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.

Profile of a serial killer: cellular and molecular approaches to study individual cytotoxic T-cells following therapeutic vaccination.

T-cell vaccination may prevent or treat cancer and infectious diseases, but further progress is required to increase clinical efficacy. Step-by-step improvements of T-cell vaccination in phase I/II clinical studies combined with very detailed analysis of T-cell responses at the single cell level are the strategy of choice for the identification of the most promising vaccine candidates for testing in subsequent large-scale phase III clinical trials. Major aims are to fully identify the most efficient T-cells in anticancer therapy, to characterize their TCRs, and to pinpoint the mechanisms of T-cell recruitment and function in well-defined clinical situations. Here we discuss novel strategies for the assessment of human T-cell responses, revealing in part unprecedented insight into T-cell biology and novel structural principles that govern TCR-pMHC recognition. Together, the described approaches advance our knowledge of T-cell mediated-protection from human diseases.

Cellular and molecular mechanisms underlying the effects of sleep loss on hippocampal synaptic plasticity

SUMMARY : The function of sleep for the organism is one of the most persistent and perplexing questions in biology. Current findings lead to the conclusion that sleep is primarily for the brain. In particular, a role for sleep in cognitive aspects of brain function is supported by behavioral evidence both in humans and animals. However, in spite of remarkable advancement in the understanding of the mechanisms underlying sleep generation and regulation, it has been proven difficult to determine the neurobiological mechanisms underlying the beneficial effect of sleep, and the detrimental impact of sleep loss, on learning and memory processes. In my thesis, I present results that lead to several critical steps forward in the link between sleep and cognitive function. My major result is the molecular identification and physiological analysis of a protein, the NR2A subunit of NMDA receptor (NMDAR), that confers sensitivity to sleep loss to the hippocampus, a brain structure classically involved in mnemonic processes. Specifically, I used a novel behavioral approach to achieve sleep deprivation in adult C57BL6/J mice, yet minimizing the impact of secondary factors associated with the procedure,.such as stress. By using in vitro electrophysiological analysis, I show, for the first time, that sleep loss dramatically affects bidirectional plasticity at CA3 to CA1 synapses in the hippocampus, a well established cellular model of learning and memory. 4-6 hours of sleep loss elevate the modification threshold for bidirectional synaptic plasticity (MT), thereby promoting long-term depression of CA3 to CA 1 synaptic strength after stimulation in the theta frequency range (5 Hz), and rendering long-term potentiation induction.more difficult. Remarkably, 3 hours of recovery sleep, after the deprivation, reset the MT at control values, thus re-establishing the normal proneness of synapses to undergo long-term plastic changes. At the molecular level, these functional changes are paralleled by a change in the NMDAR subunit composition. In particular, the expression of the NR2A subunit protein of NMDAR at CA3 to CA1 synapses is selectively and rapidly increased by sleep deprivation, whereas recovery sleep reset NR2A synaptic content to control levels. By using an array of genetic, pharmacological and computational approaches, I demonstrate here an obligatory role for NR2A-containing NMDARs in conveying the effect of sleep loss on CA3 to CAl MT. Moreover, I show that a genetic deletion of the NR2A subunit fully preserves hippocampal plasticity from the impact of sleep loss, whereas it does not alter sleepwake behavior and homeostatic response to sleep deprivation. As to the mechanism underlying the effects of the NR2A subunit on hippocampal synaptic plasticity, I show that the increased NR2A expression after sleep loss distinctly affects the contribution of synaptic and more slowly recruited NMDAR pools activated during plasticity-induction protocols. This study represents a major step forward in understanding the mechanistic basis underlying sleep's role for the brain. By showing that sleep and sleep loss affect neuronal plasticity by regulating the expression and function of a synaptic neurotransmitter receptor, I propose that an important aspect of sleep function could consist in maintaining and regulating protein redistribution and ion channel trafficking at central synapses. These findings provide a novel starting point for investigations into the connections between sleep and learning, and they may open novel ways for pharmacological control over hippocampal .function during periods of sleep restriction. RÉSUMÉ DU PROJET La fonction du sommeil pour l'organisme est une des questions les plus persistantes et difficiles dans la biologie. Les découvertes actuelles mènent à la conclusion que le sommeil est essentiel pour le cerveau. En particulier, le rôle du sommeil dans les aspects cognitifs est soutenu par des études comportementales tant chez les humains que chez les animaux. Cependant, malgré l'avancement remarquable dans la compréhension des mécanismes sous-tendant la génération et la régulation du sommeil, les mécanismes neurobiologiques qui pourraient expliquer l'effet favorable du sommeil sur l'apprentissage et la mémoire ne sont pas encore clairs. Dans ma thèse, je présente des résultats qui aident à clarifier le lien entre le sommeil et la fonction cognitive. Mon résultat le plus significatif est l'identification moléculaire et l'analyse physiologique d'une protéine, la sous-unité NR2A du récepteur NMDA, qui rend l'hippocampe sensible à la perte de sommeil. Dans cette étude, nous avons utilisé une nouvelle approche expérimentale qui nous a permis d'induire une privation de sommeil chez les souris C57BL6/J adultes, en minimisant l'impact de facteurs confondants comme, par exemple, le stress. En utilisant les techniques de l'électrophysiologie in vitro, j'ai démontré, pour la première fois, que la perte de sommeil est responsable d'affecter radicalement la plasticité bidirectionnelle au niveau des synapses CA3-CA1 de l'hippocampe. Cela correspond à un mécanisme cellulaire de l'apprentissage et de la mémoire bien établi. En particulier, 4-6 heures de privation de sommeil élèvent le seuil de modification pour la plasticité synaptique bidirectionnelle (SM). Comme conséquence, la dépression à long terme de la transmission synaptique est induite par la stimulation des fibres afférentes dans la bande de fréquences thêta (5 Hz), alors que la potentialisation à long terme devient plus difficile. D'autre part, 3 heures de sommeil de récupération sont suffisant pour rétablir le SM aux valeurs contrôles. Au niveau moléculaire, les changements de la plasticité synaptiques sont associés à une altération de la composition du récepteur NMDA. En particulier, l'expression synaptique de la protéine NR2A du récepteur NMDA est rapidement augmentée de manière sélective par la privation de sommeil, alors que le sommeil de récupération rétablit l'expression de la protéine au niveau contrôle. En utilisant des approches génétiques, pharmacologiques et computationnelles, j'ai démontré que les récepteurs NMDA qui expriment la sous-unité NR2A sont responsables de l'effet de la privation de sommeil sur le SM. De plus, nous avons prouvé qu'une délétion génétique de la sous-unité NR2A préserve complètement la plasticité synaptique hippocampale de l'impact de la perte de sommeil, alors que cette manipulation ne change pas les mécanismes de régulation homéostatique du sommeil. En ce qui concerne les mécanismes, j'ai .découvert que l'augmentation de l'expression de la sous-unité NR2A au niveau synaptique modifie les propriétés de la réponse du récepteur NMDA aux protocoles de stimulations utilisés pour induire la plasticité. Cette étude représente un pas en avant important dans la compréhension de la base mécaniste sous-tendant le rôle du sommeil pour le cerveau. En montrant que le sommeil et la perte de sommeil affectent la plasticité neuronale en régulant l'expression et la fonction d'un récepteur de la neurotransmission, je propose qu'un aspect important de la fonction du sommeil puisse être finalisé au règlement de la redistribution des protéines et du tracking des récepteurs aux synapses centraux. Ces découvertes fournissent un point de départ pour mieux comprendre les liens entre le sommeil et l'apprentissage, et d'ailleurs, ils peuvent ouvrir des voies pour des traitements pharmacologiques dans le .but de préserver la fonction hippocampale pendant les périodes de restriction de sommeil.

Modulation of the airway allergic response : characterization of the cellular and molecular mechanisms

ABSTRACT Allergic asthma is a major complication of atopy. Its severity correlates with the presence of activated T lymphocytes and eosinophils in the bronchoalveolar lavage fluid (BALF). Mechanisms that protect against asthma are poorly understood. Based on oral models of mucosal tolerance induction, models using the nasal route showed that uptake of important amounts of antigen can induce tolerance and reverse the allergic phenotype. 1L-10 producing regulatory T cells were proposed as key players in tolerance induction, but other players, e.g. dendritic cells (DC), B cells and epithelial cells may have to be taken into consideration. The objective of the present study is to characterize the effects of a therapeutic intranasal treatment (INT) in a murine model of asthma and to determine, in this model, the cellular and molecular mechanisms leading to protection against asthma. First, we established an asthma model by sensitizing the BALB/c mouse to ovalbumin (OVA) by two intraperitoneal injections of alum-adsorbed OVA and three inhalations of aerosolized OVA. Then OVA was applied to the nasal mucosa of OVA- sensitized mice. Mice were later re-exposed to OVA aerosols to assess the protection induced by OVA INT. OVA sensitization induced strong eosinophil recruitment, OVA-specific T cell proliferation and IgE production. Three intranasal treatments at 24-hour intervals with 1.5 mg OVA drastically reduced inflammatory cell recruitment into the BALF and inhibited OVA-specific IgE production upon allergen re-exposure. T cell proliferation in ex vivo bronchial lymph node (BLN) cells was inhibited, as well as TH2 cytokine production. Protection against OVA-induced bronchial inflammation was effective for an extended period of time and treated mice resisted a second re-exposure. Transfer of CD4+ cells from BLN and lungs of OVA-treated mice protected asthmatic recipient mice from subsequent aerosol challenge indicating an involvement of CD4+ T regulatory cells in this protection. RESUME L'asthme allergique est une manifestation clinique majeure de l'atopie. La sévérité de l'asthme est liée à la présence de lymphocytes T activés ainsi que d'éosinophiles dans le lavage broncho-alvéolaire (LBA). Les mécanismes permettant de se prémunir contre l'asthme sont mal connus. Basés sur des modèles muqueux d'induction de tolérance par la voie orale, des modèles utilisant la voie nasale ont montré que d'importantes quantités d'antigène peuvent induire une tolérance et ainsi reverser le phénotype allergique. Des cellules régulatrices produisant de l'IL-10 pourraient jouer un rôle clé dans l'induction de la tolérance mais d'autres acteurs tels que les cellules dendritiques, les cellules B et les cellules épithéliales doivent aussi être prises en compte. L'objectif de la présente étude est de caractériser les effets d'un traitement intranasal thérapeutique dans un modèle murin d'asthme et de déterminer dans ce modèle les mécanismes cellulaires et moléculaires conférant une protection contre l'asthme. En premier lieu, un modèle d'asthme allergique a été établi en sensibilisant des souris BALB/c à l'ovalbumine (OVA) par deux injections intraperitonéales d'OVA adsorbé sur de l'alum et trois séances d'OVA en aérosol. Dans un second temps, de l'OVA a été administrée sur la muqueuse nasale des souris sensibilisées à l'OVA. Les souris furent ensuite challengées par des aérosols d'OVA afin d'évaluer la protection conférée par le traitement intranasal à l'OVA. La sensibilisation à l'OVA a induit un fort recrutement d'éosinophiles, une réponse proliférative des cellules T à l'OVA ainsi qu'une production d'lgE spécifiques. Trois traitements intranasaux à 24 heures d'intervalle avec 1.5 mg d'OVA ont permis de réduire drastiquement le recrutement des cellules inflammatoires dans le LBA ainsi que d'inhiber la production d'lgE spécifiques à l'OVA produits lors d'une ré-exposition à l'OVA. La prolifération en réponse à l'OVA de cellules extraites ex vivo de ganglions bronchiques a, elle aussi, été inhibée de même que la production de cytokines TH2. La protection contre l'inflammation provoquée par l'aérosol est efficace pour une longue période et les souris traitées résistent à une seconde ré- exposition. Le transfert de cellules CD4+ issues de ganglions bronchiques et de poumons de souris traitées à l'OVA protège les souris asthmatiques receveuses contre les effets inflammatoires d'un aérosol, indiquant que des cellules T CD4+ régulatrices pourraient être impliquées dans cette protection. RESUME DESTINE A UN LARGE PUBLIC L'asthme est une affection des voies respiratoires qui se caractérise par une contraction de la musculature des voies aériennes, une production de mucus et d'anticorps de l'allergie (IgE). On parle d'asthme allergique lorsque les facteurs déclenchant l'asthme sont des allergènes inhalés tels que acariens, pollens ou poils d'animaux. Le système immunitaire des patients asthmatiques a un défaut de programmation qui le rend réactif à des substances qui sont normalement inoffensives. Le traitement actuel de l'asthme repose sur le soulagement des symptômes grâce à des produits à base de stéroïdes. Les techniques permettant de reprogrammer le système immunitaire (immunothérapie) ne sont pas efficaces pour tous les antigènes et prennent beaucoup de temps. En conséquence, il est nécessaire de mieux comprendre les mécanismes sous-tendant une telle reprogrammation afin d'en améliorer le rendement et l'efficacité. Dans ce but, des modèles d'immunothérapie ont été mis au point chez la souris. Ils permettent une plus grande liberté d'investigation. Dans cette étude, un modèle d'asthme allergique dans la souris a été établi par une sensibilisation à un antigène particulier : l'ovalbumine (OVA). Ce modèle présente les caractéristiques principales de l'asthme humain : recrutement de cellules inflammatoires dans les poumons, augmentation de la production d'anticorps et de la résistance des bronches aux flux respiratoires. Cette souris asthmatique a ensuite été traitée par application nasale d'OVA. Comparées aux souris non traitées, les souris traitées à l'OVA ont moins de cellules inflammatoires dans leurs poumons et produisent moins d'anticorps IgE. D'autres marqueurs inflammatoires sont aussi fortement diminués. Des cellules de poumons ou de ganglions bronchiques prélevées sur des souris traitées injectées dans des souris asthmatiques améliorent les symptômes de l'asthme. Ces cellules pourraient donc avoir un rôle régulateur dans l'asthme. Les caractériser et les étudier afin d'être capable de les générer est crucial pour les futures thérapies de l'asthme.

CELLULAR AND MOLECULAR STUDY OF SUBCORTICAL BAND HETEROTOPIA IN THE MOUSE MUTANT HECO

The HeCo mouse model is characterized by a subcortical heterotopia formed by misplaced neurons normally migrating into the superficial cortical layers. The mutant mouse has a tendency to epileptic seizures. In my thesis project we discovered the mutated Eml1 gene, a member of the echinoderm microtubule-associated protein (EMAP) family, in HeCo as well as in a family of three children showing complex malformation of cortical development. This discovery formed an important step in exploring the pathogenic mechanisms underlying the HeCo phenotype. In vitro results showed that during cell division the EML1 protein is associated with the midbody and a mutated version of Eml1 highlighted an important role of the protein in the astral MT array during cell cycle. In vivo, we found that already at an early age of cortical development (E13), ectopic progenitors such as RGs (PAX6) and IPCs (TBR2) accumulate in the IZ along the entire neocortex. We demonstrated that in the VZ of the HeCo mouse, spindle orientation and cell cycle exit are perturbed. In later stages (E17), RG fibers are strongly disorganized with deep layer (TBR1) and upper layer (CUX1) neurons trapped within an ectopic mass. At P3, columns of upper layer neurons were present between the heterotopia and the developing cortex; these columns were also present at P7 but at lesser extent. Time lapse video recording (E15.5) revealed that the parameters characterizing the migration of individual neurons are not disturbed in HeCo; however, this analysis showed that the density of migrating neuron was smaller in HeCo. In conclusion, truncated EML1 is likely to play a prominent role during cell cycle but also acts on the cytoskeletal architecture altering the shape of RG fibers thus influencing the pattern of neuronal migration. The signal transduction between external cues and intracellular effector pathways through MTs may be secondary but sustains the heterotopia development and further studies are needed to clarify the impact of EML1 in progenitors versus post-mitotic cells.

Characterization of cocoa butter and cocoa butter equivalents by bulk and molecular carbon isotope analyses: Implications for vegetable fat quantification in chocolate

The fatty acids from cocoa butters of different origins, varieties, and suppliers and a number of cocoa butter equivalents (Illexao 30-61, Illexao 30-71, Illexao 30-96, Choclin, Coberine, Chocosine-Illipe, Chocosine-Shea, Shokao, Akomax, Akonord, and Ertina) were investigated by bulk stable carbon isotope analysis and compound specific isotope analysis. The interpretation is based on principal component analysis combining the fatty acid concentrations and the bulk and molecular isotopic data. The scatterplot of the two first principal components allowed detection of the addition of vegetable fats to cocoa butters. Enrichment in heavy carbon isotope (C-13) of the bulk cocoa butter and of the individual fatty acids is related to mixing with other vegetable fats and possibly to thermally or oxidatively induced degradation during processing (e.g., drying and roasting of the cocoa beans or deodorization of the pressed fat) or storage. The feasibility of the analytical approach for authenticity assessment is discussed.

Authentication of vegetable oils by bulk and molecular carbon isotope analyses with emphasis on olive oil and pumpkin seed oil

The authenticity of vegetable oils consumed in Slovenia and Croatia was investigated by carbon isotope analysis of the individual fatty acids by the use of gas chromatography-combustion-isotope ratio mass spectrometry (GC/C/IRMS), and through carbon isotope analysis of the bulk oil. The fatty acids from samples of olive, pumpkin, sunflower, maize, rape, soybean, and sesame oils were separated by alkaline hydrolysis and derivatized to methyl esters for chemical characterization by capillary gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) prior to isotopic analysis. Enrichment in heavy carbon isotope (C-13) of th, bulk oil and of the individual fatty acids are related to (1) a thermally induced degradation during processing (deodorization, steam washing, or bleaching), (2) hydrolytic rancidity (lipolysis) and oxidative rancidity of the vegetable oils during storage, and (3) the potential blend with refined oil or other vegetable oils. The impurity or admixture of different oils may be assessed from the delta C-13(16:0) VS. delta C-13(18:1) covariations. The fatty acid compositions of Slovenian and Croatian olive oils are compared with those from the most important Mediterranean producer countries (Spain, Italy, Greece, and France).

Evaluation of molecular, cellular and behavioral consequences of serotonin 1A receptor deletion

In 1998, three different research groups simultaneously reported increased anxiety-related behavior in tests of conflict in their serotonin 1a (5-HT1a) receptor knockout (KO) line with male mice being more severely affected by 5-HT1a receptor deletion than female KO. Similarly, in the hippocampus, we observed increased dendritic complexity in the stratum radiatum of CA1 pyramidal neurons in male but not in female 5-HT1a receptor KO mice. These observations prompted us to investigate gender- dependent differences of 5-HT1a receptor deletion in hippocampal-related behavioral tasks. Testing our mice in anxiety-related paradigms, we reproduced the original studies showing increased anxiety- related behavior in male 5-HT1a receptor KO mice when compared to male WT mice, but no difference between female 5-HT1a receptor KO and WT mice. Similarly, male 5-HT1a receptor KO mice were impaired in association of aversive stimuli fear conditioning paradigms. We argue that increased dendritic complexity and increased synaptic strength of CA3-CA1 synapses in the stratum radiatum impaired proper signal propagation attributed to overactivation of CA1 pyramidal neurons leading to impaired fear memory of male 5-HT1a receptor KO mice. Similar mechanisms in the ventral hippocampus are likely to have contributed to gender-dependent differences in anxiety-related behavior in our and the original studies from 1998. In this study, we started to shed light on the 5-HT1a receptor downstream signaling pathways involved in dendritogenesis of pyramidal neurons during early postnatal development. We could show that NR2B-containing NMDA receptor during development acts downstream of 5-HT1a receptor and is responsible for increased amount of branching in male 5-HT1a receptor KO mice. Conversely, protein and NR2B mRNA expression was increased in 5-HT1a receptor KO mice at P15. Although the exact signaling cascade of 5-HT1a receptor regulating NR2B-containing NMDA receptor has not been determined, CaMKII is a potential downstream effector to influence transportation and removal of NR2B-containing NMDA receptors to and from the synapse. In contrast, Erk1/2 likely acts downstream of NR2B-containing NMDA receptors and was shown to be sufficient to regulate dendritic branching. Moreover, increased NR2B-containing NMDA receptor mediated cell death via excitotoxicity during development and is likely to be involved in reduced survival of adult born neurons in the hippocampus of 5-HT1a receptor KO male. The convergence of 5-HT1a receptor signaling onto NR2B-containing NMDA receptor signaling enables estrogen to interfere with its downstream pathway via G-protein coupled estrogen receptor 1 activation resulting in normalization of branching and behavior in female 5-HT1a receptor mice. In conclusion, our data strongly suggests a hormone- regulated mechanism that by converging on NR2B-containing NMDA receptor signaling is able to normalize morphology of pyramidal neurons and behavior of female 5-HT1a receptor KO mice. Our findings provide a possible explanation for gender-dependent differences in the occurrence of mental disorders with 5-HT1a receptor abnormalities as a strong predisposing factor. -- En 1998, trois équipes de recherche ont décrit un comportement de type anxieux dans des tests de conflit pour leur souris transgéniques avec une délétion du gène pour le récepteur 5-HT1a de la sérotonine. De plus, les trois groupes rapportent un phénotype plus sévère pour le comportement anxieux chez les souris transgéniques mâles que femelles. Dans l'hippocampe, la région avec la densité de récepteur 5-HT1a la plus élevée dans le télencéphale, nous avons observé dans le stratum radiatum une complexité accrue des arborisations dendritiques des neurones pyramidaux du secteur CA1 chez les souris transgénique mâles mais pas chez les femelles. Cette observation nous a encouragés à initier cette étude sur les différences en fonction du genre utilisant les tests comportementaux en rapport avec les fonctions de l'hippocampe chez les souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a.Testant nos souris avec des paradigmes associés à l'anxiété, nous avons reproduit les données originales montrant que les souris transgéniques mâles ont un phénotype plus sévère que les souris mâles sauvages, mais qu'aucune différence n'est observée entre les femelles sauvages et transgéniques. De même, les souris mâles déficientes pour le récepteur 5-HT1a sont handicapées dans les tests de conditionnement au stress avec des stimuli aversifs. Nous faisons l'hypothèse que l'augmentation de la complexité de l'arborisation dendritique et l'augmentation de la force du signal synaptique entres les régions CA3 et CA1 de l'hippocampe dans le stratum radiatum perturbe la propagation du signal nerveux qui conduit à l'hyperactivation des neurones du secteur CA1. Ceci conduit à une mémoire de stress altérée chez les souris mâles déficientes pour le récepteur 5-HT1a. Un mécanisme similaire dans l'hippocampe ventral contribue probablement aux différences en fonction du genre dans les tests pour le comportement de type anxieux qui ont été rapportés dans les études originales de 1998. Les mesures de protéine et de mRNA ont mis en évidence une augmentation de l'expression du récepteur NMDA contenant la sous- unité NR2B dans les souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a à P15. Dans les cultures organotypiques d'hippocampe, nous avons commencé à disséquer les messagers secondaires à l'activation du récepteur 5-HT1a qui sont impliqués dans la régulation de la croissance dendritique des neurones pyramidaux pendant la période postnatale précoce. Nous avons démontré que les récepteurs NR2B sont en aval de l'activation du récepteur 5-HT1a et qu'ils sont impliqués dans l'accroissement du nombre de dendrites chez la souris mâle déficiente pour le récepteur 5-HT1a. Bien que la cascade de signalisation du récepteur 5-HT1a pour réguler les récepteurs NMDA contenant le NR2B ne soit pas établie, CaMKII est identifié comme un effecteur potentiel pour altérer le transport du récepteur NMDA à la synapse. D'autre part, Erk1/2 est probablement un messager en aval du NR2B du récepteur NMDA, et a été documenté comme suffisant pour réguler l'arborisation dendritique. L'augmentation de NR2B à la synapse des souris déficientes pour le récepteur 5-HT1a peut conduire à une augmentation de l'excitotoxicité dans les cellules. Nous avons observé une augmentation chez la souris déficiente pour le récepteur 5-HT1a de la mort cellulaire dans des tranches d'hippocampe stimulées, ce qui peut être en relation avec la réduction de la survie des neurones générés dans l'hippocampe de la souris mâle transgénique adulte par rapport à la souris mâle sauvage. De plus, la convergence de la signalisation du récepteur 5-HT1a sur la signalisation de la sous-unité NR2B du récepteur NMDA permet à l'oestrogène d'interférer avec sa voie de signalisation du récepteur de l'oestrogène couplé à une protéine G (GPER-1), ceci permettant à l'oestrogène de réduire la taille de l'arborisation des neurones pyramidaux de CA1 chez la femelle de la souris déficiente pour le récepteur 5-HT1a. En conclusion, nos observations suggèrent fortement qu'un mécanisme hormonal convergeant sur la voie de signalisation de la sous-unité NR2B du récepteur NMDA permet la normalisation de l'exubérance des dendrites des neurones CA1 de l'hippocampe et du comportement des souris femelles déficientes pour le récepteur 5-HT1a. Ceci donne une explication possible pour la différence en fonction du genre dans l'apparition de troubles mentaux avec les variations du récepteur 5-HT1a comme facteur de prédisposition important.

Phenotypic and molecular characterization of proliferating and differentiated GnRH-expressing GnV-3 cells.

GnRH neurons provide the primary driving force upon the neuroendocrine reproductive axis. Here we used GnV-3 cells, a model of conditionally immortalized GnRH-expressing neurons, to perform an analysis of cell cycle and compare the gene expression profile of proliferating cells with differentiated cells. In the proliferation medium, 45 ± 1.5% of GnV-3 cells are in S-phase by FACS analysis. In the differentiation medium, only 9 ± 0.9% of them are in S-phase, and they acquire the characteristic bipolar shape displayed by preoptic GnRH neurons in vivo. In addition, GnV-3 cells in the differentiated state exhibit electrophysiological properties characteristic of neurons. Transcriptomic analysis identified up-regulation of 1931 genes and down-regulation of 1270 genes in cells grown in the differentiation medium compared to cells in the proliferation medium. Subsequent gene ontology study indicated that genes over-expressed in proliferating GnV-3 cells were mainly involved in cell cycle regulations, whereas genes over-expressed in differentiated cells were mainly involved in processes of differentiation, neurogenesis and neuronal morphogenesis. Taken together, these data demonstrate the occurrence of morphological and physiological changes in GnV-3 cells between the proliferating and the differentiated state. Moreover, the genes differentially regulated between these two different states are providing novel pathways potentially important for a better understanding of the physiology of mature GnRH neurons.

Genome-wide linkage and association analyses to identify genes influencing adiponectin levels: the GEMS Study.

Adiponectin has a variety of metabolic effects on obesity, insulin sensitivity, and atherosclerosis. To identify genes influencing variation in plasma adiponectin levels, we performed genome-wide linkage and association scans of adiponectin in two cohorts of subjects recruited in the Genetic Epidemiology of Metabolic Syndrome Study. The genome-wide linkage scan was conducted in families of Turkish and southern European (TSE, n = 789) and Northern and Western European (NWE, N = 2,280) origin. A whole genome association (WGA) analysis (500K Affymetrix platform) was carried out in a set of unrelated NWE subjects consisting of approximately 1,000 subjects with dyslipidemia and 1,000 overweight subjects with normal lipids. Peak evidence for linkage occurred at chromosome 8p23 in NWE subjects (lod = 3.10) and at chromosome 3q28 near ADIPOQ, the adiponectin structural gene, in TSE subjects (lod = 1.70). In the WGA analysis, the single-nucleotide polymorphisms (SNPs) most strongly associated with adiponectin were rs3774261 and rs6773957 (P < 10(-7)). These two SNPs were in high linkage disequilibrium (r(2) = 0.98) and located within ADIPOQ. Interestingly, our fourth strongest region of association (P < 2 x 10(-5)) was to an SNP within CDH13, whose protein product is a newly identified receptor for high-molecular-weight species of adiponectin. Through WGA analysis, we confirmed previous studies showing SNPs within ADIPOQ to be strongly associated with variation in adiponectin levels and further observed these to have the strongest effects on adiponectin levels throughout the genome. We additionally identified a second gene (CDH13) possibly influencing variation in adiponectin levels. The impact of these SNPs on health and disease has yet to be determined.

Combined simulation and mutagenesis analyses reveal the involvement of key residues for peroxisome proliferator-activated receptor alpha helix 12 dynamic behavior.

The dynamic properties of helix 12 in the ligand binding domain of nuclear receptors are a major determinant of AF-2 domain activity. We investigated the molecular and structural basis of helix 12 mobility, as well as the involvement of individual residues with regard to peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha) constitutive and ligand-dependent transcriptional activity. Functional assays of the activity of PPARalpha helix 12 mutants were combined with free energy molecular dynamics simulations. The agreement between the results from these approaches allows us to make robust claims concerning the mechanisms that govern helix 12 functions. Our data support a model in which PPARalpha helix 12 transiently adopts a relatively stable active conformation even in the absence of a ligand. This conformation provides the interface for the recruitment of a coactivator and results in constitutive activity. The receptor agonists stabilize this conformation and increase PPARalpha transcription activation potential. Finally, we disclose important functions of residues in PPARalpha AF-2, which determine the positioning of helix 12 in the active conformation in the absence of a ligand. Substitution of these residues suppresses PPARalpha constitutive activity, without changing PPARalpha ligand-dependent activation potential.

Identification, using a siRNA screen approach, and molecular characterization of a new Fas pathway modulator: STK11/

Abstract : Apoptosis is an evolutionarily conserved cellular suicide mechanism that can be triggered by activation of various pathways, such as the Fas-Pathway. Upon stimulation by its specific ligand (FasL), present at the surface of Cytotoxic Τ lymphocytes, the death receptor Fas initiates a signaling cascade culminating in the activation of cellular caspases, leading thus to cell death of the target cell (e.g. transformed cell). Dysregulation of apoptosis in general, and of Fas pathway in particular, was shown to contribute to pathogenesis of cancers and many human diseases. Even though, during the last decades the molecular mechanisms of apoptosis have been widely studied, it is important to better understand the mechanisms leading to apoptosis, to improve our understanding of pathological processes, and generate more subtle apoptosis-modulating therapies to fight cancer and other diseases. In order to identify new components of the Fas signaling pathway, a screen based on the mechanism of RNA interference was undertaken. After a first and a second manual whole-kinome screen, we identified several strong positive hits that showed a protection against Fas ligand-induced apoptosis with distinct siRNAs, notably STK11, an interesting tumor suppressor mutated in several sporadic and inherited cancers. The STK11 functional characterization reveals that this kinase represents an apically acting general pro-apoptotic modulator of the extrinsic pathway (FasL, TRAIL, TNF-induced apoptosis), but not of the intrinsic apoptotic pathway. The STK11 action on the Fas pathway was shown to be dependent on its kinase activity, but independent of AMPK, a well-characterized STK11 downstream substrate. Furthermore, STK11 was shown to interact with caspase-8, a major mediator of the extrinsic pathway, and modulate its activity through an unclear mechanism that may involve an STK11-dependant caspase-8 phosphorylation. This modification may allow a proper caspase-8 polyubiquitination and activation in p62 sequestosmes aggregates, but may also increase the activation of caspase-8 at the DISC level. In addition, we observed that STK11 modulate not only the apoptotic pathway induced by Fas engagement, but also FasL-induced JNK and NF- KB, sustaining an upstream role of this kinase in the pathway. In conclusion, our report reveals that STK11 is an important pro-apoptotic modulator of the Fas pathway in particular, and extrinsic pathway in general. Our finding could explain, at least partially, why inactivating mutations of the kinase leads to cancer, by allowing resistance to apoptosis and accordingly evasion of immune surveillance. Résumé : L'apoptose est un mécanisme de suicide cellulaire, conservé dans diverses espèces, et qui au niveau moléculaire est déclenché par différentes voies de signalisation, comme par exemple lors de l'activation du récepteur Fas. La liaison du ligand FasL au récepteur de la mort Fas, induit une cascade de signalisation qui conduit à l'activation des caspases. Les lymphocytes Τ cytotoxiques peuvent utiliser la voie Fas pour induire la mort et se débarrasser de cellules dangereuses pour le reste de l'organisme, tel que les cellules transformées. La dysrégulation de l'apoptose en général, et de la voie Fas en particulier, peut contribuer à diverses maladies telles que le cancer. Même si ces dernières décennies, les mécanismes moléculaires conduisant à l'apoptose ont été extensivement étudiés, il reste néanmoins important de mieux comprendre le phénomène d'apoptose, pour améliorer notre compréhension des processus pathologiques, mais surtout dans le but de développer de nouvelles thérapies ciblant l'apoptose contre le cancer et d'autres pathologies. Pour identifier de nouveau constituants de la voie Fas, un criblage génétique basé sur l'interférence à l'ARN a été entrepris. Après un premier et un deuxième criblage d'une librairie du kinome, nous avons identifié différentes protéines qui pourraient jouer un rôle positif dans la voie Fas, et en particulier la protéine suppresseur de tumeur STK11, qui est fréquemment mutée dans divers cancers sporadiques et héréditaires. La caractérisation fonctionnelle de STK11 a révélé que cette kinase était un modulateur apical de la voie extrinsèque de l'apoptose en général (Fas, TNF, TRAIL), mais pas de la voie intrinsèque. L'action de STK11 sur la voie Fas est dépendante de sa fonction kinase, mais indépendante de l'AMPK, un substrat bien caractérisé de STK11. De plus, STK11 interagît avec la caspase-8, un constituant majeur de la voie Fas, et module son activité, par un mécanisme encore peu clair qui pourrait impliquer une phosphorylation de la caspase-8 par STK11. Cette modification pourrait permettre une activation optimale de la caspase-8 en jouant un rôle dans le processus de polyubiquitination de la caspase-8, phénomène qui semble être important pour l'activation de la caspase-8 dans des agrégats protéiques avec p62, mais qui pourrait aussi augmenter son activation au niveau du DISC. Finalement, nous avons observé que STK11 modulait non seulement la voie apoptotique déclenchée par l'activation de Fas, mais aussi les voies non-apoptotiques de Fas, comme JNK et NF-KB. En conclusion notre étude, révèle que STK11 est un important modulateur pro- apoptotique de la voie Fas, et de la voie extrinsèque en général. Cette découverte pourrait expliquer, du moins partiellement, pourquoi les mutations inactivatrices de STK11 conduisent au cancer, par une augmentation de la résistance à l'apoptose et donc par l'évasion de la surveillance immunitaire.

Clinicopathologic and molecular analysis of a choroidal pigmented schwannoma in the context of a PTEN hamartoma tumor syndrome.

PURPOSE: To report the first case of choroidal schwannoma in a patient affected by PTEN hamartoma tumor syndrome (PHTS) and investigate the molecular involvement of the phosphatase and tensin homolog (PTEN) and neurofibromin 2 (NF2) genes in this rare intraocular tumor. DESIGN: Observational case report. PARTICIPANT: A 10-year-old girl diagnosed with PHTS. METHODS: The enucleated specimen underwent histologic, immunohistochemical, and transmission electronic microscopy. The expression of PTEN and NF2 and their protein products were evaluated by reverse transcription-polymerase chain reaction and immunohistochemistry. Somatic mutations of PTEN and NF2, as well as allelic loss, were investigated by direct sequencing of DNA extracted from the tumor. PTEN epigenetic silencing was investigated by pyrosequencing. MAIN OUTCOME MEASURES: Histopathologic and molecular characterization of a choroidal pigmented schwannoma. RESULTS: Histopathologic, immunohistochemical, and electron microscopic analysis demonstrated features consistent with a pigmented cellular schwannoma of the choroid. We found no loss of heterozygosity at the genomic level for the PTEN germline mutation and no promoter hypermethylation or other somatic intragenic mutations. However, we observed an approximate 40% reduction of PTEN expression at both the mRNA and the protein level, indicating that the tumor was nonetheless functionally deficient for PTEN. Although DNA sequencing of NF2 failed to identify any pathologic variants, its expression was abolished within the tumor. CONCLUSIONS: We report the first description of a pigmented choroidal schwannoma in the context of a PHTS. This rare tumor showed a unique combination of reduction of PTEN and absence of NF2 expression.

Interaction of alpha-melanotropin with central dopamine systems: role of hormonal state and molecular structure

The tubero-infundibular and nigrostriatal DA neurone systems of rats respond to systemic (i.p.) injection of alpha-MSH (2-100 microgram/kg). The response of the tubero-infundibular (arcuate) DA neurones, an increase in cellular fluorescence intensity which can be interpreted as a sign of increased neuronal activity, is essentially the same in males, estrogen-progesterone-pretreated ovariectomized females and hypophysectomized males, whereas the type of response elicited by alpha-MSH in the nigral DA neurones depends upon the hormonal state of the animal. Differences between the two DA neurone groups exist also with regard to the effects of peptide fragments containing the two active sites of the alpha-MSH molecule. Results of lesion experiments in the lower brainstem (area postrema) and of blockade of muscarinic mechanisms by atropine further point to differences in the mechanisms underlying the peptide effects on the two neurone systems. The reaction of the tubero-infundibular DA system (which controls the pars intermedia of the pituitary) can be considered to reflect the activation of a feedback mechanism on MSH secretion, while the functional counterpart of the changes observed in the nigral system remains unknown at the present time.

Genome-wide association and longitudinal analyses reveal genetic loci linking pubertal height growth, pubertal timing and childhood adiposity.

The pubertal height growth spurt is a distinctive feature of childhood growth reflecting both the central onset of puberty and local growth factors. Although little is known about the underlying genetics, growth variability during puberty correlates with adult risks for hormone-dependent cancer and adverse cardiometabolic health. The only gene so far associated with pubertal height growth, LIN28B, pleiotropically influences childhood growth, puberty and cancer progression, pointing to shared underlying mechanisms. To discover genetic loci influencing pubertal height and growth and to place them in context of overall growth and maturation, we performed genome-wide association meta-analyses in 18 737 European samples utilizing longitudinally collected height measurements. We found significant associations (P < 1.67 × 10(-8)) at 10 loci, including LIN28B. Five loci associated with pubertal timing, all impacting multiple aspects of growth. In particular, a novel variant correlated with expression of MAPK3, and associated both with increased prepubertal growth and earlier menarche. Another variant near ADCY3-POMC associated with increased body mass index, reduced pubertal growth and earlier puberty. Whereas epidemiological correlations suggest that early puberty marks a pathway from rapid prepubertal growth to reduced final height and adult obesity, our study shows that individual loci associating with pubertal growth have variable longitudinal growth patterns that may differ from epidemiological observations. Overall, this study uncovers part of the complex genetic architecture linking pubertal height growth, the timing of puberty and childhood obesity and provides new information to pinpoint processes linking these traits.