Glutamate Transport Decreases Mitochondrial pH and Modulates Oxidative Metabolism in Astrocytes.

During synaptic activity, the clearance of neuronally released glutamate leads to an intracellular sodium concentration increase in astrocytes that is associated with significant metabolic cost. The proximity of mitochondria at glutamate uptake sites in astrocytes raises the question of the ability of mitochondria to respond to these energy demands. We used dynamic fluorescence imaging to investigate the impact of glutamatergic transmission on mitochondria in intact astrocytes. Neuronal release of glutamate induced an intracellular acidification in astrocytes, via glutamate transporters, that spread over the mitochondrial matrix. The glutamate-induced mitochondrial matrix acidification exceeded cytosolic acidification and abrogated cytosol-to-mitochondrial matrix pH gradient. By decoupling glutamate uptake from cellular acidification, we found that glutamate induced a pH-mediated decrease in mitochondrial metabolism that surpasses the Ca(2+)-mediated stimulatory effects. These findings suggest a model in which excitatory neurotransmission dynamically regulates astrocyte energy metabolism by limiting the contribution of mitochondria to the metabolic response, thereby increasing the local oxygen availability and preventing excessive mitochondrial reactive oxygen species production.

Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate clusters act as molecular beacons for vesicle recruitment.

Synaptic-vesicle exocytosis is mediated by the vesicular Ca(2+) sensor synaptotagmin-1. Synaptotagmin-1 interacts with the SNARE protein syntaxin-1A and acidic phospholipids such as phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2). However, it is unclear how these interactions contribute to triggering membrane fusion. Using PC12 cells from Rattus norvegicus and artificial supported bilayers, we show that synaptotagmin-1 interacts with the polybasic linker region of syntaxin-1A independent of Ca(2+) through PIP2. This interaction allows both Ca(2+)-binding sites of synaptotagmin-1 to bind to phosphatidylserine in the vesicle membrane upon Ca(2+) triggering. We determined the crystal structure of the C2B domain of synaptotagmin-1 bound to phosphoserine, allowing development of a high-resolution model of synaptotagmin bridging two different membranes. Our results suggest that PIP2 clusters organized by syntaxin-1 act as molecular beacons for vesicle docking, with the subsequent Ca(2+) influx bringing the vesicle membrane close enough for membrane fusion.

Gene expression mapping in neuropathic pain : molecular plasticity in nociceptors and superficial dorsal horn

RESUME : La douleur neuropathique est le résultat d'une lésion ou d'un dysfonctionnement du système nerveux. Les symptômes qui suivent la douleur neuropathique sont sévères et leur traitement inefficace. Une meilleure approche thérapeutique peut être proposée en se basant sur les mécanismes pathologiques de la douleur neuropathique. Lors d'une lésion périphérique une douleur neuropathique peut se développer et affecter le territoire des nerfs lésés mais aussi les territoires adjacents des nerfs non-lésés. Une hyperexcitabilité des neurones apparaît au niveau des ganglions spinaux (DRG) et de la corne dorsale (DH) de la moelle épinière. Le but de ce travail consiste à mettre en évidence les modifications moléculaires associées aux nocicepteurs lésés et non-lésés au niveau des DRG et des laminae I et II de la corne dorsale, là où l'information nociceptive est intégrée. Pour étudier les changements moléculaires liés à la douleur neuropathique nous utilisons le modèle animal d'épargne du nerf sural (spared nerve injury model, SNI) une semaine après la lésion. Pour la sélection du tissu d'intérêt nous avons employé la technique de la microdissection au laser, afin de sélectionner une sous-population spécifique de cellules (notamment les nocicepteurs lésés ou non-lésés) mais également de prélever le tissu correspondant dans les laminae superficielles. Ce travail est couplé à l'analyse à large spectre du transcriptome par puce ADN (microarray). Par ailleurs, nous avons étudié les courants électriques et les propriétés biophysiques des canaux sodiques (Na,,ls) dans les neurones lésés et non-lésés des DRG. Aussi bien dans le système nerveux périphérique, entre les neurones lésés et non-lésés, qu'au niveau central avec les aires recevant les projections des nocicepteurs lésés ou non-lésés, l'analyse du transcriptome montre des différences de profil d'expression. En effet, nous avons constaté des changements transcriptionnels importants dans les nocicepteurs lésés (1561 gènes, > 1.5x et pairwise comparaison > 77%) ainsi que dans les laminae correspondantes (618 gènes), alors que ces modifications transcriptionelles sont mineures au niveau des nocicepteurs non-lésés (60 gènes), mais important dans leurs laminae de projection (459 gènes). Au niveau des nocicepteurs, en utilisant la classification par groupes fonctionnels (Gene Ontology), nous avons observé que plusieurs processus biologiques sont modifiés. Ainsi des fonctions telles que la traduction des signaux cellulaires, l'organisation du cytosquelette ainsi que les mécanismes de réponse au stress sont affectés. Par contre dans les neurones non-lésés seuls les processus biologiques liés au métabolisme et au développement sont modifiés. Au niveau de la corne dorsale de la moelle, nous avons observé des modifications importantes des processus immuno-inflammatoires dans l'aire affectée par les nerfs lésés et des changements associés à l'organisation et la transmission synaptique au niveau de l'aire des nerfs non-lésés. L'analyse approfondie des canaux sodiques a démontré plusieurs changements d'expression, principalement dans les neurones lésés. Les analyses fonctionnelles n'indiquent aucune différence entre les densités de courant tétrodotoxine-sensible (TTX-S) dans les neurones lésés et non-lésés même si les niveaux d'expression des ARNm des sous-unités TTX-S sont modifiés dans les neurones lésés. L'inactivation basale dépendante du voltage des canaux tétrodotoxine-insensible (TTX-R) est déplacée vers des potentiels positifs dans les cellules lésées et non-lésées. En revanche la vitesse de récupération des courants TTX-S et TTX-R après inactivation est accélérée dans les neurones lésés. Ces changements pourraient être à l'origine de l'altération de l'activité électrique des neurones sensoriels dans le contexte des douleurs neuropathiques. En résumé, ces résultats suggèrent l'existence de mécanismes différenciés affectant les neurones lésés et les neurones adjacents non-lésés lors de la mise en place la douleur neuropathique. De plus, les changements centraux au niveau de la moelle épinière qui surviennent après lésion sont probablement intégrés différemment selon la perception de signaux des neurones périphériques lésés ou non-lésés. En conclusion, ces modulations complexes et distinctes sont probablement des acteurs essentiels impliqués dans la genèse et la persistance des douleurs neuropathiques. ABSTRACT : Neuropathic pain (NP) results from damage or dysfunction of the peripheral or central nervous system. Symptoms associated with NP are severe and difficult to treat. Targeting NP mechanisms and their translation into symptoms may offer a better therapeutic approach.Hyperexcitability of the peripheral and central nervous system occurs in the dorsal root ganglia (DRG) and the dorsal horn (DH) of the spinal cord. We aimed to identify transcriptional variations in injured and in adjacent non-injured nociceptors as well as in corresponding laminae I and II of DH receiving their inputs.We investigated changes one week after the injury induced by the spared nerve injury model of NP. We employed the laser capture microdissection (LCM) for the procurement of specific cell-types (enrichment in nociceptors of injured/non-injured neurons) and laminae in combination with transcriptional analysis by microarray. In addition, we studied functionál properties and currents of sodium channels (Nav1s) in injured and neighboring non-injured DRG neurons.Microarray analysis at the periphery between injured and non-injured DRG neurons and centrally between the area of central projections from injured and non-injured neurons show significant and differential expression patterns. We reported changes in injured nociceptors (1561 genes, > 1.5 fold, >77% pairwise comparison) and in corresponding DH laminae (618 genes), while less modifications occurred in non-injured nociceptors (60 genes) and in corresponding DH laminae (459 genes). At the periphery, we observed by Gene Ontology the involvement of multiple biological processes in injured neurons such as signal transduction, cytoskeleton organization or stress responses. On contrast, functional overrepresentations in non-injured neurons were noted only in metabolic or developmentally related mechanisms. At the level of superficial laminae of the dorsal horn, we reported changes of immune and inflammatory processes in injured-related DH and changes associated with synaptic organization and transmission in DH corresponding to non-injured neurons. Further transcriptional analysis of Nav1s indicated several changes in injured neurons. Functional analyses of Nav1s have established no difference in tetrodotoxin-sensitive (TTX-S) current densities in both injured and non-injured neurons, despite changes in TTX-S Nav1s subunit mRNA levels. The tetrodotoxin-resistant (TTX-R) voltage dependence of steady state inactivation was shifted to more positive potentials in both injured and non-injured neurons, and the rate of recovery from inactivation of TTX-S and TTX-R currents was accelerated in injured neurons. These changes may lead to alterations in neuronal electrogenesis. Taken together, these findings suggest different mechanisms occurring in the injured neurons and the adjacent non-injured ones. Moreover, central changes after injury are probably driven in a different manner if they receive inputs from injured or non-injured neurons. Together, these distinct and complex modulations may contribute to NP.

Brain-derived neurotrophic factor enhances the expression of the monocarboxylate transporter 2 through translational activation in mouse cultured cortical neurons.

MCT2 is the predominant neuronal monocarboxylate transporter allowing lactate use as an alternative energy substrate. It is suggested that MCT2 is upregulated to meet enhanced energy demands after modifications in synaptic transmission. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a promoter of synaptic plasticity, significantly increased MCT2 protein expression in cultured cortical neurons (as shown by immunocytochemistry and western blot) through a translational regulation at the synaptic level. Brain-derived neurotrophic factor can cause translational activation through different signaling pathways. Western blot analyses showed that p44/p42 mitogen-activated protein kinase (MAPK), Akt, and S6 were strongly phosphorylated on BDNF treatment. To determine by which signal transduction pathway(s) BDNF mediates its upregulation of MCT2 protein expression, the effect of specific inhibitors for p38 MAPK, phosphoinositide 3-kinase (PI3K), mammalian target of rapamycin (mTOR), mitogen-activated protein kinase (MAPK)/extracellular signal-regulated kinase (ERK) kinase (MEK), p44/p42 MAPK (ERK), and Janus kinase 2 (JAK2) was evaluated. It could be observed that the BDNF-induced increase in MCT2 protein expression was almost completely blocked by all inhibitors, except for JAK2. These data indicate that BDNF induces an increase in neuronal MCT2 protein expression by a mechanism involving a concomitant stimulation of PI3K/Akt/mTOR/S6, p38 MAPK, and p44/p42 MAPK. Moreover, our observations suggest that changes in MCT2 expression could participate in the process of synaptic plasticity induced by BDNF.

Congenital Myasthenic Syndromes with COLQ mutations: Long term follow-up

Congenital myasthenic syndromes (CMS) are clinically and genetically heterogeneous inherited disorders characterized by impaired neuromuscular transmission. Mutations in the acetylcholinesterase (AChE) collagenlike tail subunit gene (ColQ) cause recessive forms of synaptic CMS with end plate AChE deficiency. We report the time course of clinical manifestations in 15 COLQ-mutated patients followed from 1987 to 2010. All patients suffered from a muscle weakness with onset at birth or in childhood. Ocular and bulbar signs were found in 60% of the patients and delayed pupillary light response in 20% of our patients. EMG study demonstrated a decrement on repetitive nerve stimulation and repetitive compound muscle action potential in all patients. Clinical symptoms strongly fluctuated daily, weekly, monthly or even yearly. Severe relapses were characterized by a general motor weakness associated with pain which resolved spontaneously after a few months whereas the relapses with these symptoms and bulbar signs could last up to several years. Genetic analyses identified 16 different mutations including 9 novel ones. There was no genotype-phenotype correlation. Our study confirms the predominance of oculobulbar signs and the frequency of respiratory distress in COLQrelated CMS. At the end of the follow up of 23 years, interesting findings were (i) the spontaneous reversibility of severe relapses, some of them lasting for up to 5 years (ii) the good prognosis of COLQ-related CMS, since at the end of the follow-up 80% of patients were ambulant and 87% of patients had no respiratory trouble (iii) the efficacy of Ephedrine and, to a lesser extend, of 3-4 DAP. The triggering factors of relapses were esterase inhibitors, effort, puberty, pregnancy and delivery highlighting the importance of hormonal factors in CMS. In conclusion, patients diagnosed with unknown congenital myopathy should undergo an electrophysiological study of neuromuscular junction to identify ColQ-related CMS.

Intracortical connectivity of layer VI pyramidal cells in the barrel cortex of mice

ABSTRACT : The whisker-to-barrel pathway of rodents is formed by a series of somatotopic projections from the mystacial whisker follicles to the layer IV of the primary somatosensory cortex such that each follicle corresponds to a cluster of cortical neurons called barrel. Barrels are present in layer IV but form part of functional columns that comprise the entire depth of the somatosensory cortex. Interestingly, the cortex of the barrelless mouse strain (BRL) is organized such a manner that thalamocortical afferents do not remodel their projections in layer IV and barrels fail to appear. Nevertheless, functionally, a columnar organization persists, indicating that functional columns are not only provided by thalamocortical projections and layer IV cells. Since in the visual cortex of cats, layer VI cells contribute to the response properties of layer IV neurons, we wonder whether layer VI pyramidal cells could contribute to the columnar organization of the primary somatosensory cortex of mice. To address -this question, we morphologically analyzed the distribution of intracortical axon collaterals of layer VI neurons after in-vivo juxtacellular injections of biocytin in the C2 barrel column. Injected hemispheres were tangentially serial cut and intracortical collaterals of individual layer VI neurons were reconstructed at the light microscopic level. The position of axonal boutons was recorded to evaluate the distribution of presumed synaptic contacts. In normal (NOR) mice, cluster analysis shows that layer VI pyramidal cells can be classified in four statistically different clusters of neurons. Moreover, we assume that two classes are formed by cortico-cortical neurons and two classes are formed by cortico-thalamic neurons. Looking at the direction of the main axon in the white matter, we noticed that its orientation correlates perfectly with the type of neuron: cortico-cortical neurons send main axon medially whereas cortico-thalamic neurons send main axon laterally. Performing the same study in the BRL strain, we showed that the BRL mutation affects layer VI pyramidal cells tangentially and radially: the effects of the mutation are illustrated by a significant decrease of the index of colurnnarization and a significant decrease of percentage of boutons in granular and supragranular layers comparing to NOR neurons. In spite of these differences, the same four classes of layer VI neurons have been found in BRL mice. Using a tangential analysis of the boutons distribution, we showed that putative synapses are distributed mainly in the C2 barrel column. This was observed for each layer, type of neuron, cluster or strain, indicating that layer VI pyramidal cells could participate to the functional columnar organization of the barrel cortex. To determine post-synaptic partners of layer VI neurons in layer IV, we conducted an ultrastructural analysis of layer VI-to-IV contacts. We showed that synapses principally occur on spines and spiny dendritic shafts, supposed to belong to excitatory neurons. We furthermore showed that pre-synaptic elements are significantly different between en passant and terminaux contacts, which support hypothesis that terminaux boutons should show longer duration of facilitation than en passant boutons. RÉSUMÉ : Le «whisker-to-barrel pathway» des rongeurs est caractérisé par une série de projections somatotopiques depuis les follicules des moustaches ('whiskers') jusqu'à la couche IV de l'aire somatosensorielle primaire, de telle façon que chaque follicule corresponde à un groupe de neurones corticaux appelés tonneaux (`barrels'). Les tonneaux sont seulement présents en couche IV mais font partie de colonnes fonctionnelles qui s'étendent sur toute la profondeur du cortex somatosensoriel. Chez les souris mutantes barrelless (BRL), le cortex somatosensoriel est organisé de façon telle que lés afférences thalamocorticales ne remodellent pas leurs projections en couche IV et que les tonneaux n'apparaissent pas. Fonctionnellement, pourtant, une organisation en colonnes persiste, ce qui indique que les colonnes fonctionnelles ne sont pas uniquement produites par les projections thalamocorticales et par les cellules de la couche IV. Puisque les cellules de la couche VI contribuent à influencer les réponses des cellules de la couche IV dans le cortex visuel du chat, nous nous sommes demandé si ces cellules ne pourraient pas aussi contribuer à l'organisation en colonnes du cortex somatosensoriel primaire de la souris. Pour répondre à cette question, nous avons analysé de façon morphologique la distribution intracorticale des collatéraux axonaux de neurones de la couche VI. Suite à des injections juxtacellulaires de biocytine in-vivo dans la colonne C2, les hémisphères cérébraux ont été tangentiellement coupés en série et les collatéraux intracorticaux des neurones de la couche VI ont été reconstruits en microscopie optique. La position des boutons axonaux a aussi été enregistrée pour évaluer la distribution des contacts synpptiques potentiels. Chez les souris NOR, une analyse multivariée montre que les cellules pyramidales de la couche VI sont distribuées en quatre classes. Deux de ces classes sont probablement formées de neurons cortico-corticaux, alors que les deux autres sont probablement formées de neurones corticothalamiques. En observant la direction de l'axone principal dans la matière blanche, nous avons noté que son orientation est parfaitement corrélée avec le type supposé de neurone : les neurones corticocorticaux envoient leurs axones principaux médiallement, alors que les neurons cortico-thalamiques envoient leurs axones principaux latéralement. En menant la même étude chez les souris BRL, nous avons montré que la mutation affecte les cellules pyramidales de la couche VI de façon tangentielle, mais aussi radiaire : les effets de 1a mutation se traduisent par une diminution significative de l'index de « columnarization » et de la connectivité en couches granulaire et supragranulaire. Malgré ces différences, les quatre mêmes classes de neurones ont été retrouvées. En utilisant une analyse tangentielle de la distribution des boutons, nous avons montré que les synapses potentielles sont distribuées principalement dans la colonne C2. Cette observation a été faite dans chaque couche, chaque type de neurones, chaque classe de neurones et chaque souche de souris, indicant que les cellules de la couche VI participent certainement à l'organisation en colonne du cortex somatosensoriel. Pour déterminer les partenaires post-synaptiques des cellules de la couche VI en couche IV, nous avons conduit une analyse ultrastructurelle de ces contacts. Nous avons montré que les synapses interviennent principalement sur les épines et sur les dendrites supposés appartenir à des cellules excitatrices. Nous avons aussi montré que les éléments pré-synaptiques de ces synapses sont significativement differents selon le type de bouton, en passant ou terminal, ce qui supporte l'hypothèse que les boutons terminaux seraient capables d'une plus longue facilitation.

Distribution of the monocarboxylate transporter MCT2 in human cerebral cortex: an immunohistochemical study

The monocarboxylate transporter MCT2 belongs to a large family of membrane proteins involved in the transport of lactate, pyruvate and ketone bodies. Although its expression in rodent brain has been well documented, the presence of MCT2 in the human brain has been questioned on the basis of low mRNA abundance. In this study, the distribution of the monocarboxylate transporter MCT2 has been investigated in the cortex of normal adult human brain using an immunohistochemical approach. Widespread neuropil staining in all cortical layers was observed by light microscopy. Such a distribution was very similar in three different cortical areas investigated. At the cellular level, the expression of MCT2 could be observed in a large number of neurons, in fibers both in grey and white matter, as well as in some astrocytes, mostly localized in layer I and in the white matter. Double staining experiments combined with confocal microscopy confirmed the neuronal expression but also suggested a preferential postsynaptic localization of synaptic MCT2 expression. A few astrocytes in the grey matter appeared to exhibit MCT2 labelling but at low levels. Electron microscopy revealed strong MCT2 expression at asymmetric synapses in the postsynaptic density and also within the spine head but not in the presynaptic terminal. These data not only demonstrate neuronal MCT2 expression in human, but since a portion of it exhibits a distinct synaptic localization, it further supports a putative role for MCT2 in adjustment of energy supply to levels of activity.

Microautophagy of the nucleus coincides with a vacuolar diffusion barrier at nuclear-vacuolar junctions.

Nuclei bind yeast vacuoles via nucleus-vacuole (NV) junctions. Under nutrient restriction, NV junctions invaginate and release vesicles filled with nuclear material into vacuoles, resulting in piecemeal microautophagy of the nucleus (PMN). We show that the electrochemical gradient across the vacuolar membrane promotes invagination of NV junctions. Existing invaginations persist independently of the gradient, but final release of PMN vesicles requires again V-ATPase activity. We find that NV junctions form a diffusion barrier on the vacuolar membrane that excludes V-ATPase but is enriched in the VTC complex and accessible to other membrane-integral proteins. V-ATPase exclusion depends on the NV junction proteins Nvj1p,Vac8p, and the electrochemical gradient. It also depends on factors of lipid metabolism, such as the oxysterol binding protein Osh1p and the enoyl-CoA reductase Tsc13p, which are enriched in NV junctions, and on Lag1p and Fen1p. Our observations suggest that NV junctions form in two separable steps: Nvj1p and Vac8p suffice to establish contact between the two membranes. The electrochemical potential and lipid-modifying enzymes are needed to establish the vacuolar diffusion barrier, invaginate NV junctions, and form PMN vesicles.

Pathological Reorganization of NMDA Receptors Subunits and Postsynaptic Protein PSD-95 Distribution in Alzheimer's Disease.

In Alzheimer's disease (AD), synaptic alterations play a major role and are often correlated with cognitive changes. In order to better understand synaptic modifications, we compared alterations in NMDA receptors and postsynaptic protein PSD-95 expression in the entorhinal cortex (EC) and frontal cortex (FC; area 9) of AD and control brains. We combined immunohistochemical and image analysis methods to quantify on consecutive sections the distribution of PSD-95 and NMDA receptors GluN1, GluN2A and GluN2B in EC and FC from 25 AD and control cases. The density of stained receptors was analyzed using multivariate statistical methods to assess the effect of neurodegeneration. In both regions, the number of neuronal profiles immunostained for GluN1 receptors subunit and PSD-95 protein was significantly increased in AD compared to controls (3-6 fold), while the number of neuronal profiles stained for GluN2A and GluN2B receptors subunits was on the contrary decreased (3-4 fold). The increase in marked neuronal profiles was more prominent in a cortical band corresponding to layers 3 to 5 with large pyramidal cells. Neurons positive for GluN1 or PSD-95 staining were often found in the same localization on consecutive sections and they were also reactive for the anti-tau antibody AD2, indicating a neurodegenerative process. Differences in the density of immunoreactive puncta representing neuropile were not statistically significant. Altogether these data indicate that GluN1 and PSD-95 accumulate in the neuronal perikarya, but this is not the case for GluN2A and GluN2B, while the neuropile compartment is less subject to modifications. Thus, important variations in the pattern of distribution of the NMDA receptors subunits and PSD-95 represent a marker in AD and by impairing the neuronal network, contribute to functional deterioration.

Myosin Vs organize actin cables in fission yeast.

Myosin V motors are believed to contribute to cell polarization by carrying cargoes along actin tracks. In Schizosaccharomyces pombe, Myosin Vs transport secretory vesicles along actin cables, which are dynamic actin bundles assembled by the formin For3 at cell poles. How these flexible structures are able to extend longitudinally in the cell through the dense cytoplasm is unknown. Here we show that in myosin V (myo52 myo51) null cells, actin cables are curled, bundled, and fail to extend into the cell interior. They also exhibit reduced retrograde flow, suggesting that formin-mediated actin assembly is impaired. Myo52 may contribute to actin cable organization by delivering actin regulators to cell poles, as myoV defects are partially suppressed by diverting cargoes toward cell tips onto microtubules with a kinesin 7-Myo52 tail chimera. In addition, Myo52 motor activity may pull on cables to provide the tension necessary for their extension and efficient assembly, as artificially tethering actin cables to the nuclear envelope via a Myo52 motor domain restores actin cable extension and retrograde flow in myoV mutants. Together these in vivo data reveal elements of a self-organizing system in which the motors shape their own tracks by transporting cargoes and exerting physical pulling forces.

Regulation of membrane trafficking and organ separation by the NEVERSHED ARF-GAP protein.

Cell separation, or abscission, is a highly specialized process in plants that facilitates remodeling of their architecture and reproductive success. Because few genes are known to be essential for organ abscission, we conducted a screen for mutations that alter floral organ shedding in Arabidopsis. Nine recessive mutations that block shedding were found to disrupt the function of an ADP-ribosylation factor-GTPase-activating protein (ARF-GAP) we have named NEVERSHED (NEV). As predicted by its homology to the yeast Age2 ARF-GAP and transcriptional profile, NEV influences other aspects of plant development, including fruit growth. Co-localization experiments carried out with NEV-specific antiserum and a set of plant endomembrane markers revealed that NEV localizes to the trans-Golgi network and endosomes in Arabidopsis root epidermal cells. Interestingly, transmission electron micrographs of abscission zone regions from wild-type and nev flowers reveal defects in the structure of the Golgi apparatus and extensive accumulation of vesicles adjacent to the cell walls. Our results suggest that NEV ARF-GAP activity at the trans-Golgi network and distinct endosomal compartments is required for the proper trafficking of cargo molecules required for cell separation.

The interaction of human pathogenic arena viruses with the host cell

SummaryResearch projects presented in this thesis aimed to investigate two major aspects of the arenaviruses life cycle in the host cell: viral entry and the biosynthesis of the viral envelope glycoprotein.Old World arenaviruses (OWAV), such as Lassa virus (LASV) and lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV), attach to the cell by binding to their receptor, alpha-dystroglycan. Virions are then internalized by a largely unknown pathway of endocytosis and delivered to the late endosome/lysosome where fusion occurs at low pH. In the major project of my thesis, we sought to identify cellular factors involved in OWAV cell entry. Our work indicates that OWAV cell entry requires microtubular transport and a functional multivesicular body (MVB) compartment. Infection indeed depends on phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) activity and lysobisphosphatidic acid (LBPA), a lipid found in membranes of intraluminal vesicles (ILVs) of the MVB. We further found a requirement of factors that are part of the endosomal sorting complex required for transport (ESCRT), involved in the formation of ILVs. This suggests an ESCRT-mediated sorting of virus- receptor complex during the entry process.During viral replication, biosynthesis of viral glycoprotein takes place in the endoplasmic reticulum (ER) of the host cell. When protein load exceeds the folding capacity of the ER, the accumulation of unfolded proteins is sensed by three ER resident proteins, activating transcription factor 6 (ATF6), inositol-requiring enzyme 1 (IRE1) and PKR-like ER kinase (PERK), whose signaling induces the cellular unfolded protein response (UPR). Our results indicate that acute LCMV infection transiently induces the activation of the ATF6 branch of the UPR, whereas the PERK, and IRE1 axis of UPR are neither triggered nor blocked during infection. Our data also demonstrate that activation of ATF6 pathway is required for optimal viral replication during acute infection.The formation of the mature, fusion-active form of arenaviruses glycoproteins requires proteolytic cleavage mediated by the cellular protease subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-l)/site-l protease (SIP). We show that targeting the SKI-1/S1P enzymatic activity with specific inhibitors is a powerful strategy to block arenaviruses productive infection. Moreover, characterization of protease function highlights differences in processing between cellular and viral substrates, opening new possibilities in term of drug development against human pathogenic arenaviruses.RésuméLes projets de recherche présentés dans cette thèse visaient à étudier deux aspects du cycle de vie des arenavirus: l'entrée du virus dans la cellule hôte et la biosynthèse de la glycoprotéine durant la réplication virale.Les arenavirus du vieux monde (OWAV), tels que le virus de Lassa (LASV) et le virus de la chorioméningite lymphocytaire (LCMV) s'attachent à la cellule hôte en se liant à leur récepteur, l'alpha-dystroglycane. Les virions sont ensuite intemalisés par une voie d'endocytose inconnue et livrés à l'endosome tardif/lysosome, où le pH acide permet la fusion entre l'enveloppe virale et la membrane du compartiment. Le projet principal de ma thèse consistait à identifier les facteurs cellulaires impliqués dans l'entrée des OWAV dans la cellule hôte. Nos résultats indiquent que l'entrée des OWAV nécessite le transport microtubulaire et la présence d'un corps multivésiculaire (MVB) fonctionnel. L'infection dépend en effet de l'activité de phosphatidyl inositol 3-kinase (PI3K) et de lysobisphosphatidic acid (LBPA), un lipide présent dans les membranes des vésicules intraluminales (ILVs) du MVB. Nous avons également trouvé l'implication de facteurs constituant l'endosomal sorting complex required for sorting (ESCRT) qui joue un rôle dans la formation des ILVs. Ces donnés suggèrent l'incorporation du complexe virus-récepteur dans des ILVs durant le processus d'entrée.Lors de la réplication virale, la biosynthèse de la glycoprotéine virale a lieu dans le réticulum endoplasmique (ER) de la cellule hôte. Lorsque la charge de protéines nouvellement synthétisées excède la capacité de pliage des protéines dans le ER, l'accumulation de protéines mal pliées est détectée par trois facteurs: activating transcription factor 6 (ATF6), inositol-requiring enzyme 1 (IRE1) et PKR-like ER kinase (PERK). Leur signalisation constitue la réponse cellulaire face aux protéines mal pliées (UPR). Nos résultats montrent que l'infection aiguë avec LCMV induit transitoirement l'activation de la voie de signalisation ATF6 alors que les axes PERK et IRE1 de l'UPR ne sont ni induits ni bloqués pendant l'infection. Nos données prouvent également que l'activation de la voie ATF6 est nécessaire à une réplication virale optimale lors de l'infection aiguë avec LCMV.La maturation des glycoprotéines des arenavirus nécessite un clivage protéolytique par la protéase cellulaire subtilisin kexin isozyme-1 (SKI-l)/site-l protease (SIP). Nous avons démontré que le ciblage de l'activité enzymatique de SKI-1/SIΡ avec des inhibiteurs spécifiques est une stratégie prometteuse pour bloquer l'infection par les arenavirus. La caractérisation du mécanisme d'action de la protéase a, par ailleurs, révélé des différences au niveau du clivage entre les substrats cellulaires et viraux, ce qui ouvre de nouvelles perspectives en terme de développement de médicaments contre les arenavirus pathogènes pour l'homme.

Astrocyte dense-core vesicle gliosecretion is governed by rest/nrsf

Astrocytes are the brain non-nerve cells competent for the expression of clear and dense-core vesicles (DCVs) and for their regulated exocytosis. This process, called gliosecretion, nearly resembles the neurosecretion occurring in neurons and neurosecretory cells. REST/NRSF is a transcription repressor known to orchestrate nerve-cell differentiation, governing the expression of hundreds of neuron-specific genes through their repression in the non-nerve and their fine modulation in the nerve cells. Our previous studies in neurosecretory rat PC12 cells identified REST as the critical factor for the expression not only of individual genes, but also of the whole neurosecretory process via multiple, direct and indirect mechanisms (D'Alessandro et al., J. Neurochem., 2008; Klajn et al., J. Neurosci., 2009). Therefore we wondered whether gliosecretion was governed by REST. We investigated rat astrocyte primary cultures: they exhibited high REST, which directly represses the transcription of at least one target gene, and expressed neither DCVs nor their markers (granins, peptides, membrane proteins). Transfection of a dominant-negative construct of REST (REST/ DBD-GFP) induced the appearance of DCVs filled with secretogranin2 and NPY that are distinct from other intracellular organelles. TIRF analysis of astrocytes co-transfected with REST/DBD-GFP and NPY-mRFP constructs revealed NPY-mRFP-positive DCVs undergoing Ca2þ-dependent exocytosis, largely prevented by BoNT/B. Immunohistochemistry of the I-II layers of the human temporal brain cortex showed all neurons and microglia exhibiting the expected inappreciable and high levels of REST, respectively. In contrast astrocyte RESTwas variable, going from inappreciable to high, accompanied by variable expression of DCVs. In this work it has been demonstrated that astrocyte DCV expression and gliosecretion are governed by REST (Prada et al., 2011 in press). The variable in situ REST levels may contribute to the well known structural/functional heterogeneity of astrocytes and this new observation might be of great interest for the understanding of both astrocyte physiology and pathology.

Characterization of high osmolarity-induced vacuole fragmentation in "Saccharomyces c."

La majorité des organelles d'une cellule adaptent leur nombre et leur taille pendant les processus de division cellulaire, de trafic vésiculaire ou suite à des changements environnementaux par des processus de fusion et de fragmentation membranaires. Ceci est valable notamment pour le golgi, les mitochondries, les péroxisomes et les lysosomes. La vacuole est le compartiment terminal de la voie endocytaire dans la levure Saccharomyces cerevisiae\ elle correspond aux lysosomes des cellules mammifères. Suite à un choc hyperosmotique, la vacuole se fragmente en plusieurs petites vésicules. Durant ce projet, cette fragmentation a été étudiée en utilisant la technique de microscopie confocale in vivo. J'ai observé que la division de la vacuole se produit d'une façon asymétrique. La première minute après le choc osmotique, les vacuoles rétrécissent et forment des longues invaginations tubulaires. Cette phase est dépendante de la protéine Vps1, un membre de la famille des protéines apparentées à la dynamine, ainsi que d'un gradient transmembranaire de protons. Pendant les 10-15 minutes qui suivent, des vésicules se détachent dans les régions où l'on observe les invaginations pendant la phase initiale. Cette deuxième phase qui mène à la fission des nouveaux compartiments vacuolaires dépend de la production du lipide PI(3,5)P2 par la protéine Fab1. J'ai établi la suite des événements du processus de fragmentation des vacuoles et propose la possibilité d'un rôle régulateur de la protéine kinase cycline-dépendante Pho85.¦En outre, j'ai tenté d'éclaircir plus spécifiquement le rôle de Vps1 pendant la fusion et fission des vacuoles. J'ai trouvé que tous les deux processus sont dépendants de l'activité GTPase de cette protéine. De plus l'association avec la membrane vacuolaire paraît régulée par le cycle d'hydrolyse du GTP. Vps1 peut lier la membrane sans la présence d'un autre facteur protéinique, ce qui permet de conclure à une interaction directe avec des lipides de la membrane. Cette interaction est au moins partiellement effectuée par le domaine GTPase, ce qui est une nouveauté pour un membre de cette famille de protéines. Une deuxième partie de Vps1, nommée insert B, est impliquée dans la liaison à la vacuole, soit par interaction directe avec la membrane, soit par régulation du domaine GTPase. En assumant que Vps1 détienne deux régions capables de liaison aux membranes, je conclus qu'elle pourrait fonctionner comme facteur de « tethering » lors de la fusion des vacuoles.¦-¦La cellule contient plusieurs sous-unités, appelées organelles, possédant chacune une fonction spécifique. Dépendant des processus qui s'y déroulent à l'intérieur, un environnement chimique spécifique est requis. Pour maintenir ces différentes conditions, les organelles sont séparées par des membranes. Lors de la division cellulaire ou en adaptation à des changements de milieu, les organelles doivent être capables de modifier leur morphologie. Cette adaptation a souvent lieu par fusion ou division des organelles. Le même principe est valable pour la vacuole dans la levure. La vacuole est une organelle qui sert principalement au stockage des aliments et à la dégradation des différents composants cellulaires. Alors que la fusion des vacuoles est un processus déjà bien décrit, la fragmentation des vacuoles a jusqu'ici été peu étudiée. Elle peut être induit par un choc osmotique: à cause de la concentration de sel élevé dans le milieu, le cytosol de la levure perd de l'eau. Par un flux d'eau de la vacuole au cytosol, la cellule est capable d'équilibrer celui-ci. Quand la vacuole perd du volume, elle doit réadapter le rapport entre surface membranaire et volume, ce qui se fait efficacement par une fragmentation d'une grande vacuole en plusieurs petites vésicules. Comment ce processus se déroule d'un point de vue morphologique n'a pas été décrit jusqu'à présent. En analysant la fragmentation vacuolaire par microscopie, j'ai trouvé que celle-ci se déroule en deux phases. Pendant la première minute suivant le choc osmotique, les vacuoles rétrécissent et forment des longues invaginations tubulaires. Cette phase dépend de la protéine Vps1, un membre de la famille des protéines apparentées à la dynamine, ainsi que du gradient transmembranaire de protons. Ce gradient s'établit par une pompe membranaire, la V-ATPase, qui transporte des protons dans la vacuole en utilisant l'énergie libérée par hydrolyse d'ATP. Après cette phase initiale, la formation de nouvelles vésicules vacuolaires dépend de la synthèse du lipide PI(3,5)P2.¦Dans la deuxième partie de l'étude, j'ai tenté de décrire comment Vps1 lie la membrane pour effectuer un remodelage de la vacuole. Vps1 est nécessaire pour la fusion et la fragmentation des vacuoles. J'ai découvert que tous les deux processus dépendent de sa capacité d'hydrolyser du GTP. Ainsi l'association avec la membrane est couplée au cycle d'hydrolyse du GTP. Vps1 peut lier la membrane sans la présence d'une autre protéine, et interagit donc très probablement avec les lipides de la membrane. Deux parties différentes de la protéine sont impliquées dans la liaison, dont une, inattendue, le domaine GTPase.¦-¦Numerous organelles undergo membrane fission and fusion events during cell division, vesicular traffic, or in response to changes in environmental conditions. Examples include Golgi (Acharya et al., 1998) mitochondria (Bleazard et al., 1999) peroxisomes (Kuravi et al., 2006) and lysosomes (Ward et al., 1997). In the yeast Saccharomyces cerevisiae the vacuole is the terminal component of the endocytic pathway and corresponds to lysosomes in mammalian cells. Yeast vacuoles fragment into multiple small vesicles in response to a hypertonic shock. This rapid and homogeneous reaction can serve as a model to study the requirements of the fragmentation process. Here, I investigated osmotically induced fragmentation by time-lapse microscopy. I observe that the small fragmentation products originate directly from the large central vacuole by asymmetric scission rather than by consecutive equal divisions and that fragmentation occurs in two distinct phases. During the first minute, vacuoles shrink and generate deep invaginations, leaving behind tubular structures. This phase requires the dynamin-like GTPase Vps1 and the vacuolar proton gradient. In the subsequent 10-15 minutes, vesicles pinch off from the tubular structures in a polarized fashion, directly generating fragmentation products of the final size. This phase depends on the production of phosphatidylinositol- 3,5-bisphosphate by the Fab1 complex. I suggest a possible regulation of vacuole fragmentation by the CDK Pho85. Based on my microscopy study I established a sequential involvement of the different fission factors.¦In addition to the morphological description of vacuole fragmentation I more specifically aimed to shed some light on the role of Vps1 in vacuole fragmentation and fusion. I find that both functions are dependent on the GTPase activity of the protein and that also the membrane association of the dynamin-like protein is coupled to the GTPase cycle. I found that Vps1 has the capacity for direct lipid binding on the vacuole and that this lipid binding is at least partially mediated through residues in the GTPase domain, a complete novelty for a dynamin family member. A second stretch located in the region of insert Β has also membrane-binding activity or regulates the association with the vacuole through the GTPase domain. Under the assumption of two membrane-binding regions I speculate on Vps1 as a possible tethering factor for vacuole fusion.