des projections neuronales (par ex. guidage axonal) et enfin permettant une croissance homogène des unités neuromusculaires. Nous étudions comment ces signaux successifs s’intègrent pour produire l’activité locomotrice.

Nos travaux récents ont mis en lumière un lien entre une myopathie humaine, la dystrophie facioscapulohumérale, et des altérations génétiques de la cadhérine FAT1, dont nous avons montré qu’elle est impliquée dans le développement neuromusculaire. Nous cherchons actuellement à déterminer la contribution des phénotypes liées à un dysfonctionnement de FAT1 aux phénotypes musculaires de type FSHD. Par ailleurs, nous explorons aussi comment la signalisation FAT/Dachsous contibue à la maturation fonctionnelle des circuits neuromusculaires.

Signalisation dans les cellules souches et tumorales

Nous cherchons à découvrir comment des signaux convergents coopèrent pour réguler la destinée des cellules. Cette question est traitée dans deux contextes biologiques: la transition des cellules saines vers la tumorigenèse et la régulation de l’auto-renouvellement des cellules souches vs leur différenciation.
En ce qui concerne les cellules souches, l’équipe étudie comment les cellules souches pluripotentes induites (iPS) humaines affine la perception des signaux extracellulaires instructifs afin : 1) d’améliorer la génération de neurones fonctionnels (par exemple, les neurones dopaminergiques) à la fois in vitro et in vivo; 2) d’améliorer la sécurité des greffes dérivées d’iPS humaines dans des modèles animaux de maladies neurodégénératives (par exemple la maladie de Parkinson) en empêchant les effets secondaires (tumeur).
Notre objectif est d’acquérir des connaissances sur la biologie des iPS humaines, notamment leur différenciation neurale/neuronale, en explorant les réseaux moléculaire et de signalisation. Cette recherche pourrait ouvrir de nouvelles perspectives en médecine régénérative en permettant le développement de stratégies thérapeutiques fondées sur les cellules souches plus efficaces et plus sécuritaires (chef de projet : Dr Rosanna Dono).

Plasticité axonale dans le développement et le cancer

Le fonctionnement du cerveau repose sur des circuits neuronaux complexes qui se forment au cours du développement fœtal et de l’enfance. Les neurones se connectent les uns aux autres en émettant de longs câbles, appelés axones, dont la croissance n’est pas aléatoire mais précisément orientée vers leurs cibles grâce à des molécules de guidage axonal. Notre équipe étudie les mécanismes qui contribuent à réguler finement l’activité des signaux de guidage de façon à contrôler la précision et la fidélité des trajectoires axonales.

En plus d’être essentielles au développement du cerveau, les molécules de guidage axonal sont aussi présentes dans l’organisme adulte où leur expression peut être réactivée dans des conditions pathologiques telles que le cancer. Nous cherchons à savoir si leur activité pourrait contribuer à l’innervation des tumeurs malignes, un processus encore mal caractérisé mais susceptible d’influencer l’évolution de la maladie.

Plasticité des cellules souches neurales

Les cellules souches neurales que l’on trouve dans le système nerveux sont très plastiques. Cette plasticité leur permet de générer un vaste répertoire de neurones lorsque le cerveau se construit ou de régénérer les neurones manquant dans les cerveaux adultes lésés. Notre équipe cherche à déchiffrer les mécanismes moléculaires et génétiques contrôlant la plasticité de ces cellules souches. Nous voulons également savoir comment les différentes variations environnementales qu’un fœtus peut rencontrer affectent la plasticité des cellules souches et leur capacité à générer l’ensemble des cellules du cerveau.

De plus, de par leur plasticité et leur capacité à beaucoup proliférer, les cellules souches sont largement exposées aux dérégulations induisant l’apparition de tumeurs et cancers. Notre ambition consiste également à comprendre comment les propriétés plastiques des cellules souches neurales sont parfois détournées au profit des processus cancéreux.

Afin d’étudier ces fascinantes questions, nous utilisons la mouche drosophile. Comme chez les mammifères, le cerveau adulte de la drosophile est principalement composé de neurones et de cellules gliales (plus de 100 000) intégrés dans des circuits neuronaux complexes. Ces cellules ont été générées au cours du développement de l’animal, à partir d’un ensemble limité de cellules souches neurales. Nous profitons de puissants outils génétiques développés sur cet organisme modèle pour manipuler les cellules souches neurales alors que le cerveau est en cours de construction et identifier les gènes et mécanismes moléculaires responsables de leur bon fonctionnement.

Etude des effets du microbiote sur le comportement de l’hôte

Le microbiote intestinal est composé de bactéries dont la nature dépend de l’environnement intestinal et de la préférence alimentaire de l’hôte. En retour, le microbiote manipule l’hôte en produisant des nutriments et en excrétant des métabolites qui modulent sa physiologie. S’il est établi que le microbiote régule le métabolisme basal ou éduque le système immunitaire de l’hôte, des résultats récents témoignent de son influence sur le système nerveux. Anxiété, dépression, autisme,… le microbiote module nos comportements, régule nos émotions et intervient dans certaines pathologies du système nerveux.

Si quelques-uns des mécanismes de la communication hôte-microbiote ont été élucidés, le champ d’investigation demeure vaste. Grâce à la puissance de sa génétique et la relative simplicité de son microbiote, la drosophile représente une alternative prometteuse aux modèles mammifères. Nos résultats montrent qu’un constituant bactérien appelé peptidoglycane (PGN) est un médiateur clé de ce dialogue. Dans certaines circonstances, le PGN du microbiote peut traverser l’épithélium intestinal et atteindre le sang circulant dans lequel baigne les organes et les tissus. Nos travaux ont démontré que la détection de ce PGN par certains neurones octopaminergiques module leur activité de et in fine affecte le comportement de l’hôte.

Notre équipe cherche à disséquer les détails mécanistiques de ce dialogue moléculaire entre le microbiote et le système nerveux de l’hôte.