MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement.

Cross-Cultural Adaptation and Validation of the Spinal Function Sort (SFS) for French- and German-Speaking Patients with Back Complaints

Aim: Functional subjective evaluation through questionnaire is fundamental, but not often realized in patients with back complaints, notably because of lack of validated tools, in accordance with recognized psychometric criteria. The Spinal Function Sort (SFS), developed according to actual standards, was only validated in English. The aim of this study is to translate, adapt and validate the French and German version of the SFS.Method and material: The translation and cross-cultural adaptation were performed following the methodology proposed by the American Association of Orthopedist Surgeon. A total of 344 patients, presenting varied back complaints (especially degenerative and traumatic), took part in this study in a tertiary French- (n=87; mean age 44y; 17 women) and German-speaking (n=257; mean age 41y; 53 women) center. Test-retest reliability was quantified using the intraclass correlation coefficient (ICC) and construct validity was assessed by estimating the Pearson's correlation with the SF-36 physical and mental scales, the Visual Analogue Scale for Pain Intensity (VAS), and subscales of the Hospital Anxiety and Depression Scale (HADS).Results: Respectively for the French and German version, ICC were 0.98 and 0.94. Correlations 0.63 and 0.67 with the SF-36 Physical Functioning subscale; 0.60 and 0.52 with the SF-36 Physical Summary Scale ; -0.33 and -0.51 with the VAS ; -0.08 and 0.25 with the SF-36 Mental Health scale; 0.01 and 0.28 with the SF-36 Mental Summary Scale; -0.26 and -0.42 with the HADS depression; -0.17 and -0.45 with the HADS anxiety.Discussion: For both the French and German version of the SFS, the reliability was excellent. Convergent construct validity with SF-36 physical scales is good, moderated with the VAS. We find out a low correlation with SF-36 mental scales (divergent construct validity). We find out a low correlation with HADS subscales in the French version, and a moderate one in the German version. Selection bias, chronicity of the complaints, as well as cultural differences could explain these results. In conclusion, both the French and German version of the SFS are valid and reliable for evaluation of perceived functional capacity for patients with back complaints.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Worldwide Population Structure, Long-Term Demography, and Local Adaptation of Helicobacter pylori.

Helicobacter pylori is an important human pathogen associated with serious gastric diseases. Owing to its medical importance and close relationship with its human host, understanding genomic patterns of global and local adaptation in H. pylori may be of particular significance for both clinical and evolutionary studies. Here we present the first such whole genome analysis of 60 globally distributed strains, from which we inferred worldwide population structure and demographic history and shed light on interesting global and local events of positive selection, with particular emphasis on the evolution of San-associated lineages. Our results indicate a more ancient origin for the association of humans and H. pylori than previously thought. We identify several important perspectives for future clinical research on candidate selected regions that include both previously characterized genes (e.g., transcription elongation factor NusA and tumor necrosis factor alpha-inducing protein Tipα) and hitherto unknown functional genes.

Cortical origin of functional recovery in the somatosensory cortex of the adult mouse after thalamic lesion

Résumé L'accident vasculaire cérébral sensoriel pur est un des syndromes lacunaires, dû à l'occlusion de petits vaisseaux cérébraux, souvent dans le cadre d'une lésion intéressant le noyau ventro-caudal du thalamus. Il produit un hémisyndrome sensitif pur, et parfois un syndrome douloureux se développe à distance de l'événement aigu. Afin d'étudier la récupération fonctionnelle dans le cortex somatosensoriel (SI) après une telle lésion dans le thalamus, un modèle de lésion excitotoxique a été développé dans le système somatosensoriel de la souris adulte, caractérisé par la présence de formations cytoarchitectoniques dans SI appelées "tonneaux". Chacun de ces tonneaux correspond à la représentation corticale d'une vibrisse du museau. L'activité métabolique a été mesurée dans SI à différents intervalles après la lésion, à l'aide de déoxyglucose marqué radioactivement. Dans les deux premiers jours suivant celle-ci, l'activité métabolique diminue de manière importante dans toutes les couches corticales, avec une atteinte plus marquée dans la couche IV, principale projection des axones thalamo-corticaux. Une récupération de l'activité métabolique se produit ensuite, d'autant plus marquée que le délai après la lésion est grand. Cette récupération s'observe dans toutes les couches coticales, les couches I et Vb récupérant plus rapidement que les couches II, III, IV, Va et VI. Cinq semaines après la lésion, l'absence des vibrisses correspondant à la partie déafférentée de SI diminue l'activité métabolique corticale de 32% et démontre l'activation par la périphérie de cette partie de l'écorce, malgré la perte des axones thalamo-corticaux provenant du noyau ventro-caudal. Des expériences de traçage rétrograde ont montré une augmentation des projections intracorticales sur la partie déafférentée de l'écorce, en particulier de longue distance, ainsi que des projections interhémisphériques, mais n'ont pas permis de mettre en évidence de nouvelle projection thalamique, indiquant une origine corticale à la récupération fonctionnelle observée. Abstract To study the degree and time course of the functional recovery in the somatosensory cortex (SI) after an excitotoxic lesion in the adult mouse thalamus, metabolic activity was determined in SI at various times points post lesion. Immediately after the lesion, metabolic activity in the thalamically deafferented part of SI was at its lowest value but increased progressively at subsequent time points. This was seen in all cortical layers, however, layers I and Vb recover more rapidly than layers II, III, IV, Va and VI. Removal of the mystacial whiskers corresponding to the deafferented area, 5 weeks after cortical recovery, produced a subsequent 32% drop in metabolic activity, demonstrating peripheral sensory activation of this part of the cortex. Tracing experiments revealed that the deafferented cortex did not receive a novel thalamic input, but cortico-cortical and contralateral barrel cortex projections to this area were reinforced. We conclude that the cortical functional recovery after a thalamic lesion is, at least partially, due to modified cortico-cortical and callosal projections to the deafferented cortical area.

The fourth extracellular loop of the alpha subunit of Na,K-ATPase. Functional evidence for close proximity with the second extracellular loop.

Na,K-ATPase is the main active transport system that maintains the large gradients of Na(+) and K(+) across the plasma membrane of animal cells. The crystal structure of a K(+)-occluding conformation of this protein has been recently published, but the movements of its different domains allowing for the cation pumping mechanism are not yet known. The structure of many more conformations is known for the related calcium ATPase SERCA, but the reliability of homology modeling is poor for several domains with low sequence identity, in particular the extracellular loops. To better define the structure of the large fourth extracellular loop between the seventh and eighth transmembrane segments of the alpha subunit, we have studied the formation of a disulfide bond between pairs of cysteine residues introduced by site-directed mutagenesis in the second and the fourth extracellular loop. We found a specific pair of cysteine positions (Y308C and D884C) for which extracellular treatment with an oxidizing agent inhibited the Na,K pump function, which could be rapidly restored by a reducing agent. The formation of the disulfide bond occurred preferentially under the E2-P conformation of Na,K-ATPase, in the absence of extracellular cations. Using recently published crystal structure and a distance constraint reproducing the existence of disulfide bond, we performed an extensive conformational space search using simulated annealing and showed that the Tyr(308) and Asp(884) residues can be in close proximity, and simultaneously, the SYGQ motif of the fourth extracellular loop, known to interact with the extracellular domain of the beta subunit, can be exposed to the exterior of the protein and can easily interact with the beta subunit.

Functional and histopathological identification of the respiratory failure in a DMSXL transgenic mouse model of myotonic dystrophy.

Acute and chronic respiratory failure is one of the major and potentially life-threatening features in individuals with myotonic dystrophy type 1 (DM1). Despite several clinical demonstrations showing respiratory problems in DM1 patients, the mechanisms are still not completely understood. This study was designed to investigate whether the DMSXL transgenic mouse model for DM1 exhibits respiratory disorders and, if so, to identify the pathological changes underlying these respiratory problems. Using pressure plethysmography, we assessed the breathing function in control mice and DMSXL mice generated after large expansions of the CTG repeat in successive generations of DM1 transgenic mice. Statistical analysis of breathing function measurements revealed a significant decrease in the most relevant respiratory parameters in DMSXL mice, indicating impaired respiratory function. Histological and morphometric analysis showed pathological changes in diaphragmatic muscle of DMSXL mice, characterized by an increase in the percentage of type I muscle fibers, the presence of central nuclei, partial denervation of end-plates (EPs) and a significant reduction in their size, shape complexity and density of acetylcholine receptors, all of which reflect a possible breakdown in communication between the diaphragmatic muscles fibers and the nerve terminals. Diaphragm muscle abnormalities were accompanied by an accumulation of mutant DMPK RNA foci in muscle fiber nuclei. Moreover, in DMSXL mice, the unmyelinated phrenic afferents are significantly lower. Also in these mice, significant neuronopathy was not detected in either cervical phrenic motor neurons or brainstem respiratory neurons. Because EPs are involved in the transmission of action potentials and the unmyelinated phrenic afferents exert a modulating influence on the respiratory drive, the pathological alterations affecting these structures might underlie the respiratory impairment detected in DMSXL mice. Understanding mechanisms of respiratory deficiency should guide pharmaceutical and clinical research towards better therapy for the respiratory deficits associated with DM1.

Properties of functional brain networks correlate with frequency of psychogenic non-epileptic seizures.

Abnormalities in the topology of brain networks may be an important feature and etiological factor for psychogenic non-epileptic seizures (PNES). To explore this possibility, we applied a graph theoretical approach to functional networks based on resting state EEGs from 13 PNES patients and 13 age- and gender-matched controls. The networks were extracted from Laplacian-transformed time-series by a cross-correlation method. PNES patients showed close to normal local and global connectivity and small-world structure, estimated with clustering coefficient, modularity, global efficiency, and small-worldness (SW) metrics, respectively. Yet the number of PNES attacks per month correlated with a weakness of local connectedness and a skewed balance between local and global connectedness quantified with SW, all in EEG alpha band. In beta band, patients demonstrated above-normal resiliency, measured with assortativity coefficient, which also correlated with the frequency of PNES attacks. This interictal EEG phenotype may help improve differentiation between PNES and epilepsy. The results also suggest that local connectivity could be a target for therapeutic interventions in PNES. Selective modulation (strengthening) of local connectivity might improve the skewed balance between local and global connectivity and so prevent PNES events.

D-amphetamine fails to increase extracellular dopamine levels in mice lacking alpha 1b-adrenergic receptors: relationship between functional and nonfunctional dopamine release.

It was found recently that locomotor and rewarding effects of psychostimulants and opiates were dramatically decreased or suppressed in mice lacking alpha1b-adrenergic receptors [alpha1b-adrenergic receptor knock-outs (alpha1bAR-KOs)] (Drouin et al., 2002). Here we show that blunted locomotor responses induced by 3 and 6 mg/kg d-amphetamine in alpha1bAR-KO mice [-84 and -74%, respectively, when compared with wild-type (WT) mice] are correlated with an absence of d-amphetamine-induced increase in extracellular dopamine (DA) levels in the nucleus accumbens of alpha1bAR-KO mice. Moreover, basal extracellular DA levels in the nucleus accumbens are lower in alpha1bAR-KO than in WT littermates (-28%; p < 0.001). In rats however, prazosin, an alpha1-adrenergic antagonist, decreases d-amphetamine-induced locomotor hyperactivity without affecting extracellular DA levels in the nucleus accumbens, a finding related to the presence of an important nonfunctional release of DA (Darracq et al., 1998). We show here that local d-amphetamine releases nonfunctional DA with the same affinity but a more than threefold lower amplitude in C57BL6/J mice than in Sprague Dawley rats. Altogether, this suggests that a trans-synaptic mechanism amplifies functional DA into nonfunctional DA release. Our data confirm the presence of a powerful coupling between noradrenergic and dopaminergic neurons through the stimulation of alpha1b-adrenergic receptors and indicate that nonfunctional DA release is critical in the interpretation of changes in extracellular DA levels. These results suggest that alpha1b-adrenergic receptors may be important therapeutic pharmacological targets not only in addiction but also in psychosis because most neuroleptics possess anti-alpha1-adrenergic properties.

Automatic top-down processing explains common left occipito-temporal responses to visual words and objects.

Previous studies have demonstrated that a region in the left ventral occipito-temporal (LvOT) cortex is highly selective to the visual forms of written words and objects relative to closely matched visual stimuli. Here, we investigated why LvOT activation is not higher for reading than picture naming even though written words and pictures of objects have grossly different visual forms. To compare neuronal responses for words and pictures within the same LvOT area, we used functional magnetic resonance imaging adaptation and instructed participants to name target stimuli that followed briefly presented masked primes that were either presented in the same stimulus type as the target (word-word, picture-picture) or a different stimulus type (picture-word, word-picture). We found that activation throughout posterior and anterior parts of LvOT was reduced when the prime had the same name/response as the target irrespective of whether the prime-target relationship was within or between stimulus type. As posterior LvOT is a visual form processing area, and there was no visual form similarity between different stimulus types, we suggest that our results indicate automatic top-down influences from pictures to words and words to pictures. This novel perspective motivates further investigation of the functional properties of this intriguing region.

Functional differentiation of tbf1 orthologues in fission and budding yeasts.

In Saccharomyces cerevisiae, TBF1, an essential gene, influences telomere function but also has other roles in the global regulation of transcription. We have identified a new member of the tbf1 gene family in the mammalian pathogen Pneumocystis carinii. We demonstrate by transspecies complementation that its ectopic expression can provide the essential functions of Schizosaccharomyces pombe tbf1 but that there is no rescue between fission and budding yeast orthologues. Our findings indicate that an essential function of this family of proteins has diverged in the budding and fission yeasts and suggest that effects on telomere length or structure are not the primary cause of inviability in S. pombe tbf1 null strains.

Functional sphere profiling reveals the complexity of neuroblastoma tumor-initiating cell model.

Neuroblastoma (NB) is a neural crest-derived childhood tumor characterized by a remarkable phenotypic diversity, ranging from spontaneous regression to fatal metastatic disease. Although the cancer stem cell (CSC) model provides a trail to characterize the cells responsible for tumor onset, the NB tumor-initiating cell (TIC) has not been identified. In this study, the relevance of the CSC model in NB was investigated by taking advantage of typical functional stem cell characteristics. A predictive association was established between self-renewal, as assessed by serial sphere formation, and clinical aggressiveness in primary tumors. Moreover, cell subsets gradually selected during serial sphere culture harbored increased in vivo tumorigenicity, only highlighted in an orthotopic microenvironment. A microarray time course analysis of serial spheres passages from metastatic cells allowed us to specifically "profile" the NB stem cell-like phenotype and to identify CD133, ABC transporter, and WNT and NOTCH genes as spheres markers. On the basis of combined sphere markers expression, at least two distinct tumorigenic cell subpopulations were identified, also shown to preexist in primary NB. However, sphere markers-mediated cell sorting of parental tumor failed to recapitulate the TIC phenotype in the orthotopic model, highlighting the complexity of the CSC model. Our data support the NB stem-like cells as a dynamic and heterogeneous cell population strongly dependent on microenvironmental signals and add novel candidate genes as potential therapeutic targets in the control of high-risk NB.

Combined clonotyping and gene signatures of individual tumor-reactive CD8 T-cells define their functional relevance following peptide vaccination in melanoma patients

Novel cancer vaccines are capableto efficiently induce and boost humantumor antigen specific T-cells. However,the properties of these CD8T-cells are only partially characterized.For in depth investigation ofT-cells following Melan-A/MART-1peptide vaccination in melanoma patients,we conducted a detailed prospectivestudy at the single cell level.We first sorted individual human naiveand effector CD8 T-cells from peripheralblood by flow cytometry, andtested a modified RT-PCR protocolincluding a global amplification ofexpressed mRNAs to obtain sufficientcDNAfromsingle cells.We successfullydetected the expression ofseveral specific genes of interest evendown to 106-fold dilution (equivalentto 10-5 cell). We then analyzed tumor-specific effector memory (EM)CD8T-cell subpopulations ex vivo, assingle cells from vaccinated melanomapatients. To elucidate the hallmarksof effective immunity the genesignatures were defined by a panel ofgenes related to effector functions(e.g. IFN-, granzyme B, perforin),and individual clonotypes were identifiedaccording to the expression ofdistinct T-cell receptors (TCR). Usingthis novel single cell analysis approach,we observed that T-cell differentiationis clonotype dependent,with a progressive restriction in TCRBV clonotype diversity from EMCD28pos to EMCD28neg subsets. However,the effector function gene imprintingis clonotype-independent,but dependent on differentiation,since it correlates with the subset oforigin (EMCD28pos or EMCD28neg). We also conducted a detailedcomparative analysis after vaccinationwith natural vs. analog Melan-Apeptide. We found that the peptideused for vaccination determines thefunctional outcome of individualT-cell clonotypes, with native peptideinducing more potent effector functions.Yet, selective clonotypic expansionwith differentiation was preservedregardless of the peptide usedfor vaccination. In summary, the exvivo single cell RT-PCR approach ishighly sensitive and efficient, andrepresents a reliable and powerfultool to refine our current view of molecularprocesses taking place duringT-cell differentiation.