MOLECULAR REORGANIZATION FOLLOWING SENSORY STIMULATION IN THE ADULT MOUSE BARREL CORTEX

Sensory information is an important factor in shaping neuronal circuits during development and adulthood. In the barrel cortex of adult rodents, cells from layer IV are able to adapt their functional state to an increased flow of sensory information from the mystacial whisker follicles. Previous studies in our group have shown that whisker stimulation induces the formation of inhibitory synapses in the corresponding barrel (Knott et al., 2002) and decreases neuronal responses toward the deflection of the stimulated whisker (Quairiaux et al., 2007). Together these observations have turned the barrel cortex into a model to study homeostatic plasticity. At the cellular level, neuronal activity triggers intracellular signaling cascades leading to a transcriptional response. To further characterize the molecular pathways involved in the synaptic changes after whisker stimulation in the adult mouse, a previous doctoral student in our group performed a microarray analysis on laser-dissected barrels in sections through layer IV. This study identified the regulation (up and down) of a series of genes in the stimulated barrels (thesis of Johnston-Wenger, 2010). We here focused on ten genes that presented the highest fold change according to the microarray analysis. Out of these genes, 7 are known as neuronal activity-dependent genes (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 and Adcyapl) whereas three have so far not been related to neuronal plasticity (Scn7a, Pcdhl5 and Cede3). The study aimed at confirming the results of the microarray analysis and localizing molecular modifications in the stimulated barrel column at the cellular level. In situ hybridization for Pcdhl5 after different periods of whisker stimulation (3, 6, 9, 15, 24 hrs) allowed us to confirm that the 1.25 fold change used for the microarray analysis is an appropriate threshold for considering a regulation significant after sensory-stimulation. Moreover, we confirmed with in situ hybridization a significant upregulation of the genes of interest in the stimulated barrels. In situ hybridization and immunohistochemistry allowed us to observe the distribution of the genes of interest and the corresponding protein products at the cellular level. Three observations were made: 1) alterations of the expression was restricted to the stimulated barrels for all genes tested; 2) within a barrel column not all cells responded to whisker stimulation with an altered gene expression; 3) in the stimulated barrels, two different patterns of mRNA and protein expression can be distinguished. We hypothesize that this segregation of the activity-induced gene expression reflects the segregation of the two principal thalamocortical pathways conveying the sensory information to the barrel cortex. Moreover, only neurons reaching the critical threshold will modify their gene expression program resulting in structural as well as physiological modifications that prevent the subsequent propagation of the excess of excitation to the postsynaptic targets. The activity-induced gene expression is therefore adapted in a cell-type-specific manner to induce a homeostatic response to the entire neuronal network involved in the integration of the sensory information. This to our knowledge the first study showing the distinct, but complementary contribution of the two thalamocortical pathways in experience-dependent plasticity in the adult mouse barrel cortex. -- L'information sensorielle nous permet de continuellement façonner nos circuits neuronaux autant durant le développement qu'à l'âge adulte. Chez le rongeur l'information sensorielle perçue par les vibrisses est intégrée au niveau du cortex somatosensoriel primaire (appelé en anglais « barrel cortex ») dont les cellules de la couche IV sont capables d'adapter leur état fonctionnel en réponse à une augmentation d'activité neuronale. Ce modèle expérimental a permis à notre groupe de recherche d'observer des changements rapides du circuit neuronal en fonction de l'activité sensorielle. En effet, la stimulation continue d'une vibrisse d'une souris adulte pendant 24 heures induit non seulement un remaniement synaptique (Knott et al., 2002), mais également des changements physiologiques au niveau des neurones du tonneau correspondant (Quairiaux et al., 2007). Ces observations nous permettent d'affirmer que le « barrel cortex » est un modèle approprié pour y étudier la plasticité synaptique. Au niveau cellulaire, l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire résultant en une réponse transcriptionnelle. Afin de caractériser les voies moléculaires impliquées dans la plasticité synaptique, une puce à ARN nous a permis de comparer l'expression de gènes entre un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée et un tonneau d'une vibrisse non-stimulée (Nathalie). Cette analyse a révélé un certain nombre de gènes régulés de manière positive ou négative par l'augmentation de l'activité neuronale. Nous nous sommes concentrés sur 10 gènes dont l'expression est fortement régulée. L'expression de sept d'entre eux a déjà été démontrée comme dépendante de l'activité neuronale (Tnncl, Nptx2, Sorcs3, Ptgs2, Nr4a2, Npas4 otAdcyapl) alors que l'expression des trois autres (Scn7a, Pcdhl5 et Cedei) n'a pour le moment pas encore été liée à la plasticité neuronale. Le but de cette thèse est de confirmer les résultats de la puce à ARN et de déterminer dans quel type cellulaire ces gènes sont exprimés. L'hybridation in situ pour le gène Pcdhl5, après différentes périodes de stimulation des vibrisses (3, 6, 9, 15 et 24 heures), nous a permis de confirmer que le seuil de 1.25x utilisé dans l'analyse de la puce à ARN est approprié pour considérer qu'un gène est régulé de manière significative par la stimulation sensorielle. Nous avons également pu confirmer à l'aide de cette technique que la stimulation sensorielle augmente significativement l'expression de ces dix gènes. L'expression de ces gènes au niveau cellulaire a été observée à l'aide des techniques d'hybridation in situ et d'immunohistochimie. Trois observations ont été faites : 1) la régulation de ces gènes est restreinte aux tonneaux correspondants aux vibrisses stimulées ; 2) au niveau d'une colonne corticale correspondant aux vibrisses stimulées, seules certaines cellules présentent une altération de leur expression génique ; 3) au niveau des tonneaux stimulés, deux profils d'expression d'ARNm et de protéines sont observés. Notre hypothèse est que cette distribution pourrait correspondre à la terminaison ségrégée des deux voies thalamocortical qui amènent l'information sensorielle dans le cortex cérébral. De plus, seul les neurones atteignant le seuil critique d'activation modifient leur expression génique en réponse à la stimulation sensorielle. Ces changements d'expression géniques vont permettre à la cellule de modifier ses propriétés structurales et physiologiques de manière a prevenir la propagation d'un excès d'activité neuronale au niveau de ses cibles postsynaptics. L'activité neuronale agit donc spécifiquement sur certains types cellulaires de maniere a induire une réponse homéostatique au niveau du réseau neuronal impliqué dans l'integration de l'information sensorielle. Nos travaux démontrent pour une première fois que les deux voies sensorielles contribuent d'une manière distincte et complémentaire à la plasticité corticale induite par un changement de l'activité sensorielle chez la souris adulte.

Le rapport des humains aux animaux dans la perspective de l'éthique. Mise en situation sociale

Le statut éthique et juridique de l'animal fait l'objet de discussions intenses aujourd'hui. Sa résolution suppose des choix difficiles entre des modèles argumentatifs en apparence incompatibles. L'auteur compare les deux principales formes de biocentrisme, le biocentrisme égalitaire et le biocentrisme hiérarchique, à l'anthropocentrisme, qui peut lui-même être radical ou modéré. Il en découle que le modèle anthropocentrique présente des avantages décisifs, à condition de subir une révision fondamentale, dans le sens d'une anthropo-relationnalité qui distingue la domination violente de l'homme sur l'animal du respect pleinement humain - et donc aussi humanisant - envers les animaux, dont il importe de prendre en compte la dignité et la valeur. La voie du pathocentrisme trouve alors une certaine justification, mais sans occulter la perspective humaine seule à même de fonder une éthique et de la rendre socialement plausible.

THE CXCR7/CXCR4/CXCL12 AXIS IN HUMAN NEUROBLASTOMA: INVOLVEMENT IN MALIGNANT PROGRESSION

Le neuroblastome (NB) est la tumeur maligne solide extra-crânienne la plus fréquente chez le jeune enfant. L'évolution clinique est très hétérogène, et les NBs de haut risque échappent encore aux traitements les plus agressifs. Diverses études ont montré que les chimiokines et leurs récepteurs, particulièrement l'axe CXCR4/CXCL12, sont impliqués dans la progression tumorale. Dans le NB, l'expression de CXCR4 est corrélée à un pronostic défavorable. De récentes études ont identifié l'expression d'un autre récepteur, CXCR7, présentant une forte affinité pour le ligand CXCL12. Cependant, son implication potentielle dans l'agressivité des NBs reste encore inconnue. Notre étude a pour objectif d'analyser le rôle de CXCR7 dans le comportement malin du NB, et son influence sur la fonctionnalité de l'axe CXCR4/CXCL12. Les profils d'expression de CXCR7 et CXCL12 ont d'abord été évalués sur un large échantillonnage de tissus de NB, incluant des tissus de tumeurs primaires et de métastases, provenant de 156 patients. CXCL12 est fortement détecté dans les vaisseaux et le stroma des tumeurs. Contrairement à CXCR4, CXCR7 n'est que très faiblement exprimé par les tumeurs indifférenciées. Néanmoins, l'expression de CXCR7 augmente dans les tumeurs matures, et se trouve spécifiquement associée aux cellules neurales différentiées, telles que les cellules ganglionnaires. L'expression de CXCR7 est faiblement détectée dans un nombre réduit de lignées de NB, mais peut-être induite suite à des traitements avec des agents de différenciation in vitro. La surexpression de CXCR7, CXCR4 et une combinaison des deux récepteurs dans les lignées IGR-NB8 et SH-SY5Y a permis l'analyse de leur fonction respective. En réponse à leur ligand commun, chaque récepteur induit l'activation de la voie ERK 1/2, mais pas celle de la voie Akt. Contrairement à CXCR4, l'expression exogène de CXCR7 réduit fortement la prolifération des cellules de NB in vitro, et in vivo dans un modèle d'injection sous-cutanée de. souris immunodéprimées. CXCR7 altère également la migration des cellules induite par l'axe CXCR4/CXCL12. De plus, l'utilisation d'un modèle orthotopique murin a démontré que la croissance tumorale induite par CXCR4 peut être fortement retardée lorsque les deux récepteurs sont co-exprimés dans les cellules de NB. Aucune induction de métastases n'a pu être observée dans ce modèle. Cette étude a permis d'identifier un profil d'expression opposé et des rôles distincts pour CXCR7 et CXCR4 dans le NB. En effet, contrairement à CXCR4, CXCR7 présente des propriétés non tumorigéniques et peut être associé au processus de différenciation du NB. De plus, nos analyses suggèrent que CXCR7 peut réguler les mécanismes induits par CXCR4. Ces données ouvrent donc de nouvelles perspectives de recherche quant au rôle de l'axe CXCR7/CXCR4/CXCL12 dans la biologie des NBs. - Neuroblastoma (NB) is a typical childhood and heterogeneous neoplasm for which efficient targeted therapy for high-risk tumours is not yet identified. The chemokine CXCL12, and its receptors CXCR4 and CXCR7 have been involved in tumour progression and dissemination in various cancer models. In the context of NB, CXCR4 expression is associated to undifferentiated tumours and poor prognosis, while the role of CXCR7, the recently identified second CXCL12 receptor, has not yet been elucidated. In this report, CXCR7 and CXCL12 expression were evaluated using a tissue micro-array (TMA) including 156 primary and 56 metastatic NB tissues. CXCL12 was found to be highly associated to NB vascular and stromal structures. In opposite to the CXCR4 expression pattern, the neural-associated CXCR7 expression was extremely low in undifferentiated tumours, while its expression increased in maturated tissues and was specifically associated to the differentiated neural tumour cells. As determined by RT-PCR, CXCR7 expression was only found in a minority of NB cell lines. Moreover, its expression in two CXCR7-negative NB cell lines was further induce upon treatment with differentiation agents in vitro. The relative roles of the two CXCL12 receptors was further assessed by overexpressing individual CXCR7 or CXCR4 receptors, or a combination of both, in the IGR-NB8 and SH-SY5Y NB cell lines. In vitro functional analyses indicated that, in response to their common ligand, both receptors induced activation of ERK 1/2 cascade, but not Akt signaling pathway. CXCR7 strongly reduced in vitro growth, in contrast to CXCR4. Sub-cutaneous implantations of CXCR7-expressing NB cells showed that CXCR7 also drastically reduced in vivo growth. Moreover, CXCR7 impaired CXCR4-mediated chemotaxis, and altered CXCR4-mediated growth when CXCR4/CXCR7-expressing NB cells were engrafted orthotopically in mouse adrenal gland, a CXCL12-producing environment. In such model, CXCR7 alone, or in association with CXCR4, did not induce NB cell metastatic dissemination. In conclusion, the CXCL12 receptors, CXCR7 and CXCR4, revealed opposite expression patterns and distinct functional roles in NB. While CXCR4 favours NB growth and chemotaxis, CXCR7 elicits anti-tumorigenic properties and may be associated with NB differentiation. Importantly, CXCR7 may act as a negative modulator of CXCR4 signaling, further opening new research perspectives for the role of the global CXCR7/CXCR4/CXCL12 axis in NB.

PPAR beta a player in astrocyte metabolism and morphology

AbstractPPARP is a nuclear receptor responding in vivo to several free fatty acids, and implicated in cell metabolism, differentiation and survival. PPARp is ubiquitously expressed but shows high expression in the developing and adult brain. PPARp is expressed in different cell types such as neurons and astrocytes, where it might play a role in metabolism. To study this nuclear receptor the laboratory engineered a PPARP -/- mouse model. The aim of my PhD was to dissect the role of PPARP in astrocytes.Experiments in primary culture revealed that cortical astrocytes from PPARP -/- mouse have an impaired energetic metabolism. Unstimulated PPARP -/- astrocytes exhibit a 30% diminution in glucose uptake, correlating to a 30% decrease in lactate release and intracellular glucose. After acute stimulation by D- aspartate mimicking glutamate exposure, both WT and -/- astrocytes up-regulate their metabolism to respond to the increasing energy needed (ATP) for glutamate uptake. According to the Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLSH), the ratio between glucose uptake/ lactate release is 1. However, stimulated PPARp -/- astrocytes display a higher increase in lactate release than glucose uptake which remains lower than in WT. The extra glucose equivalents could come from the degradation of intra cellular glycogen stores, which indeed decrease in PPARP -/- cells upon stimulation. Lower glucose metabolism correlates with a decreased acute glutamate uptake in PPARP -/- astrocytes. Reciprocally, we also observed an increase of glutamate uptake and ATP production after treatment of WT astrocytes with a PPARp agonist. Glutamate transporter protein expression is not affected. However, their trafficking and localization might be altered as PPARp -/- astrocytes have higher cholesterol levels, which may also affect proper transporter structure in the membrane.Metabolism, transporter localization and cholesterol levels are respectively linked to cell mobility, cell cytoskeleton and cellular membrane composition. All three functions are important in astrocytes to in vivo acquire star shaped morphology, in a process known as stellation. PPARP -/- astrocytes showed an impaired acquired stellation in presence of neurons or chemical stimuli, as well as more actin stress fibers and cell adhesion structures. While non stellation of astrocytes is mainly an in vitro phenomenon, it reveals PPARp -/- primary astrocytes inability to respond to different exterior stimuli. These morphological phenotypes correlate with a slower migration in cell culture wound healing assays.This thesis work demonstrates that PPARp is implicated in cortical astrocyte glucose metabolism. PPARp absence leads to an unusual intracellular glycogen use. Added to the effect on acute glutamate uptake and astrocyte migration, PPARp could be an interesting target for neuroprotection therapies.RésuméPPARP est un récepteur nucléaire qui a pour ligands naturels certains acides gras libres. Il est impliqué dans le métabolisme, la différentiation et la survie des cellules. PPARP est ubiquitaire, et a une expression élevée dans le cerveau en développement ainsi qu'adulte. PPARp est exprimé dans différents types cellulaires tels que les neurones et les astrocytes, où il régule potentiellement leurs métabolismes. Pour étudier ce récepteur nucléaire, le laboratoire a créé un modèle de souris PPARp -/-. L'objectif de ma thèse est de comprendre le rôle de PPARp dans les astrocytes.Les expériences montrent un défaut du métabolisme énergétique dans les astrocytes corticaux primaires tirés de souris PPARp -/-. Sans stimulation, l'entrée du glucose dans les astrocytes PPARP -/- est diminuée de 30% ce qui correspond à une diminution de 30% du relargage du lactate. Après stimulation par du D-Aspartate qui mime une exposition au glutamate, les astrocytes WT et -/- augmentent leur métabolisme en réponse à la demande accrue en énergie (ATP) due à l'entrée du glutamate. D'après l'Astrocyte Neuron Lactate Shuttle Hypothesis (ANLSH), le ratio entre le glucose entrant et le lactate sortant est de 1. Cependant le relargage du lactate dans les astrocytes PPARP-/- est plus élevé que l'entrée du glucose. L'apport supplémentaire de glucose transformé en lactate pourrait provenir de la dégradation des stocks de glycogène intracellulaire, qui sont partiellement diminués après stimulation dans les cellules PPARP -/-. Un métabolisme plus faible du glucose corrèle avec une réduction de l'import du glutamate dans les astrocytes PPARp -/-. Réciproquement, nous observons une augmentation de l'import du glutamate et de la production d'ATP après traitement avec l'agoniste pour PPARp. Bien que l'expression des transporteurs de glutamate ne soit pas affectée, nous ne pouvons pas exclure que leur localisation et leur structure soient altérées du fait du niveau élevé de cholestérol dans les astrocytes PPARp -/-.Le métabolisme, la localisation des transporteurs et le niveau de cholestérol sont tous liés au cytosquelette, à la mobilité, et à la composition des membranes cellulaires. Toutes ces fonctions sont importantes pour les astrocytes pour acquérir leur morphologie in vivo. Les astrocytes PPARP -/- présentent un défaut de stellation, aussi bien en présence de neurones que de stimuli chimiques, ainsi qu'un plus grand nombre de fibres de stress (actine) et de structures d'adhésion cellulaire. Bien que les astrocytes non stellaires soient principalement observés in vitro, le défaut de stellation des astrocytes primaires PPARp -/- indique une incapacité à répondre aux différents stimuli extérieurs. Ces phénotypes morphologiques corrèlent avec une migration plus lente en cas de lésion de la culture.Ce travail de thèse a permis de démontrer l'implication de PPARP dans le métabolisme du glucose des astrocytes corticaux. L'absence de ce récepteur nucléaire amène à l'utilisation du glucose intracellulaire, auquel s'ajoutent les effets sur l'import du glutamate et la migration des astrocytes. PPARp aurait des effets neuroprotecteurs, et de ce fait pourrait être utilisé à des fins thérapeutiques.