Sporozoite-mediated hepatocyte wounding limits Plasmodium parasite development via MyD88-mediated NF-kappa B activation and inducible NO synthase expression

Plasmodium sporozoites traverse several host cells before infecting hepatocytes. In the process, the plasma membranes of the cells are ruptured, resulting in the release of cytosolic factors into the microenvironment. This released endogenous material is highly stimulatory/immunogenic and can serve as a danger signal initiating distinct responses in various cells. Thus, our study aimed at characterizing the effect of cell material leakage during Plasmodium infection on cultured mouse primary hepatocytes and HepG2 cells. We observed that wounded cell-derived cytosolic factors activate NF-kappaB, a main regulator of host inflammatory responses, in cells bordering wounded cells, which are potential host cells for final parasite infection. This activation of NF-kappaB occurred shortly after infection and led to a reduction of infection load in a time-dependent manner in vitro and in vivo, an effect that could be reverted by addition of the specific NF-kappaB inhibitor BAY11-7082. Furthermore, no NF-kappaB activation was observed when Spect(-/-) parasites, which are devoid of hepatocyte traversing properties, were used. We provide further evidence that NF-kappaB activation causes the induction of inducible NO synthase expression in hepatocytes, and this is, in turn, responsible for a decrease in Plasmodium-infected hepatocytes. Furthermore, primary hepatocytes from MyD88(-/-) mice showed no NF-kappaB activation and inducible NO synthase expression upon infection, suggesting a role of the Toll/IL-1 receptor family members in sensing cytosolic factors. Indeed, lack of MyD88 significantly increased infection in vitro and in vivo. Thus, host cell wounding due to parasite migration induces inflammation which limits the extent of parasite infection

Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells.

The recent discovery of melanopsin-expressing retinal ganglion cells that mediate the pupil light reflex has provided new insights into how the pupil responds to different properties of light. These ganglion cells are unique in their ability to transduce light into electrical energy. There are parallels between the electrophysiologic behavior of these cells in primates and the clinical pupil response to chromatic stimuli. Under photopic conditions, a red light stimulus produces a pupil constriction mediated predominantly by cone input via trans-synaptic activation of melanopsin-expressing retinal ganglion cells, whereas a blue light stimulus at high intensity produces a steady-state pupil constriction mediated primarily by direct intrinsic photoactivation of the melanopsin-expressing ganglion cells. Preliminary data in humans suggest that under photopic conditions, cones primarily drive the transient phase of the pupil light reflex, whereas intrinsic activation of the melanopsin-expressing ganglion cells contributes heavily to sustained pupil constriction. The use of chromatic light stimuli to elicit transient and sustained pupil light reflexes may become a clinical pupil test that allows differentiation between disorders affecting photoreceptors and those affecting retinal ganglion cells.

Role of hepatocyte wounding on " Plasmodium " liver-stage development and survival

RESUME La première étape primordiale au cycle de vie du Plasmodium dans un hôte mammifère est l'invasion des hepatocytes par des sporozoites. L'infection finale des hepatocytes est précédée de la traversée de plusieurs cellules hôtes, rompant les membranes plasmiques et ayant comme résultat la sécrétion des facteurs cytotoliques dans le micro-environnement. Ce matériel endogène libéré est fortement stimulant/immunogène et peut servir de signal de danger initiant des réponses distinctes dans diverses cellules. De nos jours, le caractère essentiel et salutaire de la migration des sporozoites comme étape d'infection du Plasmodium est vivement controversée. Ainsi, notre étude a visé à caractériser l'effet de l'interaction du parasite avec ses cellules hôtes d'un point de vue immunologique. En particulier, nous avons voulu évaluer l'effet de la perte de matériel cellulaire pendant l'infection de Plasmodium sur les hepatocytes primaires de souris et sur des cultures cellulaires HepG2. Nous avons observé que les facteurs cytotoxiques dérivés des cellules endommagés activent NF-κB - un important régulateur de réponse inflammatoires -dans des cellules voisines des cellules endommagés, qui sont des cellules hôtes potentielles pour l'infection finale du parasite. Cette activation de NF-κB s'est produite peu de temps après l'infection et a mené in vitro et in vivo à une réduction d'infection de façon dépendante du temps, un effet qui a pu être compensé par l'addition de BAY11-7082, un inhibiteur spécifique de NF-κB. De plus, aucune activation de NF-κB avec des parasites SPECT-/-, incapables de traverser les hepatocytes, n'a été observée. Nous avons montré parla suite que l'activation de NF-κB induit l'expression de l'enzyme iNOS dans les hepatocytes, qui est responsable d'une diminution des hepatocytes infectés. En outre, les hepatocytes primaires des souris MyD88-/- n'ont montré ni activation de NF-κB, ni expression d'iNOS lors de l'infection, ce qui suggère la participation des membres de famille du Toll/IL-1 récepteur dans la reconnaissance des facteurs cytosoxiques. En effet, le manque de MyD88 a augmenté significativement l'infection in vitro et in vivo. D'autre part, un rôle bénéfique pour l'activation de NF-κB a été évalué. Les cellules infectées étaient plus résistantes contre l'apoptose induite par Fas (CD95/Apo-1) que les cellules non infectées ou les cellules infectées dans lesquelles NF-κB a été bloqué par BAY11-7082 in vitro. Paradoxalement, l'expression d'iNOS contribue à la protection des cellules infectées contre l'apoptose pax Fas, puisque le traitement avec l'inhibiteur spécifique SMT (S-methylisothiourea) a rendu les cellules infectées plus susceptibles à l'apoptose. Un effet bénéfique additionnel pour le parasite est que la plupart des cellules hôtes traversées présentent des peptides du parasite aux cellules T cytotoxiques spécifiques et peuvent donc réorienter la réaction immune spécifique sur les cellules non infectées. Nous montrons que les cellules hôtes endommagés par la migration du parasite induit l'inflammation, qui limite l'ampleur de l'infection. D'autre part, nos données soutiennent que la survie du parasite Plasmodium dans le foie est assurée par une augmentation de la résistance des hepatocytes contre l'apoptose. SUMMARY The first obligatory step of the Plasmodium life cycle in the mammalian host is the invasion of hepatocytes by sporozoites. Final hepatocyte infection involves the penetration of several host cells, whose plasma membranes are ruptured in the process, resulting in the release of cytosolic factors into the microenvironment. This released endogenous material is highly stimulatory / immunogenic and can serve as a danger signal initiating distinct responses in various cells. To date, it is highly controversial whether sporozoite migration through hepatocytes is an essential and beneficial step for Plasmodium infection. Thus, our study aimed at characterizing the effect of the interaction of the parasite with its host cells from an immunological point of view In particular, we wanted to evaluate the effect of cell material leakage during Plasmodium infection on cultured mouse primary hepatocytes and HepG2 cells. We observed that wounded cell-derived cytosolic factors activate NF-κB - a main regulator of host inflammatory responses - in cells bordering wounded cells, which are potential host cells for final parasite infection. This activation of NF-κB occurred shortly after infection and led to a reduction of infection load in a time dependent manner in vitro and in viva, an effect that could be reverted by addition of the specific NF-κB inhibitor BAY11-7082. In addition, no NF-κB activation was observed when SPECT-/- parasites, which are devoid of hepatocyte traversing properties, were used. We provide further evidence that NF-κB activation causes the induction of inducible nitric oxide synthase (iNOS) expression in hepatocytes, and this is, in turn, responsible for a decrease in Plasmodium-infected hepatocytes. Furthermore, primary hepatocytes from MyD88-/- mice showed no NF-κB activation and iNOS expression upon infection, suggesting a role of the Toll/IL-1 receptor family members in sensing cytosolic factors. Indeed, lack of MyD88 significantly increased infection in vitro and in vivo. In a further complementary series of experiments, we assessed a possible beneficial role for the activation of NF-κB. Infected cells were more resistant to Fas (CD95/Apo-1)-mediated apoptosis than uninfected cells or infected cells in which NF-κB was blocked by BAYl1-7082 in vitro. Paradoxically, iNOS expression contributes to the protection of infected cells from Fas-induced apoptosis, since treatment with the specific iNOS inhibitor SMT (S-Methylisothiourea Sulfate) rendered the infected cells more susceptible to apoptosis. An additional beneficial effect of host cell traversal for the parasite is the fact that mainly traversed cells present parasite-derived peptides to specific cytotoxic T cells and therefore may redirect the specific immune response to uninfected cells. In summary, we have shown that host cells wounded by parasite migration induce inflammation, which limits the extent of parasite infection. In addition, our data support the notion that survival of Plasmodium parasites in the liver is mediated by increasing the resistance of hepatocytes to Fas-induced apoptosis.

Study of the physiological role of RasGAP cleavage

Résume Les caspases sont un groupe de protéases à cystéine qui s?activent lors de l'apoptose. Leur activation induit le clivage de nombreuses cibles intracellulaires, conduisant à l'activation de voies pro-apoptotiques et finalement au démantèlement des cellules. Cependant, des caspases ont été décrites dans de nombreux autres processus indépendants de l'apoptose, notamment dans la physiologie des cellules hématopoïétiques, des cellules musculaires, des cellules de la peau et des neurones. Comment est-ce que les cellules réconcilient-elles ces deux fonctions distinctes? Une partie de la réponse réside dans la nature des substrats qu'elles clivent. Certains substrats, une fois clivées, deviennent anti-apoptotiques. RasGAP est une cible des caspases et contient deux sites spécifiques de clivage par les caspases. Lorsque le niveau d?activité des caspases est faible le clivage de RasGAP produit un fragment N-terminal qui active un signal antiapoptotique, relayé par la voie de Ras/PI3K/Akt. Lorsque le niveau d?activité des caspases est plus élevé le fragment RasGAP N-terminal est à nouveau clivé, perdant de ce fait ses propriétés anti-apoptotiques. Dans cette étude, nous avons mis en évidence que l'activation de la voie Ras/PI3K/Akt induite par le fragment RasGAP N-terminal dépend de RasGAP lui-même. Par ailleurs, dans le but d?étudier l?importance du clivage de RasGAP dans un contexte physiologique, nous avons développé un modèle animal exprimant une gêne mutée de RasGAP de sorte que la protéine est devenu insensible a l?action de caspases. Les données préliminaires obtenues montrent que le clivage de RasGAP n'est pas indispensable pour le développement et l?homéostasie chez la souris. Finalement, nous avons développé une souris transgénique surexprimant le fragment de RasGAP N-terminal dans les cellules ß du pancréas. Les animaux obtenus ne montrent pas de symptômes dans les conditions basales bien qu?ils soient plus résistants au diabète induit expérimentalement. Ces résultats montrent que la surexpression du fragment N-terminal de RasGAP protége efficacement les cellules ß du pancréas de l?apoptose induite par le stress sans pourtant affecter d?autres paramètres physiologiques des Ilot de Langerhans.<br/><br/>Caspases are a series of proteases that are activated during apoptosis. Their activation causes the cleavage of numerous intracellular targets, which leads to cell dismantling and activation of pro-apoptotic pathways. Caspases have been found to be involved in the physiology of numerous cell types including haematopoietic cells, muscle cells, skin cells and neurons. How cells conciliate these two opposite functions? Part of the answer lies in the nature of the substrates they cleave. Some substrates become anti-apoptotic once cleaved by caspases. RasGAP is a caspase substrate that possesses two conserved caspase-cleavage sites. At low caspase activity, RasGAP is first cleaved and the generated N-terminal fragment activates a potent anti-apoptotic signal, mediated by the Ras/PI3K/Akt pathway. At higher caspase activity, the N-terminal fragment is further cleaved thereby losing its anti-apoptotic properties. In the present study we show that the activation of the Ras/PI3K/Akt pathway mediated by RasGAP N-terminal fragment is dependent on RasGAP itself. Moreover, to study the role of RasGAP cleavage in a physiological model, we have developed a knock-in mouse model expressing a RasGAP mutant that is not cleavable by caspases. Preliminary data shows that RasGAP cleavage is not required for normal development and homeostasis in mice. Finally, we have developed a transgenic mouse model overexpressing RasGAP N-terminal fragment in the ß-cell of the pancreas. In basal conditions, these mice show no difference with their wt counterparts. However, they are protected against experimentally induced diabetes. These results indicate that fragment N can protect ? cells from stress-induced apoptosis without affecting other physiological parameters of the Islets.

Making sense of AMPA receptor trafficking by modeling molecular mechanisms of synaptic plasticity.

Synaptic plasticity involves a complex molecular machinery with various protein interactions but it is not yet clear how its components give rise to the different aspects of synaptic plasticity. Here we ask whether it is possible to mathematically model synaptic plasticity by making use of known substances only. We present a model of a multistable biochemical reaction system and use it to simulate the plasticity of synaptic transmission in long-term potentiation (LTP) or long-term depression (LTD) after repeated excitation of the synapse. According to our model, we can distinguish between two phases: first, a "viscosity" phase after the first excitation, the effects of which like the activation of NMDA receptors and CaMKII fade out in the absence of further excitations. Second, a "plasticity" phase actuated by an identical subsequent excitation that follows after a short time interval and causes the temporarily altered concentrations of AMPA subunits in the postsynaptic membrane to be stabilized. We show that positive feedback is the crucial element in the core chemical reaction, i.e. the activation of the short-tail AMPA subunit by NEM-sensitive factor, which allows generating multiple stable equilibria. Three stable equilibria are related to LTP, LTD and a third unfixed state called ACTIVE. Our mathematical approach shows that modeling synaptic multistability is possible by making use of known substances like NMDA and AMPA receptors, NEM-sensitive factor, glutamate, CaMKII and brain-derived neurotrophic factor. Furthermore, we could show that the heteromeric combination of short- and long-tail AMPA receptor subunits fulfills the function of a memory tag.

Identification of an agrin mutation that causes congenital myasthenia and affects synapse function.

We report the case of a congenital myasthenic syndrome due to a mutation in AGRN, the gene encoding agrin, an extracellular matrix molecule released by the nerve and critical for formation of the neuromuscular junction. Gene analysis identified a homozygous missense mutation, c.5125G>C, leading to the p.Gly1709Arg variant. The muscle-biopsy specimen showed a major disorganization of the neuromuscular junction, including changes in the nerve-terminal cytoskeleton and fragmentation of the synaptic gutters. Experiments performed in nonmuscle cells or in cultured C2C12 myotubes and using recombinant mini-agrin for the mutated and the wild-type forms showed that the mutated form did not impair the activation of MuSK or change the total number of induced acetylcholine receptor aggregates. A solid-phase assay using the dystrophin glycoprotein complex showed that the mutation did not affect the binding of agrin to alpha-dystroglycan. Injection of wild-type or mutated agrin into rat soleus muscle induced the formation of nonsynaptic acetylcholine receptor clusters, but the mutant protein specifically destabilized the endogenous neuromuscular junctions. Importantly, the changes observed in rat muscle injected with mutant agrin recapitulated the pre- and post-synaptic modifications observed in the patient. These results indicate that the mutation does not interfere with the ability of agrin to induce postsynaptic structures but that it dramatically perturbs the maintenance of the neuromuscular junction.

Long-term changes in synaptic transmission of the lateral amygdala induced by strong "in vitro" activation

Résumé : L'amygdale latérale (AL) joue un .rôle essentiel dans la plasticité synaptique à la base du conditionnement de la peur. Malgré le faite que la majorité des cellules de l'AL reçoivent les afférentes nécessaires, une potentialisation dans seulement une partie d'entre elles est obligatoire afin que l'apprentissage de la peur ait lieu. Il a été montré que ces cellules expriment la forme active de CREB, et celui-ci a été associé aux cellules dites de type 'nonaccomrnodating' (nAC). Très récemment, une étude a impliqué les circuits récurrents de l'AL dans le conditionnement de la peur. Un lien entre ces deux observations n'a toutefois jamais été établi. t Nous avons utilisé un protocole in vitro de forte activation de l'AL, résultant dans l'induction de 'bursts' provenant de l'hippocampe et se propageant jusqu'à l'AL. Dans l'AL ces 'bursts' atteignent toutes les cellules et se propagent à travers plusieurs chemins. Utilisant ce protocole, nous avons, pour la première fois pu associer dans l'AL, des cellules connectées de manière récurrente avec des cellules de type nAC. Aussi bien dans ces dernières que dans les cellules de type 'accommodating' (AC), une diminution dans la transmission inhibitrice, à la fois exprimée de manière pré synaptique mais également indépendant de la synthèse de protéine a pu être observé. Au contraire, une potentialisation induite et exprimée au niveau pré synaptique ainsi que dépendante de la synthèse de protéine a pu être trouvé uniquement dans les cellules de type nAC. De plus, une hyperexcitabilité, dépendante des récepteurs NMDA a pu être observé, avec une sélection préférentielle des cellules du type nAC dans la génération de bursts. Nous avons également pu démontrer que la transformation d'un certain nombre de cellules de type AC en cellules dites nAC accompagnait cette augmentation générale de l'excitabilité de l'AL. Du faite da la grande quantité d'indices suggérant une connexion entre le système noradrénergique et les états de peur/d'anxiété, les effets d'une forte activation de l'AL sur ce dernier ont été investigués et ont révélés une perte de sa capacité de modulation du 'spiking pattern'. Finalement, des changements au niveau de l'expression d'un certain nombre de gènes, incluant celui codant pour le BDNF, a pu être trouvé à la suite d'une forte activation de l'AL. En raison du lien récemment décrit entre l'expression de la forme active de CREB et des cellules de type nAC ainsi que celui de l'implication des cellules de l'AL connectés de manière récurrente dans l'apprentissage de la peur, nos résultats nous permettent de suggérer un modèle expliquant comment la potentialisation des connections récurrentes entre cellules de type nAC pourrait être à la base de leur recrutement sélectif pendant le conditionnement de la peur. De plus, ils peuvent offrir des indices par rapport aux mécanismes à travers lesquels une sous population de neurones peut être réactivée par une stimulation externe précédemment inefficace, et induire ainsi un signal suffisamment fort pour qu'il soit transmit aux structures efférentes de l'AL. Abstract : The lateral nucleus of the amygdala (LA) is critically involved in the plasticity underlying fear-conditioned learning (Sah et al., 2008). Even though the majority of cells in the LA receive the necessary sensory inputs, potentiation in only a subset is required for fear learning to occur (Repa et al., 2001; Rumpel et al., 2005). These cells express active CREB (CAMP-responsive element-binding protein) (Han et al., 200, and this was related to the non-accommodating (nAC) spiking phenotype (Viosca et al., 2009; Zhou et al., 2009). In addition, a very recent study implicated recurrently connected cells of the LA in fear conditioned learning (Johnson et al., 2008). A link between the two observations has however never been made. In rats, we used an in vitro protocol of strong activation of the LA, resulting in bursting activity, which spread from the hippocampus to the LA. Within the LA, this activity reached all cells and spread via a multitude of pathways. Using this model, we were able to link, for the first time, recurrently connected cells in the LA with cells of the nAC phenotype. While we found a presynaptically expressed, protein synthesis independent decrease in inhibitory synaptic transmission in both nAC and accommodating (AC) cells, only nAC cells underwent a presynaptically induced and expressed, protein synthesis dependent potentiation. Moreover we observed an NMDA dependent hyperexcitability of the LA, with a preferential selection of nAC cells into burst generation. The transformation of a subset of AC cells into nAC cells accompanied this general increase in LA excitability. Given the considerable evidence suggesting a relationship between the central noradrenergic (NA) system and fear/anxiety states (Itoi, 2008), the effects of strong activation of the LA on the noradrenergic system were investigated, which revealed a loss of its modulatory actions on cell spiking patterns. Finally, we found changes in the expression levels of a number of genes; among which the one coding for $DNF, to be induced by strong activation of the LA. In view of the recently described link between nAC cells and expression of pCREB (phosphorylated cAMP-responsive element-binding protein) as well as the involvement of recurrently connected cells of the LA in fear-conditioned learning, our findings may provide a model of how potentiation of recurrent connections between nAC neurons underlies their recruitment into the fear memory trace. Additionally, they may offer clues as to the mechanisms through which a selected subset of neurons can be reactivated by smaller, previously ineffective external stimulations to respond with a sufficiently strong signal, which can be transmitted to downstream targets of the LA.

Reduced Prostasin (CAP1/PRSS8) Activity Eliminates HAI-1 and HAI-2 Deficiency-Associated Developmental Defects by Preventing Matriptase Activation.

Loss of either hepatocyte growth factor activator inhibitor (HAI)-1 or -2 is associated with embryonic lethality in mice, which can be rescued by the simultaneous inactivation of the membrane-anchored serine protease, matriptase, thereby demonstrating that a matriptase-dependent proteolytic pathway is a critical developmental target for both protease inhibitors. Here, we performed a genetic epistasis analysis to identify additional components of this pathway by generating mice with combined deficiency in either HAI-1 or HAI-2, along with genes encoding developmentally co-expressed candidate matriptase targets, and screening for the rescue of embryonic development. Hypomorphic mutations in Prss8, encoding the GPI-anchored serine protease, prostasin (CAP1, PRSS8), restored placentation and normal development of HAI-1-deficient embryos and prevented early embryonic lethality, mid-gestation lethality due to placental labyrinth failure, and neural tube defects in HAI-2-deficient embryos. Inactivation of genes encoding c-Met, protease-activated receptor-2 (PAR-2), or the epithelial sodium channel (ENaC) alpha subunit all failed to rescue embryonic lethality, suggesting that deregulated matriptase-prostasin activity causes developmental failure independent of aberrant c-Met and PAR-2 signaling or impaired epithelial sodium transport. Furthermore, phenotypic analysis of PAR-1 and matriptase double-deficient embryos suggests that the protease may not be critical for focal proteolytic activation of PAR-2 during neural tube closure. Paradoxically, although matriptase auto-activates and is a well-established upstream epidermal activator of prostasin, biochemical analysis of matriptase- and prostasin-deficient placental tissues revealed a requirement of prostasin for conversion of the matriptase zymogen to active matriptase, whereas prostasin zymogen activation was matriptase-independent.

Brain-derived neurotrophic factor enhances the expression of the monocarboxylate transporter 2 through translational activation in mouse cultured cortical neurons.

MCT2 is the predominant neuronal monocarboxylate transporter allowing lactate use as an alternative energy substrate. It is suggested that MCT2 is upregulated to meet enhanced energy demands after modifications in synaptic transmission. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a promoter of synaptic plasticity, significantly increased MCT2 protein expression in cultured cortical neurons (as shown by immunocytochemistry and western blot) through a translational regulation at the synaptic level. Brain-derived neurotrophic factor can cause translational activation through different signaling pathways. Western blot analyses showed that p44/p42 mitogen-activated protein kinase (MAPK), Akt, and S6 were strongly phosphorylated on BDNF treatment. To determine by which signal transduction pathway(s) BDNF mediates its upregulation of MCT2 protein expression, the effect of specific inhibitors for p38 MAPK, phosphoinositide 3-kinase (PI3K), mammalian target of rapamycin (mTOR), mitogen-activated protein kinase (MAPK)/extracellular signal-regulated kinase (ERK) kinase (MEK), p44/p42 MAPK (ERK), and Janus kinase 2 (JAK2) was evaluated. It could be observed that the BDNF-induced increase in MCT2 protein expression was almost completely blocked by all inhibitors, except for JAK2. These data indicate that BDNF induces an increase in neuronal MCT2 protein expression by a mechanism involving a concomitant stimulation of PI3K/Akt/mTOR/S6, p38 MAPK, and p44/p42 MAPK. Moreover, our observations suggest that changes in MCT2 expression could participate in the process of synaptic plasticity induced by BDNF.

Cytotoxins of the human pathogen Aeromonas hydrophila trigger, via the NLRP3 inflammasome, caspase-1 activation in macrophages.

Aeromonas hydrophila is a Gram-negative pathogen that causes serious infectious disease in humans. A. hydrophila induces apoptosis in infected macrophages, but the host proinflammatory responses triggered by macrophage death are largely unknown. Here, we demonstrate that the infection of mouse macrophages with A. hydrophila triggers the activation of caspase-1 and release of IL-1β. Caspase-1 activation was abrogated in macrophages deficient in Nod-like receptor family, pyrin domain containing 3 (NLRP3) and apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase recruitment domain (ASC), but not NLR family, CARD domain containing 4 (NLRC4). The activation of the NLRP3 inflammasome was mediated by three cytotoxins (aerolysin, hemolysin and multifunctional repeat-in-toxin) produced by A. hydrophila. Our results indicated that the NLRP3 inflammasome senses A. hydrophila infection through the action of bacterial cytotoxins.

Nitric oxide induces the expression of the monocarboxylate transporter MCT4 in cultured astrocytes by a cGMP-independent transcriptional activation.

The monocarboxylate transporter MCT4 is a proton-linked carrier particularly important for lactate release from highly glycolytic cells. In the central nervous system, MCT4 is exclusively expressed by astrocytes. Surprisingly, MCT4 expression in primary cultures of mouse cortical astrocytes is conspicuously low, suggesting that an external, nonastrocytic signal is necessary to obtain the observed pattern of expression in vivo. Here, we demonstrate that nitric oxide (NO), delivered by various NO donors, time- and dose-dependently induces MCT4 expression in cultured cortical astrocytes both at the mRNA and protein levels. In contrast, NO does not enhance the expression of MCT1, the other astrocytic monocarboxylate transporter. The transcriptional effect of NO is not mediated by a cGMP-dependent mechanism as shown by the absence of effect of a cGMP analog or of a selective guanylate cyclase inhibitor. NO causes an increase in astrocytic lactate transport capacity which requires the enhancement of MCT4 expression as both are prevented by the use of a specific siRNA against MCT4. In addition, cumulated lactate release by astrocytes over a period of 24 h was also enhanced by NO treatment. Our data suggest that NO represents a putative intercellular signal to control MCT4 expression in astrocytes and in doing so, to facilitate lactate transfer to other surrounding cell types in the central nervous system. © 2011 Wiley-Liss, Inc.

CXCR4-activated astrocyte glutamate release via TNFalpha: amplification by microglia triggers neurotoxicity.

Astrocytes actively participate in synaptic integration by releasing transmitter (glutamate) via a calcium-regulated, exocytosis-like process. Here we show that this process follows activation of the receptor CXCR4 by the chemokine stromal cell-derived factor 1 (SDF-1). An extraordinary feature of the ensuing signaling cascade is the rapid extracellular release of tumor necrosis factor-alpha (TNFalpha). Autocrine/paracrine TNFalpha-dependent signaling leading to prostaglandin (PG) formation not only controls glutamate release and astrocyte communication, but also causes their derangement when activated microglia cooperate to dramatically enhance release of the cytokine in response to CXCR4 stimulation. We demonstrate that altered glial communication has direct neuropathological consequences and that agents interfering with CXCR4-dependent astrocyte-microglia signaling prevent neuronal apoptosis induced by the HIV-1 coat glycoprotein, gp120IIIB. Our results identify a new pathway for glia-glia and glia-neuron communication that is relevant to both normal brain function and neurodegenerative diseases.

A study of the translational regulation exerted by some neuroactive substances on the expression of the monocarboxylate transporter MCT2 in cultured cortical neurons

Summary of the thesis Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate, and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood brain barrier as well as out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal form and little is known about the regulation of its expression. The neurotransmitter noradrenaline (NA) was shown previously to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here, we demonstrate that two other substances, namely, insulin and IGF-1 enhance MCT2 protein expression in cultured mouse cortical neurons in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. This result confirmed that MCT2 protein expression is translationally regulated and extend the observation to different types of neuroactive substances. Then we sought to determine by which signaling pathway(s) NA, insulin and IGF-1 can induce MCT2 protein expression. First, we observed by Western blot that all three substances cause activation of the MAP kinase ERK as well as the kinase Akt via their phosphorylation. Moreover, the mTOR/S6K pathway which is known to play an important role in translation initiation regulation was also strongly stimulated by all three substances. Second, we sought to determine the implication of these signaling pathways on the NA-, insulin- and IGF-1-induced enhancement of MCT2 protein expression and used specific inhibitors of these signaling pathways. We observed that the Pia kinase and mTOR inhibitors LY294002 and rapamycin respectively, strongly prevent the enhancement. of MCT2 expression caused by either NA, insulin ar IGF-1. In contrast, the MEK inhibitor PD98059 and the p38 MAP kinase inhibitor SB202190 had only a slight effect on the enhancement of MCT2 expression in all three cases. These results suggest that NA, insulin and IGF-1 regulate MCT2 protein expression by a common mechanism most likely involving the Akt/PKB pathway and translational activation via mTOR. In conclusion, considering the roles of NA, insulin and IGF-1 in synaptic plasticity, the tight translational regulation of MCT2 expression by these substances may represent a common mechanism through which supply of potentiated synapses with nonglucose energy substrates can be adapted to the level of activity. Résumé du travail de thèse Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergétiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famille de transporteurs spécifiques, protons-dépendants, appelés transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que le neurotransmetteur noradrénaline (NA) augmente l'expression de MCT2 dans les cultures de neurones corticaux de souris par le biais d'un mécanisme de régulation traductionnel. La présente étude nous a permis de démontrer que deux autres substances, l'insuline et 17GF-1, induisent une augmentation de la protéine MCT2 dans ces mêmes cultures selon un décours temporel et une gamme de concentrations particulière. Etonnamment, aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Ce résultat .confirme que la protéine MCT2 est régulée de manière traductionnelle et révèle que différentes substances neuro-actives peuvent réguler l'expression de MCT2. Compte tenu de ces observations, nous avons voulu déterminer par quelle(s) voie(s) de signalisation la NA, l'insuline et l'IGF-1 exercent leur effet sur l'expression de MCT2. Dans un premier temps, nous avons pu observer par Western blot que ces trois substances activent la MAP kinase ERK ainsi que la kinase Akt via leur phasphorylation. De plus, la voie mTOR/S6K, connue pour son implication dans la régulation de l'initiation de la traduction est aussi fortement activée par ces trois substances. Dans un second temps, nous avons voulu déterminer I implication de chacune de ces voies de signalisation dans l'augmentation de l'expression de la protéine MCT2 observée après stimulation à la NA, à l'insuline et à l'IGF-1. Pour ce faire, nous avons utilisé des inhibiteurs spécifiques de chacune de ces voies. (Vous avons observé que les inhibiteurs des voies PI3 kinase et mTOR (LY294002 et rapamycin respectivement), prévenaient fortement l'augmentation de l'expression de MCT2 induite par la NA, l'insuline ou (IGF-1. A l'inverse, les inhibitions de la MAP kinase .kinase MEK ainsi que de la MAP kinase p38 (par l'utilisation des inhibiteurs spécifiques PD98059 et SB202190 respectivement) n'ont eu qu'un léger effet dans ces mêmes conditions. Ces résultats suggèrent que la NA, 'l'insuline et I~GF-1 régulent l'expression de la protéine MCT2 par un mécanisme commun impliquant probablement la voie Akt/PKB et l'activation de la traduction via mTOR. En conclusion, considérant l'implication de la NA, de l'insuline et de I`IGF-1 dans la plasticité synaptique, le contrôle traductionnel étroit exercé par ces substances sur l'expression de MCT2 pourrait être un moyen d'alimenter en substrats énergétiques autres que le glucose les synapses activées et également d'adapter l'approvisionnement en substrats énergétiques au niveau d'activité. Résumé « grand public » Le cerveau est un organe qui réalise des tâches complexes nécessitant un apport important en énergie. La principale source d'énergie du cerveau est le glucose. Bien que le cerveau ne représente que 2% de la masse corporelle, il consomme à lui seul plus de 25% du glucose et 20% de l'oxygène provenant de la circulation sanguine. La nécessité d'un tel apport en énergie réside dans la nature -même du fonctionnement des milliards de neurones qui utilisent des signaux électriques et chimiques pour communiquer entre eux. Hormis l'utilisation massive du glucose comme source d'énergie, le cerveau est capable de consommer d'autres substrats énergétiques dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques. Les monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) font partie de ces autres sources d'énergie. Contrairement au glucose, les monocarboxylates ne diffusent pas facilement de la circulation sanguine vers les neurones. Afin de pouvoir être consommés par les neurones, ils doivent être transportés par un système adapté. Ce sont des transporteurs appelés transporteurs aux monocarboxylates ou MCT qui permettent le passage de ces substrats énergétiques du sang vers les neurones. Le but de ce travail de thèse a été de comprendre comment est régulée l'expression de MCT2, l'un de ces transporteurs exprimé spécifiquement à la surface des neurones. Cette étude nous a permis de mettre en évidence que le neurotransmetteur noradrénaline ainsi que les hormones insuline et IGF-1 (insulinlike growth factor-1) sont capables d'induire une augmentation d'expression de MCT2 à la surface des neurones en culture. Nous avons ensuite voulu déterminer par quels mécanismes de signalisation ces substances agissent sur l'expression de MCT2. Nous avons pu observer que la surexpression de la protéine MCT2 est due à une augmentation d'activité traductionnelle (la traduction étant une des étapes qui permet la synthèse des protéines) induite par le biais d'une voie de signalisation particulière. En conclusion, lorsque la noradrénaline, l'insuline ou 17GF-1 agissent sur les neurones, la traduction de la protéine MCT2 est activée et on observe une augmentation de l'expression de MCT2. Ce mécanisme pourrait permettre d'augmenter l'apport énergétique au niveau des neurones en augmentant le nombre de transporteurs pour les substrats énergétiques que sont les monocarboxylates. D'un point de vue physiologique, cette régulation d'expression pourrait jouer un rôle primordial dans des situations d'apprentissage et de mémorisation. Sur le plan pathologique, cela pourrait permettre de prévenir les dommages causes aux neurones dans certains cas d'atteintes cérébrales.

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

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

FIST/HIPK3: a Fas/FADD-interacting serine/threonine kinase that induces FADD phosphorylation and inhibits fas-mediated Jun NH(2)-terminal kinase activation.

Fas is a cell surface death receptor that signals apoptosis. Several proteins have been identified that bind to the cytoplasmic death domain of Fas. Fas-associated death domain (FADD), which couples Fas to procaspase-8, and Daxx, which couples Fas to the Jun NH(2)-terminal kinase pathway, bind independently to the Fas death domain. We have identified a 130-kD kinase designated Fas-interacting serine/threonine kinase/homeodomain-interacting protein kinase (FIST/HIPK3) as a novel Fas-interacting protein. Binding to Fas is mediated by a conserved sequence in the COOH terminus of the protein. FIST/HIPK3 is widely expressed in mammalian tissues and is localized both in the nucleus and in the cytoplasm. In transfected cell lines, FIST/HIPK3 causes FADD phosphorylation, thereby promoting FIST/HIPK3-FADD-Fas interaction. Although Fas ligand-induced activation of Jun NH(2)-terminal kinase is impaired by overexpressed active FIST/HIPK3, cell death is not affected. These results suggest that Fas-associated FIST/HIPK3 modulates one of the two major signaling pathways of Fas.