Bilateral olfactory sensory input enhances chemotaxis behavior.

Neural comparisons of bilateral sensory inputs are essential for visual depth perception and accurate localization of sounds in space. All animals, from single-cell prokaryotes to humans, orient themselves in response to environmental chemical stimuli, but the contribution of spatial integration of neural activity in olfaction remains unclear. We investigated this problem in Drosophila melanogaster larvae. Using high-resolution behavioral analysis, we studied the chemotaxis behavior of larvae with a single functional olfactory neuron on either the left or right side of the head, allowing us to examine unilateral or bilateral olfactory input. We developed new spectroscopic methods to create stable odorant gradients in which odor concentrations were experimentally measured. In these controlled environments, we observed that a single functional neuron provided sufficient information to permit larval chemotaxis. We found additional evidence that the overall accuracy of navigation is enhanced by the increase in the signal-to-noise ratio conferred by bilateral sensory input.

Triiodothyronine exerts a trophic action on rat sensory neuron survival and neurite outgrowth through different pathways.

Apart from several growth factors which play a crucial role in the survival and development of the central and peripheral nervous systems, thyroid hormones can affect different processes involved in the differentiation and maturation of neurons. The present study was initiated to determine whether triiodothyronine (T3) affects the survival and neurite outgrowth of primary sensory neurons in vitro. Dorsal root ganglia (DRG) from 19-day-old embryos or newborn rats were plated in explant or dissociated cell cultures. The effect of T3 on neuron survival was tested, either in mixed DRG cell cultures, where neurons grow with non-neuronal cells, or in neuron-enriched cultures where non-neuronal cells were eliminated at the outset. T3, in physiological concentrations, promoted the growth of neurons in mixed DRG cell cultures as well as in neuron-enriched cultures without added nerve growth factor (NGF). Since neuron survival in neuron-enriched cultures cannot be promoted by endogenous neurotrophic factors synthesized by non-neuronal cells, the increased number of surviving neurons was due to a direct trophic action of T3. Another trophic effect was revealed in this study: T3 sustained the neurite outgrowth of sensory neurons in DRG explants. The stimulatory effect of T3 on nerve fibre outgrowth was considerably reduced when non-neuronal cell proliferation was inhibited by the antimitotic agent cytosine arabinoside, and was completely suppressed when the great majority of non-neuronal cells were eliminated in neuron-enriched cultures. These results indicate that the stimulatory effect of T3 on neurite outgrowth is mediated through non-neuronal cells. It is conceivable that T3 up-regulates Schwann cell expression of a neurotrophic factor, which in turn stimulates axon growth of sensory neurons. Together, these results demonstrate that T3 promotes both survival and neurite outgrowth of primary sensory neurons in DRG cell cultures. The trophic actions of T3 on neuron survival and neurite outgrowth operate under two different pathways.

Does the physical disector method provide an accurate estimation of sensory neuron number in rat dorsal root ganglia?

The physical disector is a method of choice for estimating unbiased neuron numbers; nevertheless, calibration is needed to evaluate each counting method. The validity of this method can be assessed by comparing the estimated cell number with the true number determined by a direct counting method in serial sections. We reconstructed a 1/5 of rat lumbar dorsal root ganglia taken from two experimental conditions. From each ganglion, images of 200 adjacent semi-thin sections were used to reconstruct a volumetric dataset (stack of voxels). On these stacks the number of sensory neurons was estimated and counted respectively by physical disector and direct counting methods. Also, using the coordinates of nuclei from the direct counting, we simulate, by a Matlab program, disector pairs separated by increasing distances in a ganglion model. The comparison between the results of these approaches clearly demonstrates that the physical disector method provides a valid and reliable estimate of the number of sensory neurons only when the distance between the consecutive disector pairs is 60 microm or smaller. In these conditions the size of error between the results of physical disector and direct counting does not exceed 6%. In contrast when the distance between two pairs is larger than 60 microm (70-200 microm) the size of error increases rapidly to 27%. We conclude that the physical dissector method provides a reliable estimate of the number of rat sensory neurons only when the separating distance between the consecutive dissector pairs is no larger than 60 microm.

Multimodal stimulus coding by a gustatory sensory neuron in Drosophila larvae.

Accurate perception of taste information is crucial for animal survival. In adult Drosophila, gustatory receptor neurons (GRNs) perceive chemical stimuli of one specific gustatory modality associated with a stereotyped behavioural response, such as aversion or attraction. We show that GRNs of Drosophila larvae employ a surprisingly different mode of gustatory information coding. Using a novel method for calcium imaging in the larval gustatory system, we identify a multimodal GRN that responds to chemicals of different taste modalities with opposing valence, such as sweet sucrose and bitter denatonium, reliant on different sensory receptors. This multimodal neuron is essential for bitter compound avoidance, and its artificial activation is sufficient to mediate aversion. However, the neuron is also essential for the integration of taste blends. Our findings support a model for taste coding in larvae, in which distinct receptor proteins mediate different responses within the same, multimodal GRN.

Homeodomain binding motifs modulate the probability of odorant receptor gene choice in transgenic mice.

Odorant receptor (OR) genes constitute with 1200 members the largest gene family in the mouse genome. A mature olfactory sensory neuron (OSN) is thought to express just one OR gene, and from one allele. The cell bodies of OSNs that express a given OR gene display a mosaic pattern within a particular region of the main olfactory epithelium. The mechanisms and cis-acting DNA elements that regulate the expression of one OR gene per OSN - OR gene choice - remain poorly understood. Here, we describe a reporter assay to identify minimal promoters for OR genes in transgenic mice, which are produced by the conventional method of pronuclear injection of DNA. The promoter transgenes are devoid of an OR coding sequence, and instead drive expression of the axonal marker tau-β-galactosidase. For four mouse OR genes (M71, M72, MOR23, and P3) and one human OR gene (hM72), a mosaic, OSN-specific pattern of reporter expression can be obtained in transgenic mice with contiguous DNA segments of only ~300 bp that are centered around the transcription start site (TSS). The ~150bp region upstream of the TSS contains three conserved sequence motifs, including homeodomain (HD) binding sites. Such HD binding sites are also present in the H and P elements, DNA sequences that are known to strongly influence OR gene expression. When a 19mer encompassing a HD binding site from the P element is multimerized nine times and added upstream of a MOR23 minigene that contains the MOR23 coding region, we observe a dramatic increase in the number of transgene-expressing founders and lines and in the number of labeled OSNs. By contrast, a nine times multimerized 19mer with a mutant HD binding site does not have these effects. We hypothesize that HD binding sites in the H and P elements and in OR promoters modulate the probability of OR gene choice.

Promoter architecture of mouse olfactory receptor genes.

Odorous chemicals are detected by the mouse main olfactory epithelium (MOE) by about 1100 types of olfactory receptors (OR) expressed by olfactory sensory neurons (OSNs). Each mature OSN is thought to express only one allele of a single OR gene. Major impediments to understand the transcriptional control of OR gene expression are the lack of a proper characterization of OR transcription start sites (TSSs) and promoters, and of regulatory transcripts at OR loci. We have applied the nanoCAGE technology to profile the transcriptome and the active promoters in the MOE. nanoCAGE analysis revealed the map and architecture of promoters for 87.5% of the mouse OR genes, as well as the expression of many novel noncoding RNAs including antisense transcripts. We identified candidate transcription factors for OR gene expression and among them confirmed by chromatin immunoprecipitation the binding of TBP, EBF1 (OLF1), and MEF2A to OR promoters. Finally, we showed that a short genomic fragment flanking the major TSS of the OR gene Olfr160 (M72) can drive OSN-specific expression in transgenic mice.

Calcium entry via TRPV1 but not ASICs induces neuropeptide release from sensory neurons

Inflammatory mediators induce neuropeptide release from nociceptive nerve endings and cell bodies, causing increased local blood flow and vascular leakage resulting in edema. Neuropeptide release from sensory neurons depends on an increase in intracellular Ca2+ concentration. In this study we investigated the role of two types of pH sensors in acid-induced Ca2+ entry and neuropeptide release from dorsal root ganglion (DRG) neurons. The transient receptor potential vanilloid 1 channel (TRPV1) and acid-sensing ion channels (ASICs) are both H+-activated ion channels present in these neurons, and are therefore potential pH sensors for this process. We demonstrate with in situ hybridization and immunocytochemistry that TRPV1 and several ASIC subunits are co-expressed with neuropeptides in DRG neurons. Activation of ASICs and of TRPV1 led to an increase in intracellular Ca2+ concentration. While TRPV1 has a high Ca2+ permeability and allows direct Ca2+ entry when activated, we show here that ASICs of DRG neurons mediate Ca2+ entry mostly by depolarization-induced activation of voltage-gated Ca2+ channels and only to a small extent via the pore of Ca2+-permeable ASICs. Extracellular acidification led to release of the neuropeptide calcitonin gene-related peptide from DRG neurons. The pH dependence and the pharmacological profile indicated that TRPV1, but not ASICs, induced neuropeptide secretion. In conclusion, this study shows that although both TRPV1 and ASICs mediate Ca2+ influx, TRPV1 is the principal sensor for acid-induced neuropeptide secretion from sensory neurons.

Acid sensing by the Drosophila olfactory system.

The odour of acids has a distinct quality that is perceived as sharp, pungent and often irritating. How acidity is sensed and translated into an appropriate behavioural response is poorly understood. Here we describe a functionally segregated population of olfactory sensory neurons in the fruitfly, Drosophila melanogaster, that are highly selective for acidity. These olfactory sensory neurons express IR64a, a member of the recently identified ionotropic receptor (IR) family of putative olfactory receptors. In vivo calcium imaging showed that IR64a+ neurons projecting to the DC4 glomerulus in the antennal lobe are specifically activated by acids. Flies in which the function of IR64a+ neurons or the IR64a gene is disrupted had defects in acid-evoked physiological and behavioural responses, but their responses to non-acidic odorants remained unaffected. Furthermore, artificial stimulation of IR64a+ neurons elicited avoidance responses. Taken together, these results identify cellular and molecular substrates for acid detection in the Drosophila olfactory system and support a labelled-line mode of acidity coding at the periphery.

An olfactory receptor for food-derived odours promotes male courtship in Drosophila.

Many animals attract mating partners through the release of volatile sex pheromones, which can convey information on the species, gender and receptivity of the sender to induce innate courtship and mating behaviours by the receiver. Male Drosophila melanogaster fruitflies display stereotyped reproductive behaviours towards females, and these behaviours are controlled by the neural circuitry expressing male-specific isoforms of the transcription factor Fruitless (FRU(M)). However, the volatile pheromone ligands, receptors and olfactory sensory neurons (OSNs) that promote male courtship have not been identified in this important model organism. Here we describe a novel courtship function of Ionotropic receptor 84a (IR84a), which is a member of the chemosensory ionotropic glutamate receptor family, in a previously uncharacterized population of FRU(M)-positive OSNs. IR84a-expressing neurons are activated not by fly-derived chemicals but by the aromatic odours phenylacetic acid and phenylacetaldehyde, which are widely found in fruit and other plant tissues that serve as food sources and oviposition sites for drosophilid flies. Mutation of Ir84a abolishes both odour-evoked and spontaneous electrophysiological activity in these neurons and markedly reduces male courtship behaviour. Conversely, male courtship is increased--in an IR84a-dependent manner--in the presence of phenylacetic acid but not in the presence of another fruit odour that does not activate IR84a. Interneurons downstream of IR84a-expressing OSNs innervate a pheromone-processing centre in the brain. Whereas IR84a orthologues and phenylacetic-acid-responsive neurons are present in diverse drosophilid species, IR84a is absent from insects that rely on long-range sex pheromones. Our results suggest a model in which IR84a couples food presence to the activation of the fru(M) courtship circuitry in fruitflies. These findings reveal an unusual but effective evolutionary solution to coordinate feeding and oviposition site selection with reproductive behaviours through a specific sensory pathway.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

Visualizing olfactory receptor expression and localization in Drosophila.

Odor detection and discrimination by olfactory systems in vertebrates and invertebrates depend both on the selective expression of individual olfactory receptor genes in subpopulations of olfactory sensory neurons, and on the targeting of the encoded proteins to the exposed, ciliated endings of sensory dendrites. Techniques to visualize the expression and localization of olfactory receptor gene products in vivo have been essential to reveal the molecular logic of peripheral odor coding and to permit investigation of the developmental and cellular neurobiology of this sensory system. Here, we describe methods for detection of olfactory receptor transcripts and proteins in the antennal olfactory organ of the fruit fly, Drosophila melanogaster, an important genetic model organism. We include protocols both for antennal cryosections and whole-mount antennae. These methods can be adapted for detection of receptor expression in other olfactory and gustatory tissues in Drosophila, as well as in the chemosensory systems of other insects.

Exploring Parallels Between Molecular Changes Induced in PNS by Aging and Demyelinating Neuropathies

The peripheral nervous system (PNS) is involved in many age-dependent neurological deficits, including numbness, pain, restless legs, trouble with walking and balance that are commonly found in the elderly. These symptoms generally result from demyelination and/or loss of axonal integrity. However, the precise identity of age-regulated molecular changes in either neuronal or glial compartments of the nerve is unclear. Interestingly, these deficiencies are also present in inherited neuropathies, where the expressivity of the rapid and early onset phenotypes is undeniably more severe than in normal aging. Nevertheless, especially the molecular changes underlying loss of axonal integrity in neuropathy condition are also poorly understood. To unravel molecular mechanisms affected by PNS aging, we used wildtype mice at 17 time-points from day of birth until senescence (28 months-old). For the neuropathy study, we focused on 56 day-old Schwann cell-specific neuropathy-inducing mutants, MPZCre/1/ LpinfE2-3/fE2-3 and MPZCre/1/ScapfE1/fE1 mice, that have, at this age, already developed neuropathic symptoms. Transcriptomes of dissected Schwann cell-containing endoneurium or sensory neuron-containing dorsal root ganglia have been analyzed throughout time or genotypes, using Illumina Bead Chips. Following data validation, we identified groups of differentially expressed genes in the development, aging and in the neuropathic mutants, in both glial and neuronal compartments. We detected substantial differences in the dynamics of changes in gene expression during development and aging between these two compartments. Furthermore, considering the above-mentioned phenotypic similarities, we integrated aging and mutant data. Interestingly, we observed that there are some parallels at the molecular level between processes involved in aging, which leads to less severe and more progressive PNS alterations, and in the rapid onset peripheral neuropathies. Apart from helping the understanding of molecular alterations underlying age-related PNS phenotypes, this data should also contribute to the identification of pathways that could be used as targets for therapeutical approaches to prevent complications associated with both aging and inherited forms of neuropathies.

On the function of proton-gated ion channels ASICs and TRPV1 : a patch-clamp study

AbstractAcidosis is encountered during tissue inflammation and triggers pain in humans. H+-gated ion channels are expressed at high levels in sensory neurons of the peripheral nervous system. Ion channels from two different families present the required pH sensitivity to detect the acidosis associated with peripheral inflammation: Acid-Sensing Ion Channels (ASICs) and the Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) channel.ASICs are members of the Degenerin/Epithelial Na+ Channel family of ion channels. Six ASIC subunits have been identified in mammals (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 and -4). ASICs form In-activated voltage-insensitive homo- or heterotrimeric Na+ channels. TRPV1 is a member of the TRP family of ion channels and forms non-selective cation channels that mediate a sustained current. TRPV1 is activated by H+, heat (T>43°C), lipids, capsaicin, voltage and other stimuli. A stimulus can increase TRPV1 response to a different stimulus. For example H+ can shift the capsaicin concentration dependence of TRPV1 to lower values. ASICs and TRPV1 have been shown to be involved in inflammatory pain. Using the patch-clamp technique, we studied different aspects of the function of ASICs and TRPV1 in the physiological context of pain.In the first part of this thesis, we characterize the effect of a temperature increase from 25 to 35°C on the function of ASICs and TRPV1 in transfected CHO cells and primary cultures of rat DRG sensory neurons. ASICs give rise to transient currents while TRPV1 mediates a sustained current. In addition, ASICs and TRPV1 respond to H+ with distinct pH dependences. We assess the relative contribution of ASICs and TRPV1 to H+-evoked electrical signaling in rat DRG neurons and we conclude that ASICs are the most important pH sensors in the pH range 7.4 to 6.0 at 35°C in sensory neurons.ASICs and TRPV1 are expressed in the epithelium lining the lumen of the bladder (urothelium). The Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) is a painful condition associated with a dysfunction of the urothelial barrier and with inflammation. In the second part of this thesis, we show that human urothelial cells -the cell line TEU2 and primary cultures of human bladder urothelium- express functional ASICs but no functional TRPV1 channels. In addition, we show that the levels of ASIC2 and ASIC3 mRNA are increased in the urothelium of patients suffering from BPS/IC. These data suggest that ASICs are involved in the pathology of BPS/IC.Finally, we demonstrate that APETx2 inhibits the sensory neuron specific voltage-dependent Na+ channel Nav1.8. APETx2 was previously shown to inhibit homo- or heterotrimeric ASIC3- containing channels with IC5o from 0.08 to 1 μΜ. We show that APETx2 also inhibits Nav1.8 with an ICsoof «2.6 μΜ. APETx2 reduces the maximal conductance and induces a depolarizing shift in the voltage dependence of activation of Nav1.8. In current-clamp experiments, APETx2 reduces the number of action potentials (APs) evoked by a current ramp. Nav1.8 mediates most of the current during the AP upstroke and has been shown to be an important mediator of inflammatory pain. The fact that APETx2 inhibits two ion channels involved in inflammatory pain suggests that APETx2 or derivatives may represent novel analgesic compounds.RésuméL'acidose tissulaire est observée durant l'inflammation et entraine la douleur chez l'humain. Des canaux ioniques activés par les protons (H+) sont fortement exprimés dans les neurones sensoriels du système nerveux périphérique. De ceux-ci, les Acid-Sensing Ion Channels [ASICs) et Transient Receptor Potential Vanilloid-1 (TRPV1) présentent une sensibilité adéquate à l'acidité pour servir de détecteurs d'acidose.Les ASICs sont membres de la famille Degenerin/Epithelial Na* Channel. Six sous-unités ASIC ont été identifiées chez les mammifères (ASICla, -lb, -2a, -2b, -3 et -4). Les ASICs forment des canaux sélectifs au Na\ insensibles au voltage et activés par les H+. Les canaux fonctionnels sont des homo- ou hétérotrimères de sous-unités ASIC. TRPV1 est un membre de la famille TRP de canaux ioniques. Les canaux TRPV1 sont activés par les H+, la chaleur (T>43°Ç), les lipides, la capsaicine, le voltage et d'autres stimulus. L'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu non-sélectif. Un stimulus peut augmenter la réponse de TRPV1 à un autre stimulus. Les H+ peuvent, par exemple, induire un décalage vers des valeurs plus faibles de la courbe de dépendance à la concentration de TRPV1 pour la capsaicine. Il a été démontré que les ASICs et TRPV1 sont impliqués dans la douleur inflammatoire. En utilisant la technique du patch-clamp, nous avons étudié différents aspects de la fonction des ASICs et de TRPV1 dans des contextes associés à la douleur.Dans la première partie de cette thèse, nous caractérisons l'effet d'une augmentation de température de 25 à 35°C sur la fonction des canaux ASICs et TRPV1, dans des cellules CHO transfectées et dans des cultures primaires de neurones sensoriels (DRG) de rat. L'activation des ASICs entraine l'apparition d'un courant transitoire tandis que l'activation de TRPV1 entraine un courant soutenu. De plus, les ASICs et TRPV1 possèdent des dépendances au pH différentes. Nous évaluons la contribution relative des ASICs et de TRPV1 au signalement électrique induit par les H+ et nous concluons que les ASICs sont les senseurs d'acidité les plus importants dans les neurones sensoriels, dans le domaine de pH de 7.4 à 6.0, à température corporelle.Les ASICs et TRPV1 sont exprimés dans l'épithélium recouvrant l'intérieur de la vessie (l'urothélium). Le Bladder Pain Syndrome/Interstitial Cystitis (BPS/IC) est une condition médicale douloureuse associée à une dysfonction de la barrière urothéliale et à une inflammation. Dans la seconde partie de cette thèse, nous démontrons que des cellules urothéliales (de la lignée cellulaire TEU2) et des cellules provenant de cultures primaires d'épithéliums de vessies humaines expriment des canaux ASIC fonctionnels mais pas de TRPV1 fonctionnels. De plus, nous montrons que le niveau d'expression de ASIC2 et -3 est augmenté dans l'urothélium de la vessie de patients souffrant de BPS/IC. Ces données suggèrent que les ASICs sont impliqués dans la pathologie BPS/IC.Pour finir, nous démontrons que la toxine APETx2 inhibe le canal spécifique aux neurones sensoriels Nav1.8, un membre de la famille des canaux sodiques dépendants du potentiel. Il a été démontré précédemment que la toxine APETx2 inhibe les canaux contenant une ou plusieurs sous-unités ASIC3 avec un ICso entre 0.08 et 1 μΜ. Nous montrons que la toxine APETx2 inhibe Nav1.8 avec un IC50 de «2.6 μΜ. La toxine APETx2 réduit la conductance maximale et induit un décalage de la dépendance au potentiel de Nav1.8 vers des valeurs plus positives. Dans des expériences de courant imposé sur des neurones sensoriels, la toxine APETx2 réduit le nombre de potentiels d'action induits par une rampe de courant. Nav1.8 est responsable de la majeure partie du courant durant la phase ascendante du potentiel d'action et a été démontré comme étant un médiateur important de la douleur inflammatoire. L'inhibition de deux types de canaux, impliqués dans la douleurs inflammatoire, par la toxine APETx2, suggère que cette dernière ou ses dérivés représentent des composés analgésiques prometteurs.

Calcium imaging of odor-evoked responses in the Drosophila antennal lobe.

The antennal lobe is the primary olfactory center in the insect brain and represents the anatomical and functional equivalent of the vertebrate olfactory bulb. Olfactory information in the external world is transmitted to the antennal lobe by olfactory sensory neurons (OSNs), which segregate to distinct regions of neuropil called glomeruli according to the specific olfactory receptor they express. Here, OSN axons synapse with both local interneurons (LNs), whose processes can innervate many different glomeruli, and projection neurons (PNs), which convey olfactory information to higher olfactory brain regions. Optical imaging of the activity of OSNs, LNs and PNs in the antennal lobe - traditionally using synthetic calcium indicators (e.g. calcium green, FURA-2) or voltage-sensitive dyes (e.g. RH414) - has long been an important technique to understand how olfactory stimuli are represented as spatial and temporal patterns of glomerular activity in many species of insects. Development of genetically-encoded neural activity reporters, such as the fluorescent calcium indicators G-CaMP and Cameleon, the bioluminescent calcium indicator GFP-aequorin, or a reporter of synaptic transmission, synapto-pHluorin has made the olfactory system of the fruitfly, Drosophila melanogaster, particularly accessible to neurophysiological imaging, complementing its comprehensively-described molecular, electrophysiological and neuroanatomical properties. These reporters can be selectively expressed via binary transcriptional control systems (e.g. GAL4/UAS, LexA/LexAop, Q system) in defined populations of neurons within the olfactory circuitry to dissect with high spatial and temporal resolution how odor-evoked neural activity is represented, modulated and transformed. Here we describe the preparation and analysis methods to measure odor-evoked responses in the Drosophila antennal lobe using G-CaMP. The animal preparation is minimally invasive and can be adapted to imaging using wide-field fluorescence, confocal and two-photon microscopes.

Molecular and physiological characterisation of lonotropic receptors in the sacculus in drosophila

Chemosensation is the detection of chemical signals in the environment that enable an animal to make informed decisions about food choice, mate preference or predator detection. Dissecting the molecular and neural mechanisms by which animals detect chemical cues is an important goal towards understanding how they interact with the environment. An attractive system to dissect the mechanisms of chemosensation is the olfactory system. One of the most-investigated olfactory systems is that of Drosophila melanogaster, a model organism that is amenable to a powerful combination of genetic and physiological analyses. Embedded within the antennal olfactory organ of Drosophila is an unusual sensory structure called the sacculus. The sacculus is comprised of three distinct chambers, each lined with several sensilla housing two to three neurons. Previous morphological, anatomical and surgical studies of sacculus neurons have implicated sacculus neurons in chemosensation, hygrosensation and/or thermosensation. While a subset of sacculus neurons have been physiologically characterised as temperature sensors, the role of this organ has remained largely mysterious, due to its inaccessibility to peripheral electrophysiological analysis. Recently a new family of olfactory receptors, the lonotropic Receptors (IRs), was identified. Five IRs are expressed in sacculus neurons providing the first selective molecular markers for these cells. In this thesis I describe the molecular, physiological and anatomical characterisation of these neurons. Genetic labelling of specific populations of sacculus neurons with anatomical (CD8:GFP) reporters has identified neurons in sacculus chambers I and II express IR40a+IR93a together with their co- receptor IR25a, while neurons in chamber III express IR64a with its co-receptor IR8a. Both these sets of neurons project to two distinct glomeruli in the antennal lobe; IR40a neurons project to the column and arm, IR64a neurons project to DC4 and DP1m. Through a live optical imaging screen I showed that these neurons are indeed olfactory and IR64a neurons recognise acidic ligands, while IR40a neurons recognise amine ligands. IR40a and IR64a neurons are in fact composed of anatomically and physiologically distinct subpopulations, strongly implying the existence of other factors that define their functional properties. My thesis identifies the sacculus as a specialised olfactory organ capable of detecting acids and bases, which are of widespread importance to insects. The data from my thesis along with data from other labs show the sacculus is composed of different populations of olfactory sensory neurons and thermosensory neurons. Comparative genomic analysis of sacculus IRs across insects reveals them to be among the most conserved of this receptor repertoire, suggesting that the sacculus represents an evolutionarily ancient insect olfactory acid-base sensor. - La détection des produits chimiques se trouvant dans l'environnement (perception chimiosensorielle) permet à un animal de choisir sa nourriture, son partenaire ou encore d'identifier ses prédateurs. Décortiquer les mécanismes moléculaires et neuronaux grâce auxquels les animaux détectent ces signaux chimiques permet de comprendre comment ces animaux interagissent avec leur environnement. Un système intéressant pour décortiquer ces mécanismes de perception chimiosensorielle est le système olfactif, de la drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre. C'est un animal modèle très utile grâce à la combinaison d'outils génétiques puissants et d'analyses physiologiques facilement réalisables. Dans l'antenne de la drosophile, qui est l'organe olfactif principal de cet animal, se trouve une structure appelée sacculus. Celui-ci est composé de trois chambres distinctes, chacune comprenant plusieurs sensilles à l'intérieur desquelles se trouvent deux à trois neurones. De précédentes études morphologiques et anatomiques des ces neurones ont déterminé qu'ils sont impliqués dans la perception des odeurs, de l'humidité et de la température. Malgré ceci, la fonction principale de cet organe reste largement inconnue, principalement car il est inaccessible aux analyses électrophysiologiques. Récemment, une nouvelle famille de soixante-six récepteurs olfactifs, nommés Récepteurs lonotropiques (IRs), a été découverte chez la drosophile. Cinq IRs sont exprimés dans les neurones du sacculus. Pour la première fois, une sélection de marqueurs moléculaires est disponible pour l'étude de ces cellules. Dans cette thèse, les caractéristiques moléculaires, physiologiques et anatomiques des neurones du sacculus sont décrites. Ces populations de neurones situés dans le sacculus ont été marquées avec des gènes rapporteurs (CD8:GFP). Ceci a montré que les récepteurs IR40a et IR93a sont exprimés ensemble avec le co-récepteur IR25a dans les chambres I et II, tandis que les neurones de la chambre III expriment IR64a avec son co-récepteur IR8a. Ces deux groupes de neurones projettent vers deux glomérules distincts du lobe antennaire : les neurones IR40a projettent vers la column et le arm, alors que les neurones IR64a projettent vers DC4 et DP1m. Un screen d'imagerie optique a démontré que ces neurones sont en effet des neurones olfactifs, et que les neurones IR64a reconnaissent des ligands acides, tandis que les neurones IR40a reconnaissent des ligands aminés. De plus, les neurones IR40a et IR64a sont séparés en sous-populations distinctes anatomiquement et physiologiquement, et d'autres facteurs permettant de définir leurs propriétés fonctionnelles sont probablement impliqués. Cette thèse identifie ainsi le sacculus comme un organe olfactif spécialisé capable de détecter des acides et amines, lesquels sont très importants pour les insectes. Toutes les données collectées durant cette thèse, combinées aux données d'autres laboratoires, montrent que le sacculus est composé de différentes populations de neurones olfactifs et thermosenseurs. Ces IRs sont très conservés parmi les insectes, suggérant que le sacculus représente révolution d'un ancien détecteur olfactif d'acides et de bases chez l'insecte. - Tous les animaux sont capables de percevoir les signaux chimiques dans leur environnement, comme les odeurs ou le goût, via différents organes. L'odorat est le sens qui permet de percevoir les odeurs, et il est implique des neurones olfactifs qui se trouvent dans le nez des mammifères ou les antennes des insectes. La capacité d'un neurone olfactif à détecter une molécule odorante dépend des types de récepteurs olfactifs qu'il exprime. Il existe deux grandes familles de récepteurs qui perçoivent les odeurs : les Récepteurs Olfactifs, ORs, et Récepteurs lonotropiques IRs, qui détectent différents types d'odeurs avec différents mécanismes. Lorsqu'un récepteur reconnaît une molécule odorante, il convertit ce signal en un signal électrique qui est ensuite transmis au centre olfactif dans le cerveau. La drosophile (Drosophila melanogaster), aussi appelée mouche du vinaigre, est utilisée comme animal modèle pour étudier l'odorat, parce que son génome entier a été séquencé et que ses gènes sont facilement manipulables. De plus, l'anatomie du système olfactif de la mouche est similaire à celui des mammifères, malgré qu'il possède moins de neurones, ce qui le rend moins complexe. Ma thèse a pour objectif d'étudier les Récepteurs lonotropiques dans un organe spécifique, appelé le sacculus, situé dans les antennes. Les neurones du sacculus exprimant des IRs envoient leurs projections au centre olfactif du cerveau, suggérant que ces neurones perçoivent les odeurs. Une technique d'imagerie optique a été utilisée sur le cerveau de mouches vivantes afin de mesurer la réponse des neurones du le sacculus à différentes odeurs. J'ai démontré que ces récepteurs détectent des acides et des amines, qui sont très importants pour les insectes. Par exemple, les acides se retrouvent dans les fruits mûrs sur lesquels les mouches vont se nourrir, s'accoupler et poser leurs oeufs, et les amines sont souvent produites par des bactéries pouvant être nuisible pour la mouche. La principale découverte de ma thèse est donc l'identification du sacculus comme un organe capable de détecter deux des principales odeurs importantes pour la mouche. Ces récepteurs sont aussi présents dans d'autres insectes où ils jouent peut-être des rôles différents. Les acides et les amines se retrouvent aussi dans les excrétions (comme la sueur ou l'urine) de beaucoup de mammifères, qui pourraient potentiellement être dangereux pour la mouche, mais qui attirent les moustiques se nourrissant de leur sang.