Immune system's role in viral encephalitis.

Viral infections can be a major thread for the central nervous system (CNS), therefore, the immune system must be able to mount a highly proportionate immune response, not too weak, which would allow the virus to proliferate, but not too strong either, to avoid collateral damages. Here, we aim at reviewing the immunological mechanisms involved in the host defense in viral CNS infections. First, we review the specificities of the innate as well as the adaptive immune responses in the CNS, using several examples of various viral encephalitis. Then, we focus on three different modes of interactions between viruses and immune responses, namely human Herpes virus-1 encephalitis with the defect in innate immune response which favors this disease; JC virus-caused progressive multifocal leukoencephalopathy and the crucial role of adaptive immune response in this example; and finally, HIV infection with the accompanying low grade chronic inflammation in the CNS in some patients, which may be an explanation for the presence of cognitive disorders, even in some well-treated HIV-infected patients. We also emphasize that, although the immune response is generally associated with viral replication control and limited cellular death, an exaggerated inflammatory reaction can lead to tissue damage and can be detrimental for the host, a feature of the immune reconstitution inflammatory syndrome (IRIS). We will briefly address the indication of steroids in this situation.

Dissociation of AGAT, GAMT and SLC6A8 in CNS: relevance to creatine deficiency syndromes.

AGAT and GAMT, the two enzymes of the creatine synthesis pathway, are well expressed within CNS, suggesting autonomous brain creatine synthesis. This contradicts SLC6A8 deficiency, which causes creatine deficiency despite CNS expression of AGAT and GAMT. We hypothesized that AGAT and GAMT were not co-expressed by brain cells, and that guanidinoacetate must be transported between cells to allow creatine synthesis. We finely analyzed the cell-to-cell co-expression of AGAT, GAMT and SLC6A8 in various regions of rat CNS, and showed that in most structures, cells co-expressing AGAT+GAMT (equipped for autonomous creatine synthesis) were in low proportions (<20%). Using reaggregating brain cell cultures, we also showed that brain cells take up guanidinoacetate and convert it to creatine. Guanidinoacetate uptake was competed by creatine. This suggests that in most brain regions, guanidinoacetate is transported from AGAT- to GAMT-expressing cells through SLC6A8 to allow creatine synthesis, thereby explaining creatine deficiency in SLC6A8-deficient CNS.

Concomitant calcium entry blockade and inhibition of the renin-angiotensin system: a rational and effective means for treating hypertension

Pharmacological treatment of hypertension is effective in preventing cardiovascular and renal complications. Calcium antagonists (CAs) and blockers of the renin-angiotensin system [angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitors and angiotensin II antagonists (ARBs)] are widely used today to initiate antihypertensive treatment but, when given as monotherapy, do not suffice in most patients to normalise blood pressure (BP). Combining a CA and either an ACE-inhibitor or an ARB considerably increases the antihypertensive efficacy, but not at the expense of a deterioration of tolerability. Several fixed-dose combinations are available (CA + ACE-inhibitors: amlodipine + benazepril, felodipine + ramipril, verapamil + trandolapril; CA + ARB: amlodipine + valsartan). They are expected not only to improve BP control, but also to facilitate long-term adherence with antihypertensive therapy, thereby providing maximal protection against the cardiovascular and renal damage caused by high BP.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.

The long-term survival of in vitro engineered nervous tissue derived from the specific neural differentiation of mouse embryonic stem cells.

Embryonic stem cells (ESCs) offer attractive prospective as potential source of neurons for cell replacement therapy in human neurodegenerative diseases. Besides, ESCs neural differentiation enables in vitro tissue engineering for fundamental research and drug discovery aimed at the nervous system. We have established stable and long-term three-dimensional (3D) culture conditions which can be used to model long latency and complex neurodegenerative diseases. Mouse ESCs-derived neural progenitor cells generated by MS5 stromal cells induction, result in strictly neural 3D cultures of about 120-mum thick, whose cells expressed mature neuronal, astrocytes and myelin markers. Neurons were from the glutamatergic and gabaergic lineages. This nervous tissue was spatially organized in specific layers resembling brain sub-ependymal (SE) nervous tissue, and was maintained in vitro for at least 3.5 months with great stability. Electron microscopy showed the presence of mature synapses and myelinated axons, suggesting functional maturation. Electrophysiological activity revealed biological signals involving action potential propagation along neuronal fibres and synaptic-like release of neurotransmitters. The rapid development and stabilization of this 3D cultures model result in an abundant and long-lasting production that is compatible with multiple and productive investigations for neurodegenerative diseases modeling, drug and toxicology screening, stress and aging research.

Nervous glucose sensing regulates postnatal β cell proliferation and glucose homeostasis.

How glucose sensing by the nervous system impacts the regulation of β cell mass and function during postnatal development and throughout adulthood is incompletely understood. Here, we studied mice with inactivation of glucose transporter 2 (Glut2) in the nervous system (NG2KO mice). These mice displayed normal energy homeostasis but developed late-onset glucose intolerance due to reduced insulin secretion, which was precipitated by high-fat diet feeding. The β cell mass of adult NG2KO mice was reduced compared with that of WT mice due to lower β cell proliferation rates in NG2KO mice during the early postnatal period. The difference in proliferation between NG2KO and control islets was abolished by ganglionic blockade or by weaning the mice on a carbohydrate-free diet. In adult NG2KO mice, first-phase insulin secretion was lost, and these glucose-intolerant mice developed impaired glucagon secretion when fed a high-fat diet. Electrophysiological recordings showed reduced parasympathetic nerve activity in the basal state and no stimulation by glucose. Furthermore, sympathetic activity was also insensitive to glucose. Collectively, our data show that GLUT2-dependent control of parasympathetic activity defines a nervous system/endocrine pancreas axis that is critical for β cell mass establishment in the postnatal period and for long-term maintenance of β cell function.

The Learning Affect Monitor (LAM) - A computer-based system integrating quantitative and qualitative assessment of affective states in daily life.

The Learning Affect Monitor (LAM) is a new computer-based assessment system integrating basic dimensional evaluation and discrete description of affective states in daily life, based on an autonomous adapting system. Subjects evaluate their affective states according to a tridimensional space (valence and activation circumplex as well as global intensity) and then qualify it using up to 30 adjective descriptors chosen from a list. The system gradually adapts to the user, enabling the affect descriptors it presents to be increasingly relevant. An initial study with 51 subjects, using a 1 week time-sampling with 8 to 10 randomized signals per day, produced n = 2,813 records with good reliability measures (e.g., response rate of 88.8%, mean split-half reliability of .86), user acceptance, and usability. Multilevel analyses show circadian and hebdomadal patterns, and significant individual and situational variance components of the basic dimension evaluations. Validity analyses indicate sound assignment of qualitative affect descriptors in the bidimensional semantic space according to the circumplex model of basic affect dimensions. The LAM assessment module can be implemented on different platforms (palm, desk, mobile phone) and provides very rapid and meaningful data collection, preserving complex and interindividually comparable information in the domain of emotion and well-being.

Neuroendocrine deregulation of food intake, adipose tissue and the gastrointestinal system in obesity and metabolic syndrome.

Obesity is an excess of fat mass. Fat mass is an energy depot but also an endocrine organ. A deregulation of the sympathetic nervous system (SNS) might produce obesity. Stress exaggerates diet-induced obesity. After stress, SNS fibers release neuropeptide Y (NPY) which directly increases visceral fat mass producing a metabolic syndrome (MbS)-like phenotype. Adrenergic receptors are the main regulators of lipolysis. In severe obesity, we demonstrated that the adrenergic receptor subtypes are differentially expressed in different fat depots. Liver and visceral fat share a common sympathetic pathway, which might explain the low-grade inflammation which simultaneously occurs in liver and fat of the obese with MbS. The neuroendocrine melanocortinergic system and gastric ghrelin are also greatly deregulated in obesity. A specific mutation in the type 4 melanocortin receptor induces early obesity onset, hyperphagia and insulin-resistance. Nonetheless, it was recently discovered that a mutation in the prohormone convertase 1/3 simultaneously produces severe gastrointestinal dysfunctions and obesity.