Glutamatergic regulation of mitochondrial ion dynamics in astrocytes

Résumé grand public :Le cerveau se compose de cellules nerveuses appelées neurones et de cellules gliales dont font partie les astrocytes. Les neurones communiquent entre eux par signaux électriques et en libérant des molécules de signalisation comme le glutamate. Les astrocytes ont eux pour charge de capter le glucose depuis le sang circulant dans les vaisseaux sanguins, de le transformer et de le transmettre aux neurones pour qu'ils puissent l'utiliser comme source d'énergie. L'astrocyte peut ensuite utiliser ce glucose de deux façons différentes pour produire de l'énergie : la première s'opère dans des structures appelées mitochondries qui sont capables de produire plus de trente molécules riches en énergie (ATP) à partir d'une seule molécule de glucose ; la seconde possibilité appelée glycolyse peut produire deux molécules d'ATP et un dérivé du glucose appelé lactate. Une théorie couramment débattue propose que lorsque les astrocytes capturent le glutamate libéré par les neurones, ils libèrent en réponse du lactate qui servirait de base énergétique aux neurones. Cependant, ce mécanisme n'envisage pas une augmentation de l'activité des mitochondries des astrocytes, ce qui serait pourtant bien plus efficace pour produire de l'énergie.En utilisant la microscopie par fluorescence, nous avons pu mesurer les changements de concentrations ioniques dans les mitochondries d'astrocytes soumis à une stimulation glutamatergique. Nous avons démontré que les mitochondries des astrocytes manifestent des augmentations spontanées et transitoires de leur concentrations ioniques, dont la fréquence était diminuée au cours d'une stimulation avec du glutamate. Nous avons ensuite montré que la capture de glutamate augmentait la concentration en sodium et acidifiait les mitochondries des astrocytes. En approfondissant ces mécanismes, plusieurs éléments ont suggéré que l'acidification induite diminuerait le potentiel de synthèse d'énergie d'origine mitochondriale et la consommation d'oxygène dans les astrocytes. En résumé, l'ensemble de ces travaux suggère que la signalisation neuronale impliquant le glutamate dicte aux astrocytes de sacrifier temporairement l'efficacité de leur métabolisme énergétique, en diminuant l'activité de leurs mitochondries, afin d'augmenter la disponibilité des ressources énergétiques utiles aux neurones.Résumé :La remarquable efficacité du cerveau à compiler et propager des informations coûte au corps humain 20% de son budget énergétique total. Par conséquent, les mécanismes cellulaires responsables du métabolisme énergétique cérébral se sont adéquatement développés pour répondre aux besoins énergétiques du cerveau. Les dernières découvertes en neuroénergétique tendent à démontrer que le site principal de consommation d'énergie dans le cerveau est situé dans les processus astrocytaires qui entourent les synapses excitatrices. Un nombre croissant de preuves scientifiques a maintenant montré que le transport astrocytaire de glutamate est responsable d'un coût métabolique important qui est majoritairement pris en charge par une augmentation de l'activité glycolytique. Cependant, les astrocytes possèdent également un important métabolisme énergétique de type mitochondrial. Par conséquent, la localisation spatiale des mitochondries à proximité des transporteurs de glutamate suggère l'existence d'un mécanisme régulant le métabolisme énergétique astrocytaire, en particulier le métabolisme mitochondrial.Afin de fournir une explication à ce paradoxe énergétique, nous avons utilisé des techniques d'imagerie par fluorescence pour mesurer les modifications de concentrations ioniques spontanées et évoquées par une stimulation glutamatergique dans des astrocytes corticaux de souris. Nous avons montré que les mitochondries d'astrocytes au repos manifestaient des changements individuels, spontanés et sélectifs de leur potentiel électrique, de leur pH et de leur concentration en sodium. Nous avons trouvé que le glutamate diminuait la fréquence des augmentations spontanées de sodium en diminuant le niveau cellulaire d'ATP. Nous avons ensuite étudié la possibilité d'une régulation du métabolisme mitochondrial astrocytaire par le glutamate. Nous avons montré que le glutamate initie dans la population mitochondriale une augmentation rapide de la concentration en sodium due à l'augmentation cytosolique de sodium. Nous avons également montré que le relâchement neuronal de glutamate induit une acidification mitochondriale dans les astrocytes. Nos résultats ont indiqué que l'acidification induite par le glutamate induit une diminution de la production de radicaux libres et de la consommation d'oxygène par les astrocytes. Ces études ont montré que les mitochondries des astrocytes sont régulées individuellement et adaptent leur activité selon l'environnement intracellulaire. L'adaptation dynamique du métabolisme énergétique mitochondrial opéré par le glutamate permet d'augmenter la quantité d'oxygène disponible et amène au relâchement de lactate, tous deux bénéfiques pour les neurones.Abstract :The remarkable efficiency of the brain to compute and communicate information costs the body 20% of its total energy budget. Therefore, the cellular mechanisms responsible for brain energy metabolism developed adequately to face the energy needs. Recent advances in neuroenergetics tend to indicate that the main site of energy consumption in the brain is the astroglial process ensheating activated excitatory synapses. A large body of evidence has now shown that glutamate uptake by astrocytes surrounding synapses is responsible for a significant metabolic cost, whose metabolic response is apparently mainly glycolytic. However, astrocytes have also a significant mitochondrial oxidative metabolism. Therefore, the location of mitochondria close to glutamate transporters raises the question of the existence of mechanisms for tuning their energy metabolism, in particular their mitochondrial metabolism.To tackle these issues, we used real time imaging techniques to study mitochondrial ionic alterations occurring at resting state and during glutamatergic stimulation of mouse cortical astrocytes. We showed that mitochondria of intact resting astrocytes exhibited individual spontaneous and selective alterations of their electrical potential, pH and Na+ concentration. We found that glutamate decreased the frequency of mitochondrial Na+ transient activity by decreasing the cellular level of ATP. We then investigated a possible link between glutamatergic transmission and mitochondrial metabolism in astrocytes. We showed that glutamate triggered a rapid Na+ concentration increase in the mitochondrial population as a result of plasma-membrane Na+-dependent uptake. We then demonstrated that neuronally released glutamate also induced a mitochondrial acidification in astrocytes. Glutamate induced a pH-mediated and cytoprotective decrease of mitochondrial metabolism that diminished oxygen consumption. Taken together, these studies showed that astrocytes contain mitochondria that are individually regulated and sense the intracellular environment to modulate their own activity. The dynamic regulation of astrocyte mitochondrial energy output operated by glutamate allows increasing oxygen availability and lactate production both being beneficial for neurons.

Postoperative cognitive dysfunction POCD, serum anticholinergic activity and intraoperative cerebral perfusion in geriatric patients

Background: Inadequate intraoperative cerebral perfusion and increased serum anticholinergic activity (SAA) have been suggested as possible causes of postoperative cognitive dysfunction (POCD). Methods: 53 patients aged >65 yrs undergoing elective major surgical procedures under standardized general anaesthesia. Cerebral perfusion was monitored with transcranial Doppler and near-infrared spectroscopy. Mx, an index of cerebral autoregulation was calculated based on the correlation of spontaneous changes inmean arterial blood pressure (MAP) and cerebral blood flow velocity. Cognitive function was measured preoperatively and 7 days postoperatively using the CERAD-Neuropsychological Battery. A postoperative decline >1 z-score in at least 2 cognitive variables was defined as POCD. SAA was measured preoperatively and 7 days postoperatively (data available for 38 patients). CRP was measured at the same time points and 2 days postoperatively. Results: Age was 75_7 yrs (mean_SD). 23 patients (43%) developed POCD. There were no statistical significant differences between patients with POCD and without POCD in age (77_7 vs 73_6 yrs), MAP (74_12 vs 78_11 mmHg), cerebral tissue oxygenation indices (67_6 vs 69_4 %) SAA preoperatively (1.74_1.52 vs 1.74_1.21) and 7 days postoperatively (1.90_1.63 vs 1.84_1.39) and CRP preoperatively (32_72 vs 7_9), 2 days postoperatively (176_129 vs 111_69) and 7days postoperatively (53_43 vs 48_25). Patients with POCD had less efficient autoregulation than patients without POCD (Mx 0.55_0.15 vs 0.45_0.20, p = 0.046). However, the percentage of patients with clearly impaired autoregulation (ie, Mx>0.5) was statistically not different between groups (with POCD: 65%; without POCD: 38%; p = 0.06) but there seems to be a trend. Conclusions: Our data on the association between cerebral perfusion and POCD in elderly patients are inconclusive and more patients need to be investigated. In this small group of patients SAA seems not to be associated with POCD.

Skeletal muscle mitochondria in the elderly: effects of physical fitness and exercise training.

CONTEXT: Sarcopenia is thought to be associated with mitochondrial (Mito) loss. It is unclear whether the decrease in Mito content is consequent to aging per se or to decreased physical activity. OBJECTIVES: The objective of the study was to examine the influence of fitness on Mito content and function and to assess whether exercise could improve Mito function in older adults. DESIGN AND SUBJECTS: Three distinct studies were conducted: 1) a cross-sectional observation comparing Mito content and fitness in a large heterogeneous cohort of older adults; 2) a case-control study comparing chronically endurance-trained older adults and sedentary (S) subjects matched for age and gender; and 3) a 4-month exercise intervention in S. SETTING: The study was conducted at a university-based clinical research center. OUTCOMES: Mito volume density (MitoVd) was assessed by electron microscopy from vastus lateralis biopsies, electron transport chain proteins by Western blotting, mRNAs for transcription factors involved in M biogenesis by quantitative RT-PCR, and in vivo oxidative capacity (ATPmax) by (31)P-magnetice resonance spectroscopy. Peak oxygen uptake was measured by graded exercise test. RESULTS: Peak oxygen uptake was strongly correlated with MitoVd in 80 60- to 80-year-old adults. Comparison of chronically endurance-trained older adults vs S revealed differences in MitoVd, ATPmax, and some electron transport chain protein complexes. Finally, exercise intervention confirmed that S subjects are able to recover MitoVd, ATPmax, and specific transcription factors. CONCLUSIONS: These data suggest the following: 1) aging per se is not the primary culprit leading to Mito dysfunction; 2) an aerobic exercise program, even at an older age, can ameliorate the loss in skeletal muscle Mito content and may prevent aging muscle comorbidities; and 3) the improvement of Mito function is all about content.

Troubles sexuels masculins et obésité [Male sexual dysfunction and obesity].

Obesity concerns more than 200 million people in the world, with an increasing prevalence in western countries. It is closely related to multiple medical conditions, such as diabetes and hypertension. It was recently shown that testosterone deficiency syndrome and erectile dysfunction (ED) are also linked to male obesity. In this group of patients, ED may be due to defects in corpus cavernosum relaxation, endocrine modifications and nerve signal alterations. Weight loss and increased physical activities can improve erectile function in 30% of obese patients. Additional medical treatments of ED enhance erectile function in more than 80% of patients. Self image improvement associated with appropriate erectile dysfunction medical treatment allow better sexual life and potentially increased motivation for weight loss.

Bacterial flagellin elicits innate immune defenses and cardiac dysfunction in vivo

Résumé Les agents pathogènes responsables d'infection entraînent chez l'hôte deux types de réponses immunes, la première, non spécifique, dite immunité innée, la seconde, spécifique à l'agent concerné, dite immunité adaptative. L'immunité innée, qui représente la première ligne de défense contre les pathogènes, est liée à la reconnaissance par les cellules de l'hôte de structures moléculaires propres aux micro-organismes (« Pathogen-Associated Molecular Patterns », PAMPs), grâce à des récepteurs membranaires et cytoplasmiques (« Pattern Recognition Receptors », PRRs) identifiant de manière spécifique ces motifs moléculaires. Les récepteurs membranaires impliqués dans ce processus sont dénommés toll-like récepteurs, ou TLRS. Lorsqu'ils sont activés par leur ligand spécifique, ces récepteurs activent des voies de signalisation intracellulaires initiant la réponse inflammatoire non spécifique et visant à éradiquer l'agent pathogène. Les deux voies de signalisation impliquées dans ce processus sont la voie des « Mitogen-Activated Protein Kinases » (MAPKs) et celle du « Nuclear Factor kappaB » (NF-κB), dont l'activation entraîne in fine l'expression de protéines de l'inflammation dénommées cytokines, ainsi que certaines enzymes produisant divers autres médiateurs inflammatoires. Dans certaines situations, cette réponse immune peut être amplifiée de manière inadéquate, entraînant chez l'hôte une réaction inflammatoire systémique exagérée, appelée sepsis. Le sepsis peut se compliquer de dysfonctions d'organes multiples (sepsis sévère), et dans sa forme la plus grave, d'un collapsus cardiovasculaire, définissant le choc septique. La défaillance circulatoire du choc septique touche les vaisseaux sanguins d'une part, le coeur d'autre part, réalisant un tableau de «dysfonction cardiaque septique », dont on connaît mal les mécanismes pathogéniques. Les bactéries à Gram négatif peuvent déclencher de tels phénomènes, notamment en libérant de l'endotoxine, qui active les voies de l'immunité innée par son interaction avec un toll récepteur, le TLR4. Outre l'endotoxine, la plupart des bactéries à Gram négatif relâchent également dans leur environnement une protéine, la flagelline, qui est le constituant majeur du flagelle bactérien, organelle assurant la mobilité de ces micro-organismes. Des données récentes ont indiqué que la flagelline active, dans certaines cellules, les voies de l'immunité innée en se liant au récepteur TLRS. On ne connaît toutefois pas les conséquences de l'interaction flagelline-TLRS sur le développement de l'inflammation et des dysfonctions d'organes au cours du sepsis. Nous avons par conséquent élaboré le présent travail en formulant l'hypothèse que la flagelline pourrait déclencher une telle inflammation et représenter ainsi un médiateur potentiel de la dysfonction d'organes au cours du sepsis à Gram négatif, en nous intéressant plus particulièrement àl'inflammation et à la dysfonction cardiaque. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les effets de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, et sur l'expression de cytokines inflammatoires au niveau du myocarde in vitro (cardiomyocytes en culture) et in vivo (injection de flagelline recombinante à des souris). Nous avons observé tout d'abord que le récepteur TLRS est fortement exprimé au niveau du myocarde. Nous avons ensuite démontré que la flagelline active la voie du NF-κB et des MAP kinases (p38 et JNK), stimule la production de cytokines et de chemokines inflammatoires in vitro et in vivo, et entraîne l'activation de polynucléaires neutrophiles dans le tissu cardiaque in vivo. Finalement, au plan fonctionnel, nous avons pu montrer que la flagelline entraîne une dilatation et une réduction aiguë de la contractilité du ventricule gauche chez la souris, reproduisant les caractéristiques de la dysfonction cardiaque septique. Dans la deuxième partie, nous avons déterminé la distribution du récepteur TLRS dans les autres organes majeurs de la souris (poumon, foie, intestin et rein}, et avons caractérisé dans ces organes l'effet de la flagelline sur l'activation du NF-κB et des MAPKs, l'expression de cytokines, et l'induction de l'apoptose. Nous avons démontré que le TLRS est exprimé de façon constitutive dans ces organes, et que l'injection de flagelline y déclenche les cascades de l'immunité innée et de processus apoptotiques. Finalement, nous avons également déterminé que la flagelline entraîne une augmentation significative de multiples cytokines dans le plasma une à six heures après son injection. En résumé, nos données démontrent que la flagelline bactérienne (a) entraîne une inflammation et une dysfonction importantes du myocarde et (b) active de manière très significative les mécanismes d'immunité innée dans les principaux organes et entraîne une réponse inflammatoire systémique. Par conséquent, la flagelline peut représenter un médiateur puissant de l'inflammation et de la dysfonction d'organes, notamment du coeur, au cours du choc septique déclenché par les bactéries à Gram négatif. Summary Pathogenic microorganisms trigger two kinds of immune responses in the host. The first one is immediate and non-specific and is termed innate immunity, whereas the second one, specifically targeted at the invading agent, is termed adaptative immunity. Innate immunity, which represents the first line of defense against invading pathogens, confers the host the ability to recognize molecular structures common to many microbial pathogens, ("Pathogen-Associated Molecular Patterns", PAMPs), through cytosolic or membrane-associated receptors ("Pattern Recognition Receptors", PRRs), the latter being represented by a family of receptors termed "toll-like receptors or TLRs". Once activated by the binding of their specific ligand, these receptors activate intracellular signaling pathways, which initiate the non-specific inflammatory response aimed at eradicating the pathogens. The two pathways implicated in this process are the mitogen-activated protein kinases (MAPK) and the nuclear factor kappa B (NF-κB) signaling pathways, whose activation elicit in fine the expression of inflammatory proteins termed cytokines, as well as various enzymes producing a wealth of additional inflammatory mediators. In some circumstances, the innate immune response can become amplified and dysregulated, triggering an overwhelming systemic inflammatory response in the host, identified as sepsis. Sepsis can be associated with multiple organ dysfunction (severe sepsis), and in its most severe form, with cardiovascular collapse, defming septic shock. The cardiovascular failure associated with septic shock affects blood vessels as well as the heart, resulting in a particular form of acute heart failure termed "septic cardiac dysfunction ", whose pathogenic mechanisms remain partly undefined. Gram-negative bacteria can initiate such phenomena, notably by releasing lipopolysaccharide (LPS), which activates innate immune signaling by interacting with its specific toll receptor, the TLR4. Besides LPS, most Gram-negative bacteria also release flagellin into their environment, which is the main structural protein of the bacterial flagellum, an appendage extending from the outer bacterial membrane, responsible for the motility of the microorganism. Recent data indicated that flagellin activate immune responses upon binding to its receptor, TLRS, in various cell types. However, the role of flagellin/TLRS interaction in the development of inflammation and organ dysfunction during sepsis is not known. Therefore, we designed the present work to address the hypothesis that flagellin might trigger such inflammatory responses and thus represent a potential mediator of organ dysfunction during Gram-negative sepsis, with a particular emphasis on cardiac inflammation and contractile dysfunction. In the first part of this work, we investigated the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation and the generation of pro-inflammatory mediators within the heart in vitro (cultured cardiomyocytes) and in vivo (injection of recombinant flagellin into mice). We first observed that TLRS protein is strongly expressed by the myocardium. We then demonstrated that flagellin activates NF-κB and MAP kinases (p38 and JNK), upregulates the transcription of pro-inflammatory cytokines and chemokines in vitro and in vivo, and stimulates the activation of polymorphonuclear neutrophils within the heart in vivo. Finally, we demonstrated that flagellin triggers acute cardiac dilation, and a significant reduction of left ventricular contractility, mimicking characteristics of clinical septic cardiac dysfunction. In the second part, we determined the TLRS distribution in other mice major organs (lung, liver, gut and kidney) and we characterized in these organs the effects of flagellin on NF-κB and MAPK activation, on the expression of pro-inflammatory çytokines, and on the induction of apoptosis. We demonstrated that TLRS protein is constitutively expressed and that flagellin activates prototypical innate immune responses and pro-apoptotic pathways in all these organs. Finally, we also observed that flagellin induces a significant increase of multiple cytokines in the plasma from 1 to 6 hours after its intravenous administration. Altogether, these data provide evidence that bacterial flagellin (a) triggers an important inflammatory response and an acute dysfunction of the myocardium, and (b) significantly activates the mechanisms of innate immunity in most major organs and elicits a systemic inflammatory response. In consequence, flagellin may represent a potent mediator of inflammation and multiple organ failure, notably cardiac dysfunction, during Gram-negative septic shock.

The prevalence of erectile dysfunction and its association with antiretroviral therapy in HIV-infected men: the Swiss HIV Cohort Study.

BACKGROUND: Here, we aimed to determine the prevalence of erectile dysfunction (ED) among HIV-infected men and its association with components of antiretroviral therapy. METHODS: Cross-sectional data on sexual dysfunction were collected in the Swiss HIV Cohort Study (SHCS) between December 2009 and November 2010. Multilevel logistic regression models were used to estimate the association between ED and exposure to 24 different antiretroviral drugs from four drug classes. RESULTS: During the study period, 5,194 of 5,539 eligible men in the SHCS had a follow-up visit; 4,064 men answered a question on ED for the first time. Among these men, ED was experienced often by 459 (11%), sometimes by 543 (13%), rarely by 389 (10%), never by 2,526 (62%) and 147 (4%) did not know. ED was associated with older age, an earlier HIV diagnosis and depression. No association was found with any drug class; however, ED was associated with cumulative exposure to either zalcitabine (OR 1.29 per year of use; 95% CI 1.07, 1.55) or enfuvirtide (OR 1.28; 95% CI 1.08, 1.52). CONCLUSIONS: Around 1 in 10 men in the SHCS reported often experiencing ED. We found no association between ED and any drug class, but those exposed to zalcitabine or enfurvitide (drugs no longer or rarely used) were more likely to report ED; this second association was probably not causal.

Retinal dysfunction in combined methylmalonic aciduria and homocystinuria (Cblc) disease: a spectrum of disorders.

BACKGROUND: Cobalamin C methylmalonic aciduria with homocystinuria (cblC disease) is a rare hereditary inborn error of cobalamin metabolism, characterised by neurological, haematological and ophthalmological abnormalities. PATIENTS AND METHODS: Three consecutive patients with Cblc disease were examined. Investigations included slit lamp and fundus examination and full-field ERG. RESULTS: A maculopathy associated with both photopic and scotopic abnormal ERG was present in two cases and a salt and pepper retinopathy with abnormal photopic ERG was detected in the third patient. CONCLUSIONS: Despite early treatment and regular metabolic controls, all our patients exhibited both retinal and ERG abnormalities. There was no correlation between funduscopic appearance and the type of photoreceptor dysfunction. A literature review disclosed a retinopathy in 29 / 70 cases with cblC disease, with an abnormal ERG in 8 of the 12 tested cases, most with retinopathy. Retinal dysfunction in cblC disease may be more frequent than previously thought, and can involve cones only or both rods and cones. We recommend a formal ocular examination with full-field ERG in patients with Cblc disease.

Brain dysfunction in sepsis: what can we learn from cerebral perfusion studies?

Investigations on the relationship between sepsis, brain dysfunction, and cerebral perfusion are methodologically very difficult to perform. It is important to interpret the results of such studies in view of our limited ability to diagnose and quantify brain dysfunction and to consider our limited understanding of the mechanisms that lead to or are associated with brain dysfunction in sepsis.

"I'll look it up on the Web first": barriers and overcoming barriers to consult for sexual dysfunction among young men.

QUESTIONS UNDER STUDY: Our aim was to identify the barriers young men face to consult a health professional when they encounter sexual dysfunctions and where they turn to, if so, for answers. METHODS: We conducted an exploratory qualitative research including 12 young men aged 16-20 years old seen in two focus groups. Discussions were triggered through vignettes about sexual dysfunction. RESULTS: Young men preferred not to talk about sexual dysfunction problems with anyone and to solve them alone as it is considered an intimate and embarrassing subject which can negatively impact their masculinity. Confidentiality appeared to be the most important criterion in disclosing an intimate subject to a health professional. Participants raised the problem of males' accessibility to services and lack of reason to consult. Two criteria to address the problem were if it was long-lasting or considered as physical. The Internet was unanimously considered as an initial solution to solve a problem, which could guide them to a face-to-face consultation if necessary. CONCLUSIONS: Results suggest that Internet-based tools should be developed to become an easy access door to sexual health services for young men. Wherever they consult and for whatever problem, sexual health must be on the agenda.

In Vivo Modulation of Mitochondrial Activity Determines HSC Engraftment and Post-Transplant Survival in Mice

Cellular metabolism is emerging as a potential fate determinant in cancer and stem cell biology, constituting a crucial regulator of the hematopoietic stem cell (HSC) pool [1-4]. The extremely low oxygen tension in the HSC microenvironment of the adult bone marrow forces HSCs into a low metabolic profile that is thought to enable their maintenance by protecting them from reactive oxygen species (ROS). Although HSC quiescence has for long been associated with low mitochondrial activity, as testified by the low rhodamine stain that marks primitive HSCs, we hypothesized that mitochondrial activation could be an HSC fate determinant in its own right. We thus set to investigate the implications of pharmacologically modulating mitochondrial activity during bone marrow transplantation, and have found that forcing mitochondrial activation in the post-transplant period dramatically increases survival. Specifically, we examined the mitochondrial content and activation profile of each murine hematopoietic stem and progenitor compartment. Long-term-HSCs (LT-HSC, Lin-cKit+Sca1+ (LKS) CD150+CD34-), short-term-HSCs (ST-HSC, LKS+150+34+), multipotent progenitors (MPPs, LKS+150-) and committed progenitors (PROG, Lin-cKit+Sca1-) display distinct mitochondrial profiles, with both mitochondrial content and activity increasing with differentiation. Indeed, we found that overall function of the hematopoietic progenitor and stem cell compartment can be resolved by mitochondrial activity alone, as illustrated by the fact that low mitochondrial activity LKS cells (TMRM low) can provide efficient long-term engraftment, while high mitochondrial activity LKS cells (TMRM high) cannot engraft in lethally irradiated mice. Moreover, low mitochondrial activity can equally predict efficiency of engraftment within the LT-HSC and ST-HSC compartments, opening the field to a novel method of discriminating a population of transitioning ST-HSCs that retain long-term engraftment capacity. Based on previous experience that a high-fat bone marrow microenvironment depletes short-term hematopoietic progenitors while conserving their long-term counterparts [5], we set to measure HSC mitochondrial activation in high-fat diet fed mice, known to decrease metabolic rate on a per cell basis through excess insulin/IGF-1 production. Congruently, we found lower mitochondrial activation as assessed by flow cytometry and RT-PCR analysis as well as a depletion of the short-term progenitor compartment in high fat versus control chow diet fed mice. We then tested the effects of a mitochondrial activator known to counteract the negative effects of high fat diet. We first analyzed the in vitro effect on HSC cell cycle kinetics, where no significant change in proliferation or division time was found. However, HSCs responded to the mitochondrial activator by increasing asynchrony, a behavior that is thought to directly correlate with asymmetric division [6]. As opposed to high-fat diet fed mice, mice fed with the mitochondrial activator showed an increase in ST-HSCs, while all the other hematopoietic compartments were comparable to mice fed on control diet. Given the dependency on short-term progenitors to rapidly reconstitute hematopoiesis following bone marrow transplantation, we tested the effect of pharmacological mitochondrial activation on the recovery of mice transplanted with a limiting HSC dose. Survival 3 weeks post-transplant was 80% in the treated group compared to 0% in the control group, as predicted by faster recovery of platelet and neutrophil counts. In conclusion, we have found that mitochondrial activation regulates the long-term to short-term HSC transition, unraveling mitochondrial modulation as a valuable drug target for post-transplant therapy. Identification of molecular pathways accountable for the metabolically mediated fate switch is currently ongoing.

Aortic valve dysfunction and aortic dilatation in adults with coarctation of the aorta

Objectif: Déterminer la prévalence de la dysfonction de la valve aortique, de la dilatation de l'aorte proximale et des interventions au niveau de la valve aortique et de l'aorte ascendante chez les adultes avec une coarctation de l'aorte. Contexte: La dysfonction de la valve aortique et la dilatation de l'aorte proximale sont rares chez les enfants et les adolescents avec une coarctation de l'aorte. A long terme, les adultes pourraient être plus à risque de développer ce type de pathologie. Méthode: Nous avons rétrospectivement passé en revue tous les adultes avec une coarctation de l'aorte corrigée ou pas suivis au « Boston Children's Hospital » entre 2004 et 2010. Résultats: 216 adultes (56 % d'hommes) avec une coarctation ont été identifiés. L'âge médian à la dernière évaluation était de 28 (de 18 à 75) ans. Une bicuspidie aortique était présente dans 66% des cas. Au dernier contrôle, 3% avaient une sténose aortique modérée ou sévère et 4% avaient une insuffisance aortique modérée à sévère. Une dilatation de la racine de l'aorte ou de l'aorte ascendante était présente dans 28%, respectivement 42% des patients. Une dilatation au moins modérée de la racine de l'aorte ou de l'aorte ascendante (score Z > 4) était présente dans 8%, respectivement 14%. Les patients avec une bicuspidie aortique étaient plus sujets à avoir une dilatation au moins modérée de la racine de l'aorte ou de l'aorte ascendante comparés à ceux sans bicuspidie (20% contre 0%; p<0.001). L'âge était associé à une dilatation de l'aorte ascendante (p=0.04). Au dernier suivi, 6% avait nécessité une intervention au niveau de la valve aortique et 3% un remplacement de la racine de l'aorte ou de l'aorte ascendante.

Dangerous Liaisons: Mitochondrial DNA Meets the NLRP3 Inflammasome.

Danger signals released by damaged organelles can promote inflammation. In this issue of Immunity, Shimada et al. (2012) report that oxidized DNA, released by mitochondria, directly binds and activates the NLRP3 inflammasome.

Recurrent de novo mitochondrial DNA mutations in respiratory chain deficiency.

Starting from a cohort of 50 NADH-oxidoreductase (complex I) deficient patients, we carried out the systematic sequence analysis of all mitochondrially encoded complex I subunits (ND1 to ND6 and ND4L) in affected tissues. This approach yielded the unexpectedly high rate of 20% mutation identification in our series. Recurrent heteroplasmic mutations included two hitherto unreported (T10158C and T14487C) and three previously reported mutations (T10191C, T12706C and A13514G) in children with Leigh or Leigh-like encephalopathy. The recurrent mutations consistently involved T-->C transitions (p<10(-4)). This study supports the view that an efficient molecular screening should be based on an accurate identification of respiratory chain enzyme deficiency.

Physiopathologie du coeur embryonnaire soumis à l'anoxie-réoxygénation: rôle protecteur du NO et des canaux KATP

RESUME Introduction : Dans le coeur adulte, l'ischémie et la reperfusion entraînent des perturbations électriques, mécaniques, biochimiques et structurales qui peuvent causer des dommages réversibles ou irréversibles selon la sévérité de l'ischémie. Malgré les récents progrès en cardiologie et en chirurgie foetales, la connaissance des mécanismes impliqués dans la réponse du myocarde embryonnaire à un stress hypoxique transitoire demeure lacunaire. Le but de ce travail a donc été de caractériser les effets chrono-, dromo- et inotropes de l'anoxie et de la réoxygénation sur un modèle de coeur embryonnaire isolé. D'autre part, les effets du monoxyde d'azote (NO) et de la modulation des canaux KATP mitochondriaux (mito KATP) sur la récupération fonctionnelle postanoxique ont été étudiés. La production myocardique de radicaux d'oxygène (ROS) et l'activité de MAP Kinases (ERK et JNK) impliquées dans la signalisation cellulaire ont également été déterminées. Méthodes : Des coeurs d'embryons de poulet âgés de 4 jours battant spontanément ont été placés dans une chambre de culture puis soumis à une anoxie de 30 min suivie d'une réoxygénation de 60 min. L'activité électrique (ECG), les contractions de l'oreillette, du ventricule et du conotroncus (détectées par photométrie), la production de ROS (mesure de la fluorescence du DCFH) et l'activité kinase de ERK et JNK dans le ventricule ont été déterminées au cours de l'anoxie et de la réoxygénation. Les coeurs ont été traités avec un bloqueur des NO synthases (L-NAME), un donneur de NO (DETA-NONOate), un activateur (diazoxide) ou un inhibiteur (5-HD) des canaux mitoKATP un inhibiteur non-spécifique des PKC (chélérythrine) ou un piégeur de ROS (MPG). Résultats : L'anoxie et la réoxygénation entraînaient des arythmies (essentiellement d'origine auriculaire) semblables à celles observées chez l'adulte, des troubles de la conduction (blocs auriculo-ventriculaires de 1er, 2ème et 3ème degré) et un ralentissement marqué du couplage excitation-contraction (E-C) ventriculaire. En plus de ces arythmies, la réoxygénation déclenchait le phénomène de Wenckelbach, de rares échappements ventriculaires et une sidération myocardique. Aucune fibrillation, conduction rétrograde ou activité ectopique n'ont été observées. Le NO exogène améliorait la récupération postanoxique du couplage E-C ventriculaire alors que L'inhibition des NOS la ralentissait. L'activation des canaux mito KATP augmentait la production mitochondriale de ROS à la réoxygénation et accélérait la récupération de la conduction (intervalle PR) et du couplage E-C ventriculaire. La protection de ce couplage était abolie par le MPG, la chélérythrine ou le L-NAME. Les fonctions électrique et contractile de tous les coeurs récupéraient après 30-40 min de réoxygénation. L'activité de ERK et de JNK n'était pas modifiée par L'anoxie, mais doublait et quadruplait, respectivement, après 30 min de réoxygénation. Seule l'activité de JNK était diminuée (-60%) par l'activation des canaux mitoKATP. Cet effet inhibiteur était partiellement abolit par le 5-HD. Conclusion: Dans le coeur immature, le couplage E-C ventriculaire semble être un paramètre particulièrement sensible aux conditions d'oxygénation. Sa récupération postanoxique est améliorée par l'ouverture des canaux mitoKATP via une signalisation impliquant les ROS Ies PKC et le NO. Une réduction de l'activité de JNK semble également participer à cette protection. Nos résultats suggèrent que les mitochondries jouent un rôle central dans la modulation des voies de signalisation cellulaire, en particulier lorsque les conditions métaboliques deviennent défavorables. Le coeur embryonnaire isolé représente donc un modèle expérimental utile pour mieux comprendre les mécanismes associés à une hypoxie in utero et pour améliorer les stratégies thérapeutiques en cardiologie et chirurgie foetales. ABSTRACT Physiopathology of the anoxic-reoxygenated embryonic heart: Protective role of NO and KATP channel Aim: In the adult heart, the electrical, mechanical, biochemical and structural disturbances induced by ischemia and reperfusion lead to reversible or irreversible damages depending on the severity and duration of ischemia. In spite of recent advances in fetal cardiology and surgery, little is known regarding the cellular mechanisms involved in hypoxia-induced dysfunction in the developing heart. The aim of this study was to precisely characterize the chrono-, dromo- and inotropic disturbances associated with anoxia-reoxygenation in an embryonic heart model. Furthermore, the roles that nitric oxide (NO), reactive oxygen species (ROS), mitochondrial KATP, (mito KATP) channel and MAP Kinases could play in the stressed developing heart have been investigated. Methods: Embryonic chick hearts (4-day-old) were isolated and submitted in vitro to 30 min anoxia followed by 60 min reoxygenation. Electrical (ECG) and contractile activities of atria, ventricle and conotruncus (photometric detection), ROS production (DCFH fluorescence) and ERK and JNK activity were determined in the ventricle throughout anoxia-reoxygenation. Hearts were treated with NO synthase inhibitor (L-NAME), NO donor (DETA-NONOate), mitoKATP channel opener (diazoxide) or blocket (5-HD), PKC inhibitor (chelerythrine) and ROS scavenger (MPG). Results: Anoxia and reoxygenation provoked arrhythxnias (mainly originating from atrial region), troubles of conduction (st, 2nd, and 3rd degree atrio-ventricular blocks) and disturbances of excitation-contraction (E-C) coupling. In addition to these types of arrhythmias, reoxygenation triggered Wenckebach phenomenon and rare ventricular escape beats. No fibrillations, no ventricular ectopic beats and no electromechanical dissociation were observed. Myocardial stunning was observed during the first 30 min of reoxygenation. All hearts fully recovered their electrical and mechanical functions after 30-40 min of reoxygenation. Exogenous NO improved while NOS inhibition delayed E-C coupling recovery. Mito KATP, channel opening increased reoxygenation-induced ROS production and improved E-C coupling and conduction (PR) recovery. MPG, chelerythrine or L-NAME reversed this effect. Reoxygenation increased ERK and JNK activities land 4-fold, respectively, while anoxia had no effect. MitoKATP channel opening abolished the reoxygenation-induced activation of JNK but had no effect on ERK activity. This inhibitory effect was partly reversed by mitoKATP channel blocker but not by MPG. Conclusion: In the developing heart, ventricular E-C coupling was found to be specially sensitive to hypoxia-reoxygenation and its postanoxic recovery was improved by mitoKATP channel activation via a ROS-, PKC- and NO-dependent pathway. JNK inhibition appears to be involved in this protection. Thus, mitochondria can play a pivotal role in the cellular signalling pathways, notably under critical metabolic conditions. The model of isolated embryonic heart appears to be useful to better understand the mechanisms underlying the myocardial dysfunction induced by an in utero hypoxia and to improve therapeutic strategies in fetal cardiology and surgery.