Synapse formation on adult-born hippocampal neurons.

It is now widely accepted that adult neurogenesis plays a fundamental role in hippocampal function. Neurons born in the adult dentate gyrus of the hippocampus undergo a series of events before they fully integrate in the network and eventually become undistinguishable from neurons born during embryogenesis. Adult hippocampal neurogenesis is strongly regulated by neuronal activity and neurotransmitters, and the synaptic integration of adult-born neurons occurs in discrete steps, some of which are very different from perinatal synaptogenesis. Here, we review the current knowledge on the development of the synaptic input and output of neurons born in the adult hippocampus, from the stem/progenitor cell to the fully mature neuron. We also provide insight on the regulation of adult neurogenesis by some neurotransmitters and discuss some specificities of the integration of new neurons in an adult environment. The understanding of the mechanisms regulating the synaptic integration of adult-born neurons is not only crucial for our understanding of brain plasticity, but also provides a framework for the manipulation and monitoring of endogenous adult neurogenesis as well as grafted cells, for potential therapeutic applications.

Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Propofol anesthesia impairs the maturation and survival of adult-born hippocampal neurons.

BACKGROUND: Adult neurogenesis occurs in the hippocampus of most mammals, including humans, and plays an important role in hippocampal-dependent learning. This process is highly regulated by neuronal activity and might therefore be vulnerable to anesthesia. In this article, the authors investigated this possibility by evaluating the impact of propofol anesthesia on mouse hippocampal neurons generated during adulthood, at two functionally distinct maturational stages of their development. METHODS: Adult-born hippocampal neurons were identified using the cell proliferation marker bromodeoxyuridine or a retroviral vector expressing the green fluorescent protein in dividing cells and their progenies. Eleven or 17 days after the labeling procedure, animals (n = 3-5 animals per group) underwent a 6-h-long propofol anesthesia. Twenty-one days after labeling, the authors analyzed the survival, differentiation, and morphologic maturation of adult-born neurons using confocal microscopy. RESULTS: Propofol impaired the survival and maturation of adult-born neurons in an age-dependent manner. Anesthesia induced a significant decrease in the survival of neurons that were 17 days old at the time of anesthesia, but not of neurons that were 11 days old. Similarly, propofol anesthesia significantly reduced the dendritic maturation of neurons generated 17 days before anesthesia, without interfering with the maturation of neurons generated 11 days before anesthesia. CONCLUSIONS: These results reveal that propofol impairs the survival and maturation of adult-born hippocampal neurons in a developmental stage-dependent manner in mice.

Genetic manipulation of adult-born hippocampal neurons rescues memory in a mouse model of Alzheimer's disease.

In adult mammals, neural progenitors located in the dentate gyrus retain their ability to generate neurons and glia throughout lifetime. In rodents, increased production of new granule neurons is associated with improved memory capacities, while decreased hippocampal neurogenesis results in impaired memory performance in several memory tasks. In mouse models of Alzheimer's disease, neurogenesis is impaired and the granule neurons that are generated fail to integrate existing networks. Thus, enhancing neurogenesis should improve functional plasticity in the hippocampus and restore cognitive deficits in these mice. Here, we performed a screen of transcription factors that could potentially enhance adult hippocampal neurogenesis. We identified Neurod1 as a robust neuronal determinant with the capability to direct hippocampal progenitors towards an exclusive granule neuron fate. Importantly, Neurod1 also accelerated neuronal maturation and functional integration of new neurons during the period of their maturation when they contribute to memory processes. When tested in an APPxPS1 mouse model of Alzheimer's disease, directed expression of Neurod1 in cycling hippocampal progenitors conspicuously reduced dendritic spine density deficits on new hippocampal neurons, to the same level as that observed in healthy age-matched control animals. Remarkably, this population of highly connected new neurons was sufficient to restore spatial memory in these diseased mice. Collectively our findings demonstrate that endogenous neural stem cells of the diseased brain can be manipulated to become new neurons that could allow cognitive improvement.

Modulatory effects of acid-sensing ion channels on action potential generation in hippocampal neurons.

Extracellular acidification has been shown to generate action potentials (APs) in several types of neurons. In this study, we investigated the role of acid-sensing ion channels (ASICs) in acid-induced AP generation in brain neurons. ASICs are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. We compared the pharmacological and biophysical properties of acid-induced AP generation with those of ASIC currents in cultured hippocampal neurons. Our results show that acid-induced AP generation in these neurons is essentially due to ASIC activation. We demonstrate for the first time that the probability of inducing APs correlates with current entry through ASICs. We also show that ASIC activation in combination with other excitatory stimuli can either facilitate AP generation or inhibit AP bursts, depending on the conditions. ASIC-mediated generation and modulation of APs can be induced by extracellular pH changes from 7.4 to slightly <7. Such local extracellular pH values may be reached by pH fluctuations due to normal neuronal activity. Furthermore, in the plasma membrane, ASICs are localized in close proximity to voltage-gated Na(+) and K(+) channels, providing the conditions necessary for the transduction of local pH changes into electrical signals.

GLUT8 subcellular localization and absence of translocation to the plasma membrane in PC12 cells and hippocampal neurons.

GLUT8 is a high-affinity glucose transporter present mostly in testes and a subset of brain neurons. At the cellular level, it is found in a poorly defined intracellular compartment in which it is retained by an N-terminal dileucine motif. Here we assessed GLUT8 colocalization with markers for different cellular compartments and searched for signals, which could trigger its cell surface expression. We showed that when expressed in PC12 cells, GLUT8 was located in a perinuclear compartment in which it showed partial colocalization with markers for the endoplasmic reticulum but not with markers for the trans-Golgi network, early endosomes, lysosomes, and synaptic-like vesicles. To evaluate its presence at the plasma membrane, we generated a recombinant adenovirus for the expression of GLUT8 containing an extracellular myc epitope. Cell surface expression was evaluated by immunofluorescence microscopy of transduced PC12 cells or primary hippocampal neurons exposed to different stimuli. Those included substances inducing depolarization, activation of protein kinase A and C, activation or inhibition of tyrosine kinase-linked signaling pathways, glucose deprivation, AMP-activated protein kinase stimulation, and osmotic shock. None of these stimuli-induced GLUT8 cell surface translocation. Furthermore, when GLUT8myc was cotransduced with a dominant-negative form of dynamin or GLUT8myc-expressing PC-12 cells or neurons were incubated with an anti-myc antibody, no evidence for constitutive recycling of the transporter through the cell surface could be obtained. Thus, in cells normally expressing it, GLUT8 was associated with a specific intracellular compartment in which it may play an as-yet-uncharacterized role.

Glutamate reduces glucose utilization while concomitantly enhancing AQP9 and MCT2 expression in cultured rat hippocampal neurons.

The excitatory neurotransmitter glutamate has been reported to have a major impact on brain energy metabolism. Using primary cultures of rat hippocampal neurons, we observed that glutamate reduces glucose utilization in this cell type, suggesting alteration in mitochondrial oxidative metabolism. The aquaglyceroporin AQP9 and the monocarboxylate transporter MCT2, two transporters for oxidative energy substrates, appear to be present in mitochondria of these neurons. Moreover, they not only co-localize but they interact with each other as they were found to co-immunoprecipitate from hippocampal neuron homogenates. Exposure of cultured hippocampal neurons to glutamate 100 μM for 1 h led to enhanced expression of both AQP9 and MCT2 at the protein level without any significant change at the mRNA level. In parallel, a similar increase in the protein expression of LDHA was evidenced without an effect on the mRNA level. These data suggest that glutamate exerts an influence on neuronal energy metabolism likely through a regulation of the expression of some key mitochondrial proteins.

Alterations in neurofilament protein immunoreactivity in human hippocampal neurons related to normal aging and Alzheimer's disease.

The distribution of immunoreactivity for the neurofilament triplet class of intermediate filament proteins was examined in the hippocampus of young, adult and elderly control cases and compared to that of Alzheimer's disease cases. In a similar fashion to non-human mammalian species, pyramidal neurons in the CA1 region showed a very low degree of neurofilament triplet immunoreactivity in the three younger control cases examined. However, in the other control cases of 49 years of age and older, many CA1 pyramidal neurons showed elevated neurofilament immunoreactivity. In the Alzheimer's disease cases, most of the surviving CA1 neurons showed intense labeling for the neurofilament triplet proteins, with many of these neurons giving off abnormal "sprouting" processes. Double labeling demonstrated that many of these neurons contained tangle-like or granular material that was immunoreactive for abnormal forms of tau and stained with thioflavine S, indicating that these neurons are in a transitional degenerative stage. An antibody to phosphorylated neurofilament proteins labeled a subset of neurofibrillary tangles in the Alzheimer's disease cases. However, following formic acid pre-treatment, the number of neurofibrillary tangles showing phosphorylated neurofilament protein immunoreactivity increased, with double labeling confirming that all of the tau-immunoreactive neurofibrillary tangles were also immunoreactive for phosphorylated neurofilament proteins. Immunoblotting demonstrated that there was a proportionately greater amount of the neurofilament triplet subunit proteins in hippocampal tissue from Alzheimer's disease cases as compared to controls. These results indicate that there are changes in the cytoskeleton of CA1 neurons associated with age which are likely to involve an increase in the level of neurofilament proteins and may be a predisposing factor contributing towards their high degree of vulnerability in degenerative conditions such as Alzheimer's disease. The cellular factors affecting hippocampal neurons during aging may be potentiated in Alzheimer's disease to result in even higher levels of intracellular neurofilament proteins and the progressive alterations of neurofilaments and other cytoskeletal proteins that finally results in neurofibrillary tangle formation and cellular degeneration.

Synaptic Integration of Adult-Born Hippocampal Neurons Is Locally Controlled by Astrocytes.

Adult neurogenesis is regulated by the neurogenic niche, through mechanisms that remain poorly defined. Here, we investigated whether niche-constituting astrocytes influence the maturation of adult-born hippocampal neurons using two independent transgenic approaches to block vesicular release from astrocytes. In these models, adult-born neurons but not mature neurons showed reduced glutamatergic synaptic input and dendritic spine density that was accompanied with lower functional integration and cell survival. By taking advantage of the mosaic expression of transgenes in astrocytes, we found that spine density was reduced exclusively in segments intersecting blocked astrocytes, revealing an extrinsic, local control of spine formation. Defects in NMDA receptor (NMDAR)-mediated synaptic transmission and dendrite maturation were partially restored by exogenous D-serine, whose extracellular level was decreased in transgenic models. Together, these results reveal a critical role for adult astrocytes in local dendritic spine maturation, which is necessary for the NMDAR-dependent functional integration of newborn neurons.

Regulation of the integration of newly generated neurons in the adult hippocampus

Hippocampal adult neurogenesis results in the continuous formation of new neurons in the adult hippocampus, which participate to learning and memory. Manipulations increasing adult neurogenesis have a huge clinical potential in pathologies involving memory loss. Intringuingly, most of the newborn neurons die during their maturation. Thus, increasing newborn neuron survival during their maturation may be a powerful way to increase overall adult neurogenesis. The factors governing this neuronal death are yet poorly known. In my PhD project, we made the hypothesis that synaptogenesis and synaptic activity play a role in the survival of newborn hippocampal neurons. We studied three factors potentially involved in the regulation of the synaptic integration of adult-born neurons. First, we used propofol anesthesia to provoke a global increase in GABAergic activity of the network, and we evaluated the outcome on newborn neuron synaptic integration, morphological development and survival. Propofol anesthesia impaired the dendritic maturation and survival of adult-born neurons in an age-dependent manner. Next, we examined the development of astrocytic ensheathment on the synapses formed by newborn neurons, as we hypothesized that astrocytes are involved in their synaptic integration. Astrocytic processes ensheathed the synapses of newborn neurons very early in their development, and the processes modulated synaptic transmission on these cells. Finally, we studied the cell-autonomous effects of the overexpression of synaptic adhesion molecules on the development, synaptic integration and survival of newborn neurons, and we found that manipulating of a single adhesion molecule was sufficient to modify synaptogenesis and/or synapse function, and to modify newborn neuron survival. Together, these results suggest that the activity of the neuronal network, the modulation of glutamate transport by astrocytes, and the synapse formation and activity of the neuron itself may regulate the survival of newborn neurons. Thus, the survival of newborn neurons may depend on their ability to communicate with the network. This knowledge is crucial for finding ways to increase neurogenesis in patients. More generally, understanding how the neurogenic niche works and which factors are important for the generation, maturation and survival of neurons is fundamental to be able to maybe, one day, replace neurons in any region of the brain.

Autosis is a Na+,K+-ATPase-regulated form of cell death triggered by autophagy-inducing peptides, starvation, and hypoxia-ischemia.

A long-standing controversy is whether autophagy is a bona fide cause of mammalian cell death. We used a cell-penetrating autophagy-inducing peptide, Tat-Beclin 1, derived from the autophagy protein Beclin 1, to investigate whether high levels of autophagy result in cell death by autophagy. Here we show that Tat-Beclin 1 induces dose-dependent death that is blocked by pharmacological or genetic inhibition of autophagy, but not of apoptosis or necroptosis. This death, termed "autosis," has unique morphological features, including increased autophagosomes/autolysosomes and nuclear convolution at early stages, and focal swelling of the perinuclear space at late stages. We also observed autotic death in cells during stress conditions, including in a subpopulation of nutrient-starved cells in vitro and in hippocampal neurons of neonatal rats subjected to cerebral hypoxia-ischemia in vivo. A chemical screen of ~5,000 known bioactive compounds revealed that cardiac glycosides, antagonists of Na(+),K(+)-ATPase, inhibit autotic cell death in vitro and in vivo. Furthermore, genetic knockdown of the Na(+),K(+)-ATPase α1 subunit blocks peptide and starvation-induced autosis in vitro. Thus, we have identified a unique form of autophagy-dependent cell death, a Food and Drug Administration-approved class of compounds that inhibit such death, and a crucial role for Na(+),K(+)-ATPase in its regulation. These findings have implications for understanding how cells die during certain stress conditions and how such cell death might be prevented.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Characterization of GLUT8 and GLUT9, two novel glucose transporter isoforms

Summary Prevalence of type 2 diabetes is increasing worldwide at alarming rates, probably secondarily to that of obesity. As type 2 diabetes is characterized by blood hyperglycemia, controlling glucose entry into tissues from the bloodstream is key to maintain glycemia within acceptable ranges. In this context, several glucose transporter isoforms have been cloned recently and some of them have appeared to play important regulatory roles. Better characterizing two of them (GLUT8 and GLUT9) was the purpose of my work. The first part of my work was focused on GLUT8, which is mainly expressed in the brain and is able to transport glucose with high affinity. GLUT8 is retained intracellularly at basal state depending on an N-terminal dileucine motif, thus implying that cell surface expression may be induced by extracellular triggers. In this regard, I was interested in better defining GLUT8 subcellular localization at basal state and in finding signals promoting its translocation, using an adenoviral vector expressing a myc epitope-tagged version of the transporter, thus allowing expression and detection of cell-surface GLUT8 in primary hippocampal neurons and PC 12 cells. This tool enabled me to found out that GLUT8 resides in a unique compartment different from lysosomes, endoplasmic reticulum, endosomes and the Golgi. In addition, absence of GLUT8 translocation following pharmacological activation of several signalling pathways suggests that GLUT8 does not ever translocate to the cell surface, but would rather fulfill its role in its unique intracellular compartment. The second part of my work was focused on GLUT9, which -contrarily to GLUT8 - is unable to transport glucose, but retains the ability to bind glucose-derived cross-linker molecules, thereby suggesting that it may be a glucose sensor rather than a true glucose transporter. The aim of the project was thus to define if GLUT9 triggers intracellular signals when activated. Therefore, adenoviral vectors expressing GLUTS were used to infect both ßpancreatic and liver-derived cell lines, as GLUTS is endogenously expressed in the liver. Comparison of gene expression between cells infected with the GLUTS-expressing adenovirus and cells infected with a GFP-expressing control adenovirus ended up in the identification of the transcription factor HNF4α as being upregulated in aGLUT9-dependent manner. Résumé La prévalence du diabète de type 2 augmente de façon alarmante dans le monde entier, probablement secondairement à celle de l'obésité. Le diabète de type 2 étant caractérisé par une glycémie sanguine élevée, l'entrée du glucose dans les tissus depuis la circulation sanguine constitue un point de contrôle important pour maintenir la glycémie à des valeurs acceptables. Dans ce contexte, plusieurs isoformes de transporteurs au glucose ont été clonées récemment et certaines d'entre elles sont apparues comme jouant d'importants rôles régulateurs. Mieux caractériser deux d'entre elles (GLUT8 et GLUT9) était le but de mon travail. La première partie de mon travail a été centrée sur GLUT8, qui est exprimé principalement dans le cerveau et qui peut transporter le glucose avec une haute affinité. GLUT8 est retenu intracellulairement à l'état basal de façon dépendante d'un motif dileucine N-terminal, ce qui implique que son expression à la surface cellulaire pourrait être induite par des stimuli extracellulaires. Dans cette optique, je me suis intéressé à mieux définir la localisation subcellulaire de GLUT8 à l'état basal et à trouver des signaux activant sa translocation, en utilisant comme outil un vecteur adénoviral exprimant une version marquée (tag myc) du transporteur, me permettant ainsi d'exprimer et de détecter GLUT8 à la surface cellulaire dans des neurones hippocampiques primaires et des cellules PC12. Cet outil m'a permis de montrer que GLUT8 réside dans un compartiment unique différent des lysosomes, du réticulum endoplasmique, des endosomes, ainsi que du Golgi. De plus, l'absence de translocation de GLUT8 à la suite de l'activation pharmacologique de plusieurs voies de signalisation suggère que GLUT8 ne transloque jamais à la membrane plasmique, mais jouerait plutôt un rôle au sein même de son compartiment intracellulaire unique. La seconde partie de mon travail a été centrée sur GLUT9, lequel -contrairement à GLUT8 -est incapable de transporter le glucose, mais conserve la capacité de se lier à des molécules dérivées du glucose, suggérant que ce pourrait être un senseur de glucose plutôt qu'un vrai transporteur. Le but du projet a donc été de définir si GLUT9 active des signaux intracellulaires quand il est lui-même activé. Pour ce faire, des vecteurs adénoviraux exprimant GLUT9 ont été utilisés pour infecter des lignées cellulaires dérivées de cellules ßpancréatiques et d'hépatocytes, GLUT9 étant exprimé de façon endogène dans le foie. La comparaison de l'expression des gènes entre des cellules infectées avec l'adénovirus exprimant GLUT9 et un adénovirus contrôle exprimant la GFP a permis d'identifier le facteur de transcription HNF4α comme étant régulé de façon GLUT9-dépendante. Résumé tout public Il existe deux types bien distincts de diabète. Le diabète de type 1 constitue environ 10 des cas de diabète et se déclare généralement à l'enfance. Il est caractérisé par une incapacité du pancréas à sécréter une hormone, l'insuline, qui régule la concentration sanguine du glucose (glycémie). Il en résulte une hyperglycémie sévère qui, si le patient n'est pas traité à l'insuline, conduit à de graves dommages à divers organes, ce qui peut mener à la cécité, à la perte des membres inférieurs, ainsi qu'à l'insuffisance rénale. Le diabète de type 2 se déclare plus tard dans la vie. Il n'est pas causé par une déficience en insuline, mais plutôt par une incapacité de l'insuline à agir sur ses tissus cibles. Le nombre de cas de diabète de type 2 augmente de façon dramatique, probablement à la suite de l'augmentation des cas d'obésité, le surpoids chronique étant le principal facteur de risque de diabète. Chez l'individu sain, le glucose sanguin est transporté dans différents organes (foie, muscles, tissu adipeux,...) où il est utilisé comme source d'énergie. Chez le patient diabétique, le captage de glucose est altéré, expliquant ainsi l'hyperglycémie. Il est ainsi crucial d'étudier les mécanismes permettant ce captage. Ainsi, des protéines permettant l'entrée de glucose dans la cellule depuis le milieu extracellulaire ont été découvertes depuis une vingtaine d'années. La plupart d'entre elles appartiennent à une sous-famille de protéines nommée GLUT (pour "GLUcose Transporters") dont cinq membres ont été caractérisés et nommés selon l'ordre de leur découverte (GLUT1-5). Néanmoins, la suppression de ces protéines chez la souris par des techniques moléculaires n'affecte pas totalement le captage de glucose, suggérant ainsi que des transporteurs de glucose encore inconnus pourraient exister. De telles protéines ont été isolées ces dernières années et nommées selon l'ordre de leur découverte (GLUT6-14). Durant mon travail de thèse, je me suis intéressé à deux d'entre elles, GLUT8 et GLUT9, qui ont été découvertes précédemment dans le laboratoire. GLUT8 est exprimé principalement dans le cerveau. La protéine n'est pas exprimée à la surface de la cellule, mais est retenue à l'intérieur. Des mécanismes complexes doivent donc exister pour déplacer le transporteur à la surface cellulaire, afin qu'il puisse permettre l'entrée du glucose dans la cellule. Mon travail a consisté d'une part à définir où se trouve le transporteur à l'intérieur de la cellule, et d'autre part à comprendre les mécanismes capables de déplacer GLUT8 vers la surface cellulaire, en utilisant des neurones exprimant une version marquée du transporteur, permettant ainsi sa détection par des méthodes biochimiques. Cela m'a permis de montrer que GLUT8 est localisé dans une partie de la cellule encore non décrite à ce jour et qu'il n'est jamais déplacé à la surface cellulaire, ce qui suggère que le transporteur doit jouer un rôle à l'intérieur de la cellule et non à sa surface. GLUT9 est exprimé dans le foie et dans les reins. Il ressemble beaucoup à GLUT8, mais ne transporte pas le glucose, ce qui suggère que ce pourrait être un récepteur au glucose plutôt qu'un transporteur à proprement parler. Le but de mon travail a été de tester cette hypothèse, en comparant des cellules du foie exprimant GLUT9 avec d'autres n'exprimant pas la protéine. Par des méthodes d'analyses moléculaires, j'ai pu montrer que la présence de GLUT9 dans les cellules du foie augmente l'expression de HNF4α, une protéine connue pour réguler la sécrétion d'insuline dans le pancréas ainsi que la production de glucose dans le foie. Des expériences complémentaires seront nécessaires afin de mieux comprendre par quels mécanismes GLUT9 influence l'expression de HNF4α dans le foie, ainsi que de définir l'importance de GLUT9 dans la régulation de la glycémie chez l'animal entier.

Morbillivirus glycoprotein expression induces ER stress, alters Ca2+ homeostasis and results in the release of vasostatin.

Although the pathology of Morbillivirus in the central nervous system (CNS) is well described, the molecular basis of neurodegenerative events still remains poorly understood. As a model to explore Morbillivirus-mediated CNS dysfunctions, we used canine distemper virus (CDV) that we inoculated into two different cell systems: a monkey cell line (Vero) and rat primary hippocampal neurons. Importantly, the recombinant CDV used in these studies not only efficiently infects both cell types but recapitulates the uncommon, non-cytolytic cell-to-cell spread mediated by virulent CDVs in brain of dogs. Here, we demonstrated that both CDV surface glycoproteins (F and H) markedly accumulated in the endoplasmic reticulum (ER). This accumulation triggered an ER stress, characterized by increased expression of the ER resident chaperon calnexin and the proapoptotic transcription factor CHOP/GADD 153. The expression of calreticulin (CRT), another ER resident chaperon critically involved in the response to misfolded proteins and in Ca(2+) homeostasis, was also upregulated. Transient expression of recombinant CDV F and H surface glycoproteins in Vero cells and primary hippocampal neurons further confirmed a correlation between their accumulation in the ER, CRT upregulation, ER stress and disruption of ER Ca(2+) homeostasis. Furthermore, CDV infection induced CRT fragmentation with re-localisation of a CRT amino-terminal fragment, also known as vasostatin, on the surface of infected and neighbouring non-infected cells. Altogether, these results suggest that ER stress, CRT fragmentation and re-localization on the cell surface may contribute to cytotoxic effects and ensuing cell dysfunctions triggered by Morbillivirus, a mechanism that might potentially be relevant for other neurotropic viruses.

Neurobiology of addiction: the role of transcription factors CREB and C/EBP as well as that of their coactivators

Résumé Le présent travail de thèse a fait face au défi de lier les changements transcriptionnels dans les neurones du système nerveux central au développement de l'addiction aux drogues. I1 est connu que l'apprentissage induit des modifications au niveau de la structure du cerveau, principalement en changeant la manière dont les neurones sont interconnectés par des synapses. De plus en plus d'évidences soutiennent un scénario selon lequel l'activité neuronale déclenche des cascades de signalisation intracellulaire qui ciblent des facteurs de transcription. Ces derniers peuvent activer la transcription de gènes spécifiques qui codent pour des protéines nécessaires au renforcement des synapses mémorisant ainsi la nouvelle information. Puisque l'addiction peut être considérée comme une forme aberrante d'apprentissage, et que les modifications synaptiques sont connues pour être impliquées dans le processus d'addiction, nous essayons de décrire des mécanismes transcriptionels étant à la base des changements synaptiques induits par les drogues. Comme modèle nous utilisons des cultures primaires des neurones de striatum, d'hippocampe et de cortex de souris ainsi que des tranches de cerveau de rat. Une des caractéristiques communes de quasiment toutes les substances addictives est de pouvoir activer le système mésolimbique dopaminergique provoquant la libération de dopamine sur les neurones du striatum (du noyau accumbens). Dans ce travail de thèse nous démontrons que dans des cultures du striatum, la dopamine induit le facteur de transcription C/EBPβ qui, à son tour, provoque l'expression du gène codant pour la substance P. Ce mécanisme pourrait potentiellement contribuer à la tolérance envers les drogues puisqu'il fait partie d'une rétroaction (feed-back) sur les cellules produisant la dopamine. Etant donné que ces résultats montrent l'importance de C/EBPβ dans la psychopathologie de l'addiction, nous avons également décidé d'étudier les mécanismes fondamentaux de l'activation de la transcription par C/EBPβ. Nos expériences démontrent que trois isoformes activatrices de la famille C/EBP recrutent le coactivateur CBP et provoquent en même temps sa phosphorylation. Enfin, nous montrons que les coactivateurs nommés TORC, nouvellement découverts et clonés, sont capables de détecter la coïncidence d'un signal cAMP et d'une entrée de calcium dans des neurones. Par conséquent les TORCs pourraient contribuer à détecter la coïncidence d'un signal glutamate et d'un signal dopamine dans les neurones de striatum, ce qui pourrait être important pour associer les effets hédonistes de la drogue à l'information contextuelle (par exemple à l'environnement où la drogue a été consommée). Nous sommes les premiers à observer que les TORCs sont nécessaires pour la potentiation à long terme dans l'hippocampe. Summary The present thesis work faced the challenge to link the development of drug addiction to transcriptional changes in the neurons of the central nervous system. Experience and learning are known to induce structural modifications in the brain, and these changes are thought to occur mainly in the way neurons are interconnected by synapses. More and more evidences point to a scenario in which neuronal activity would activate signalization cascades that impinge on transcription factors, which, in turn, would activate genes necessary for the reinforcement of synapses coding for new informations. Given that drug addiction can be considered as an aberrant form of learning and is thought to involve synaptic modifications, we try to elucidate some of the transcriptional mechanisms that could underlie drug-induced synaptic changes. As a model system, we use primary cultures of striatal, cortical and hippocampal neurons dissected from mouse embryos as well as brain slices from rats. One of the common features of virtually all drugs of abuse is to activate the mesocorticolimbic dopaminergic system that results in the release of dopamine onto the neurons of the striatum (nucleus accumbens). In this thesis work we show that in striatal cultures, dopamine induces the transcription factor C/EBPβ that in turn drives the expression of the gene coding for substance P. This mechanism is likely to be important for the drug-induced tolerance in the brain since it might be a part of a feedback acting on dopaminergic neurons. Given the suspected importance of C/EBPβ in drug addiction, we also try to elucidate some aspects of the basic mechanisms by which the C/EBP family activates transcription. We show that three activating members of the C/EBP family recruit the coactivator CBP and trigger its phosphorylation. Finally, we demonstrate that the newly discovered and cloned transcriptional coactivators, named TORCs (transducers of regulated CREB activity) are able to detect the coincidence of a calcium and a cAMP signal in the central nervous system. This way, TORCs could contribute to the detection of a coincidence between a glutamate and a dopamine signal in striatal neurons - a process that is suggested to be important for an association between the rewarding effect of a drug and contextual information (such as the environment where the drug had been taken). We demonstrate that TORCs are required for hippocampal LTP.