Roles of astrocytic sodium dynamics in the neurometabolic coupling : a study by cellular imaging

RESUME LARGE PUBLIC Le système nerveux central est principalement composé de deux types de cellules :les neurones et les cellules gliales. Ces dernières, bien que l'emportant en nombre sur les neurones, ont longtemps été considérées comme des cellules sans intérêts par les neuroscientifiques. Hors, les connaissances modernes à leurs sujets indiquent qu'elles participent à la plupart des tâches physiologiques du cerveau. Plus particulièrement, elles prennent part aux processus énergétiques cérébraux. Ceux-ci, en plus d'être vitaux, sont particulièrement intrigants puisque le cerveau représente seulement 2 % de la masse corporelle mais consomme environ 25 % du glucose (substrat énergétique) corporel. Les astrocytes, un type de cellules gliales, jouent un rôle primordial dans cette formidable utilisation de glucose par le cerveau. En effet, l'activité neuronale (transmission de l'influx nerveux) est accompagnée d'une augmentation de la capture de glucose, issu de la circulation sanguine, par les astrocytes. Ce phénomène est appelé le «couplage neurométabolique » entre neurones et astrocytes. L'ion sodium fait partie des mécanismes cellulaires entrant en fonction lors de ces processus. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, les aspects dynamiques de la régulation du sodium astrocytaire et leurs implications dans le couplage neurométabolique ont été étudiés par des techniques d'imagerie cellulaires. Ces études ont démontré que les mitochondries, machineries cellulaires convertissant l'énergie contenue dans le glucose, participent à la régulation du sodium astrocytaire. De plus, ce travail de thèse a permis de découvrir que les astrocytes sont capables de se transmettre, sous forme de vagues de sodium se propageant de cellules en cellules, un message donnant l'ordre d'accroître leur consommation d'énergie. Cette voie de signalisation leur permettrait de fournir de l'énergie aux neurones suite à leur activation. RESUME Le glutamate libéré dans la fente synaptique pendant l'activité neuronale, est éliminé par les astrocytes environnants. Le glutamate est co-transporté avec des ions sodiques, induisant une augmentation intracellulaire de sodium (Na+i) dans les astrocytes. Cette élévation de Na+i déclenche une cascade de mécanismes moléculaires qui aboutissent à la production de substrats énergétiques pouvant être utilisés par les neurones. Durant cette thèse, la mesure simultanée du sodium mitochondrial (Na+mit) et cytosolique par des techniques d'imagerie utilisant des sondes fluorescentes spécifiques, a indiqué que les variations de Na+i induites par le transport du glutamate sont transmises aux mitochondries. De plus, les voies d'entrée et de sortie du sodium mitochondrial ont été identifiées. L'échangeur de Na+ et de Ca2+ mitochondrial semble jouer un rôle primordial dans l'influx de Na+mit, alors que l'efflux de Na+mit est pris en charge par l'échangeur de Na+ et de H+ mitochondrial. L'étude du Na+mit a nécessité l'utilisation d'un système de photoactivation. Les sources de lumière ultraviolette (UV) classiques utilisées à cet effet (lasers, lampes à flash) ayant plusieurs désavantages, une alternative efficace et peu coûteuse a été développée. Il s'agit d'un système compact utilisant une diode électroluminescente (LED) à haute puissance et de longueur d'onde de 365nm. En plus de leurs rôles dans le couplage neurométabolique, les astrocytes participent à la signalisation multicellulaire en transmettant des vagues intercellulaires de calcium. Ce travail de thèse démontre également que des vagues intercellulaires de sodium peuvent être évoquées en parallèle à ces vagues calciques. Le glutamate, suite à sa libération par un mécanisme dépendent du calcium, est réabsorbé par les transporteurs au glutamate. Ce mécanisme a pour conséquence la génération de vagues sodiques se propageant de cellules en cellules. De plus, ces vagues sodiques sont corrélées spatialement avec une consommation accrue de glucose par les astrocytes. En conclusion, ce travail de thèse a permis de montrer que le signal sodique astrocytaire, déclenché en réponse au glutamate, se propage à la fois de façon intracellulaire aux mitochondries et de façon intercellulaire. Ces résultats suggèrent que les astrocytes fonctionnent comme un réseau de cellules nécessaire au couplage énergétique concerté entre neurones et astrocytes et que le sodium est un élément clé dans les mécanismes de signalisations cellulaires sous-jacents. SUMMARY Glutamate, released in the synaptic cleft during neuronal activity, is removed by surrounding astrocytes. Glutamate is taken-up with Na+ ions by specific transporters, inducing an intracellular Na+ (Na+i) elevation in astrocytes which triggers a cascade of molecular mechanisms that provides metabolic substrates to neurons. Thus, astrocytic Na+i homeostasis represents a key component of the so-called neurometabolic coupling. In this context, the first part of this thesis work was aimed at investigating whether cytosolic Na+ changes are transmitted to mitochondria, which could therefore influence their function and contribute to the overall intracellular Na+ regulation. Simultaneous monitoring of both mitochondrial Na+ (Na+mit) and cytosolic Na+ changes with fluorescent dyes revealed that glutamate-evoked cytosolic Na+ elevations are indeed transmitted to mitochondria. The mitochondrial Na+/Ca2+ exchangers have a prominent role in the regulation of Na+mit influx pathway, and Na+mit extrusion appears to be mediated by Na+/H+ exchangers. To demonstrate the implication of Na+/Ca2+ exchangers, this study has required the technical development of an UV-flash photolysis system. Because light sources for flash photolysis have to be powerful and in the near UV range, the use of UV lasers or flash lamps is usually required. As an alternative to these UV sources that have several drawbaks, we developped a compact, efficient and lowcost flash photolysis system which employs a high power 365nm light emitting diode. In addition to their role in neurometabolic coupling, astrocytes participate in multicellular signaling by transmitting intercellular Ca2+ waves. The third part of this thesis show that intercellular Na+ waves can be evoked in parallel to Ca2+ waves. Glutamate released by a Ca2+ wave-dependent mechanism is taken up by glutamate transporters, resulting in a regenerative propagation of cytosolic Na+ increases. Na+ waves in turn lead to a spatially correlated increase in glucose uptake. In conclusion, the present thesis demonstrates that glutamate-induced Na+ changes occurring in the cytosol of astrocytes propagate to both the mitochondrial matrix and the astrocytic network. These results furthermore support the view that astrocytic Na+ is a signal coupled to the brain energy metabolism.

G alpha-q/11 protein plays a key role in insulin-induced glucose transport in 3T3-L1 adipocytes.

We evaluated the role of the G alpha-q (Galphaq) subunit of heterotrimeric G proteins in the insulin signaling pathway leading to GLUT4 translocation. We inhibited endogenous Galphaq function by single cell microinjection of anti-Galphaq/11 antibody or RGS2 protein (a GAP protein for Galphaq), followed by immunostaining to assess GLUT4 translocation in 3T3-L1 adipocytes. Galphaq/11 antibody and RGS2 inhibited insulin-induced GLUT4 translocation by 60 or 75%, respectively, indicating that activated Galphaq is important for insulin-induced glucose transport. We then assessed the effect of overexpressing wild-type Galphaq (WT-Galphaq) or a constitutively active Galphaq mutant (Q209L-Galphaq) by using an adenovirus expression vector. In the basal state, Q209L-Galphaq expression stimulated 2-deoxy-D-glucose uptake and GLUT4 translocation to 70% of the maximal insulin effect. This effect of Q209L-Galphaq was inhibited by wortmannin, suggesting that it is phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-kinase) dependent. We further show that Q209L-Galphaq stimulates PI3-kinase activity in p110alpha and p110gamma immunoprecipitates by 3- and 8-fold, respectively, whereas insulin stimulates this activity mostly in p110alpha by 10-fold. Nevertheless, only microinjection of anti-p110alpha (and not p110gamma) antibody inhibited both insulin- and Q209L-Galphaq-induced GLUT4 translocation, suggesting that the metabolic effects induced by Q209L-Galphaq are dependent on the p110alpha subunit of PI3-kinase. In summary, (i) Galphaq appears to play a necessary role in insulin-stimulated glucose transport, (ii) Galphaq action in the insulin signaling pathway is upstream of and dependent upon PI3-kinase, and (iii) Galphaq can transmit signals from the insulin receptor to the p110alpha subunit of PI3-kinase, which leads to GLUT4 translocation.

Inhibition of bicarbonate transport protects embryonic heart against reoxygenation-induced dysfunction.

It has not been well established whether the mechanisms participating in pH regulation in the anoxic-reoxygenated developing myocardium resemble those operating in the adult. We have specially examined the importance of Na+/H+ exchange (NHE) and HCO3-dependent transports in cardiac activity after changes in extracellular pH (pHo). Spontaneously contracting hearts isolated from 4-day-old chick embryos were submitted to single or repeated anoxia (1 min) followed by reoxygenation (10 min). The chronotropic, dromotropic and inotropic responses of the hearts were determined in standard HCO3- buffer at pHo 7.4 and at pHo 6.5 (hypercapnic acidosis). In distinct experiments, acidotic anoxia preceded reoxygenation at pHo 7.4. NHE was blocked with amiloride derivative HMA (1 micro mol/l) and HCO3-dependent transports were inactivated by replacement of HCO3 or blockade with stilbene derivative DIDS (100 micro mol/l). Anoxia caused transient tachycardia, depressed mechanical function and induced contracture. Reoxygenation temporarily provoked cardiac arrest, atrio-ventricular (AV) block, arrhythmias and depression of contractility. Addition of DIDS or substitution of HCO3 at pHo 7.4 had the same effects as acidosis per se, i.e. shortened contractile activity and increased incidence of arrhythmias during anoxia, prolonged cardioplegia and provoked arrhythmias at reoxygenation. Under anoxia at pHo 6.5/reoxygenation at pHo 7.4, cardioplegia, AV block and arrhythmias were all markedly prolonged. Interestingly, in the latter protocol, DIDS suppressed AV block and arrhythmias during reoxygenation, whereas HMA had no effect. Thus, intracellular pH regulation in the anoxic-reoxygenated embryonic heart appears to depend predominantly on HCO3 availability and transport. Furthermore, pharmacological inhibition of anion transport can protect against reoxygenation-induced dysfunction.

A quantitative analysis of L-glutamate-regulated Na+ dynamics in mouse cortical astrocytes: implications for cellular bioenergetics.

The mode of Na+ entry and the dynamics of intracellular Na+ concentration ([Na+]i) changes consecutive to the application of the neurotransmitter glutamate were investigated in mouse cortical astrocytes in primary culture by video fluorescence microscopy. An elevation of [Na+]i was evoked by glutamate, whose amplitude and initial rate were concentration dependent. The glutamate-evoked Na+ increase was primarily due to Na+-glutamate cotransport, as inhibition of non-NMDA ionotropic receptors by 6-cyano-7-nitroquinoxiline-2,3-dione (CNQX) only weakly diminished the response and D-aspartate, a substrate of the glutamate transporter, produced [Na+]i elevations similar to those evoked by glutamate. Non-NMDA receptor activation could nevertheless be demonstrated by preventing receptor desensitization using cyclothiazide. Thus, in normal conditions non-NMDA receptors do not contribute significantly to the glutamate-evoked Na+ response. The rate of Na+ influx decreased during glutamate application, with kinetics that correlate well with the increase in [Na+]i and which depend on the extracellular concentration of glutamate. A tight coupling between Na+ entry and Na+/K+ ATPase activity was revealed by the massive [Na+]i increase evoked by glutamate when pump activity was inhibited by ouabain. During prolonged glutamate application, [Na+]i remains elevated at a new steady-state where Na+ influx through the transporter matches Na+ extrusion through the Na+/K+ ATPase. A mathematical model of the dynamics of [Na+]i homeostasis is presented which precisely defines the critical role of Na+ influx kinetics in the establishment of the elevated steady state and its consequences on the cellular bioenergetics. Indeed, extracellular glutamate concentrations of 10 microM already markedly increase the energetic demands of the astrocytes.

The blood-brain barrier: cellular basis.

Perfusion experiments with horseradish peroxidase have established that the morphological substrate of the blood-brain barrier is represented by microvascular endothelial cells. They are characterized by complexly arranged tight junctions and a very low rate of transcytotic vesicular transport. They express transport enzymes, carrier systems and brain endothelial cell-specific molecules of unknown function not expressed by any other endothelial cell population. These blood-brain barrier properties are not intrinsic to these cells but are inducible by the surrounding brain tissue. Type I astrocytes injected into the anterior eye chamber of the rat or onto the chick chorioallantoic membrane are able to induce a host-derived angiogenesis and some blood-brain barrier properties in endothelial cells of non-neural origin. Recently we have shown that this cellular interaction is due to the secretion of a soluble astrocyte derived factor(s). Astrocytes are also implicated in the maintenance, functional regulation and the repair of the blood-brain barrier. Complex interactions between other constituents of the microenvironment surrounding the endothelial cells, such as the basement membrane, pericytes, nerve endings, microglial cells and the extracellular fluid, take place and are required for the proper functioning of the blood-brain barrier, which in addition is regionally different as reflected by endothelial cell heterogeneity.

Spontaneous cell polarization: Feedback control of Cdc42 GTPase breaks cellular symmetry.

Spontaneous polarization without spatial cues, or symmetry breaking, is a fundamental problem of spatial organization in biological systems. This question has been extensively studied using yeast models, which revealed the central role of the small GTPase switch Cdc42. Active Cdc42-GTP forms a coherent patch at the cell cortex, thought to result from amplification of a small initial stochastic inhomogeneity through positive feedback mechanisms, which induces cell polarization. Here, I review and discuss the mechanisms of Cdc42 activity self-amplification and dynamic turnover. A robust Cdc42 patch is formed through the combined effects of Cdc42 activity promoting its own activation and active Cdc42-GTP displaying reduced membrane detachment and lateral diffusion compared to inactive Cdc42-GDP. I argue the role of the actin cytoskeleton in symmetry breaking is not primarily to transport Cdc42 to the active site. Finally, negative feedback and competition mechanisms serve to control the number of polarization sites.

Evaluation of molecular, cellular and behavioral consequences of serotonin 1A receptor deletion

In 1998, three different research groups simultaneously reported increased anxiety-related behavior in tests of conflict in their serotonin 1a (5-HT1a) receptor knockout (KO) line with male mice being more severely affected by 5-HT1a receptor deletion than female KO. Similarly, in the hippocampus, we observed increased dendritic complexity in the stratum radiatum of CA1 pyramidal neurons in male but not in female 5-HT1a receptor KO mice. These observations prompted us to investigate gender- dependent differences of 5-HT1a receptor deletion in hippocampal-related behavioral tasks. Testing our mice in anxiety-related paradigms, we reproduced the original studies showing increased anxiety- related behavior in male 5-HT1a receptor KO mice when compared to male WT mice, but no difference between female 5-HT1a receptor KO and WT mice. Similarly, male 5-HT1a receptor KO mice were impaired in association of aversive stimuli fear conditioning paradigms. We argue that increased dendritic complexity and increased synaptic strength of CA3-CA1 synapses in the stratum radiatum impaired proper signal propagation attributed to overactivation of CA1 pyramidal neurons leading to impaired fear memory of male 5-HT1a receptor KO mice. Similar mechanisms in the ventral hippocampus are likely to have contributed to gender-dependent differences in anxiety-related behavior in our and the original studies from 1998. In this study, we started to shed light on the 5-HT1a receptor downstream signaling pathways involved in dendritogenesis of pyramidal neurons during early postnatal development. We could show that NR2B-containing NMDA receptor during development acts downstream of 5-HT1a receptor and is responsible for increased amount of branching in male 5-HT1a receptor KO mice. Conversely, protein and NR2B mRNA expression was increased in 5-HT1a receptor KO mice at P15. Although the exact signaling cascade of 5-HT1a receptor regulating NR2B-containing NMDA receptor has not been determined, CaMKII is a potential downstream effector to influence transportation and removal of NR2B-containing NMDA receptors to and from the synapse. In contrast, Erk1/2 likely acts downstream of NR2B-containing NMDA receptors and was shown to be sufficient to regulate dendritic branching. Moreover, increased NR2B-containing NMDA receptor mediated cell death via excitotoxicity during development and is likely to be involved in reduced survival of adult born neurons in the hippocampus of 5-HT1a receptor KO male. The convergence of 5-HT1a receptor signaling onto NR2B-containing NMDA receptor signaling enables estrogen to interfere with its downstream pathway via G-protein coupled estrogen receptor 1 activation resulting in normalization of branching and behavior in female 5-HT1a receptor mice. In conclusion, our data strongly suggests a hormone- regulated mechanism that by converging on NR2B-containing NMDA receptor signaling is able to normalize morphology of pyramidal neurons and behavior of female 5-HT1a receptor KO mice. Our findings provide a possible explanation for gender-dependent differences in the occurrence of mental disorders with 5-HT1a receptor abnormalities as a strong predisposing factor. -- En 1998, trois équipes de recherche ont décrit un comportement de type anxieux dans des tests de conflit pour leur souris transgéniques avec une délétion du gène pour le récepteur 5-HT1a de la sérotonine. De plus, les trois groupes rapportent un phénotype plus sévère pour le comportement anxieux chez les souris transgéniques mâles que femelles. Dans l'hippocampe, la région avec la densité de récepteur 5-HT1a la plus élevée dans le télencéphale, nous avons observé dans le stratum radiatum une complexité accrue des arborisations dendritiques des neurones pyramidaux du secteur CA1 chez les souris transgénique mâles mais pas chez les femelles. Cette observation nous a encouragés à initier cette étude sur les différences en fonction du genre utilisant les tests comportementaux en rapport avec les fonctions de l'hippocampe chez les souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a.Testant nos souris avec des paradigmes associés à l'anxiété, nous avons reproduit les données originales montrant que les souris transgéniques mâles ont un phénotype plus sévère que les souris mâles sauvages, mais qu'aucune différence n'est observée entre les femelles sauvages et transgéniques. De même, les souris mâles déficientes pour le récepteur 5-HT1a sont handicapées dans les tests de conditionnement au stress avec des stimuli aversifs. Nous faisons l'hypothèse que l'augmentation de la complexité de l'arborisation dendritique et l'augmentation de la force du signal synaptique entres les régions CA3 et CA1 de l'hippocampe dans le stratum radiatum perturbe la propagation du signal nerveux qui conduit à l'hyperactivation des neurones du secteur CA1. Ceci conduit à une mémoire de stress altérée chez les souris mâles déficientes pour le récepteur 5-HT1a. Un mécanisme similaire dans l'hippocampe ventral contribue probablement aux différences en fonction du genre dans les tests pour le comportement de type anxieux qui ont été rapportés dans les études originales de 1998. Les mesures de protéine et de mRNA ont mis en évidence une augmentation de l'expression du récepteur NMDA contenant la sous- unité NR2B dans les souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a à P15. Dans les cultures organotypiques d'hippocampe, nous avons commencé à disséquer les messagers secondaires à l'activation du récepteur 5-HT1a qui sont impliqués dans la régulation de la croissance dendritique des neurones pyramidaux pendant la période postnatale précoce. Nous avons démontré que les récepteurs NR2B sont en aval de l'activation du récepteur 5-HT1a et qu'ils sont impliqués dans l'accroissement du nombre de dendrites chez la souris mâle déficiente pour le récepteur 5-HT1a. Bien que la cascade de signalisation du récepteur 5-HT1a pour réguler les récepteurs NMDA contenant le NR2B ne soit pas établie, CaMKII est identifié comme un effecteur potentiel pour altérer le transport du récepteur NMDA à la synapse. D'autre part, Erk1/2 est probablement un messager en aval du NR2B du récepteur NMDA, et a été documenté comme suffisant pour réguler l'arborisation dendritique. L'augmentation de NR2B à la synapse des souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a peut conduire à une augmentation de l'excitotoxicité dans les cellules. Nous avons observé une augmentation chez la souris déficiente pour le récepteur 5-HT1a de la mort cellulaire dans des tranches d'hippocampe stimulées, ce qui peut être en relation avec la réduction de la survie des neurones générés dans l'hippocampe de la souris mâle transgénique adulte par rapport à la souris mâle sauvage. De plus, la convergence de la signalisation du récepteur 5-HT1a sur la signalisation de la sous-unité NR2B du récepteur NMDA permet à l'oestrogène d'interférer avec sa voie de signalisation du récepteur de l'oestrogène couplé à une protéine G (GPER-1), ceci permettant à l'oestrogène de réduire la taille de l'arborisation des neurones pyramidaux de CA1 chez la femelle de la souris déficiente pour le récepteur 5-HT1a. En conclusion, nos observations suggèrent fortement qu'un mécanisme hormonal convergeant sur la voie de signalisation de la sous-unité NR2B du récepteur NMDA permet la normalisation de l'exubérance des dendrites des neurones CA1 de l'hippocampe et du comportement des souris femelles déficientes pour le récepteur 5-HT1a. Ceci donne une explication possible pour la différence en fonction du genre dans l'apparition de troubles mentaux avec les variations du récepteur 5-HT1a comme facteur de prédisposition important.

Role of intracellular signaling pathways activated in fibroblasts in response to lipoproteins

Summary The best described physiological function of low-density lipoproteins (LDL) is to transport cholesterol to target tissues. LDL deliver their cholesterol cargo to cells following their interaction with the LDL receptor. LDL, when their vascular concentrations increase, have also been implicated in pathologies such as atherosclerosis. Among the cell types that are found in blood vessels, endothelial and smooth muscle cells have dominated cellular research on atherosclerotic mechanisms and LDL activation of signaling pathways, while very little is known about adventitial fibroblast activation caused by elevated lipoprotein levels. Since fibroblasts participate in wound repair and since it has recently been recognized that fibroblasts may play pivotal roles in vascular remodeling and repair of injury, we assessed whether lipoproteins affect fibroblast function. We have found that LDL specifically mediate the activation of a class of mitogen-activated protein kinases (MAPKs): the p38 MAPKs. The activation of this pathway in turn modulates cell shape by promoting lamellipodia formation and extensive cell spreading. This is of particular interest because it provides a mechanism by which LDL can promote wound healing or vessel wall remodeling as observed during the development of atherosclerosis. In order to understand the molecular mechanisms by which LDL induce p38 activation we searched for the component in the LDL particle responsible for the induction of this pathway. We found that cholesterol is the major component of lipoprotein particles that mediates their ability to stimulate the p38 MAPK pathway. Furthermore, we investigated the cellular mechanisms underlying the ability of LDL to induce cell shape changes and whether this could participate in wound repair. Our recent data demonstrates that the capacity of LDL to induce fibroblast spreading relies on their ability to stimulate IL-8 secretion, which in turn leads to accelerated wound healing. LDL-induced IL-8 production and subsequent wound closure are impaired upon inhibition of the p38 MAPK pathway indicating that the LDL-induced spreading and accelerated wound sealing rely on the ability of LDL to stimulate IL-8 secretion in a p38 MAPK-dependent manner. Therefore, regulation of fibroblast shape and migration by lipoproteins may be relevant to atherosclerosis that is characterized by increased LDL-cholesterol levels, IL-8 production and extensive remodeling of the vessel wall. Résumé: La fonction physiologique des lipoprotéines à faible densité (LDL) la mieux décrite est celle du transport du cholestérol aux tissus cibles. Les LDL livrent leur cargaison de cholestérol aux cellules après leur interaction avec le récepteur au LDL. Une concentration vasculaire des LDL augmenté est également impliquée dans le développement de l'athérosclérose. Parmi les types de cellule présents dans les vaisseaux sanguins, les cellules endothéliales et les cellules du muscle lisse ont dominé la recherche cellulaire sur les mécanismes athérosclérotiques et sur l'activation par les LDL des voies de signalisation intracellulaire. A l'inverse peu de choses sont connues sur l'activation des fibroblastes de l'adventice par les lipoprotéines. Puisqu'il a été récemment reconnu que les fibroblastes peuvent jouer un rôle central dans la remodélisation vasculaire et la réparation tissulaire, nous avons étudié si les lipoprotéines affectent la fonction des fibroblastes. Nous avons constaté que les LDL activent spécifiquement une classe de protéines kinases: les p38 MAPK (mitogen-activated protein kinases). L'activation de cette voie module à son tour la forme de la cellule en favorisant la formation de lamellipodes et l'agrandissement des cellules. Cela a un intérêt particulier car il fournit un mécanisme par lequel les LDL peuvent promouvoir la cicatrisation ou la remodélisation des parois vasculaires comme observés lors du développement de l'athérosclérose. Pour comprendre les mécanismes moléculaires par lesquels les LDL provoquent l'activation des p38 MAPK, nous avons cherché à identifier les composants dans la particule de LDL responsables de l'induction de cette voie. Nous avons constaté que le cholestérol est l'élément principal des particules de lipoprotéine qui contrôle leur capacité à stimuler la voie des p38 MAPK. En outre, nous avons examiné les mécanismes cellulaires responsables de la capacité des LDL à induire des changements dans la forme des cellules. Nos données récentes démontrent que la capacité des LDL à induire l'agrandissement des cellules, ainsi que leur aptitude à favoriser la cicatrisation, reposant sur leur capacité à stimuler la sécrétiond'IL-8. La production d'IL-8 induite par les LDL est bloquée par l'inhibition de la voie p38 MAPK, ce qui indique que l'étalement des cellules induit par les LDL ainsi que l'accélération de la cicatrisation sont liés à la capacité des LDL à stimuler la sécrétion d'IL8 via l'activation des p38 MAPK. La régulation de la forme et de la migration des fibroblastes par les lipoprotéines peuvent donc participer au développement de l'athérosclérose qui est caractérisée par l'augmentation des niveaux de production de LDL-cholestérol et d'IL-8 ainsi que par une remodélisation augmentée de la paroi du vaisseau.

Expression analysis of the AtPHO1 gene family in Arabidopsis thaliana and the involvement of AtPHO1 in the regulation of stomatal movements

Résumé Le transfert du phosphate des racines vers les feuilles s'effectue par la voie du xylème. Il a été précédemment démontré que la protéine AtPHO1 était indispensable au transfert du phosphate dans les vaisseaux du xylème des racines chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Le séquençage et l'annotation du génome d'Arabidopsis ont permis d'identifier dix séquences présentant un niveau de similarité significatif avec le gène AtPHO1 et constituant une nouvelle famille de gène appelé la famille de AtPHO1. Basée sur une étude moléculaire et génétique, cette thèse apporte des éléments de réponse pour déterminer le rôle des membres de ia famille de AtPHO1 chez Arabidopsis, inconnue à ce jour. Dans un premier temps, une analyse bioinformatique des séquences protéiques des membres de la famille de AtPHO1 a révélé la présence dans leur région N-terminale d'un domaine nommé SPX. Ce dernier est conservé parmi de nombreuses protéines impliquées dans l'homéostasie du phosphate chez la levure, renforçant ainsi l'hypothèse que les membres de la famille de AtPHO1 auraient comme AtPHO1 un rôle dans l'équilibre du phosphate dans la plante. En parallèle, la localisation tissulaire de l'expression des gènes AtPHO dans Arabidopsis a été identifiée par l'analyse de plantes transgéniques exprimant le gène rapporteur uidA sous le contrôle des promoteurs respectifs des gènes AtPHO. Un profil d'expression de chaque gène AtPHO au cours du développement de la plante a été obtenu. Une expression prédominante au niveau des tissus vasculaires des racines, des feuilles, des tiges et des fleurs a été observée, suggérant que les gènes AtPHO pourraient avoir des fonctions redondantes au niveau du transfert de phosphate dans le cylindre vasculaire de ces différents organes. Toutefois, plusieurs régions promotrices des gènes AtPHO contrôlent également un profil d'expression GUS non-vasculaire, indiquant un rôle putatif des gènes AtPHO dans l'acquisition ou le recyclage de phosphate dans la plante. Dans un deuxième temps, l'analyse de l'expression des gènes AtPHO durant une carence en phosphate a établi que seule l'expression des gènes AtPHO1, AtPHO1; H1 et AtPHO1; H10 est régulée par cette carence. Une étude approfondie de leur expression en réponse à des traitements affectant l'homéostasie du phosphate dans la plante a ensuite démontré leur régulation par différentes voies de signalisation. Ensuite, une analyse détaillée de la régulation de l'expression du gène AtPHO1; H1O dans des feuilles d'Arabidopsis blessées ou déshydratées a révélé que ce gène constitue le premìer gène marqueur d'une nouvelle voie de signalisation induite par l'OPDA, pas par le JA et dépendante de la protéine COI1. Ces résultats démontrent pour la première fois que l'OPDA et le JA peuvent activer différents gènes via des voies de signalisation dépendantes de COI1. Enfin, cette thèse révèle l'identification d'un nouveau rôle de la protéine AtPHO1 dans la régulation de l'action de l'ABA au cours des processus de fermeture stomatique et de germination des graines chez Arabidopsis. Bien que les fonctions exactes des protéines AtPHO restent à être déterminées, ce travail de thèse suggère leur implication dans la propagation de différents signaux dans la plante via la modulation du potentiel membranaire et/ou l'affectation de la composition en ions des cellules comme le font de nombreux transporteurs ou régulateur du transport d'ions. Summary Phosphate is transferred from the roots to the shoot via the xylem. The requirement for AtPHO1 protein to transfer phosphate to the xylem vessels of the root has been previously demonstrated in Arabidopsis thaliana. The sequencing and the annotation of the Arabidopsis genome had allowed the identification of ten sequences that show a significant level of similarity with the AtPHO1 gene. These 10 genes, of unknown functions, constitute a new gene family called the AtPHO1 gene family. Based on a molecular and genetics study, this thesis reveals some information needed to understand the role of the AtPHO1 family members in the plant Arabidopsis. First, a bioinformatics study revealed that the AtPHO sequences contained, in the N-terminal hydrophilic region, a motif called SPX and conserved among multiple proteins involved in phosphate homeostasis in yeast. This finding reinforces the hypothesis that all AtPHO1 family members have, as AtPHO1, a role in phosphate homeostasis. In parallel, we identified the pattern of expression of AtPHO genes in Arabidopsis via analysis of transgenic plants expressing the uidA reporter gene under the control of respective AtPHO promoter regions. The results exhibit a predominant expression of AtPHO genes in vascular tissues of all organs of the plant, implying that these AtPHO genes could have redundant functions in the transfer of phosphate to the vascular cylinder of various organs. The GUS expression pattern for several AtPHO promoter regions was also detected in non-vascular tissue indicating a broad role of AtPHO genes in the acquisition or in the recycling of phosphate in the plant. In a second step, the analysis of the expression of AtPHO genes during phosphate starvation established that only the expression of the AtPHO1, AtPHO1; H1 and AtPHO1; H10 genes were regulated by Pi starvation. Interestingly, different signalling pathways appeared to regulate these three genes during various treatments affecting Pi homeostasis in the plant. The third chapter presents a detailed analysis of the signalling pathways regulating the expression of the AtPHO1; H10 gene in Arabidopsis leaves during wound and dehydrated stresses. Surprisingly, the expression of AtPHO1; H10 was found to be regulated by OPDA (the precursor of JA) but not by JA itself and via the COI1 protein (the central regulator of the JA signalling pathway). These results demonstrated for the first time that OPDA and JA could activate distinct genes via COI1-dependent pathways. Finally, this thesis presents the identification of a novel role of the AtPHO1 protein in the regulation of ABA action in Arabidopsis guard cells and during seed germination. Although the exact role and function of AtPHO1 still need to be determined, these last findings suggest that AtPHO1 and by extension other AtPHO proteins could mediate the propagation of various signals in the plant by modulating the membrane potential and/or by affecting cellular ion composition, as it is the case for many ion transporters or regulators of ion transport.

Extracellular matrix components in peripheral nerve repair: how to affect neural cellular response and nerve regeneration?

Peripheral nerve injury is a serious problem affecting significantly patients' life. Autografts are the "gold standard" used to repair the injury gap, however, only 50% of patients fully recover from the trauma. Artificial conduits are a valid alternative to repairing peripheral nerve. They aim at confining the nerve environment throughout the regeneration process, and providing guidance to axon outgrowth. Biocompatible materials have been carefully designed to reduce inflammation and scar tissue formation, but modifications of the inner lumen are still required in order to optimise the scaffolds. Biomicking the native neural tissue with extracellular matrix fillers or coatings showed great promises in repairing longer gaps and extending cell survival. In addition, extracellular matrix molecules provide a platform to further bind growth factors that can be released in the system over time. Alternatively, conduit fillers can be used for cell transplantation at the injury site, reducing the lag time required for endogenous Schwann cells to proliferate and take part in the regeneration process. This review provides an overview on the importance of extracellular matrix molecules in peripheral nerve repair.

Targeting of secretory IgA to Peyer's patch dendritic and T cells after transport by intestinal M cells.

In addition to being instrumental to the protection of mucosal epithelia, secretory IgA (SIgA) adheres to and is transported by intestinal Peyer's patch (PP) M cells. The possible functional reason for this transport is unknown. We have thus examined in mice the outcome of SIgA delivered from the intestinal lumen to the cells present in the underlying organized mucosa-associated lymphoreticular tissue. We show selective association of SIgA with dendritic cells and CD4(+) T and B lymphocytes recovered from PP in vitro. In vivo, exogenously delivered SIgA is able to enter into multiple PP lining the intestine. In PP, SIgA associates with and is internalized by dendritic cells in the subepithelial dome region, whereas the interaction with CD4(+) T cells is limited to surface binding. Interaction between cells and SIgA is mediated by the IgA moiety and occurs for polymeric and monomeric molecular forms. Thus, although immune exclusion represents the main function of SIgA, transport of the Ab by M cells might promote Ag sampling under neutralizing conditions essential to the homeostasis of mucosal surfaces.

Pollution and pollutant transport in the geosphere - An introduction to the symposium

Environmental research in earth sciences is focused on the geosphere, i.e. (1) waters and sediments of rivers, lakes and oceans, and (2) soils and underlying shallow rock formations,both water-unsaturated and -saturated. The subsurface is studied down to greater depths at sites where waste repositories or tunnels are planned and mining activities exist. In recent years, earth scientists have become more and more involved in pollution problems related to their classical field of interest, e.g. groundwater, ore deposits, or petroleum and non-metal natural deposits (gravel, clay, cement precursors). Major pollutants include chemical substances, radioactive isotopes and microorganisms. Mechanisms which govern the transport of pollutants are of physical, chemical (dissolution, precipitation, adsorption), or microbiological (transformation) nature. Land-use planning must reflect a sustainable development and sound scientific criteria. Today's environmental pollution requires working teams with an interdisciplinary background in earth sciences, hydrology, chemistry, biology, physics as well as engineering. This symposium brought together for the first time in Switzerland earth and soil scientists, physicists and chemists, to present and discuss environmental issues concerning the geosphere.

Cellular schwannomas of the intracranial and intraspinal compartment: morphological and immunological characteristics compared with classical benign schwannomas.

The concept of cellular schwannoma as an unusual benign tumor is well established for peripheral nerves but has never been tested in neurosurgical series. In order to test the validity of this concept in cranial nerves and spinal roots we performed an analysis of the clinical and morphological characteristics of 12 cellular and 166 classical benign schwannomas. Immunohistochemical detection of antigen expression in Schwann cells including proliferating cell nuclear antigen (PCNA) was also performed. This study shows that cellular schwannomas in neurosurgical series manifest at a lower age than the classical benign variant and occur mainly in the spinal roots. Mitotic activity and sinusoidal vessels appear more frequently in cellular schwannomas and constitute with high cellularity, the most valuable criteria separating both entities. The postoperative course in both types of tumors was free of metastases or sarcomatous changes. Immunoexpression of S-100 protein, vimentin, epithelial membrane antigen and glial fibrillary acidic protein is not statistically different between the two variants. In contrast, PCNA is more highly expressed in cellular schwannomas. These These results confirm the concept that cellular schwannomas are a clinico-pathological variant of benign schwannomas and provide significant support for the introduction of this entity in neurosurgical oncology.

Brain Glucose Transport and Phosphorylation Under Acute Insulin-Induced Hypoglycemia in Mice: An 18F-FDG PET Study.

We addressed the questions of how cerebral glucose transport and phosphorylation change under acute hypoglycemia and what the underlying mechanisms of adaptation are. METHODS: Quantitative (18)F-FDG PET combined with the acquisition of real-time arterial input function was performed on mice. Hypoglycemia was induced and maintained by insulin infusion. PET data were analyzed with the 2-tissue-compartment model for (18)F-FDG, and the results were evaluated with Michaelis-Menten saturation kinetics. RESULTS: Glucose clearance from plasma to brain (K1,glc) and the phosphorylation rate constant increased with decreasing plasma glucose (Gp), in particular at a Gp of less than 2.5 mmol/L. Estimated cerebral glucose extraction ratios taking into account an increased cerebral blood flow (CBF) at a Gp of less than 2 mmol/L were between 0.14 and 0.79. CBF-normalized K1,glc values were in agreement with saturation kinetics. Phosphorylation rate constants indicated intracellular glucose depletion at a Gp of less than 2-3 mmol/L. When brain regions were compared, glucose transport under hypoglycemia was lowest in the hypothalamus. CONCLUSION: Alterations in glucose transport and phosphorylation, as well as intracellular glucose depletion, under acute hypoglycemia can be modeled by saturation kinetics taking into account an increase in CBF. Distinct transport kinetics in the hypothalamus may be involved in its glucose-sensing function.