neurogénèse et migrationaix1.uottawa.ca/~cmessier/neurog%8en%8fse couleur.pdf · 2000. 11....

Neurogénèse et migration

Images tirées de « Fundamental Neuroscience », ©Academic Press, 1999Traduction et présentation, © Claude Messier, 1999

Introduction• Un des aspects les plus remarquables du système

nerveux en développement est la migration descellules nerveuses primitives (ou neuroblastes). Cesmouvements sont orchestrés de façon à promouvoirla différentiation d’un nombre étonnant dephénotypes et placer les jeunes neurones dans lastructure biologique la plus complexe connue, lecerveau des vertébrés.

• Chez l’humain, plus de cent milliards de cellulesutilisent ces mécanismes de migration pour trouverleur place dans un réseau nerveux qui comprendplus de 1014 synapses.

• (100,000,000,000,000 de synapses)

Suivre à la trace les neurones en migration

• Plusieurs techniques ont été utilisées pour découvrir oùles neurones primitifs issus des différentes régions dutube neural terminaient leur migration.

• Les animaux chimériques.• L’incorporation de marqueurs radio-actifs dans l ’ADN

des neurones primitifs.• L’incorporation de colorants fluorescents dans les

neurones primitifs.• L’incorporation de gènes rapporteur insérés à l ’aide de

rétrovirus dans les neurones primitifs.

Les animaux chimériques

• La première de ces techniques a été inventéepar Nicole LeDouarin qui a créé des animauxchimériques (caille-poulet) en greffant unepartie du tube neural d’une caille à unembryon de poulet.

• Cette technique a été utilisée pour démontrercomment les neurones primitifs issus dedifférents niveaux axiaux suivaient des routesmigratoires différentes et engendraient desprogénitures différentes.

Expériences de Nicole Le Douarin

Marquage radio-actif des neurones primitifs

• Dans une autre technique, des cellulesprimitives sont retirées d’un embryonpuis incubées dans une solution de[3H]thymidine qui s’incorpore dans lenoyau cellulaire pendant la synthèse del’ADN.

• Les cellules transplantées dans unnouvel embryon peuvent être retracéespar la radio-activité qu’elles émettent.

Marquage radio-actif des neurones primitifs/2

• Comme la [3H]thymidine est incorporée àl’ADN des cellules-filles, ces dernièresdeviennent aussi radio-actives (etdétectables).

• Bien que la [3H]thymidine resteprisonnière à l’intérieur de la cellule, lesdivisions répétées des cellules marquéesviennent à diluer le marqueursuffisamment pour que l’on ne puisse plusle distinguer

Coloration des neurones primitifs

• Une autre technique consiste en l’injectiond’un colorant fluorescent lypophilique (DiI)qui reste prisonnier à l’intérieur des cellulesprimitives et dont une partie est transmiseaux cellules-filles lors de la divisioncellulaire.

• Cependant à mesure des divisionscellulaires, le colorant est progressivementdilué et n ’est plus visible.

Une autre expérience de N. LeDouarin

Dans un premier temps, on enlève chez unembryon de poulet la moitié du tube neural dans

la région du mésencéphale.

région intacterégion enlevée

Dans un deuxième temps, on injecte un colorant DiO (vert)dans la région mésencéphalique résiduelle et un colorant

DiI (rouge-orange) dans la région du tronc cérébral.

tronc cérébralmésencéphale

Finalement, 36 heures plus tard, on peut voir que lescellules primitives du tube neural mésencéphalique ontmigrées pour former la crête neurale du mésencéphale.

mésencéphale

Finalement, 36 heures plus tard, on peut aussi voir que lescellules primitives du tube neural de la région du tronc

cérébral ont migrées dans le second arc bronchial.

second arc branchial

Migration des cellules du télencéphale

• La migration des neurones primitifs de la crêteneurale débute dès que les replis neuraux se sontfusionnés pour fermer le tube neural.

• Les neurones primitifs de la crête neurale antérieure(du télencéphale) migrent ventralement en passantentre le diencéphale et l’oeil embryonnaire.

• Ceux du mésencéphale prennent une routeventrolatérale

• Ceux du tronc cérébral se divisent en trois voies quise dirigent ventromédialement vers les arcsbronchiaux.

Dans la région du tronc, les cellules de la crête neuralevont former les structures du système nerveux

périphérique incluant les chaînons des ganglionssympathiques les ganglions de la racine dorsale

Dans la région du tronc, les cellules de la crête neuralevont migrer ventralement (flèche jaune) dans la régionrostrale du dermatome du somite mais évitent la régioncaudale. Ils formeront les neurones de la racine dorsaleet des ganglions sympathiques ainsi que les cellules de

Schwann et les cellules chromaffines des surrénales

ectoderme

sclérotome

dermatome

tube neural

aorte

RR

CC

R=rostralC=caudal

Dans la région du tronc, les cellules de la crête neuralevont aussi migrer dorsalement (flèches roses) entre

l ’épiderme (ectoderme) et le sclérotome pouréventuellement former les mélanocytes.

ectoderme

sclérotome

dermatome

tube neural

aorte

RR

CC

R=rostralC=caudal

Une combinaison d’indices permissifs etd’indices répulsifs guide la migration des

cellules de la crête neurale

• Les cellules de la crête neurale utilisent modede locomotion de type « fibroblaste »ressemblant à celui des cellules métazoaires.

• La motilité des cellules de la crête neurale estfacilitée par les intégrines, une classe derécepteurs adhésifs situés sur la surface descellules et se fixant à des composantes de lamatrice extracellulaire.

Motilité cellulaire

Les cellules de la crête neurale sedéplace dans des régions ne contenant

pas d’autres cellules

• La fibronectine et la laminine sont les deuxsubstrats de la matrice extracellulaire auxquelss ’attachent les cellules en migration.

• Comme les cellules transplantées d’une région dutube neural à l’autre se déplacent également bien,la matrice extracellulaire est un substrat permissifplutôt qu ’instructif pour la migration.

• Il semble que les cellules en migration de la crêteneurale se déplacent de façon aléatoire.

Les cellules en migration sont gardées dans« le droit chemin » par des signaux inhibiteurs

en provenance des tissus avoisinants.

• Ces signaux inhibiteurs forment des corridorsqu ’empruntent les cellules migratrices.

• Une fois que les cellules postmigratrices sontrendues à destination, ils se mettent àexprimer des molécules des superfamilles desimmunoglobulines G et des cadhérines. Cessignaux facilitent l ’agrégation des cellules enganglions où ils se différencient en cellulesgliales et en neurones.

Sommaire• Les cellules de la crête neurale migrent sur de longues

distances dans le corps pour former différent types decellules incluant les neurones, les cellules gliales, lesmélanocytes et les cellules des surrénales.

• Les voies migratrices des cellules de la crête neuralevarient le long de l ’axe antérieur-postérieur etl ’environnement local dans lequel les cellules migrentjoue un rôle important dans la détermination des typesde neurones.

• La migration est guidée à la fois par des indices positifs(attractifs ou permissifs) et des indices inhibiteurs(répulsifs) qui se retrouvent dans la matriceextracellulaire.

Développement du système nerveux central

• Comme pour le système nerveuxpériphérique, les neurones du systèmenerveux central sont générés à des endroitstrès éloignés de leur position finale.

• Contrairement à la population de la crêteneurale, le développement du systèmenerveux central s’édifie à partir d’uneorganisation en colonnes.

• Cette organisation en colonnes favorise lamigration radiale des cellules.

Les mouvements des cellules nerveuses primitivesà partir des zones germinales du SNC amènent laformation de 3 classes générales de structures:

• 1- Les structures en couches qui ont despatrons de migration radiaux comme le cortex,l’hippocampe et le cervelet.

• 2- Les structures en couches qui ont despatrons de migration mixtes, radial ettangentiel comme la rétine et la moëlleépinière.

• 3- Les structures qui ne se développent pas encouches tels le tronc cérébral, le mésencéphaleet le diencéphale.

Ramón y Cajal

La zone ventriculaire forme unneuroépithélium organisé en colonne et

pseudostratifié

Sidman et Rakic

Certaines cellules à la surface desventricules apparaissent sphériques et se

préparent à se diviser

D ’autres cellules arrondies à la surfaceexterne sont de jeunes neurones en train

de se différencier

À l’intérieur de la zone ventriculaire, lespremières cellules qui se différencient

sont les cellules gliales radiales

• Ces cellules projettent de longs appendicesperpendiculairement à la surface ventriculaireen direction de la surface cérébrale.

• Ces appendices continuent de se prolonger àmesure que le tissu cortical s’épaissit.

• Ces appendices sont la base de l’arrangementen colonne du tissu nerveux car ilsdéterminent des voies migratoires pour lesjeunes neurones.

Les zones embryonnaires initiales sont lesfuturs neurones et cellules gliales du cortexcérébral. La zone ventriculaire contient ces

cellules primitives.

zone ventriculaire

8.5 semaines

Les premiers neurones à être générer colonisent lapré-plaque; leurs axones, ainsi que les axones issus

du thalamus colonisent la zone intermédiaire

zone ventriculaire

10 semaines

zone intermédiaire

pré-plaque

Les neurones desfutures couches II-VIqui sont générésensuite colonisent laplaque corticale quidivise la pré-plaqueen deux parties: lazone marginale (lafuture couche I) et lasous-plaque ungroupe de neuronesen transition

zone ventriculaire

12 semaines

zone intermédiaire

zone marginale

plaque corticale

sous-plaque

À la fin de la migrationneuronale et ladifférenciation, six couchescorticales sont établies au-dessus de la matière blancheet la sous-plaque apratiquement disparue.

matière blanche

VI

V

IVIII

II

I

Quand des cellules de la couche granulaire du cerveletd’une souris sont transplantées dans le cervelet d’un

autre embryon de souris, elles se différencientuniquement en cellules granulaires.

Couche granulaire externe

Couche moléculaire

Couche des cellules de Purkinje

Couche granulaire interne

Les cellules transplantées sont marquées d ’un colorantfluorescent. Deux jours après la transplantation, les

cellules marquées déploient des fibres parallèles

Couche granulaire externe

Couche moléculaire

Couche des cellules de Purkinje

Couche granulaire interne

Trois ou quatre jours après latransplantation, les cellules débutent leurmigration à travers la couche moléculaire

Couche granulaire externe

Couche moléculaire

Couche des cellules de Purkinje

Couche granulaire interne

Six jours après la transplantation, lescellules atteignent la couche granulaireinterne où ils prennent la forme typique

des neurones granulaire à maturité

Couche granulaire externe

Couche moléculaire

Couche des cellules de Purkinje

Couche granulaire interne

Neurones marquées ayant terminé leurmigration vers la couche granulaire

interne et leur différentiation

C. gran. ext.

Couche mol.

C. gran. int.

Étapes migratoires

prolifération

migration

transition

Différentiationterminale

Neurones enmigration neurone en

migration

fibre gliale

zone migratoire

couche interne du cerveau

couche externe du cerveau

1 23

4 5

6 7Cellule de PurkinjeCellule gliale de Bergmann

fibre de lacellule deBergman

Résumé des étapes de la migration des cellulesde la couche granulaire externe vers la couche

interne où ils terminent leur différenciation.

dessin deC.A. Mason

1 23

4 5

6 7Cellule de PurkinjeCellule gliale de Bergmann

fibre de lacellule deBergman

1:Les cellules primitives se divisent, générantdes neurones post-mitotique.

1 23

4 5

6 7Cellule de PurkinjeCellule gliale de Bergmann

fibre de lacellule deBergman

2: Les neurones déploient deux longs axonesappelées fibres parallèles qui sont ... parallèles

à la surface du cervelet.

1 23

4 5

6 7Cellule de PurkinjeCellule gliale de Bergmann

fibre de lacellule deBergman

3: Le neurone granulaire en forme de Ts ’attache à une fibre de la cellule gliale deBergman et se déplace le long de celle-ci.

1 23

4 5

6 7Cellule de PurkinjeCellule gliale de Bergmann

fibre de lacellule deBergman

4-5: La migration continue et les fibresparallèles prennent de l ’expansion.

1 23

4 5

6 7Cellule de PurkinjeCellule gliale de Bergmann

fibre de lacellule deBergman

6: Quand le neurone atteint la couche granulaireinterne, celui-ci se détache de la « route » gliale7: Le neurone complète sa différentiation endéployant de courts dendrites et formant descontacts synaptiques

Chez les vertébrés, des matricesgerminales secondaires se forment dans la

zone sous-ventriculaire.

• Durant la neurogénèse primaire et la migration,les principaux neurones de projection dutélencéphale, du mésencéphale et du cortexcérébelleux sont sont générés et assemblés encouches.

• Durant les phase subséquentes de laneurogénèse, des zones germinalessecondaires se forment dans la zone sous-ventriculaire qui est située immédiatement au-dessus des ventricules

Ces matrices germinales secondaires semblentavoir apparues chez les mammifères les plus

évolués afin de générer des abondantespopulations neuronales tard dans le

développement du SNC.

• Chez la souris, la neurogénèse secondaire secontinue durant la deuxième semaine après lanaissance.

• Chez l’humain, la neurogénèse secondaire sepoursuit jusqu’à deux ans. Les neuronesproduit durant cette période sont surtout despetits interneurones comme les cellulesgranulaires du cervelet et de l’hippocampe

Des nouvelles cellules peuvent être détectées dans lecerveau humain adulte

Neurogenesis in the adult human hippocampus, Peter S. Eriksson1, 4, Ekaterina Perfilieva1,Thomas Björk-Eriksson2, Ann-Marie Alborn1, Claes Nordborg3, Daniel A. Peterson4 & Fred H.Gage4 Nature Medecine, November 1998 Volume 4 Number 11 pp 1313 - 1317

a: La région hioppocampique d ’un cerveau humainadulte colorée à l’aide d’une réaction immunohistochi-mique mettant en évidence le marqueur neuronal NeuN.b: La couche de cellule granulaire (GCL) du gyrus denteléde l’hippocampe colorée à l’aide d’une réaction immuno-histochimique mettant en évidence le marqueur neuronalNeuN.

Des nouvelles cellules peuvent être détectées dans lecerveau humain adulte qui ont été traité avec le BrDu

c et d, Noyaux cellulaires marqués avec le BrdU dans le gyrusdentelé. Ces noyaux qui se retrouvent dans la couche cellulairegranulaire ont les caractéristiques des cellules granulairesmatures.

Des nouvelles cellules peuvent être détectées dans lecerveau humain adulte qui ont été traité avec le BrDu

Neurogenesis in the adult human hippocampus, Peter S. Eriksson, Ekaterina Perfilieva, ThomasBjörk-Eriksson, Ann-Marie Alborn, Claes Nordborg, Daniel A. Peterson & Fred H. Gage NatureMedecine, November 1998 Volume 4 Number 11 pp 1313 - 1317

e et f, Noyaux cellulaires marqués avec le BrdU dans la zonesousventriculaire du noyau caudé humain. Ces noyaux ont uneforme allongée caractéristique des cellules en migration dansla même structure chez le rat.

Neurones hippocampiques migrant in vitro le longde prolongements de cellules astrogliales

provenant du cervelet

photo Dr. M.E. Hatten

Les neurones sont capables de migrer le longd’une variété de fibres gliales radiales même

ceux provenant de d’autres régions du cerveau.

photo Dr. M.E. Hatten

Les neurones exprimant l ’hormone delibération de la Gonadotropine (GnRH) migrent

de la cavité olfactive vers le cerveau

• Ces neurones qui se retrouvent dansl ’hypothalamus produisent la GnRH, unehormone clé pour la maturation des organesreproducteurs.

• Les neurones primitifs pour les neurone GnRHse retrouve dans la placode qui donnera lamuqueuse olfactive dans les cavités nasales.

• Chez la souris, environ 800 de ces neuronesmigrent de 1 à 3 mm à travers le septumnasal et entrent dans le cerveau en suivant lesaxones des neurones olfactifs déjà en place.

Migration des neurones GnRH

GnRHmésencéphale

moelleépinière

languenez

neuronesolfactifs

neurones récepteursdes phéromone

télencéphale

4 3

bulbe olfactif

Dans le syndrome de Kallman, une rareanomalie génétique, les axones des

neurones olfactifs et des phéromonesmigrent jusqu ’à la plaque criblée mais

s ’arrêtent sans entrer le cerveau.

• Le syndrome de Kallman s ’exprime parl ’anosmie et l ’infertilité (hypogonadisme etstérilité). L ’infertilité est due à l ’absence desécrétion de GnRH puisque les neuronesprimitifs GnRH ne migrent pas dansl ’hypothalamus.

Vecteurs viraux et thérapie génique

• Les virus causent un grand nombre demaladies animales et il est ironique que cesagents infectieux contenant uniquementdes acides nucléiques (ADN ou ARN) sontmaintenant employés comme des systèmesthérapeutiques de livraison de gènes.

Vecteurs viraux et thérapie génique

• La thérapie génique peut s ’effectuer dedeux façons:

• La première est appelée thérapie géniqueex vivo dans laquelle des cellules sontretirées de l ’individu à traiter, puis sontamenées à se multiplier en culture. Lescellules sont ensuite modifiées à l ’aided ’un vecteur viral et finalement ré-injectées dans l ’individu

Vecteurs viraux et thérapie génique

• La deuxième est appelée thérapie géniquein vivo dans laquelle les vecteurs virauxsont injectés dans des régions spécifiquesdu cerveau, entrent dans les neurones etensuite les détruisent ou les modifientsélectivement.

• Un grand nombre de virus ont été utilisésen neuroscience, chacun ayant sesavantages et désavantages.

Vecteurs viraux et thérapie génique

• Un type de virus, les rétrovirus, contiennentun génome d ’ARN qui, après l ’entrée duvirus dans la cellule, doit être converti enADN complémentaire.

• Ce processus ne peut prendre place que s ’ily a suffisamment de précurseurs d ’ADN;ceux-ci ne sont présent en quantitéappréciable que dans les cellules se divisantactivement.

Vecteurs viraux et thérapie génique

• Les rétrovirus ont étéutilisés dans desrecherches portant sur ledéveloppement ducerveau. Dans cesrecherches, un gènecodant l ’enzyme ß-galatosidase (tiré de E.Coli) est transféré dansles cellules endéveloppement à l ’aidede rétrovirus.

Vecteurs viraux et thérapie génique

• Dans cette image, on peutvoir grâce à cettetechnique que lesneurones embryonnairesdans la moelle épinière depoulet migrent radialementde la zone ventriculaire.Puis certains neuronesprennent une directionorthogonale (à 90 degrés).

Voies migratrices des neurones de larégion postérieure du thalamus humain

C=noyau caudé3V=troisième ventriculeGE=ganglion de l ’éminence

C=noyau caudéIC= capsule interneGP=globus pallidusCM=noyau centromédianLV=ventricule latéralH=hippocampeGE=ganglion de l ’éminence