Traitement de l'information sensorielle chez la souris HeCo

L'hétérotopie sous-corticale en bandes ou double-cortex est une malformation cérébrale causée par une interruption de la migration des neurones du néocortex pendant sa formation. La souris HeCo est un modèle murin de cette affection, caractérisée par un amas de neurones corticaux dans la substance blanche sous-corticale. Les signes cliniques de cette maladie sont le plus souvent une épilepsie réfractaire, un retard développemental et mental. Chez l'homme, l'hétérotopie se trouve en partie en profondeur du cortex somatotopique moteur et sensitif et semble participer à leurs fonctions. L'IRM fonctionnelle a montré lors d'une tâche motrice (taper des doigts), l'activation en plus du cortex moteur controlatéral du cortex hétérotopique sous-jacent. La pathogenèse des malformations corticales est toujours mal comprise, c'est pourquoi il est important d'avoir plusieurs modèles animaux. Jusqu'il a peu, il n'existait que le rat TISH, découvert en 1997, dont la génétique n'est pas connue à ce jour. La souris HeCo est un nouveau modèle animal de malformation corticale dont le gène muté impliquant une protéine associée aux microtubules a été découvert récemment. Elle partage avec les cas humains un seuil épileptique abaissé et un certain retard développemental. Objectif : Déterminer si le cortex hétérotopique de la souris HeCo est activé lors d'une tâche sensitive (exploration de l'environnement à l'aide des vibrisses du museau). Méthode : Chez la souris, les vibrisses sont des organes sensitifs essentiels dans l'exploration de l'environnement. Pour déterminer si le cortex hétérotopique est actif lors d'une tâche sensitive, on utilisera donc un exercice de découverte d'une cage enrichie en stimulus. Afin de visualiser les régions du cerveau actives, on utilisera plusieurs méthodes: l'autoradiographie ([14C]2- deoxyglucose, 2-DG) et l'immunohistochimie c-Fos. Le 2-DG est un analogue du glucose qui se fixe dans les régions cérébrales métaboliquement actives, ici impliquées dans la sensibilité. Il est injecté dans le péritoine de la souris à jeun avant l'exploration. Le contrôle négatif se fera en coupant les vibrisses d'un côté avant la tâche sensitive. A la fin de la tâche, on prélève des coupes du cerveau pour mesurer l'autoradioactivité. L'immunohistochimie c-Fos est réalisée sur les cerveaux de souris ayant effectué la même tâche sensitive et détecte une protéine d'activation neuronale. Afin de détecter une activation de l'hétérotopie à plus long terme, on utilisera la cytochrome oxydase, une enzyme qui met en évidence les régions contenant beaucoup de mitochondries, donc métaboliquement très actives. Résultats : La cytochrome oxydase a marqué de façon égale le cortex homotopique de la souris HeCo et le cortex des souris contrôle. Par ailleurs, chez le mutant, elle a montré un faible marquage dans la partie médiale de l'hétérotopie et des zones de marquage plus intenses dans sa partie latérale. L'autoradiographie 2-DG a montré un pattern classique d'activation du cortex homotopique du côté stimulé, avec une intensité plus marquée dans la couche IV. Du même côté, l'hétérotopie latérale montre une intensité similaire à celui de la couche IV. Du côté non stimulé, on note une intensité faible, tant dans le cortex homotopique que dans le cortex hétérotopique. L'immunohistochimie c-Fos a montré une nette différence entre l'hémisphère stimulé et l'hémisphère non stimulé dans la couche IV comme dans l'hétérotopie. Il existe, tant du côté stimulé que du côté non stimulé, un gradient dans l'hétérotopie, le marquage latéral étant du même ordre que dans la couche IV alors qu'il est moins intense médialement. Conclusion : l'hétérotopie corticale latérale, située en particulier sous le cortex somatosensoriel, semble traiter l'information périphérique controlatérale dans le même ordre que le cortex homotopique.

Separate neuronal and glial Na+,K+-ATPase isoforms regulate glucose utilization in response to membrane depolarization and elevated extracellular potassium.

The role of cell type-specific Na+,K+-ATPase isozymes in function-related glucose metabolism was studied using differentiated rat brain cell aggregate cultures. In mixed neuron-glia cultures, glucose utilization, determined by measuring the rate of radiolabeled 2-deoxyglucose accumulation, was markedly stimulated by the voltage-dependent sodium channel agonist veratridine (0.75 micromol/L), as well as by glutamate (100 micromol/L) and the ionotropic glutamate receptor agonist N-methyl-D-aspartate (NMDA) (10 micromol/L). Significant stimulation also was elicited by elevated extracellular potassium (12 mmol/L KCl), which was even more pronounced at 30 mmol/L KCl. In neuron-enriched cultures, a similar stimulation of glucose utilization was obtained with veratridine, specific ionotropic glutamate receptor agonists, and 30 mmol/L but not 12 mmol/L KCl. The effects of veratridine, glutamate, and NMDA were blocked by specific antagonists (tetrodotoxin, CNQX, or MK801, respectively). Low concentrations of ouabain (10(-6) mol/L) prevented stimulation by the depolarizing agents but reduced only partially the response to 12 mmol/L KCl. Together with previous data showing cell type-specific expression of Na+,K+-ATPase subunit isoforms in these cultures, the current results support the view that distinct isoforms of Na+,K+-ATPase regulate glucose utilization in neurons in response to membrane depolarization, and in glial cells in response to elevated extracellular potassium.

Rôle du transporteur de glucose GLUT2 dans les mécanismes centraux de glucodétection impliqués dans le contrôle de la sécrétion du glucagon et de la prise alimentaire

Résumé Rôle du transporteur de glucose GLUT2 dans les mécanismes centraux de glucodétection impliqués dans le contrôle de la sécrétion du glucagon et de la prise alimentaire. Les mécanismes centraux de glucodétection jouent un rôle majeur dans le contrôle de l'homéostasie glucidique. Ces senseurs régulent principalement la sécrétion des hormones contre-régulatrices, la prise alimentaire et la dépense énergétique. Cependant, la nature cellulaire et le fonctionnement moléculaire de ces mécanismes ne sont encore que partiellement élucidés. Dans cette étude, nous avons tout d'abord mis en évidence une suppression de la stimulation de la sécrétion du glucagon et de la prise alimentaire en réponse à une injection intracérébroventriculaire (i.c.v.) de 2-déoxy-D-glucose (2-DG) chez les souris de fond génétique mixte et déficientes pour le gène glut2 (souris RIPG1xglut2-/-). De plus, chez ces souris, l'injection de 2-DG n'augmente pas l'activation neuronale dans l'hypothalamus et le complexe vagal dorsal. Nous avons ensuite montré que la ré-expression de GLUT2 dans les neurones des souris RIPG1xg1ut2-/- ne restaure pas la sécrétion du glucagon et la prise alimentaire en réponse à une injection i.c.v. de 2-DG. En revanche, l'injection de 2-DG réalisée chez les souris RIPG1xg1ut2-/- ré-exprimant le GLUT2 dans leurs astrocytes, stimule la sécrétion du glucagon et l'activation neuronale dans le complexe vagal dorsal mais n'augmente pas la prise alimentaire ni l'activation neuronale dans l'hypothalamus. L'ensemble de ces résultats démontre l'existence de différents mécanismes centraux de glucodétection dépendants de GLUT2. Les mécanismes régulant la sécrétion du glucagon sont dépendants de GLUT2 astrocytaire et pourraient être localisés dans le complexe vagal dorsal. L'implication des astrocytes dans ces mécanismes suggère un couplage fonctionnel entre les astrocytes et les neurones adjacents « sensibles au glucose ». Lors de cette étude, nous avons remarqué chez les souris RIPG1xg1ut2-/- de fond génétique pur C57B1/6, que seul le déclenchement de la prise alimentaire en réponse à l'injection i.p. ou i.c.v. de 2-DG est aboli. Ces données mettent en évidence que suivant le fond génétique de la souris, les mécanismes centraux de glucodétection impliqués dans la régulation de la sécrétion peuvent être indépendants de GLUT2. Summary. Role of transporter GLUT2 in central glucose sensing involved in the control of glucagon secretion and food intake. Central glucose sensors play an important role in the control of glucose homeostasis. These sensors regulate general physiological functions, including food intake, energy expenditure and hormones secretion. So far the cellular and molecular basis of central glucose detection are poorly understood. Hypoglycemia, or cellular glucoprivation by intraperitoneal injection of 2-deoxy¬glucose (2-DG) injection, elicit multiple glucoregulatory responses, in particular glucagon secretion and stimulation of feeding. We previously demonstrated that the normal glucagon response to insulin-induced hypoglycemia was suppressed in mice lacking GLUT2. This indicated the existence of extra-pancreatic, GLUT2-dependent, glucose sensors controllling glucagon secretion. Here, we have demonstrated that the normal glucagon and food intake responses to central glucoprivation, by intracerebroventricular (i.c.v.) injections of 2-DG, were suppressed in mice lacking GLUT2 (RIPG1xglut2-/- mice) indicating that GLUT2 plays a role in central glucose sensing units controlling secretion of glucagon and food intake. Whereas it is etablished that glucose responsive neurons change their firing rate in response to variations of glucose concentrations, the exact mechanism of glucose detection is not established. In particular, it has been suggested that astrocytic cells may be the primary site of glucose detection and that a signal is subsequently transmitted to neurons. To evaluate the respective role of glial and neuronal expression of GLUT2 in central glucodetection, we studied hypoglycemic and glucoprivic responses following cellular glucoprivation in RIPG1xglut2-/- mice reexpressing the transgenic GLUT2 specifially in their astrocytes (pGFAPG2xRIPG1xglut2-/- mice) or their neurons (pSynG2xRIPG1xglut2-/- mice). The increase of food intake after i.p. injection of 2-DG in control mice was not observed in the pGFAPG2xRIPG1xglut2-/- mice. Whereas a strong increase of glucagon secretion was observed in control and pGFAPG2xRIPG1xglut2-/- mice, not glucagonemic response was induced in pSynG2xRIPG1xglut2-/- mice. Our results show that GLUT2 reexpression in glial cells but not in neurons restored glucagon secretion and thus present a strong evidence that glucose detection and the control of glucagon secretion require a coupling between glial cells and neurons. Furthermore, these results show the existence of differents glucose sensors in CNS. Résumé tout public. Rôle du transporteur de glucose GLUT2 dans les mécanismes centraux de glucodétection impliqués dans le contrôle de la sécrétion du glucagon et de la prise alimentaire. Chez les mammifères, en dépit des grandes variations dans l'apport et l'utilisation du glucose, la glycémie est maintenue à une valeur relativement constante d'environ 1 g/l. Cette régulation est principalement sous le contrôle de deux hormones produites par le pancréas l'insuline et le glucagon. A la suite d'un repas, la détection de l'élévation de la glycémie par le pancréas permet la libération pancréatique de l'insuline dans le sang. Cette hormone va alors permettre le stockage dans le foie du glucose sanguin en excès et diminuer ainsi la glycémie. Sans insuline, le glucose s'accumule dans le sang. On parle alors d'hyperglycémie chronique. Cette situation est caractéristique du diabète et augmente les risques de maladies cardiovasculaires. A l'inverse, lors d'un jeûne, la détection de la diminution de la glycémie par le cerveau permet le déclenchement de la prise alimentaire et stimule la sécrétion de glucagon par le pancréas. Le glucagon va alors permettre la libération dans le sang du glucose stocké par le foie. Les effets du glucagon et de la prise de nourriture augmentent ainsi les concentrations sanguines de glucose pour empêcher une diminution trop importante de la glycémie. Une hypoglycémie sévère peut entraîner un mauvais fonctionnement du cerveau allant jusqu'à des lésions cérébrales. Contrairement aux mécanismes pancréatiques de détection du glucose, les mécanismes de glucodétection du cerveau ne sont encore que partiellement élucidés. Dans le laboratoire, nous avons observé, chez les souris transgéniques n'exprimant plus le transporteur de glucose GLUT2, une suppression de la stimulation de la sécrétion du glucagon et du déclenchement de la prise alimentaire en réponse à une hypoglycémie, induite uniquement dans le cerveau. Dans le cerveau, le GLUT2 est principalement exprimé par les astrocytes, cellules gliales connues pour soutenir, nourrir et protéger les neurones. Nous avons alors ré-exprimé spécifiquement le GLUT2 dans les astrocytes des souris transgéniques et nous avons observé que seule la stimulation de la sécrétion du glucagon en réponse à l'hypoglycémie est restaurée. Ces résultats mettent en évidence que la sécrétion du glucagon et la prise alimentaire sont contrôlées par différents mécanismes centraux de glucodétection dépendants de GLUT2.

The neurobiological basis of prefrontal cortex impairment in the phencyclidine model of schizophrenia : convergent reduction of synaptic glutamate release, energy metabolism and cognitive performance

RÉSUMÉ : Le traitement répété à la phencyclidine (PCP), un bloqueur du récepteur NMDA (NMDAR), reproduit chez les rongeurs une partie de la symptomatologie typique de la schizophrénie. Le blocage prolongé du NMDAR par la PCP mime une hypofunction du NMDAR, une des principales altérations supposées exister dans les cerveaux des patients schizophréniques. Le but de notre étude était d'examiner les conséquences neurochimiques, métaboliques et fonctionnelles du traitement répété à la phencyclidine in vivo, au niveau du cortex préfrontal (cpf), une région cérébrale qui joue un rôle dans les déficits cognitifs observés chez les patients schizophréniques. Pour répondre à cette question, les rats ou les souris ont reçu chaque jour une injection soit de PCP (5 mg/kg), soit de solution saline, pendant 7 ou 14 jours. Les animaux ont ensuite été sacrifiés au moins 24 heures après le dernier traitement. Des tranches aiguës du cpf ont été préparées rapidement, puis stimulées avec une concentration élevée de KCI, de manière à induire une libération de glutamate à partir des terminaisons synaptiques excitatrices. Les résultats montrent que les tranches du cpf des animaux traités à la PCP ont libéré une quantité de glutamate significativement inférieure par rapport à celles des animaux contrôle. Ce déficit de libération a persisté 72 heures après la fin du traitement, tandis qu'il n'était pas observé dans le cortex visuel primaire, une autre région corticale. En outre, le traitement avec des antipsychotiques, l'halopéridol ou l'olanzapine, a supprimé le déficit induit par la PCP. Le même déficit de libération a été remarqué sur des synaptosomes obtenus à partir du cpf des animaux traités à la phenryclidine. Cette observation indique que la PCP induit une modification plastique adaptative du mécanisme qui contrôle la libération du glutamate dans les terminaisons synaptiques. Nous avons découvert que cette modification implique la sous-régulation d'un NMDAR présynaptique, qui serait doué d'un rôle d'autorécepteur stimulateur de la libération du glutamate. Grâce à des tests comportementaux conduits en parallèle et réalisés pour évaluer la fonctionnalité du cpf, nous avons observé chez les souris traitées à la PCP une flexibilité comportementale réduite lors d'un test de discrimination de stimuli visuels/tactiles. Le déficit cognitif était encore présent 4 jours après la dernière administration de PCP. La technique de l'autoradiographie quantitative du [14C]2-deoxyglucose a permis d'associer ce déficit à une réduction de l'activité métabolique cérébrale pendant le déroulement du test, particulièrement au niveau du cpf. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que le blocage prolongé du NMDAR lors de l'administration répétée de PCP produit un déficit de libération du glutamate au niveau des terminaisons synaptiques excitatrices du cpf. Un tel déficit pourrait être provoqué par la sousrégulation d'un NMDAR présynaptique, qui aurait une fonction de stimulateur de libération; la transmission excitatrice du cpf s'en trouverait dans ce cas réduite. Ce résultat est en ligne avec l'activité métabolique et fonctionnelle réduite du cpf et l'observation de déficits cognitifs induits lors de l'administration de la PCP. ABSTRACT : Sub-chronic treatment with phencyclidine (PCP), an NMDA receptor (NMDAR) channel blocker, reproduces in rodents part of the symptomatology associated to schizophrenia in humans. Prolonged pharmacological blockade of NMDAR with PCP mimics NMDAR hypofunction, one of the main alterations thought to take place in the brains of schizophrenics. Our study was aimed at investigating the neurochemical, metabolic and behavioral consequences of repeated PCP administration in vivo, focusing on the functioning of the prefrontal cortex (pfc), a brain region highly relevant for the cognitive deficits observed in schizophrenic patients. Rats or mice received a daily administration of either PCP (5 mg/kg) or saline for 7 or 14 days. At least 24 hours after the last treatment the animals were sacrificed. Acute slices of the pfc were quickly prepared and challenged with high KCl to induce synaptic glutamate release. Pfc slices from PCP-treated animals released significantly less glutamate than slices from salinetreated animals. The deficit persisted 72 hours after the end of the treatment, while it was not observed in another cortical region: the primary visual cortex. Interestingly, treatment with antipsychotic drugs, either haloperidol or olanzapine, reverted the glutamate release defect induced by PCP treatment. The same release defect was observed in synaptosomes prepared from the pfc of PCP-treated animals, indicating that PCP induces a plastic adaptive change in the mechanism controlling glutamate release in the glutamatergic terminals. We discovered that such change most likely involves the down-regulation of a newly identified, pre-synaptic NMDAR with stimulatory auto-receptor function on glutamate release. In parallel sets of behavioral experiments challenging pfc function, mice sub-chronically treated with PCP displayed reduced behavioral flexibility (reversal learning) in a visual/tactile-cued discrimination task. The cognitive deficit was still evident 4 days after the last PCP administration and was associated to reduced brain metabolic activity during the performance of the behavioral task, notably in the pfc, as determined by [14C]2-deoxyglucose quantitative autoradiography. Clverall, our findings suggest that prolonged NMDAR blockade by repeated PCP administration results in a defect of glutamate release from excitatory afferents in the pfc, possibly ascribed to down-regulation of apre-synaptic stimulatory NMDAR. Deficient excitatory neurotransmission in the pfc is consistent with the reduced metabolic and functional activation of this area and the observed PCP-induced cognitive deficits.

Impaired activation of protein kinase C-zeta by insulin and phosphatidylinositol-3,4,5-(PO4)3 in cultured preadipocyte-derived adipocytes and myotubes of obese subjects.

Insulin resistance in obesity is partly due to diminished glucose transport in myocytes and adipocytes, but underlying mechanisms are uncertain. Insulin-stimulated glucose transport requires activation of phosphatidylinositol (PI) 3-kinase (3K), operating downstream of insulin receptor substrate-1. PI3K stimulates glucose transport through increases in PI-3,4,5-(PO(4))(3) (PIP(3)), which activates atypical protein kinase C (aPKC) and protein kinase B (PKB/Akt). However, previous studies suggest that activation of aPKC, but not PKB, is impaired in intact muscles and cultured myocytes of obese subjects. Presently, we examined insulin activation of glucose transport and signaling factors in cultured adipocytes derived from preadipocytes harvested during elective liposuction in lean and obese women. Relative to adipocytes of lean women, insulin-stimulated [(3)H]2-deoxyglucose uptake and activation of insulin receptor substrate-1/PI3K and aPKCs, but not PKB, were diminished in adipocytes of obese women. Additionally, the direct activation of aPKCs by PIP(3) in vitro was diminished in aPKCs isolated from adipocytes of obese women. Similar impairment in aPKC activation by PIP(3) was observed in cultured myocytes of obese glucose-intolerant subjects. These findings suggest the presence of defects in PI3K and aPKC activation that persist in cultured cells and limit insulin-stimulated glucose transport in adipocytes and myocytes of obese subjects.

Metabolic compartmentalization in the human cortex and hippocampus: evidence for a cell- and region-specific localization of lactate dehydrogenase 5 and pyruvate dehydrogenase.

BACKGROUND: For a long time now, glucose has been thought to be the main, if not the sole substrate for brain energy metabolism. Recent data nevertheless suggest that other molecules, such as monocarboxylates (lactate and pyruvate mainly) could be suitable substrates. Although monocarboxylates poorly cross the blood brain barrier (BBB), such substrates could replace glucose if produced locally.The two key enzymatiques systems required for the production of these monocarboxylates are lactate dehydrogenase (LDH; EC1.1.1.27) that catalyses the interconversion of lactate and pyruvate and the pyruvate dehydrogenase complex that irreversibly funnels pyruvate towards the mitochondrial TCA and oxydative phosphorylation. RESULTS: In this article, we show, with monoclonal antibodies applied to post-mortem human brain tissues, that the typically glycolytic isoenzyme of lactate dehydrogenase (LDH-5; also called LDHA or LDHM) is selectively present in astrocytes, and not in neurons, whereas pyruvate dehydrogenase (PDH) is mainly detected in neurons and barely in astrocytes. At the regional level, the distribution of the LDH-5 immunoreactive astrocytes is laminar and corresponds to regions of maximal 2-deoxyglucose uptake in the occipital cortex and hippocampus. In hippocampus, we observed that the distribution of the oxidative enzyme PDH was enriched in the neurons of the stratum pyramidale and stratum granulosum of CA1 through CA4, whereas the glycolytic enzyme LDH-5 was enriched in astrocytes of the stratum moleculare, the alveus and the white matter, revealing not only cellular, but also regional, selective distributions. The fact that LDH-5 immunoreactivity was high in astrocytes and occurred in regions where the highest uptake of 2-deoxyglucose was observed suggests that glucose uptake followed by lactate production may principally occur in these regions. CONCLUSION: These observations reveal a metabolic segregation, not only at the cellular but also at the regional level, that support the notion of metabolic compartmentalization between astrocytes and neurons, whereby lactate produced by astrocytes could be oxidized by neurons.

Should possible recurrence of disease contraindicate liver transplantation in patients with end-stage alveolar echinococcosis? A 20-year follow-up study.

Liver transplantation (LT) is currently contraindicated in patients with residual or metastatic alveolar echinococcosis (AE) lesions. We evaluated the long-term course of such patients who underwent LT and were subsequently treated with benzimidazoles. Clinical, imaging, serological, and therapeutic data were collected from 5 patients with residual/recurrent AE lesions who survived for more than 15 years. Since 2004, [(18) F]-2-fluoro-2-deoxyglucose (FDG)-positron emission tomography (PET) images were available, and the levels of serum antibodies (Abs) against Echinococcus multilocularis-recombinant antigens were evaluated. Median survival time after LT was 21 years. These patients were from a prospective cohort of 23 patients with AE who underwent LT: 5 of 8 patients with residual/recurrent AE and 4 of 9 patients without residual/recurrent AE were alive in September 2009. High doses of immunosuppressive drugs, the late introduction of therapy with benzimidazoles, its withdrawal due to side effects, and nonadherence to this therapy adversely affected the prognosis. Anti-Em2(plus) and anti-rEm18 Ab levels and standard FDG-PET enabled the efficacy of therapy on the growth of EA lesions to be assessed. However, meaningful variations in Ab levels were observed below diagnostic cutoff values; and in monitoring AE lesions, images of FDG uptake taken 3 hours after its injection were more sensitive than images obtained 1 hour after its injection. In conclusion, benzimidazoles can control residual/recurrent AE lesions after LT. Using anti-rEm18 or anti-Em2(plus) Ab levels and the delayed acquisition of FDG-PET images can improve the functional assessment of disease activity. The potential recurrence of disease, especially in patients with residual or metastatic AE lesions, should not be regarded as a contraindication to LT when AE is considered to be lethal in the short term.

Glucose represses connexin36 in insulin-secreting cells.

The gap-junction protein connexin36 (Cx36) contributes to control the functions of insulin-producing cells. In this study, we investigated whether the expression of Cx36 is regulated by glucose in insulin-producing cells. Glucose caused a significant reduction of Cx36 in insulin-secreting cell lines and freshly isolated pancreatic rat islets. This decrease appeared at the mRNA and the protein levels in a dose- and time-dependent manner. 2-Deoxyglucose partially reproduced the effect of glucose, whereas glucosamine, 3-O-methyl-D-glucose and leucine were ineffective. Moreover, KCl-induced depolarization of beta-cells had no effect on Cx36 expression, indicating that glucose metabolism and ATP production are not mandatory for glucose-induced Cx36 downregulation. Forskolin mimicked the repression of Cx36 by glucose. Glucose or forskolin effects on Cx36 expression were not suppressed by the L-type Ca(2+)-channel blocker nifedipine but were fully blunted by the cAMP-dependent protein kinase (PKA) inhibitor H89. A 4 kb fragment of the human Cx36 promoter was identified and sequenced. Reporter-gene activity driven by various Cx36 promoter fragments indicated that Cx36 repression requires the presence of a highly conserved cAMP responsive element (CRE). Electrophoretic-mobility-shift assays revealed that, in the presence of a high glucose concentration, the binding activity of the repressor CRE-modulator 1 (CREM-1) is enhanced. Taken together, these data provide evidence that glucose represses the expression of Cx36 through the cAMP-PKA pathway, which activates a member of the CRE binding protein family.

Formation of a spatial memory trace : a behavioral, cellular and molecular study

THESIS ABSTRACTThis thesis project was aimed at studying the molecular mechanisms underlying learning and memory formation, in particular as they relate to the metabolic coupling between astrocytes and neurons. For that, changes in the metabolic activity of different mice brain regions after 1 or 9 days of training in an eight-arm radial maze were assessed by (14C) 2-deoxyglucose (2DG) autoradiography. Significant differences in the areas engaged during the behavioral task at day 1 (when animals are confronted for the first time to the learning task) and at day 9 (when animals are highly performing) have been identified. These areas include the hippocampus, the fornix, the parietal cortex, the laterodorsal thalamic nucleus and the mammillary bodies at day 1 ; and the anterior cingulate, the retrosplenial cortex and the dorsal striatum at day 9. Two of these cerebral regions (those presenting the greatest changes at day 1 and day 9: the hippocampus and the retrosplenial cortex, respectively) were microdissected by laser capture microscopy and selected genes related to neuron-glia metabolic coupling, glucose metabolism and synaptic plasticity were analyzed by RT-PCR. 2DG and gene expression analysis were performed at three different times: 1) immediately after the end of the behavioral paradigm, 2) 45 minutes and 3) 6 hours after training. The main goal of this study was the identification of the metabolic adaptations following the learning task. Gene expression results demonstrate that the learning task profoundly modulates the pattern of gene expression in time, meaning that these two cerebral regions with high 2DG signal (hippocampus and retrosplenial cortex) have adapted their metabolic molecular machinery in consequence. Almost all studied genes show a higher expression in the hippocampus at day 1 compared to day 9, while an increased expression was found in the retrosplenial cortex at day 9. We can observe these molecular adaptations with a short delay of 45 minutes after the end of the task. However, 6 hours after training a high gene expression was found at day 9 (compared to day 1) in both regions, suggesting that only one day of training is not sufficient to detect transcriptional modifications several hours after the task. Thus, gene expression data match 2DG results indicating a transfer of information in time (from day 1 to day 9) and in space (from the hippocampus to the retrosplenial cortex), and this at a cellular and a molecular level. Moreover, learning seems to modify the neuron-glia metabolic coupling, since several genes involved in this coupling are induced. These results also suggest a role of glia in neuronal plasticity.RESUME DU TRAVAIL DE THESECe projet de thèse a eu pour but l'étude des mécanismes moléculaires qui sont impliqués dans l'apprentissage et la mémoire et, en particulier, à les mettre en rapport avec le couplage métabolique existant entre les astrocytes et les neurones. Pour cela, des changements de l'activité métabolique dans différentes régions du cerveau des souris après 1 ou 9 jours d'entraînement dans un labyrinthe radial à huit-bras ont été évalués par autoradiographie au 2-désoxyglucose (2DG). Des différences significatives dans les régions engagées pendant la tâche comportementale au jour 1 (quand les animaux sont confrontés pour la première fois à la tâche) et au jour 9 (quand les animaux ont déjà appris) ont été identifiés. Ces régions incluent, au jour 1, l'hippocampe, le fornix, le cortex pariétal, le noyau thalamic laterodorsal et les corps mamillaires; et, au jour 9, le cingulaire antérieur, le cortex retrosplenial et le striatum dorsal. Deux de ces régions cérébrales (celles présentant les plus grands changements à jour 1 et à jour 9: l'hippocampe et le cortex retrosplenial, respectivement) ont été découpées par microdissection au laser et quelques gènes liés au couplage métabolique neurone-glie, au métabolisme du glucose et à la plasticité synaptique ont été analysées par RT-PCR. L'étude 2DG et l'analyse de l'expression de gènes ont été exécutés à trois temps différents: 1) juste après entraînement, 2) 45 minutes et 3) 6 heures après la fin de la tâche. L'objectif principal de cette étude était l'identification des adaptations métaboliques suivant la tâche d'apprentissage. Les résultats de l'expression de gènes démontrent que la tâche d'apprentissage module profondément le profile d'expression des gènes dans le temps, signifiant que ces deux régions cérébrales avec un signal 2DG élevé (l'hippocampe et le cortex retrosplenial) ont adapté leurs « machines moléculaires » en conséquence. Presque tous les gènes étudiés montrent une expression plus élevée dans l'hippocampe au jour 1 comparé au jour 9, alors qu'une expression accrue a été trouvée dans le cortex retrosplenial au jour 9. Nous pouvons observer ces adaptations moléculaires avec un retard court de 45 minutes après la fin de la tâche. Cependant, 6 heures après l'entraînement, une expression de gènes élevée a été trouvée au jour 9 (comparé à jour 1) dans les deux régions, suggérant que seulement un jour d'entraînement ne suffit pas pour détecter des modifications transcriptionelles plusieurs heures après la tâche. Ainsi, les données d'expression de gènes corroborent les résultats 2DG indiquant un transfert d'information dans le temps (de jour 1 à jour 9) et dans l'espace (de l'hippocampe au cortex retrosplenial), et ceci à un niveau cellulaire et moléculaire. D'ailleurs, la tâche d'apprentissage semble modifier le couplage métabolique neurone-glie, puisque de nombreux gènes impliqués dans ce couplage sont induits. Ces observations suggèrent un rôle important de la glie dans les mécanismes de plasticité du système nerveux.

Portal glucose infusion in the mouse induces hypoglycemia: evidence that the hepatoportal glucose sensor stimulates glucose utilization.

To analyze the role of the murine hepatoportal glucose sensor in the control of whole-body glucose metabolism, we infused glucose at a rate corresponding to the endogenous glucose production rate through the portal vein of conscious mice (Po-mice) that were fasted for 6 h. Mice infused with glucose at the same rate through the femoral vein (Fe-mice) and mice infused with a saline solution (Sal-mice) were used as controls. In Po-mice, hypoglycemia progressively developed until glucose levels dropped to a nadir of 2.3 +/- 0.1 mmol/l, whereas in Fe-mice, glycemia rapidly and transiently developed, and glucose levels increased to 7.7 +/- 0.6 mmol/l before progressively returning to fasting glycemic levels. Plasma insulin levels were similar in both Po- and Fe-mice during and at the end of the infusion periods (21.2 +/- 2.2 vs. 25.7 +/- 0.9 microU/ml, respectively, at 180 min of infusion). The whole-body glucose turnover rate was significantly higher in Po-mice than in Fe-mice (45.9 +/- 3.8 vs. 37.7 +/- 2.0 mg x kg(-1) x min)-1), respectively) and in Sal-mice (24.4 +/- 1.8 mg x kg(-1) x min(-1)). Somatostatin co-infusion with glucose in Po-mice prevented hypoglycemia without modifying the plasma insulin profile. Finally, tissue glucose clearance, which was determined after injecting 14C-2-deoxyglucose, increased to a higher level in Po-mice versus Fe-mice in the heart, brown adipose tissue, and the soleus muscle. Our data show that stimulation of the hepatoportal glucose sensor induced hypoglycemia and increased glucose utilization by a combination of insulin-dependent and insulin-independent or -sensitizing mechanisms. Furthermore, activation of the glucose sensor and/or transmission of its signal to target tissues can be blocked by somatostatin.

Role of glutamate in neuron-glia metabolic coupling.

The coupling between synaptic activity and glucose utilization (neurometabolic coupling) is a central physiologic principle of brain function that has provided the basis for 2-deoxyglucose-based functional imaging with positron emission tomography. Approximately 10 y ago we provided experimental evidence that indicated a central role of glutamate signaling on astrocytes in neurometabolic coupling. The basic mechanism in neurometabolic coupling is the glutamate-stimulated aerobic glycolysis in astrocytes, such that the sodium-coupled reuptake of glutamate by astrocytes and the ensuing activation of the Na(+)-K(+) ATPase triggers glucose uptake and its glycolytic processing, which results in the release of lactate from astrocytes. Lactate can then contribute to the activity-dependent fueling of the neuronal energy demands associated with synaptic transmission. Analyses of this coupling have been extended in vivo and have defined the methods of coupling for inhibitory neurotransmission as well as its spatial extent in relation to the propagation of metabolic signals within the astrocytic syncytium. On the basis of a large body of experimental evidence, we proposed an operational model, "the astrocyte-neuron lactate shuttle." A series of results obtained by independent laboratories have provided further support for this model. This body of evidence provides a molecular and cellular basis for interpreting data that are obtained with functional brain imaging studies.

Metabolic activation pattern of distinct hippocampal subregions during spatial learning and memory retrieval.

Activation dynamics of hippocampal subregions during spatial learning and their interplay with neocortical regions is an important dimension in the understanding of hippocampal function. Using the (14C)-2-deoxyglucose autoradiographic method, we have characterized the metabolic changes occurring in hippocampal subregions in mice while learning an eight-arm radial maze task. Autoradiogram densitometry revealed a heterogeneous and evolving pattern of enhanced metabolic activity throughout the hippocampus during the training period and on recall. In the early stages of training, activity was enhanced in the CA1 area from the intermediate portion to the posterior end as well as in the CA3 area within the intermediate portion of the hippocampus. At later stages, CA1 and CA3 activations spread over the entire longitudinal axis, while dentate gyrus (DG) activation occurred from the anterior to the intermediate zone. Activation of the retrosplenial cortex but not the amygdala was also observed during the learning process. On recall, only DG activation was observed in the same anterior part of the hippocampus. These results suggest the existence of a functional segmentation of the hippocampus, each subregion being dynamically but also differentially recruited along the acquisition, consolidation, and retrieval process in parallel with some neocortical sites.

Glucose metabolism, gray matter structure, and memory decline in subjective memory impairment.

OBJECTIVE: To identify biological evidence for Alzheimer disease (AD) in individuals with subjective memory impairment (SMI) and unimpaired cognitive performance and to investigate the longitudinal cognitive course in these subjects. METHOD: [¹⁸F]fluoro-2-deoxyglucose PET (FDG-PET) and structural MRI were acquired in 31 subjects with SMI and 56 controls. Cognitive follow-up testing was performed (average follow-up time: 35 months). Differences in baseline brain imaging data and in memory decline were assessed between both groups. Associations of memory decline with brain imaging data were tested. RESULTS: The SMI group showed hypometabolism in the right precuneus and hypermetabolism in the right medial temporal lobe. Gray matter volume was reduced in the right hippocampus in the SMI group. At follow-up, subjects with SMI showed a poorer performance than controls on measures of episodic memory. Longitudinal memory decline in the SMI group was associated with reduced glucose metabolism in the right precuneus at baseline. CONCLUSION: The cross-sectional difference in 2 independent neuroimaging modalities indicates early AD pathology in SMI. The poorer memory performance at follow-up and the association of reduced longitudinal memory performance with hypometabolism in the precuneus at baseline support the concept of SMI as the earliest manifestation of AD.

Intracellular ATP Decrease Mediates NLRP3 Inflammasome Activation upon Nigericin and Crystal Stimulation.

Activation of the nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family, pyrin domain-containing 3 (NLRP3) inflammasome initiates an inflammatory response, which is associated with host defense against pathogens and the progression of chronic inflammatory diseases such as gout and atherosclerosis. The NLRP3 inflammasome mediates caspase-1 activation and subsequent IL-1β processing in response to various stimuli, including extracellular ATP, although the roles of intracellular ATP (iATP) in NLRP3 activation remain unclear. In this study, we found that in activated macrophages artificial reduction of iATP by 2-deoxyglucose, a glycolysis inhibitor, caused mitochondrial membrane depolarization, leading to IL-1β secretion via NLRP3 and caspase-1 activation. Additionally, the NLRP3 activators nigericin and monosodium urate crystals lowered iATP through K(+)- and Ca(2+)-mediated mitochondrial dysfunction, suggesting a feedback loop between iATP loss and lowering of mitochondrial membrane potential. These results demonstrate the fundamental roles of iATP in the maintenance of mitochondrial function and regulation of IL-1β secretion, and they suggest that maintenance of the intracellular ATP pools could be a strategy for countering NLRP3-mediated inflammation.

Expression of the gene encoding the high-Km glucose transporter 2 by the early postimplantation mouse embryo is essential for neural tube defects associated with diabetic embryopathy.

AIMS/HYPOTHESIS: Excess glucose transport to embryos during diabetic pregnancy causes congenital malformations. The early postimplantation embryo expresses the gene encoding the high-Km GLUT2 (also known as SLC2A2) glucose transporter. The hypothesis tested here is that high-Km glucose transport by GLUT2 causes malformations resulting from maternal hyperglycaemia during diabetic pregnancy. MATERIALS AND METHODS: Glut2 mRNA was assayed by RT-PCR. The Km of embryo glucose transport was determined by measuring 0.5-20 mmol/l 2-deoxy[3H]glucose transport. To test whether the GLUT2 transporter is required for neural tube defects resulting from maternal hyperglycaemia, Glut2+/- mice were crossed and transient hyperglycaemia was induced by glucose injection on day 7.5 of pregnancy. Embryos were recovered on day 10.5, and the incidence of neural tube defects in wild-type, Glut2+/- and Glut2-/- embryos was scored. RESULTS: Early postimplantation embryos expressed Glut2, and expression was unaffected by maternal diabetes. Moreover, glucose transport by these embryos showed Michaelis-Menten kinetics of 16.19 mmol/l, consistent with transport mediated by GLUT2. In pregnancies made hyperglycaemic on day 7.5, neural tube defects were significantly increased in wild-type embryos, but Glut2+/- embryos were partially protected from neural tube defects, and Glut2-/- embryos were completely protected from these defects. The frequency of occurrence of wild-type, Glut2+/- and Glut2-/- embryos suggests that the presence of Glut2 alleles confers a survival advantage in embryos before day 10.5. CONCLUSIONS/INTERPRETATIONS: High-Km glucose transport by the GLUT2 glucose transporter during organogenesis is responsible for the embryopathic effects of maternal diabetes.