Qualitative and quantitative analysis of thalamo-cortical axons in the somatosensory cortex of normal and barrelless mice

Résumé Les rongeurs utilisent leurs moustaches (vibrisses) pour explorer le milieu environnant. Chaque moustache est mue par un système des muscles. Les récepteurs situés à sa base transmettent les informations au système nerveux central. La transmission vers l'écorce se fait via trois neurones de relais qui se trouvent au niveau du ganglion trigéminé, du tronc cérébral et du thalamus. La représentation corticale d'une vibrisse est une concentration des axones thalamo-corticaux (ATC) autour desquelles s'organisent leurs cibles, les cellules de la couche IV. La structure peut être identifiée histologiquement en coupes tangentielles et porte le nom de « barrel » (« tonneau »). Cette correspondance vibrisse - barrel fait de ce système un model idéal pour étudier l'influence de l'activité périphérique sur l'établissement et le maintien des cartes somatotopiques. Notre laboratoire dispose d'une souche de souris qui a subi une mutation spontanée pour le gène codant l'adenylyl cyclase I (ACI). Cette enzyme membranaire catalyse la formation de l'AMPc et joue un rôle important dans le guidage axonal, la libération des neurotransmetteurs et l'intégration des signaux postsynaptiques. Nous avons démontré dans un premier temps que cette souris adulte ne développe pas de barrels. Cela est dû à un manque d'organisation des ATC et aussi des cellules de la couche IV. De plus, les résultats électrophysiologiques montrent que les informations venant des vibrisses adjacentes ne sont pas intégrées d'une manière normale. Dans ce travail de thèse, j'ai analysé la morphologie des ATC révélés individuellement avec de la biocytine. L'analyse quantitative des ATC a mis en évidence les points suivants: 1. Les axones de la souris normale (NOR) quittent le thalamus, traversent la capsule interne et la substance blanche sous-corticale et pénètrent dans le cortex somato-sensoriel primaire. A l'intérieur de l'écorce ils traversent au maximum 3 colonnes corticales adjacentes dont une contient le barrel cible. En passant à travers les couches VI et V, ces axones arborisent et convergent progressivement vers le barrel dans lequel ils forment une riche arborisation. Un petit nombre des branches « errantes », pleines de boutons synaptiques, pénètrent dans les barrels voisins. Deux axones NOR provenant de corps cellulaires très proches dans le thalamus peuvent avoir un cheminement très divergent lors de la traversée de la capsule interne et de la substance blanche sous-corticale mais, à leur entrée dans le cortex, ils sont distants d'au maximum 2 colonnes corticales de la colonne qui contient le barrel cible et ils convergent progressivement vers ce barrel. 2. Les axones de la souris mutante (BRL) ont le même trajet sous-cortical que les axones NOR, mais leur entrée dans le cortex somato-sensoriel primaire est aléatoire. A l'interface entre la substance blanche sous-corticale et le cortex, l'axone principal se divise rapidement en troncs axonaux qui traversent les couches VI et V d'une manière divergente pour arriver dans la couche IV. Cela contraste beaucoup avec la trajectoire des NOR qui convergent graduellement vers leur barrel cible. Le nombre de branches radiales que les axones BRL utilisent pour entrer dans le cortex et dans la couche IV est double par rapport aux axones NOR. Parmi ces branches, seules quelques-unes donnent des arborisations, les autres ne sont pas développées et leur morphologie est semblable à celle des branches formées par les axones de la souris normale lors du développement. Deux axones BRL issus de corps cellulaires proches dans le thalamus peuvent avoir une trajectoire très divergente jusqu'à leur entrée dans la couche IV, mais à ce niveau ils sont réorientés pour se retrouver et faire un nombre maximal de branches et boutons synaptiques dans la même région corticale. Dans un cas extrême, un des axones observés est entré dans le cortex à la limite entre l'aire somatosensorielle primaire et secondaire et a parcouru une distance de 2 mm pour retrouver son partenaire thalamique et donner avec celui-ci un nombre maximal de branches dans la même région de la couche IV. 3. Les mesures quantitatives ont montré que les arborisations corticales des axones NOR ont une longueur moyenne de 18mm et sont formées par 200 segments qui portent 1200 boutons synaptiques. Par rapport à la souris NOR, les axones BRL ont en moyenne la même longueur, le même nombre de segments et boutons synaptiques, mais donnent deux fois plus de branches radiales. La surface tangentielle occupée par les arborisations BRL dans la couche IV est 2 fois plus grande que celle des NOR. Cela signifie que les 1000 boutons synaptiques qui caractérisent les arborisations NOR et BRL dans la couche IV sont disséminés sur une surface tangentielle double chez les derniers, et donc que la densité des boutons par unité de surface corticale est en moyenne plus faible. En effet, l'augmentation de la surface corticale tangentielle des BRL est due aux surfaces de faible et moyenne densité synaptique (0 - 8 boutons / 400pn2) qui augmentent 2 fois tandis que les surfaces de haute densité synaptiques (8 - 64 boutons / 4001.tm2) sont les mêmes. Nous émettons l'hypothèse selon laquelle, durant le développement, les ATC de la souris BRL divergent et forment un nombre exubérant de branches. Grâce à cette divergence et aux branches supranuméraires, ils trouvent l'endroit de l'écorce où se trouvent leurs voisins thalamiques et arborisent abondamment dans cette région. Cependant, le déficit en AGI ne leurs permet pas par la suite, sous influence de l'activité périphérique, de retirer les branches qui se trouvent dans les endroits inappropriés de l'écorce, avec de possibles conséquences sur la discrimination tactile.

Nitric Oxide Induces the Expression of the Monocarboxylate Transporter MCT4 in Cultured Astrocytes by a cGMP-Independent Transcriptional Activation

The monocarboxylate transporter MCT4 is a proton-linked carrier particularly important for lactate release from highly glycolytic cells. In the central nervous system, MCT4 is exclusively expressed by astrocytes. Surprisingly, MCT4 expression in primary cultures of mouse cortical astrocytes is conspicuously low, suggesting that an external, nonastrocytic signal is necessary to obtain the observed pattern of expression in vivo. Here, we demonstrate that nitric oxide (NO), delivered by various NO donors, time- and dose-dependently induces MCT4 expression in cultured cortical astrocytes both at the mRNA and protein levels. In contrast, NO does not enhance the expression of MCT1, the other astrocytic monocarboxylate transporter. The transcriptional effect of NO is not mediated by a cGMP-dependent mechanism as shown by the absence of effect of a cGMP analog or of a selective guanylate cyclase inhibitor. NO causes an increase in astrocytic lactate transport capacity which requires the enhancement of MCT4 expression as both are prevented by the use of a specific siRNA against MCT4. In addition, cumulated lactate release by astrocytes over a period of 24 h was also enhanced by NO treatment. Our data suggest that NO represents a putative intercellular signal to control MCT4 expression in astrocytes and in doing so, to facilitate lactate transfer to other surrounding cell types in the central nervous system. (C) 2011 Wiley-Liss, Inc.

Physiology of GLP-1--lessons from glucoincretin receptor knockout mice.

GLP-1 has both peripheral and central actions, as this hormone is secreted by gut endocrine cells and brainstem neurons projecting into the hypothalamus and other brain regions. GLP-1 has multiple regulatory functions participating in the control of glucose homeostasis, beta-cell proliferation and differentiation, food intake, heart rate and even learning. GLP-1 action depends on binding to a specific G-coupled receptor linked to activation of the adenylyl cyclase pathway. Analysis of mice with inactivation of the GLP-1 receptor gene has provided evidence that absence of GLP-1 action in the mouse, despite this hormone potent physiological effects when administered in vivo, only leads to mild abnormalities in glucose homeostasis without any change in body weight. However, a critical role for this hormone and its receptor was demonstrated in the function of the hepatoportal vein glucose sensor, in contrast to that of the pancreatic beta-cells, although absence of both GLP-1 and GIP receptors leads to a more severe phenotype characterized by a beta-cell-autonomous defect in glucose-stimulated insulin secretion. Together, the studies of these glucoincretin receptor knockout mice provide evidence that these hormones are part of complex regulatory systems where multiple redundant signals are involved.

Cloning and functional expression of the human islet GLP-1 receptor. Demonstration that exendin-4 is an agonist and exendin-(9-39) an antagonist of the receptor.

A complementary DNA for a glucagon-like peptide-1 receptor was isolated from a human pancreatic islet cDNA library. The isolated clone encoded a protein with 90% identity to the rat receptor. In stably transfected fibroblasts, the receptor bound [125I]GLP-1 with high affinity (Kd = 0.5 nM) and was coupled to adenylate cyclase as detected by a GLP-1-dependent increase in cAMP production (EC50 = 93 pM). Two peptides from the venom of the lizard Heloderma suspectum, exendin-4 and exendin-(9-39), displayed similar ligand binding affinities to the human GLP-1 receptor. Whereas exendin-4 acted as an agonist of the receptor, inducing cAMP formation, exendin-(9-39) was an antagonist of the receptor, inhibiting GLP-1-induced cAMP production. Because GLP-1 has been proposed as a potential agent for treatment of NIDDM, our present data will contribute to the characterization of the receptor binding site and the development of new agonists of this receptor.

Expression and functional activity of glucagon, glucagon-like peptide I, and glucose-dependent insulinotropic peptide receptors in rat pancreatic islet cells.

Rat pancreatic alpha- and beta-cells are critically dependent on hormonal signals generating cyclic AMP (cAMP) as a synergistic messenger for nutrient-induced hormone release. Several peptides of the glucagon-secretin family have been proposed as physiological ligands for cAMP production in beta-cells, but their relative importance for islet function is still unknown. The present study shows expression at the RNA level in beta-cells of receptors for glucagon, glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP), and glucagon-like peptide I(7-36) amide (GLP-I), while RNA from islet alpha-cells hybridized only with GIP receptor cDNA. Western blots confirmed that GLP-I receptors were expressed in beta-cells and not in alpha-cells. Receptor activity, measured as cellular cAMP production after exposing islet beta-cells for 15 min to a range of peptide concentrations, was already detected using 10 pmol/l GLP-I and 50 pmol/l GIP but required 1 nmol/l glucagon. EC50 values of GLP-I- and GIP-induced cAMP formation were comparable (0.2 nmol/l) and 45-fold lower than the EC50 of glucagon (9 nmol/l). Maximal stimulation of cAMP production was comparable for the three peptides. In purified alpha-cells, 1 nmol/l GLP-I failed to increase cAMP levels, while 10 pmol/l to 10 nmol/l GIP exerted similar stimulatory effects as in beta-cells. In conclusion, these data show that stimulation of glucagon, GLP-I, and GIP receptors in rat beta-cells causes cAMP production required for insulin release, while adenylate cyclase in alpha-cells is positively regulated by GIP.

Pattern-based sensing of nucleotides in aqueous solution with a multicomponent indicator displacement assay

A multicomponent indicator displacement assay ( MIDA) based on an organometallic receptor and three dyes can be used for the identification and quantification of nucleotides in aqueous solution at neutral pH.

Neuropeptide Y expression and regulation in a differentiated rat insulin-secreting cell line.

Neuropeptide-Y (NPY) is a 36-amino acid peptide known to inhibit glucose-stimulated insulin secretion in various animal models in vitro and in vivo. NPY is thought to be one of the mediators of sympathetic action in the pancreas through nerve endings surrounding the islets, and it has recently been shown to be synthesized within the islets of Langerhans. To elucidate the potential role of NPY in the endocrine pancreas, we studied the expression and regulation of NPY secretion in a rat insulinoma cell line (INS-1). NPY mRNA and peptide are highly expressed and secreted by INS-1 cells. NPY levels were determined by a sensitive and specific two-site amplified enzyme-linked immunosorbent assay. Incubation of INS-1 cells with various glucose concentrations did not modify NPY secretion; however, stimulation of adenylate cyclase by forskolin induced a dose- and time-dependent increase in NPY release in the medium. The glucagon-like peptide-I-(7-36) amide (GLP-1), a known gluco-incretin in humans, induced at low concentration (10(-9) M) a similar expression of NPY mRNA and peptide secretion in INS-1 cells. On the other hand, the inhibition of cAMP accumulation by the alpha 2-adrenergic agonist clonidine decreased NPY secretion. In conclusion, 1) high levels of gene expression and secretion of NPY are found in a rat insulinoma cell line (INS-1). 2) Accumulation of cAMP induced by forskolin or a gluco-incretin (GLP-1) induces a further increase in NPY gene expression and release. 3) NPY secretion is not modulated by low or high glucose concentrations in the medium. 4) Induction of NPY, a known inhibitor of insulin secretion, may represent a novel counterregulatory mechanism of insulin secretion, limiting the stimulatory effect of GLP-1 on insulin secretion.

Genetic variation in GIPR influences the glucose and insulin responses to an oral glucose challenge.

Glucose levels 2 h after an oral glucose challenge are a clinical measure of glucose tolerance used in the diagnosis of type 2 diabetes. We report a meta-analysis of nine genome-wide association studies (n = 15,234 nondiabetic individuals) and a follow-up of 29 independent loci (n = 6,958-30,620). We identify variants at the GIPR locus associated with 2-h glucose level (rs10423928, beta (s.e.m.) = 0.09 (0.01) mmol/l per A allele, P = 2.0 x 10(-15)). The GIPR A-allele carriers also showed decreased insulin secretion (n = 22,492; insulinogenic index, P = 1.0 x 10(-17); ratio of insulin to glucose area under the curve, P = 1.3 x 10(-16)) and diminished incretin effect (n = 804; P = 4.3 x 10(-4)). We also identified variants at ADCY5 (rs2877716, P = 4.2 x 10(-16)), VPS13C (rs17271305, P = 4.1 x 10(-8)), GCKR (rs1260326, P = 7.1 x 10(-11)) and TCF7L2 (rs7903146, P = 4.2 x 10(-10)) associated with 2-h glucose. Of the three newly implicated loci (GIPR, ADCY5 and VPS13C), only ADCY5 was found to be associated with type 2 diabetes in collaborating studies (n = 35,869 cases, 89,798 controls, OR = 1.12, 95% CI 1.09-1.15, P = 4.8 x 10(-18)).

Phosphorylation of CARMA1 by HPK1 is critical for NF-kappaB activation in T cells.

Activation of the NF-kappaB pathway in T cells is required for induction of an adaptive immune response. Hematopoietic progenitor kinase (HPK1) is an important proximal mediator of T-cell receptor (TCR)-induced NF-kappaB activation. Knock-down of HPK1 abrogates TCR-induced IKKbeta and NF-kappaB activation, whereas active HPK1 leads to increased IKKbeta activity in T cells. Yet, the precise molecular mechanism of this process remains elusive. Here, we show that HPK1-mediated NF-kappaB activation is dependent on the adaptor protein CARMA1. HPK1 interacts with CARMA1 in a TCR stimulation-dependent manner and phosphorylates the linker region of CARMA1. Interestingly, the putative HPK1 phosphorylation sites in CARMA1 are different from known PKC consensus sites. Mutations of residues S549, S551, and S552 in CARMA1 abrogated phosphorylation of a CARMA1-linker construct by HPK1 in vitro. In addition, CARMA1 S551A or S5549A/S551A point mutants failed to restore HPK1-mediated and TCR-mediated NF-kappaB activation and IL-2 expression in CARMA1-deficient T cells. Thus, we identify HPK1 as a kinase specific for CARMA1 and suggest HPK1-mediated phosphorylation of CARMA1 as an additional regulatory mechanism tuning the NF-kappaB response upon TCR stimulation.

Inducible nitric oxide synthase-dependent stimulation of PKGI and phosphorylation of VASP in human embryonic kidney cells.

Inducible nitric oxide synthase (iNOS) production of nitric oxide (NO) has been mostly associated with so-called nitrosative stress or interaction with superoxide anion. However, recent investigations have indicated that, as for the other isoenzymes producing NO, guanylyl cyclase (GC) is a very sensitive target of iNOS activity. To further investigate this less explored signaling, the NO-cyclic guanosine 3'-5'-monophosphate (NO-cGMP)-induced vasodilator-stimulated phosphoprotein (VASP) phosphorylation on serine 239 was investigated in human embryonic kidney 293 cells (HEK cells). First, the expression and activity of alpha2 and beta1 NO-sensitive GC subunits was determined by Western blot analysis, reverse transcription-polymerase chain reaction and NO donors administration. Then, the expression of a functional cGMP-dependent protein kinase I (PKGI) was verified by addition of 8-Br-cGMP followed by determination of phosphorylation of VASP on serine 239. Finally, iNOS activation of this signaling pathway was characterized after transfection of HEK cells with human iNOS cDNA. Altogether our data show that iNOS-derived NO activates endogenous NO-sensitive GC and leads to VASP phosphorylation in HEK cells.

Altérations dans le cordon ombilical de nouveau-nés avec une restriction de la croissance intra-utérine

Introduction: Le retard de croissance intra-utérin (RCIU) est défini comme une incapacité du foetus à atteindre son plein potentiel de croissance. C'est une complication fréquente (affectant ~8% des grossesses), associée à un risque accru de mortalité et morbidité périnatales et de maladies chroniques à l'âge adulte, telles que les maladies coronariennes, l'hypertension, ou le diabète. Une croissance foetale adéquate est déterminée principalement par la disponibilité en oxygène et nutriments apportés au foetus par la circulation ombilico-placentaire. Chez l'homme, le tonus vasculaire ombilical est régulé majoritairement par la voie du monoxyde d'azote (NO)/GMPc. Nous avons émis l'hypothèse que le RCIU pourrait être associé à des altérations dans la régulation de la circulation ombilicale, en particulier dans la voie du NO/GMPc. Méthodes: Cette étude a été conçue pour identifier dans des cordons ombilicaux, les changements structurels, fonctionnels et moléculaires survenant en cas de RCIU, en particulier dans la veine om-bilicale. Résultats: De façon générale, le diamètre du cordon ombilical était significativement réduit chez les nouveau-nés avec RCIU par rapport aux contrôles. Les mesures histomorphométriques ont mis en évidence une diminution significative de la surface transversale totale ainsi que de muscle lisse dans la veine ombilicale en cas de RCIU. Les études pharmacologiques effectuées sur des anneaux vasculaires de veines ombilicales ont montré une diminution de la tension maximale induite par des vasoconstricteurs chez les garçons avec RCIU, et une réduction significative de la relaxation induite par le NO chez les filles avec RCIU. Cette altération de la relaxation s'accompagne de modifications de plusieurs composants de la voie du NO/GMPc au niveau du muscle lisse de la veine ombilicale des filles avec RCIU. Enfin l'addition d'un inhibiteur non-spécifique des phosphodiesterases (PDEs) a permis d'améliorer la réponse au NO dans tous les groupes et surtout de compenser la réduction de la relaxation induite par le NO chez les filles avec RCIU. Conclusion: Cette étude a permis de mettre en évidence des modifications structurelles dans le cordon ombilical de nouveau-nés présentant un RCIU, ainsi que des changements fonctionnels et moléculaires dans la veine ombilicale, en particulier dans la voie du NO/GMPc, qui pourraient contribuer au développement du RCIU. L'effet bénéfique de l'inhibition des PDEs sur la relaxation suggère qu'elles pourraient constituer des cibles thérapeutiques potentielles.