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

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

Processus de "deuil gelé" chez les femmes bosniaques, épouses de disparus

Les femmes concernées par cette recherche sont des femmes bosniaques, requérantes d'asile en Suisse, suivies au sein de l'association « Appartenances ». Elles ont quitté leur pays à la suite de la prise de la ville de Srebrenica, en juillet 1995. Lors de cet exode, elles ont été séparées de leurs maris, qui sont aujourd'hui encore portés disparus. Ces femmes partagent une expérience douloureuse qui transparaît derrière un certain nombre de symptômes physiques et psychiques. Nous avons été frappés par la répétition de pertes importantes, sans que les conditions permettant un travail de deuil soient réunies. Aucune signification ne peut être attribuée aux disparitions et aux décès, masqués par le silence politique et par l'impossibilité d'accomplir un rituel. Le deuil peut ainsi se compliquer jusqu'à devenir un deuil impossible, dont le prototype pourrait être le « deuil gelé » lors d'une disparition. D'autre part, le stress et l'attaque de l'identité occasionnés par les traumatismes et l'exil ont coupé ces femmes de leurs ressources personnelles et culturelles. La perte d'une image entière de soi est prolongée par le statut précaire de requérant d'asile et par la perte des espoirs mis dans le pays d'accueil. Devant la complexité de cette problématique, nous nous sommes demandés sur quel aspect axer la prise en charge thérapeutique. Nous avons décidé de travailler sur le vécu et les deuils actuels de ces patientes (stress post-traumatique et statut précaire en Suisse). Le concept-clé qui a étayé cette recherche s'inspire de Pollock (7): « le processus de deuil devient très significatif, dans le sens qu 'il est apparemment une des formes les plus universelles de l'adaptation et de la croissance à travers la structuration, disponible pour l'homme. » Dès lors, nous avons fait l'hypothèse que si le deuil est une forme universelle d'adaptation, l'élaboration d'un travail de deuil ou d'un processus d'adaptation quel qu'il soit, pourra servir d'apprentissage pour l'élaboration d'autres deuils. Concrètement, en travaillant sur le rétablissement de leur identité, les femmes pourront retrouver un accès à leurs ressources personnelles et culturelles, tandis que travailler sur les espoirs et déceptions face au statut en Suisse permettra de développer des moyens permettant plus de contrôle sur l'environnement. Leur autonomie rétablie, elles pourront consacrer leurs énergies à attribuer une signification à leur vécu et faire face aux autres deuils paralysant leur guérison. Nous avons assisté aux entretiens thérapeutiques, en récoltant des témoignages sur la base d'un canevas d'entretien semi-structuré, puis nous avons transposé les éléments sur une grille d'analyse regroupant les informations en items. L'analyse de ces entretiens nous a permis de préciser notre hypothèse et de développer des pistes de réflexion pour l'accompagnement thérapeutique de personnes vivant une disparition. A l'issue de ce travail, nous pouvons tirer des parallèles entre les processus d'élaboration des divers deuils. Les femmes sont entrées peu à peu dans le souvenir de la personne aimée et non plus dans le souvenir des événements traumatiques qui ont marqué sa disparition. S'appuyant alors sur la « mémoire sereine » de Kristeva (1) une recherche de signification a pu être entreprise, rejoignant ce que Métraux et Fleuiy (43) définissent comme la santé : « ... se voir créateur du sens qu'on veut donner à sa propre existence, à ses actes et à ses projets. »

Modulation du métabolisme du glucose astrocytaire par les cytokines pro-inflammatoires et le peptide beta-amyloïde. A la recherche d'une composante gliale aux processus neurodégénératifs

Résumé large public: Une altération localisée du métabolisme du glucose, le substrat énergétique préférentiellement utilisé dans le cerveau, est un trait caractéristique précoce de la maladie d'Alzheimer (MA). Il est maintenant largement admis que le beta-amyloïde, la neuroinflammation et le stress oxydatif participent au développement de la MA. Cependant les mécanismes cellulaires de la pathogenèse restent à identifier. Le métabolisme cérébral a ceci de remarquable qu'il repose sur la coopération entre deux types cellulaires, ainsi les astrocytes et les neurones constituent une unité métabolique. Les astrocytes sont notamment responsables de fournir aux neurones des substrats énergétiques, ainsi que des précurseurs du glutathion pour la défense contre le stress oxydatif. Ces fonctions astrocytaires sont essentielles au bon fonctionnement et à la survie neuronale; par conséquent, une altération de ces fonctions astrocytaires pourrait participer au développement de certaines maladies cérébrales. Le but de ce travail est, dans un premier temps, d'explorer les effets de médiateurs de la neuroinflammation (les cytokines pro-inflammatoires) et du peptide beta-amyloïde sur le métabolisme des astrocytes corticaux, en se focalisant sur les éléments en lien avec le métabolisme énergétique et le stress oxydatif. Puis, dans un second temps, de caractériser les conséquences pour les neurones des modifications du métabolisme astrocytaire induites par ces substances. Les résultats obtenus ici montrent que les cytokines pro-inflammatoires et le beta-amyloïde induisent une profonde altération du métabolisme astrocytaire, selon deux profils distincts. Les cytokines pro-inflammatoires, particulièrement en combinaison, agissent comme « découpleurs » du métabolisme énergétique du glucose, en diminuant l'apport potentiel de substrats énergétiques aux neurones. En plus de son effet propre, le peptide beta-amyloïde potentialise les effets des cytokines pro-inflammatoires. Or, dans le cerveau de patients atteints de la MA, les astrocytes sont exposés simultanément à ces deux types de substances. Les deux types de substances ont un effet ambivalent en termes de stress oxydatif. Ils induisent à la fois une augmentation de la libération de glutathion (potentiellement protecteur pour les neurones voisins) et la production d'espèces réactives de l'oxygène (potentiellement toxiques). Etant donné l'importance de la coopération entre astrocytes et neurones, ces modulations du métabolisme astrocytaire pourraient donc avoir un retentissement majeur sur les cellules environnantes, et en particulier sur la fonction et la survie neuronale. Résumé Les astrocytes et les neurones constituent une unité métabolique. Les astrocytes sont notamment responsables de fournir aux neurones des substrats énergétiques, tels que le lactate, ainsi que des précurseurs du glutathion pour la défense contre le stress oxydatif. Une altération localisée du métabolisme du glucose, le substrat énergétique préférentiellement utilisé dans le cerveau, est un trait caractéristique, précoce, de la maladie d'Alzheimer (MA). Il est maintenant largement admis que le beta-amyloïde, la neuroinflammation et le stress oxydatif participent au développement de la MA. Cependant, les mécanismes cellulaires de la pathogenèse restent à identifier. Le but de ce travail est d'explorer les effets des cytokines pro-inflammatoires (Il-1 ß et TNFα) et du beta-amyloïde (Aß) sur le métabolisme du glucose des astrocytes corticaux en culture primaire ainsi que de caractériser les conséquences, pour la viabilité des neurones voisins, des modifications du métabolisme astrocytaire induites par ces substances. Les résultats obtenus montrent que les cytokines pro-inflammatoires et le beta-amyloïde induisent une profonde altération du métabolisme astrocytaire, selon deux profils distincts. Les cytokines pro-inflammatoires, particulièrement en combinaison, agissent comme « découpleurs » du métabolisme glycolytique astrocytaire. Après 48 heures, le traitement avec TNFα et Il-lß cause une augmentation de la capture de glucose et de son métabolisme dans la voie des pentoses phosphates et dans le cycle de Krebs. A l'inverse, il cause une diminution de la libération de lactate et des stocks cellulaires de glycogène. En combinaison avec les cytokines tel qu'in vivo dans les cerveaux de patients atteints de MA, le peptide betaamyloïde potentialise les effets décrits ci-dessus. Isolément, le Aß cause une augmentation coordonnée de la capture de glucose et de toutes les voies de son métabolisme (libération de lactate, glycogenèse, voie des pentoses phosphate et cycle de Krebs). Les traitements altèrent peu les taux de glutathion intracellulaires, par contre ils augmentent massivement la libération de glutathion dans le milieu extracellulaire. A l'inverse, les deux types de traitements augmentent la production intracellulaire d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). De plus, les cytokines pro-inflammatoires en combinaison augmentent massivement la production des ROS dans l'espace extracellulaire. Afin de caractériser l'impact de ces altérations métaboliques sur la viabilité des neurones environnants, un modèle de co-culture et des milieux conditionnés astrocytaires ont été utilisés. Les résultats montrent qu'en l'absence d'une source exogène d'antioxydants, la présence d'astrocytes favorise la viabilité neuronale ainsi que leur défense contre le stress oxydatif. Cette propriété n'est cependant pas modulée par les différents traitements. D'autre part, la présence d'astrocytes, et non de milieu conditionné, protège les neurones contre l'excitotoxicité due au glutamate. Les astrocytes prétraités (aussi bien avec le beta-amyloïde qu'avec les cytokines pro-inflammatoires) perdent cette propriété. Cet élément suggère que la perturbation du métabolisme astrocytaire causé par les cytokines pro-inflammatoires ou le beta-amyloïde pourrait participer à l'atteinte de la viabilité neuronale associée à certaines pathologies neurodégénératives.

CARDIAC AND MUSCLE CHANNELOPATHIES: ROLES AND REGULATION OF VOLTAGE-GATED SODIUM CHANNELS

Abstract :The contraction of the heart or skeletal muscles is mainly due to the propagation, through excitable cells, of an electrical influx called action potential (AP). The AP results from the sequential opening of ion channels that generate inward or outward currents through the cell membrane. Among all the channels involved, the voltage-gated sodium channel is responsible for the rising phase of the action potential. Ten genes encode the different isoforms of these channels (from Nav1.1 to Nav1.9 and an atypical channel named NavX). Nav1.4 and Nav1.5 are the main skeletal muscle and cardiac sodium channels respectively. Their importance for muscle and heart function has been highlighted by the description of mutations in their encoding genes SCN4A and SCNSA. They lead respectively to neuromuscular disorders such as myotonia or paralysis (for Nav1.4), and to cardiac arrhythmias that can deteriorate into sudden cardiac death (for Nav1.5).The general aim of my PhD work has been to study diseases linked with channels dysfunction, also called channelopathies. In that purpose, I investigated the function and the regulation of the muscle and cardiac voltage-gated sodium channels. During the two first studies, I characterized the effects of two mutations affecting Nav1.4 and Nav1.5 function. I used the HEK293 model cells to express wild-type or mutant channels and then studied their biophysical properties with the patch-clamp technique, in whole cell configuration. We found that the SCN4A mutation produced complex alterations of the muscle sodium channel function, that could explain the myotonic phenotype described in patients carrying the mutation. In the second study, the index case was an heterozygous carrier of a SCNSA mutation that leads to a "loss of function" of the channel. The decreased sodium current measured with mutated Nay 1.5 channels, at physiological temperature, was a one of the factors that could explain the observed Brugada syndrome. The last project aimed at identifying a new potential protein interacting with the cardiac sodium channel. We found that the protein SAP97 binds the three last amino-acids of the C-terminus of Na,, 1.5. Our results also indicated that silencing the expression of SAP97 in HEK293 cells decreased the sodium current. Sodium channels lacking their three last residues also produced a reduced INa. These preliminary results suggest that SAP97 is implicated in the regulation of sodium channel. Whether this effect is direct or imply the action of an adaptor protein remains to be investigated. Moreover, our group has previously shown that Nav1.5 channels are localized to lateral membranes of cardiomyocytes by the dystrophin multiprotein complex (DMC). This suggests that sodium channels are distributed in, at least, two different pools: one targeted at lateral membranes by DMC and the other at intercalated discs by another protein such as SAP97.These studies reveal that cardiac and muscle diseases may result from ion channel mutations but also from regulatory proteins affecting their regulation.Résumé :La contraction des muscles et du coeur est principalement due à la propagation, à travers les cellules excitables, d'un stimulus électrique appelé potentiel d'action (PA). C'est l'ouverture séquentielle de plusieurs canaux ioniques transmembranaires, permettant l'entrée ou la sortie d'ions dans la cellule, qui est à l'origine de ce PA. Parmi tous les canaux ioniques impliqués dans ce processus, les canaux sodiques dépendant du voltage sont responsables de la première phase du potentiel d'action. Les différentes isoformes de ces canaux (de Nav1.1 à Nav1.9 et NavX) sont codées par dix gènes distincts. Nav1.4 et Nav1.5 sont les principaux variants exprimés respectivement dans le muscle et le coeur. Plusieurs mutations ont été décrites dans les gènes qui codent pour ces deux canaux: SCN4A (pour Nav1.4) et SCNSA (pour Nav1.5). Elles sont impliquées dans des pathologies neuromusculaires telles que des paralysies ou myotonies (SCN4A) ou des arythmies cardiaques pouvant conduire à la mort subite cardiaque (SCNSA).Mon travail de thèse a consisté à étudier les maladies liées aux dysfonctionnements de ces canaux, aussi appelées canalopathies. J'ai ainsi analysé la fonction et la régulation des canaux sodiques dépendant du voltage dans le muscle squelettique et le coeur. A travers les deux premières études, j'ai ainsi pu examiner les conséquences de deux mutations affectant respectivement les canaux Nav1.4 et Nav1.5. Les canaux sauvages ou mutants ont été exprimés dans des cellules HEK293 afin de caractériser leurs propriétés biophysiques par la technique du patch clamp en configuration cellule entière. Nous avons pu déterminer que la mutation trouvée dans le gène SCN4A engendrait des modifications importantes de la fonction du canal musculaire. Ces altérations fournissent des indications nous permettant d'expliquer certains aspects de la myotonie observée chez les membres de la famille étudiée. Le patient présenté dans la deuxième étude était hétérozygote pour la mutation identifiée dans le gène SCNSA. La perte de fonction des canaux Nav1.5 ainsi engendrée, a été observée lors d'analyses à températures physiologiques. Elle représente l'un des éléments pouvant potentiellement expliquer le syndrome de Brugada du patient. La dernière étude a consisté à identifier une nouvelle protéine impliquée dans la régulation du canal sodique cardiaque. Nos expériences ont démontré que les trois derniers acides aminés de la partie C-terminale de Nav1.5 pouvaient interagir avec la protéine SAP97. Lorsque que l'expression de la SAP97 est réduite dans les cellules HEK293, cela induit une baisse importante du courant sodique. De même, les canaux tronqués de leurs trois derniers acides aminés génèrent un flux ionique réduit. Ces résultats préliminaires suggèrent que SAP97 est peut-être impliquée dans la régulation du canal Na,,1.5. Des expériences complémentaires permettront de déterminer si ces deux protéines interagissent directement ou si une protéine adaptatrice est nécessaire. De plus, nous avons préalablement montré que les canaux Nav1.5 étaient localisés au niveau de la membrane latérale des cardiomyocytes par le complexe multiprotéique de la dystrophine (DMC). Ceci suggère que les canaux sodiques peuvent être distribués dans un minimum de deux pools, l'un ciblé aux membranes latérales pax le DMC et l'autre dirigé vers les disques intercalaires par des protéines telles que SAP97.L'ensemble de ces études met en évidence que certaines maladies musculaires et cardiaques peuvent être la conséquence directe de mutations de canaux ioniques, mais que l'action de protéines auxiliaires peut aussi affecter leur fonction.

Organisations paysannes, confréries islamiques et structures étatiques dans le processus de transformation au Sénégal: deux études de village au Sine-Saloum

EHESS/CNRS, Programme de recherches interdisciplinaires sur le monde musulman périphérique