Differential effects of glutamate transporter inhibitors on the global electrophysiological response of astrocytes to neuronal stimulation

Astrocytes are responsible for regulating extracellular levels of glutamate and potassium during neuronal activity. Glutamate clearance is handled by glutamate transporter subtypes glutamate transporter 1 and glutamate-aspartate transporter in astrocytes. DL-threo-beta-benzyloxyaspartate (TBOA) and dihydrokainate (DHK) are extensively used as inhibitors of glial glutamate transport activity. Using whole-cell recordings, we characterized the effects of both transporter inhibitors on afferent-evoked astrocyte currents in acute cortical slices of 3-week-old rats. When neuronal afferents were stimulated, passive astrocytes responded by a rapid inward current followed by a persistent tail current. The first current corresponded to a glutamate transporter current. This current was inhibited by both inhibitors and by tetrodotoxin. The tail current is an inward potassium current as it was blocked by barium. Besides inhibiting transporter currents, TBOA strongly enhanced the tail current. This effect was barium-sensitive and might be due to a rise in extracellular potassium level and increased glial potassium uptake. Unlike TBOA, DHK did not enhance the tail current but rather inhibited it. This result suggests that, in addition to inhibiting glutamate transport, DHK prevents astrocyte potassium uptake, possibly by blockade of inward-rectifier channels. This study revealed that, in brain slices, glutamate transporter inhibitors exert complex effects that cannot be attributed solely to glutamate transport inhibition.

Mechanistic insights into cytosolic molecular chaperones in protein unfolding and disaggregation

Under optimal non-physiological conditions of low concentrations and low temperatures, proteins may spontaneously fold to the native state, as all the information for folding lies in the amino acid sequence of the polypeptide. However, under conditions of stress or high protein crowding as inside cells, a polypeptide may misfold and enter an aggregation pathway resulting in the formation of misfolded conformers and fibrils, which can be toxic and lead to neurodegenerative illnesses, such as Alzheimer's, Parkinson's or Huntington's diseases and aging in general. To avert and revert protein misfolding and aggregation, cells have evolved a set of proteins called molecular chaperones. Here, I focussed on the human cytosolic chaperones Hsp70 (DnaK) and HspllO, and co-chaperone Hsp40 (DnaJ), and the chaperonin CCT (GroEL). The cytosolic molecular chaperones Hsp70s/Hspll0s and the chaperonins are highly upregulated in bacterial and human cells under different stresses and are involved both in the prevention and the reversion of protein misfolding and aggregation. Hsp70 works in collaboration with Hsp40 to reactivate misfolded or aggregated proteins in a strict ATP dependent manner. Chaperonins (CCT and GroEL) also unfold and reactivate stably misfolded proteins but we found that it needed to use the energy of ATP hydrolysis in order to evict over- sticky misfolded intermediates that inhibited the unfoldase catalytic sites. Ill In this study, we initially characterized a particular type of inactive misfolded monomeric luciferase and rhodanese species that were obtained by repeated cycles of freeze-thawing (FT). These stable misfolded monomeric conformers (FT-luciferase and FT-rhodanese) had exposed hydrophobic residues and were enriched with wrong ß-sheet structures (Chapter 2). Using FT-luciferase as substrate, we found that the Hsp70 orthologs, called HspllO (Sse in yeast), acted similarly to Hsp70 as were bona fide ATP- fuelled polypeptide unfoldases and was much more than a mere nucleotide exchange factor, as generally thought. Moreover, we found that HspllO collaborated with Hsp70 in the disaggregation of stable protein aggregates in which Hsp70 and HspllO acted as equal partners that synergistically combined their individual ATP-consuming polypeptide unfoldase activities to reactivate the misfolded/aggregated proteins (Chapter 3). Using FT-rhodanese as substrate, we found that chaperonins (GroEL and CCT) could catalytically reactivate misfolded rhodanese monomers in the absence of ATP. Also, our results suggested that encaging of an unfolding polypeptide inside the GroEL cavity under a GroES cap was not an obligatory step as generally thought (Chapter 4). Further, we investigated the role of Hsp40, a J-protein co-chaperone of Hsp70, in targeting misfolded polypeptides substrates onto Hsp70 for unfolding. We found that even a large excess of monomeric unfolded a-synuclein did not inhibit DnaJ, whereas, in contrast, stable misfolded a-synuclein oligomers strongly inhibited the DnaK-mediated chaperone reaction by way of sequestering the DnaJ co-chaperone. This work revealed that DnaJ could specifically distinguish, and bind potentially toxic stably aggregated species, such as soluble a-synuclein oligomers involved in Parkinson's disease, and with the help of DnaK and ATP convert them into from harmless natively unfolded a-synuclein monomers (chapter 5). Finally, our meta-analysis of microarray data of plant and animal tissues treated with various chemicals and abiotic stresses, revealed possible co-expressions between core chaperone machineries and their co-chaperone regulators. It clearly showed that protein misfolding in the cytosol elicits a different response, consisting of upregulating the synthesis mainly of cytosolic chaperones, from protein misfolding in the endoplasmic reticulum (ER) that elicited a typical unfolded protein response (UPR), consisting of upregulating the synthesis mainly of ER chaperones. We proposed that drugs that best mimicked heat or UPR stress at increasing the chaperone load in the cytoplasm or ER respectively, may prove effective at combating protein misfolding diseases and aging (Chapter 6).  - Dans les conditions optimales de basse concentration et de basse température, les protéines vont spontanément adopter un repliement natif car toutes les informations nécessaires se trouvent dans la séquence des acides aminés du polypeptide. En revanche, dans des conditions de stress ou de forte concentration des protéines comme à l'intérieur d'une cellule, un polypeptide peu mal se replier et entrer dans un processus d'agrégation conduisant à la formation de conformères et de fibrilles qui peuvent être toxiques et causer des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson ou la chorée de Huntington. Afin d'empêcher ou de rectifier le mauvais repliement des protéines, les cellules ont développé des protéines appelées chaperonnes. Dans ce travail, je me suis intéressé aux chaperonnes cytosoliques Hsp70 (DnaK) et HspllO, la co-chaperones Hsp40 (DnaJ), le complexe CCT/TRiC et GroEL. Chez les bactéries et les humains, les chaperonnes cytosoliques Hsp70s/Hspl 10s et les « chaperonines» sont fortement activées par différentes conditions de stress et sont toutes impliquées dans la prévention et la correction du mauvais repliement des protéines et de leur agrégation. Hsp70 collabore avec Hsp40 pour réactiver les protéines agrégées ou mal repliées et leur action nécessite de 1ATP. Les chaperonines (GroEL) déplient et réactivent aussi les protéines mal repliées de façon stable mais nous avons trouvé qu'elles utilisent l'ATP pour libérer les intermédiaires collant et mal repliés du site catalytique de dépliage. Nous avons initialement caractérisé un type particulier de formes stables de luciférase et de rhodanese monomériques mal repliées obtenues après plusieurs cycles de congélation / décongélation répétés (FT). Ces monomères exposaient des résidus hydrophobiques et étaient plus riches en feuillets ß anormaux. Ils pouvaient cependant être réactivés par les chaperonnes Hsp70+Hsp40 (DnaK+DnaJ) et de l'ATP, ou par Hsp60 (GroEL) sans ATP (Chapitre 2). En utilisant la FT-Luciferase comme substrat nous avons trouvé que HspllO (un orthologue de Hsp70) était une authentique dépliase, dépendante strictement de l'ATP. De plus, nous avons trouvé que HspllO collaborait avec Hsp70 dans la désagrégation d'agrégats stables de protéines en combinant leurs activités dépliase consommatrice d'ATP (Chapitre 3). En utilisant la FT-rhodanese, nous avons trouvé que les chaperonines (GroEL et CCT) pouvaient réactiver catalytiquement des monomères mal repliés en absence d'ATP. Nos résultats suggérèrent également que la capture d'un polypeptide en cours de dépliement dans la cavité de GroEL et sous un couvercle du complexe GroES ne serait pas une étape obligatoire du mécanisme, comme il est communément accepté dans la littérature (Chapitre 4). De plus, nous avons étudié le rôle de Hsp40, une co-chaperones de Hsp70, dans l'adressage de substrats polypeptidiques mal repliés vers Hsp70. Ce travail a révélé que DnaJ pouvait différencier et lier des polypeptide mal repliés (toxiques), comme des oligomères d'a-synucléine dans la maladie de Parkinson, et clairement les différencier des monomères inoffensifs d'a-synucléine (Chapitre 5). Finalement une méta-analyse de données de microarrays de tissus végétaux et animaux traités avec différents stress chimiques et abiotiques a révélé une possible co-expression de la machinerie des chaperonnes et des régulateurs de co- chaperonne. Cette meta-analyse montre aussi clairement que le mauvais repliement des protéines dans le cytosol entraîne la synthèse de chaperonnes principalement cytosoliques alors que le mauvais repliement de protéines dans le réticulum endoplasmique (ER) entraine une réponse typique de dépliement (UPR) qui consiste principalement en la synthèse de chaperonnes localisées dans l'ER. Nous émettons l'hypothèse que les drogues qui reproduisent le mieux les stress de chaleur ou les stress UPR pourraient se montrer efficaces dans la lutte contre le mauvais repliement des protéines et le vieillissement (Chapitre 6).

Post-transcriptional regulation of circadian gene expression by miRNAs

La grande majorité des organismes vivants ont développé un système d'horloges biologiques internes, appelées aussi horloges circadiennes, contrôlant l'expression de gênes impliqués dans de nombreux processus moléculaires et comportementaux. Au cours de la dernière décennie, des analyses « microarray » et séquençages à haut débit sur divers tissus de mammifères, indiquent que jusqu'à 20% du transcriptome serait sous contrôle circadien. Il était jusqu'à présent admis que la majorité des ARNm ayant une accumulation rythmique était générée par une transcription qui était elle-même rythmique. Toutefois, de récentes études ont suggéré qu'une proportion considérable des ARNm cycliques serait en fait générée par des mécanismes post-transcriptionnelles, incluant une régulation par micro-ARN (miARN). Lorsque j'ai débuté mon travail de thèse, l'influence des miARN sur l'expression des gènes circadiens, au niveau pangénomique, était encore méconnue. Par l'utilisation d'un modèle murin, dont la biogenèse des miARN a été spécifiquement désactivée au niveau des cellules hépatiques (knockout conditionnel pour Dicer), je me suis donc intéressée au rôle que jouaient ces molécules régulatrices sur la rythmicité de l'expression génique dans le foie. Des séquençages sur l'ensemble du transcriptome révèlent que l'horloge interne du foie est étonnement résistante à la perte totale des miARN. Nous avons cependant trouvé que les miARN agissent de façon importante sur la régulation de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge moléculaire. La corégulation par les miARN, affectant jusqu'à 30% des gènes transcrits de façon rythmiques, conduit ainsi à une modulation de phase et d'amplitude du rythme de l'abondance des ARNm. En revanche, seuls peu de transcrits dépendent uniquement des miARN pour la rythmicité de leur accumulation. Enfin, mon travail met en évidence plusieurs miARN spécifiques, qui semblent préférentiellement moduler l'expression des gènes cycliques et permet l'identification de voies hépatiques particulièrement sujettes à une double régulation par les miARN et l'horloge biologique interne. La première masse d'analyses a essentiellement porté sur le rôle que jouent les miARN au niveau de l'expression des gènes contrôlés par l'horloge interne. Dans deux études de suivi, je me suis penchée sur deux aspects supplémentaires et complémentaires de la manière dont les miARN et l'oscillation de l'expression des gènes interagissent. Dans les hépatocytes murins, spécifiquement privés de Dicer, je me suis demandée si un phénotype horloge avait pu être masqué, dû à un entraînement stable de l'horloge du foie par l'horloge maîtresse du cerveau. J'ai donc commencé une série d'expériences ambitieuses (impliquant la mesure de la rythmicité du foie in vivo, chez l'animal vivant) afin de déséquilibrer l'entrainement de l'horloge hépatique via l'utilisation d'un protocole nutritionnel spécifique. Les premiers résultats suggèrent que dans des conditions où l'animal subit une restriction alimentaire pendant la journée, les miARN sont importants dans la cinétique d'adaptation des organes périphériques à un nouvel horaire de sustentation. Dans une deuxième ligne de recherche, j'ai plus profondément étudié quels seraient les miARN responsables des rythmes post-transcriptionnels des ARNm, en utilisant le séquençage de « small » ARN sur 24h. L'analyse est en cours et se poursuivra après l'obtention de mon diplôme. De façon générale, mon travail révèle d'importants et nouveaux rôles des miARN dans la modulation de l'expression circadienne des gènes hépatiques. De plus, le set de données générées dans l'étude déjà publiée, peut dorénavant servir de ressource valable pour de prochaines investigations sur le rôle physiologique que les miARN jouent au niveau du foie. -- Most living organisms have developed internal timing systems, called circadian clocks, to drive the rhythmic expression of genes involved in many molecular and behavioral processes. Over the last decade, microarray analyses and high- throughput sequencing from various mammalian tissues have indicated that up to 20% of the transcriptome are under circadian control. It was generally assumed that the majority of rhythmic mRNA accumulation is generated by rhythmic transcription. However, recent studies have suggested that a considerable proportion of mRNA cycling may actually be generated by post-transcriptional mechanisms, including by microRNAs. When I started my thesis work, it was still unknown how miRNAs influence circadian gene expression in a genome-wide fashion. Using a mouse model in which miRNA biogenesis can be inactivated in hepatocytes (conditional Dicer knockout mouse), I have thus addressed the role that these regulatory molecules play in rhythmic gene expression in the liver. Whole transcriptome sequencing revealed that the hepatic core clock was surprisingly resilient to total miRNA loss. However, we found that miRNAs acted as important regulators of clock-controlled gene expression. Co- regulation by miRNAs, which affected up to 30% of rhythmically transcribed genes, thus led to the modulation of phases and amplitudes of mRNA abundance rhythms. By contrast, only very few transcripts were strictly dependent on miRNAs for their rhythmic accumulation. Finally, my work highlights several specific miRNAs that appear to preferentially modulate cyclic gene expression, and identifies pathways in the liver that are particularly prone to dual regulation through miRNAs and the clock. The first bulk of analyses mainly dealt with the role that miRNAs play at the level of rhythmic clock output gene expression. In two follow-up studies I further delved into two additional, complementary aspects of how miRNAs and gene expression oscillations interact. First, I addressed whether a core clock phenotype in the hepatocyte-specific Dicer knockout could have been masked due to the stable entrainment of the liver clock by the animals' master clock in the brain. I thus started a series of ambitious experiments (involving the in vivo recording of liver rhythms in live animals) to bring the stable entrainment of the liver clock out of equilibrium using specific feeding protocols. My first results suggest that under conditions when animals are challenged by food restriction to daytime, miRNAs are important for the kinetics of adapting to unusual mealtime in peripheral tissue. In a second line of research, I have more carefully investigated which miRNAs are responsible for post- transcriptional mRNA rhythms using small RNA sequencing around-the-clock. The analyses are ongoing and will be continued after my graduation. Overall, my work uncovered important and novel roles of miRNA activity in shaping hepatic circadian gene expression; moreover, the datasets collect in the published studies can serve as a valuable resource for further investigations into the physiological roles that miRNAs play in liver. -- L'alternance du jour et de la nuit dirige depuis longtemps la vie quotidienne des êtres humains et de la plupart des organismes sur terre. Ce cycle de 24 heures façonne beaucoup de changements comportementaux et physiologiques tels que la vigilance, la température corporelle et le sommeil. Les rythmes journaliers, appelés rythmes circadiens, sont dirigés par des horloges biologiques tournant dans presque chaque cellule du corps. Une structure dans le cerveau agit en tant qu'horloge maitresse pour synchroniser les horloges internes entre elles et en fonction des signaux de jour/nuit extérieurs. Dans les cellules "les gènes de l'horloge" sont activés et désactivés une fois par jour ce qui déclenche des cycles dans lesquels des protéines sont produites de manière circadienne. Ces rythmes protéiques sont spécialisés pour chaque tissu ou organe et peuvent les aider à réaliser leurs tâches quotidiennes. Les rythmes circadiens peuvent être générés d'autres manières n'impliquant pas directement les composants des gènes de l'horloge. Les ARN messagers (ARNm) sont des molécules intermédiaires dans la production de protéines à partir d'ADN. Dans le foie des souris jusqu'à 20% des molécules d'ARNm sont produites suivant des rythmes circadiens. Le foie réalise des tâches essentielles dans le contrôle du métabolisme incluant celui des hydrates de carbone, des graisses et du cholestérol. Un timing précis est important afin de traiter les substances nutritives correctement lors des repas il en résulte une variation des quantités de certains ARNm et protéines coïncidant avec les repas. Les microARNs constituent une autre classe de molécules ARN de très petite taille qui régulent l'efficacité de traduction des ARNm en protéines et la stabilité des ARNm. Lors de mon travail de thèse, j'ai exploré de manière approfondie l'influence de ces petits régulateurs sur les rythmes circadiens du foie de souris. Ces expériences qui impliquaient le "Knock-out" d'un gène essentiel à la production de microARNs montrent qu'au lieu de générer les rythmes des ARNm, les microARNs les ajustent pour répondre aux besoins spécifiques du foie comme assurer leur pic au bon moment de la journée. Le ciblage de microARNs spécifiques peut révéler de nouvelles stratégies pour rectifier ces rythmes lorsque par exemple les fonctions métaboliques ne fonctionnent plus normalement. -- The rising and setting of the sun have long driven the daily schedules of humans and most organisms on the earth. This 24-hr cycle shapes many behavioural and physiological changes, such as alertness, body temperature, and sleep. These daily rhythms, which are called circadian rhythms, are dictated by biological clocks that are ticking in almost every single cell of the body. A region in the brain acts as a master clock to synchronize the internal clocks with each other and with the outside light/dark cycles. In cells, "core clock genes" are turned on and off once per day, which triggers cycles that cause some proteins to be produced in a circadian manner. The protein rhythms are specialized to a particular tissue or organ, and may help them to carry out their designated daily tasks. However, circadian rhythms might also be produced by other ways that do not involve these core clock components. Messenger RNAs (mRNAs) are intermediate molecules in the production of proteins from DNA. In the mouse liver, up to 20% of mRNA molecules are produced in circadian cycles. The liver performs essential tasks that control metabolism-including that of carbohydrates, fats, and cholesterol. Precisely timing when certain mRNAs and proteins reach peaks and troughs in their activities to coincide with mealtimes is important for nutrients to be properly processed. Other RNA molecules called microRNAs, i.e. RNAs of very small size, regulate at which rate mRNA molecules are translated into proteins. In my thesis work, I have explored at the influence of these small regulators on circadian rhythms in the mouse liver in greater detail. These experiments, which involved "knocking out" a gene that is essential for the production of microRNAs, show that rather than generating the mRNA rhythms, the microRNAs appear to adjust them to meet the specific needs of the liver, such as ensuring that they peak at the right time-of-day. Targeting specific microRNA molecules may reveal new strategies to tweak these rhythms, which could help to improve conditions when metabolic functions go wrong.