Experimental approaches in the targeting of photodynamic therapeutics

RÉSUMÉ : Chez l'homme, le manque de sélectivité des agents thérapeutiques représente souvent une limitation pour le traitement des maladies. Le ciblage de ces agents pour un tissu défini pourrait augmenter leur sélectivité et ainsi diminuer les effets secondaires en comparaison d'agents qui s'accumuleraient dans tout le corps. Cela pourrait aussi améliorer l'efficacité des traitements en permettant d'avoir une concentration localisée plus importante. Le ciblage d'agents thérapeutiques est un champ de recherche très actif. Les stratégies sont généralement basées sur les différences entre cellules normales et malades. Ces différences peuvent porter soit sur l'expression des molécules à leurs surfaces comme des récepteurs ou des transporteurs, soit sur les activités enzymatiques exprimées. Le traitement thérapeutique choisi ici est la thérapie photodynamique et est déjà utilisé pour le traitement de certains cancers. Cette thérapie repose sur l'utilisation de molécules qui réagissent à la lumière, les photosensibilisants. Elles absorbent l'énergie lumineuse et réagissent avec l'oxygène pour former des radicaux toxiques pour les cellules. Les photosensibilisants utilisés ici sont de deux natures : (i) soit ils sont tétrapyroliques (comme les porphyrines et chlorines), c'est à dire qu'ils sont directement activables par la lumière ; (ii) soit ce sont des prodrogues de photosensibilisants comme l'acide 5aminolévulinique (ALA) qui est transformé dans la cellule en protoporphyrine IX photosensibilisante. Dans le but d'augmenter la sélectivité des photosensibilisants, nous avons utilisé deux stratégies différentes : (i) le photosensibilisant est modifié par le greffage d'un agent de ciblage ; (ii) le photosensibilisant est incorporé dans des structures moléculaires de quelques centaines de nanomètres. Les sucres et l'acide folique sont des agents de ciblage largement établis et ont été utilisés ici car leurs récepteurs sont surexprimés à la surface de nombreuses cellules malades. Ainsi, des dérivés sucres ou acide folique de l'ALA ont été synthétisés et évalués in vitro sur de nombreuses lignées cellulaires cancéreuses. La stratégie utilisant l'acide folique est apparue incompatible avec l'utilisation de l'ALA puisque aucune photosensibilité n'a été induite par le composé. La stratégie utilisant les sucres a, par ailleurs, provoquée de bonnes photosensibilités mais pas d'augmentation de sélectivité. En parallèle, la combinaison entre les propriétés anticancéreuses des complexes métalliques au ruthénium avec les propriétés photosensibilisantes des porphyrines, a été évaluée. En effet, les thérapies combinées ont émergé il y a une dizaine d'années et représentent aujourd'hui de bonnes alternatives aux monothérapies classiques. Des ruthenium(I1)-arènes complexés avec la tetrapyridylporphyrine ont ainsi présenté de bonnes cytotoxicités et de bonnes phototoxicités pour des cellules de mélanomes. Des porphyrines ont aussi été compléxées avec des noyaux de diruthénium et ce type de dérivé a présenté de bonnes phototoxicités et une bonne sélectivité pour les cellules cancéreuses de l'appareil reproducteur féminin. L'incorporation de photosensibilisants tétrapyroliques a finalement été effectuée en utilisant des nanoparticules (NP) biocompatibles composées de chitosan et de hyaluronate. L'effet de ces NP a été évalué pour le traitement de la polyarthrite rhumatoïde (PR). Les NP ont d'abord été testées in vitro avec des macrophages de souris et les résultats ont mis en évidence de bonnes sélectivités et photosensibilités pour ces cellules. In vivo chez un modèle marin de la PR, l'utilisation de ces NP a révélé un plus grand temps de résidence des NP dans le genou de la souris en comparaison du temps obtenu avec le photosensibilisant seul. Le traitement par PDT a aussi démontré une bonne efficacité par ailleurs égale à celle obtenue avec les corticoïdes utilisés en clinique. Pour finir, les NP ont aussi démontré une bonne efficacité sur les myelomonocytes phagocytaires humains et sur les cellules contenues dans le liquide synovial de patients présentant une PR. Tous ces résultats suggèrent que les deux stratégies de ciblage peuvent être efficaces pour les agents thérapeutiques. Afm d'obtenir de bons résultats, il est toutefois nécessaire de réaliser une analyse minutieuse de la cible et du mode d'action de l'agent thérapeutique. Concernant les perspectives, la combinaison des deux stratégies c'est à dire incorporer des agents thérapeutiques dans des nanostructures porteuses d'agents de ciblage, représente probablement une solution très prometteuse. SUMMARY : In humans, the lack of selectivity of drugs and their high effective concentrations often represent limitations for the treatment of diseases. Targeting the therapeutical agents to a defined tissue could enhance their selectivity and then diminish their side effects when compared to drugs that accumulate in the entire body and could also improve treatment efûciency by allowing a localized high concentration of the agents. Targeting therapeutics to defined cells in human pathologies is a main challenge and a very active field of research. Strategies are generally based on the different behaviors and patterns of expression of diseased cells compared to normal cells such as receptors, proteases or trans-membrane carriers. The therapeutic treatment chosen here is the photodynamic therapy and is already used in the treatment of many cancers. This therapy relies on the administration of a photosensitizer (PS) which will under light, react with oxygen and induce formation of reactive oxygen species which are toxic for cells. The PSs used here are either tetrapyrolic (i. e. porphyries and chlorins) or prodrugs of PS (5-aminolevulinic acid precursor of the endogenous protoporphyrin Imo. In order to improve PS internalization and selectivity, we have used two different strategies: the modification of the PSs with diseased cell-targeting agents as well as their encapsulation into nanostructures. Sugars and folic acid are well established as targeting entities for diseased cells and were used here since their transporters are overexpressed on the surface of many cancer cells. Therefore sugar- and folic acid-derivatives of 5-aminolevulinic acid (ALA) were synthesized and evaluated in vitro in several cancer cell lines. The folic acid strategy appeared to be incompatible with ALA since no photosensitivity was induced while the strategy with sugars induced good photosensitivites but no increase of selectivity. Alternatively, the feasibility of combining the antineoplastic properties of ruthenium complexes with the porphyrin's photosensitizing properties, was evaluated since combined therapies have emerged as good alternatives to classical treatments. Tetrapyridylporphyrins complexed to ruthenium (I17 arenes presented good cytotoxicities and good phototoxicities toward melanoma cells. Porphyries were also complexed to diruthenium cores and this type of compound presented good phototoxicities and good selectivity for female reproductive cancer cells. The encapsulation of tetrapyrolic PSs was finally investigated using biocompatible nanogels composed of chitosan and hyaluronate. The behavior of these nanoparticles was evaluated for the treatment of rheumatoid arthritis (RA). They were first tested in vitro in mouse macrophages and results revealed good selectivities and phototoxicities toward these cells. In vivo in mice model of RA, the use of such nanoparticles instead of free PS showed longer time of residence in mice knees. Photodynamic protocols also demonstrated good efficiency of the treatment comparable to the corticoid injection used in the clinic. Finally our system was also efficient in human cells using phagocytic myelomonocytes or using cells of synovial fluids taken from patients with RA. Altogether, these results revealed that both strategies of modification or encapsulation of drugs can be successful in the targeting of diseased cells. However, a careful analysis of the target and of the mode of action of the drug, are needed in order to obtain good results. Looking ahead to the future, the combination of the two strategies (i.e. drugs loaded into nanostructures bearing the targeting agents) would represent probably the best solution.

Effects of genetic alterations in arbuscular mycorrhizal fungi on plant growth and on their response to a change of host

Abstract :The majority of land plants form the symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). The AM symbiosis has existed for hundreds of millions of years but little or no specificity seems to have co- evolved between the partners and only about 200 morphospecies of AMF are known. The fungi supply the plants most notably with phosphate in exchange for carbohydrates. The fungi improve plant growth, protect them against pathogens and herbivores and the symbiosis plays a key role in ecosystem productivity and plant diversity. The fungi are coenocytic, grow clonally and no sexual stage in their life cycle is known. For these reasons, they are presumed ancient asexuals. Evidence suggests that AMF contain populations of genetically different nucleotypes coexisting in a common cytoplasm. Consequently, the nucleotype content of new clonal offspring could potentially be altered by segregation of nuclei at spore formation and by genetic exchange between different AMF. Given the importance of AMF, it is surprising that remarkably little is known about the genetics and genomics of the fungi.The main goal of this thesis was to investigate the combined effects of plant species differences and of genetic exchange and segregation in AMF on the symbiosis. This work showed that single spore progeny can receive a different assortment of nucleotypes compared to their parent and compared to other single spore progeny. This is the first direct evidence that segregation occurs in AMF. We then showed that both genetic exchange and segregation can lead to new progeny that differentially alter plant growth compared to their parents. We also found that genetic exchange and segregation can lead to different development of the fungus during the establishment of the symbiosis. Finally, we found that a shift of host species can differentially alter the phenotypes and genotypes of AMF progeny obtained by genetic exchange and segregation compared to their parents.Overall, this study confirms the multigenomic state of the AMF Glomus intraradices because our findings are possible only if the fungus contains genetically different nuclei. We demonstrated the importance of the processes of genetic exchange and segregation to produce, in a very short time span, new progeny with novel symbiotic effects. Moreover, our results suggest that different host species could affect the fate of different nucleotypes following genetic exchange and segregation in AMF, and can potentially contribute to the maintenance of genetic diversity within AMF individuals. This work brings new insights into understanding how plants and fungi have coevolved and how the genetic diversity in AMF can be maintained. We recommend that the intra-ir1dividual AMF diversity and these processes should be considered in future research on this symbiosis.Résumé :La majorité des plantes terrestres forment des symbioses avec les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA). Cette symbiose existe depuis plusieurs centaines de millions d'années mais peu ou pas de spécificité semble avoir co-évoluée entre les partenaires et seulement 200 morpho-espèces de CEA sont connues. Le champignon fournit surtout aux plantes du phosphate en échange de carbohydrates. Le champignon augmente la croissance des plantes, les protège contre des pathogènes et herbivores et la symbiose joue un rôle clé dans la productivité des écosystèmes et de la diversité des plantes. Les CEA sont coenocytiques, se reproduisent clonalement et aucune étape sexuée n'est connue dans leur cycle de vie. Pour ces raisons, ils sont présumés comme anciens asexués. Des preuves suggèrent que les CEA ont des populations de nucleotypes différents coexistant dans un cytoplasme commun. Par conséquent, le contenu en nucleotype des nouveaux descendants clonaux pourrait être altéré par la ségrégation des noyaux lors de la fonnation des spores et par l'échange génétique entre différents CEA. Etant donné l'importance des CEA, il est surprenant que si peu soit connu sur la génétique et la génomique du champignon.Le principal but de cette thèse a été d'étudier les effets combinés de différentes espèces de plantes et des mécanismes d'échange génétique et de ségrégation chez les CEA sur la symbiose. Ce travail a montré que chaque nouvelle spore produite pouvait recevoir un assortiment différent de noyaux comparé au parent ou comparé à d'autres nouvelles spores. Ceci est la première preuve directe que la ségrégation peut se produire chez les CEA. Nous avons ensuite montré qu'à la fois l'échange génétique et la ségrégation pouvaient mener à de nouveaux descendants qui altèrent différemment la croissance des plantes, comparé à leurs parents. Nous avons également trouvé que l'échange génétique et la ségrégation pouvaient entraîner des développements différents du champignon pendant l'établissement de la symbiose. Pour finir, nous avons trouvé qu'un changement d'espèce de l'hôte pouvait altérer différemment les phénotypes et génotypes des descendants issus d'échange génétique et de ségrégation, comparé à leurs parents.Globalement, cette étude confirme l'état multigénomique du CEA Glumus intraradices car nous résultats sont possibles seulement si le champignon possède des noyaux génétiquement différents. Nous avons démontrés l'importance des mécanismes d'échange génétique et de ségrégation pour produire en très peu de temps de nouveaux descendants ayant des effets symbiotiques nouveaux. De plus, nos résultats suggèrent que différentes espèces de plantes peuvent agir sur le devenir des nucleotypes après l'échange génétique et la ségrégation chez les CEA, et pourraient contribuer à la maintenance de la diversité génétique au sein d'un même CEA. Ce travail apporte des éléments nouveaux pour comprendre comment les plantes et les champignons ont coévolué et comment la diversité génétique chez les CEA peut être maintenue. Nous recommandons de considérer la diversité génétique intra-individuelle des CEA et ces mécanismes lors de futures recherches sur cette symbiose.

Densité, centralité et qualité urbaine : la notion d'intensité, outil pour une gestion adaptative des formes urbaines?

L'urbanisme durable réinterprète et réinvente le modèle de la ville dense. Il reconsidère les avantages de la proximité et pense l'organisation des relations entre la forme urbaine, les fonctions, les usages et les significations de la ville dans une visée de production de la qualité urbaine. Qualifier la ville c'est inscrire de la valeur dans l'espace. C'est faire de la ville un « trésor d'espaces », donner vie aux quartiers, organiser la mobilité, agencer des noyaux d'urbanité différenciés afin d'intensifier leurs multiples valeurs d'usage (économiques, sociales, écologiques, esthétiques). L'intensité urbaine révèle forcément la présence humaine et la manière dont la ville est vécue, représentée, signifiée et appropriée par ses habitants. L'article explore la notion d'intensité comme outil pour une gestion adaptative des densités urbaines et des tensions qu'elles engendrent. C'est aussi un plaidoyer pour une densification régulée dans une ville plurielle, réticulaire et polycentrique.

Effets de la stimulation sousthalamique bilatérale sur la voix et la parole de patients parkinsoniens

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative atteignant 1-2% des¦personnes de plus de 60 ans (1). Ses signes cliniques ont été décrits par James Parkinson¦en 1817 dans : « An essay on the Shaking palsy» (2). Les signes cardinaux sont le¦tremblement de repos, la rigidité et la bradykinésie. Certaines définitions y ajoutent l'instabilité¦posturale. D'autres manifestations, non motrices, telles qu'une dysfonction autonome et¦sensitive, des troubles de l'humeur, des troubles du sommeil et des démences peuvent¦apparaître en cours d'évolution. Le traitement actuel de la MP est principalement¦pharmacologique. Il consiste en l'administration du précurseur de la dopamine, la levodopa¦(L-dopa). Pourtant, l'utilisation à long terme de la L-dopa induit des fluctuations motrices telles¦que dyskinésies et dystonies. Au cours du siècle dernier, de nombreux traitements¦chirurgicaux ont été tentés, en particulier des procédures ablatives (thalamotomie,¦pallidotomie, subthalamotomie). Elles ont le désavantage d'induire des séquelles non¦négligeables telles que des parésies et des troubles neurocognitifs. La chirurgie ablative a¦été abandonnée avec l'arrivée de la L-dopa dans les années 1960. Les limitations de la¦thérapie par la L-dopa associées aux améliorations de la neuro-imagerie, de la sécurité des¦procédures neurochirurgicales ainsi que des techniques d'implantation ont permis le¦développement de procédures stimulatrices dans les années 1990. La stimulation cérébrale¦profonde des noyaux sous-thalamiques est devenue une stratégie thérapeutique bien établie¦chez les patients atteints d'une MP avancée. Malgré une excellente réponse motrice des¦membres, l'impact de la stimulation cérébrale profonde sur la parole est controversé (2).¦Le but de cette étude est de déterminer l'influence aigüe des stimulateurs sous-thalamiques¦sur des paramètres objectifs et quantitatifs, ainsi que sur un paramètre subjectif de la¦dysarthrie parkinsonienne. Nous allons comparer dans notre groupe de patients deux¦conditions successives: patient avec stimulateurs éteints et sans médication (OFF/nm)¦versus avec stimulateurs allumés et sans médication (ON/nm). Nous allons ensuite effectuer¦des analyses statistiques afin de déterminer si les stimulateurs sous-thalamiques ont un effet¦aigu bénéfique ou non sur certains paramètres vocaux, puis sur l'intelligibilité globale de la¦parole. En effet, l'intelligibilité nous informe sur la capacité de communication du patient avec¦son entourage.

Genetic variability in Arbuscular Mycorrhizal Fungi : effect on gene transcription of "Oryza Sativa"

AbstractArbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) form obligate symbioses with the majority of land plants. These fungi influence the diversity and productivity of plants. AMF are unusual organisms, harbouring genetically different nuclei in a common cytoplasm (known as heterokaryosis). Genetic variability has been shown between AMF individuals coming from the same population. Recent findings showed that genetic exchange between genetically different AMF individuals was possible. Additionnaly, segregation was shown to occur at spore formation in AMF. These two processes were shown to increase genetic variability between AMF individuals.Because of the difficulty to study these organisms, almost nothing is known about the effect of intra-specific genetic variability in AMF on the plant transcriptome. The aim of this thesis was to bring insights into the effect of intra-specific genetic variability in AMF on plant gene transcription. We demonstrated that genetic exchange could influence expression of some symbiosis specific plant genes and the timing of the colonization of the fungi in plant roots. We also showed that segregation could have a large impact on plant gene transcription. Taken together, these results demonstrated that AMF intra-specific variability could profoundly affect the life of plants by altering various molecular pathways. Moreover, results obtained on rice open a field of research on AMF genetics in impromvment of growth in agricultural plants and should be taken into account for future experiments.RésuméLes champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment une symbiose obligatoire avec la majorité des plantes sur terre. Ces champignons peuvent influencer la diversité et la productivité des plantes avec lesquelles ils forment la symbiose. Les CEA sont des organismes particuliers de part le fait qu'ils possèdent des noyaux génétiquement différents (appelés hétérocaryosis) dans un cytoplasme commun. Il a été montré qu'il existait de la variabilité génétique intra-specific chez les CEA. De plus, des études recentes ont montré que l'échange génétique chez les CEA était possible entre des individus génétiquement différents tout comme la ségrégation qui a aussi été démontrée au moment de la formation des nouvelles spores chez les CEA. Ces deux processus ont été montrés comme pouvant créer aussi de la variabilité génétique intra-specific.Du fait de la difficulté de travailler avec les CEA et à cause de la nouveauté de ces recherches, très peu de choses sont connues sur l'effet de l'échange génétique et de la ségrégation chez les CEA sur les plantes, et particulièrement au niveau moléculaire. Le but de cette thèse a été d'apporter la lumière sur les effets de la viariabilité génétique intra-specific chez les CEA, sur la transcription des gènes chez la plante. Nous avons pu montrer que l'échange génétique pouvait avoir des effets sur l'expression de gènes spécifiques à cette symbiose mais aussi pouvait influencer le timing de colonisation des racines de plantes par les CEA. Nous avons aussi montré que la ségrégation pouvait grandement influencer le transcriptome complet de la plante, et pas seulement les voies métaboliques spécifiques à la symbiose comme cela avait été montré auparavant.L'ensemble de ces résultats démontre l'importance de la variation intra-specific chez les CEA sur les plantes et leur implication sur leur cycle de vie en changeant l'expression de voies métaboliques. De plus, ces résultats obtenus sur le riz ouvrent un champ de recherches sur les plantes destinées à l'agriculture et devraient être pris en compte pour des expériences futures.

Distinct neuronal circuits underlying the bahavioral and physiological components of the fear response

Abstract : Expression of fear involves changes in a number of behavioral and physiological parameters that are triggered by the central amygdala (CeA). The fear circuit also includes a series of brain stem nuclei that are the final effectors of the changes induced by the fear reaction. The CeA expresses many different neuropeptide receptors that can modulate fear responses. Today, the precise organization and the modulation of projections from the amygdala to the brain stem are still poorly understood. The aim of this project was to better understand the organization and the modulation of the fear circuit. To investigate this we first determined whether the CeA is composed of separate neuronal populations, where each one projects to specific brain stem nuclei, or whether single CeA neurons project to several nuclei. For this purpose, we first selected two brain stem nuclei implicated in the modulation of different components of the fear reactions, the periaqueductal gray (implicated in freezing) and the nucleus of solitary tract (implicated in heart rate modulation). We then performed double injections of two different retrograde tracers in these two nuclei and we quantified the subsequent presence of co-labelling in the CeA. We found that neurons projecting to the PAG and to the NTS are organized in separate populations. Subsequent electrophysiological recordings of the two populations revealed that PAG and NTS projecting neurons also have different electrophysiological characteristics. We then verified in vitro whether the neurons projecting to different brain stem nuclei express specific combinations of neuropeptide receptors, and whether a neuropeptide acting pre-synaptically (oxytocin) specifically modulates one of these two projections. We did not find differences at the level of expression of neurópeptide receptors, but we observed that oxytocin, a neuropeptide with anxiolytic properties, modulates PAG projecting neurons without affecting NTS projecting neurons. As oxytocin appeared to specifically modulate projections to the PAG, involved in the modulation of the freezing reaction, but did not affect the projections to the NTS, implicated in the modulation of cardiovascular parameters, we verified how this modulation translates in living animals. We investigated the effects of infra-amygdala injection of oxytocin on cardiovascular and behavioral changes induced by contextual fear conditioning. We found that oxytocin decreased the freezing response without affecting the cardiovascular system. Finally, as neuropeptides are considered potential future anxiolytics, we investigated whether diazepam and oxytocin, acting on the same circuit, had additive effects. This question was addressed exclusively with an in vitro electrophysiological approach. We obtained that oxytocin and diazepam, when co-applied, had an additive effect on both synaptic transmission and neuronal activity. These results open new perspectives for the possible clinical applications of oxytocin. Résumé : L'expression de la peur est accompagnée par de nombreux changements physiologiques et comportementaux qui sont déclenchés par l'amygdale centrale (CeA). Le circuit inclue aussi une série de noyaux du tronc cérébrale qui sont les effecteurs des différentes composantes de la réaction de peur. On sait que CeA envoie des projections aux noyaux du tronc cérébral et que ces neurones expriment une grande variété de récepteurs aux neuropeptides. Par contre, l'organisation des projections, ainsi que la modulation de ces projections par les neuropeptides reste encore peu connue. Avec ce projet, on premièrement voulu déterminer si CeA est composée de populations neuronales séparées qui projettent vers un noyau spécifique, ou bien si chaque neurones envoie des projections vers plusieurs noyaux. A ce propos, on a effectué des doubles injections de deux traceurs rétrogrades différentes dans deux noyaux du tronc cérébral impliqués dans des différentes composantes des réactions de peur. On a injecté la substance grise périaqueducale (PAG), qui est impliquée dans la réponse d'immobilisation, ainsi que le noyau du tractus solitaire (NTS) qui est responsable des changements cardiovasculaires. On a ensuite quantifié la présence de neurones contenant les deux traceurs dans CeA. On a trouvé que la plupart des neurones de l'amygdale centrale projettent vers un noyau spécifique, et on peut donc dire que l'amygdale semble être composée de populations neuronales séparées. On a ensuite mesuré les caractéristiques électrophysiologiques de ces deux projections et on a trouvé des différences substantielles concernant la résistance membranaire, la capacitance, le potentiel membranaire de repos ainsi que la fréquence des potentiels d'action spontanés. Puis, comme beaucoup de neuropéptides dans l'amygdale exercent un effet modulatoire sûr les réactions de peur et sur l'anxiété, on a étudié les effets directs et indirects d'une série de neuropeptides sur les différentes projections pour évaluer s'il y a des neuropeptides qui agissent spécifiquement sur une. On n'a pas trouvé de différences entre neurones qui projettent vers le PAG et neurones qui projettent vers le NTS concernant les effets de neuropeptides qui agissent directement sur ces cellules. Par contre, on a trouvé que l'ocytocine, un neuropeptide qui se lie à des récepteurs dans la partie latérale de l'amygdale centrale et inhibe de façon indirecte les neurones de l'amygdala centrale médiale, module les projections vers le PAG sans affecter celles qui vont vers le NTS. Comme le PAG est impliqué dans la réponse d'immobilisation, alors que le NTS est impliqué dans la modulation cardiovasculaire, on a ensuite étudié les effets de l'ocytocine injectée dans l'amygdale de rat vivants sur les réactions de peur conditionnées. On a trouvé que l'ocytocine diminue la réponse d'immobilisation sans par contre affecter la réponse cardiovasculaire. Pour terminer, on a vérifié si l'ocytocine potentialise les effets d'un médicament anxiolytique, le diazeparn. Avec une étude in vitro on a trouvé qu'une co-application d'ocytocine et diazeparn résulte en un effet additionnel à la fois sur la transmission synaptique ainsi que sur l'activité neuronale des neurones de l'amygdale centrale médiale. Ces résultats ouvrent des nouvelles perspectives pour une potentielle utilisation clinique de l'ocytocine.

Evolutionary genetics of arbuscular mycorrhizal fungi - causes and consequences of multiple genomes in Glomus intraradices

Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) forment des symbioses avec la plupart des plantes terrestres. Les CEA influencent la croissance des plantes et la biodiversité. Ils sont supposés avoir évolué de manière asexuée pendant au moins 400 millions d'années et aucune diversification morphologique majeure n'a été constatée. Pour ces raisons, les CEA sont considérés comme d'anciens asexués. Très peu d'espèces sont connues actuellement. Les individus de ces champignons contiennent des noyaux génétiquement différents dans un cytoplasme continu. La signification évolutive, la variabilité et la maintenance des génomes multiples au sein des individus sont inconnues. Ce travail a démontré qu'une population du CEA Glomus intraradices est génétiquement très variable. Nous avons conclu que les plantes hôtes plutôt que la différenciation géographique devraient être responsables de cette grande diversité. Puis nous avons cherché l'existence de recombinaison entre génotypes dans une population. Nous avons détecté un groupe recombinant au sein de la population, ce qui met en doute l'état d'anciens asexués des CEA. Nous avons également détecté l'occurrence de fusions d'hyphes et l'échange de noyaux entre isolats génétiquement différents. La descendance hybride issue de cet échange était viable et distincte phénotypiquement des isolats parentaux. En résumé, ce travail identifie des événements cruciaux dans le cycle de vie des CEA qui ont le potentiel d'influencer l'évolution de génomes multiples. L'étude des conséquences de ces événements sur les interactions avec les plantes hôtes pourrait éclaircir significativement la compréhension de la symbiose entre plantes et CEA. Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are important symbionts of most land plants. AMF influence plant growth and biodiversity. Very few extant species are described. AMF are thought to have evolved asexually for at least 400 million years and no major morphological diversification has occurred. Due to these reasons, they were termed `ancient asexuals'. Fungal individuals harbour genetically different nuclei in a continuous cytoplasm. The variability, maintenance and evolutionary significance of multiple genomes within individuals are unknown. This work showed that a population of the AMF Glomus intraradices harbours very high genetic diversity. We concluded that host plants rather than geographic differentiation were responsible for this diversity. Furthermore, we investigated whether recombination occurred among genotypes of a G. intraradices population. The identification of a core group of recombining genotypes in the population refutes the assumption of ancient asexuality in AMF. We found that genetically different isolates can form hyphal fusions and exchange nuclei. The hybrid progeny produced by the exchange was viable and phenotypically distinct from the parental isolates. Taken together, this work provided evidence for key events in the AMF life cycle, that influence the evolution of multiple genomes. Studying the consequences of these events on the interaction with host plants may significantly further the understanding of the AMF-plant symbiosis.

Evolutionary forces affect multigenomic arbuscular mycorhizal fungi : an experimental approach using Glomus intraradices

Abstract Arbuscular Mycorhizal Fungi (AMF) are important plant symbionts that can improve floristic diversity and ecosystem productivity. These important fungi are obligate biotrophs and form symbioses with roots of the majority of plant species, improving plant nutrient acquisition in exchange of photosynthates. AM fungi are successful both ecologically as they occupy a very large spectrum of environments as well as host range and evolutionarily, as this symbiosis is over 400 million years old. These fungi grow and reproduce clonally by hyphae and multinucleate spores. AMF are coenocytic and recent work has shown that they harbor genetically different nuclei and that AMF populations are genetically diverse. How AMF species diversity is maintained has been addressed theoretically and experimentally at the community level. Much less attention has been drawn to understand how genetic diversity is maintained within populations although closely related individuals are more likely to compete for the same resources and occupy similar niches. How infra-individual genetic diversity is shaped and maintained has received even less attention. In Chapter 2, we show that individuals from a field population may differ in their symbiotic efficiency under reduced phosphate availability: We show there is genetic variation in an AMF field population for fitness-related growth traits in response to different phosphate availability acid host species. Furthermore, AFLP fingerprints of the same individuals growing in contrasting environments diverged suggesting that the composition in nuclei of AMF is dynamical and affected by environmental factors. Thus environmental heterogeneity is likely to play an important role for the maintenance of genetic diversity at the population level. In Chapter 3 we show that single spores do not inherit necessarily the same genetic material. We have found genetic divergences using two different types of molecular marker, as well as phenotypic divergences among single spore lines. Our results stress the importance of considering these organisms as a multilevel hierarchical system and of better knowing their life cycle. They have important consequences for the understanding of AMF genetics, ecology and the development of commercial AMF inocculum. Résumé Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (CEA) sont d'importants symbiontes pour les plantes, car ils augmentent la diversité et la productivité des écosystèmes. Ces importants symbiontes sont des biotrophes obligatoires et forment une symbiose avec la plupart des plantes terrestres. Ils améliorent l'acquisition de substances nutritives de leurs hôtes en échange de sucres obtenus par photosynthèse. Ces champignons ont un grand succès écologique, ils colonisent une grande rangée d'environnements ainsi que d'hôtes. Ils ont aussi un succès évolutif certain de part le fait que cette symbiose existe depuis plus de 400 millions d'années. Les CEA sont asexués et croissent clonalement en formant des hyphes et des spores multinuclées. Les CEA sont des coenocytes et des travaux de recherche récents ont montré qu'ils possèdent des noyaux génétiquement différents. D'autres travaux ont aussi révélé que les populations de CEA sont génétiquement diversifiées. Comment la diversité des CEA est maintenue a seulement été adressée par des études théoriques et expérimentalement au niveau des communautés. Très peu d'attention a été portée sur le maintien de la diversité génétique infra et inter populationnelle, or ce sont les individus les plus proches génétiquement qui vont entrer en compétition pour des ressources et niches similaires. La formation et le maintien de la diversité intra-individu des CEA a reçu très peu d'attention. Dans le chapitre 2, nous montrons que des individus CEA d'un même champ différent dans leur efficacité symbiotique lorsque la concentration en phosphoré est réduite. Nous montrons qu'il existe de la variance génétique dans une population de CEA provenant d'un même champ en réponse à différentes concentrations de phosphore, ainsi qu'en réponse à différentes espèces d'hôtes, et ceci pour des traits de croissance vraisemblablement liés au succès reproducteur. De plus grâce à des AFLP nous avons pu montrer que le génome de ces individus subissent des changements lorsqu'ils croissent dans des environnements contrastés. Ceci suggère que les noyaux génétiquement différents des CEA sont des entités dynamiques. Il est fort probable que l'hétérogénéité environnementale joue un rôle dans le maintien de la diversité génétique des populations de CEA. Dans le chapitre 3, nous montrons que toutes les spores d'un même mycélium parental de CEA ne reçoivent pas exactement le même contenu génétique. Nous avons mis en évidence des divergences entre des Lignées monosporales en utilisant deux types de marqueur moléculaires, ainsi que des différences phénotypiques. Nos résutats soulignent l'importance de considézer ces organismes comme dés systëmes hiérarchiques mufti-niveaux, ainsi que de mieux connaître leur cycle de vie. Nos résultats ont d'importantes conséquences pour la compréhension du système génétique des CEA, ainsi que de leur évolution, leur écológie, mais également des conséquences pour la production d' inoccultim commercial.

Effets sur le métabolisme cérébral par PET au 18F-FDG de la stimulation du nerf vague chez les patients épileptiques

Contexte : La stimulation du nerf vague est une technique neurochirurgicale qui consiste en l'implantation d'une électrode envoyant des impulsions autours de celui-ci. Depuis l'approbation de la FDA en 1997 aux Etats-Unis, elle est utilisée chez certains patients épileptiques pharmaco-résistants et dont la chirurgie classique n'est pas envisageable [1], Par exemple lorsque qu'aucun foyer épileptique n'est identifiable, qu'une zone éloquente du cortex est atteinte ou encore qu'il y a de multiples points de départ. On parle généralement de patient « répondeur » lorsqu'une diminution de plus de 50% des crises est observée après l'opération. La proportion de patients répondeurs est estimée entre 20 à 50% [2], avec une action positive sur l'éveil [3]. Le mécanisme d'action de cette thérapie reste largement inconnu même si quelques ébauches d'hypothèses ont été formulées, notamment une action inhibitrice sur le noyau solitaire du nerf vague qui pourrait avoir comme effet de moduler des projections ascendantes diffuses via le locus coeruleus [3, 4]. Objectifs : Le but de ce travail est d'observer les effets de la stimulation du nerf vague sur le métabolisme cérébral et potentiellement d'élaborer des hypothèses sur le mécanisme d'action de ce traitement. Il faudra plus précisément s'intéresser au tronc cérébral, contenant le locus coeruleus (métabolisme de la noradrénaline) et aux noyaux du raphé (métabolisme de la sérotonine), deux neurotransmetteurs avec effet antiépileptique [5]. Le but sera également d'établir des facteurs prédictifs sur la façon de répondre d'un patient à partir d'une imagerie cérébrale fonctionnelle avant implantation, notamment au niveau du métabolisme cortical, particulièrement frontal (éveil) sera intéressant à étudier. Méthodes : Un formulaire d'information ainsi que de consentement éclairé sera remis à chaque patient avant inclusion dans l'étude. Les informations de chaque patient seront également inscrites dans un cahier d'observation (Case Report Form, CRF). Le travail s'organisera essentiellement sur deux populations. Premièrement, chez les patients déjà opérés avec un stimulateur en marche, nous réaliserons qu'une imagerie PET au F-18-fluorodeoxyglucose (FDG) post-opératoire qui seront comparés à une base de données de patients normaux (collaboration Dr E. Guedj, AP-HM, La Timone, Marseille). Nous confronterons également les images de ces patients entre elles, en opposant les répondeurs (diminution des crises de ≥50%) aux non-répondeurs. Deuxièmement, les patients non encore opérés auront un examen PET basal avant implantation et 3-6 mois après la mise en marche du stimulateur. Nous évaluerons alors les éventuelles modifications entre ces deux imageries PET, à la recherche de différences entre les répondeurs et non-répondeurs, ainsi que de facteurs prédictifs de bonne réponse dans l'imagerie de base. Toutes les comparaisons d'images seront effectuées grâce avec le programme d'analyse SPM08. Résultats escomptés : Nous espérons pouvoir mettre en évidence des modifications du métabolisme cérébral au FDG sur la base de ces différentes images. Ces constatations pourraient nous permettre de confirmer ou d'élargir les hypothèses physiologiques quant aux effets du traitement par stimulation vagale. Nous aimerions, de plus, amener à définir des facteurs prédictifs sur la façon de répondre d'un patient au traitement à l'aide du PET au F-18-FDG de départ avant implantation. Plus value escomptée : Ces résultats pourront donner des pistes supplémentaires quant au fonctionnement de la stimulation vagale chez les patients avec épilepsie réfractaire et servir de base à de nouvelles recherches dans ce domaine. Ils pourraient aussi donner des éléments pronostics avant l'implantation pour aider la sélection des patients pouvant bénéficier de ce type de thérapie.

Advanced Kernel Methods For Remote Sensing Image Classification

Résumé Suite aux recentes avancées technologiques, les archives d'images digitales ont connu une croissance qualitative et quantitative sans précédent. Malgré les énormes possibilités qu'elles offrent, ces avancées posent de nouvelles questions quant au traitement des masses de données saisies. Cette question est à la base de cette Thèse: les problèmes de traitement d'information digitale à très haute résolution spatiale et/ou spectrale y sont considérés en recourant à des approches d'apprentissage statistique, les méthodes à noyau. Cette Thèse étudie des problèmes de classification d'images, c'est à dire de catégorisation de pixels en un nombre réduit de classes refletant les propriétés spectrales et contextuelles des objets qu'elles représentent. L'accent est mis sur l'efficience des algorithmes, ainsi que sur leur simplicité, de manière à augmenter leur potentiel d'implementation pour les utilisateurs. De plus, le défi de cette Thèse est de rester proche des problèmes concrets des utilisateurs d'images satellite sans pour autant perdre de vue l'intéret des méthodes proposées pour le milieu du machine learning dont elles sont issues. En ce sens, ce travail joue la carte de la transdisciplinarité en maintenant un lien fort entre les deux sciences dans tous les développements proposés. Quatre modèles sont proposés: le premier répond au problème de la haute dimensionalité et de la redondance des données par un modèle optimisant les performances en classification en s'adaptant aux particularités de l'image. Ceci est rendu possible par un système de ranking des variables (les bandes) qui est optimisé en même temps que le modèle de base: ce faisant, seules les variables importantes pour résoudre le problème sont utilisées par le classifieur. Le manque d'information étiquétée et l'incertitude quant à sa pertinence pour le problème sont à la source des deux modèles suivants, basés respectivement sur l'apprentissage actif et les méthodes semi-supervisées: le premier permet d'améliorer la qualité d'un ensemble d'entraînement par interaction directe entre l'utilisateur et la machine, alors que le deuxième utilise les pixels non étiquetés pour améliorer la description des données disponibles et la robustesse du modèle. Enfin, le dernier modèle proposé considère la question plus théorique de la structure entre les outputs: l'intègration de cette source d'information, jusqu'à présent jamais considérée en télédétection, ouvre des nouveaux défis de recherche. Advanced kernel methods for remote sensing image classification Devis Tuia Institut de Géomatique et d'Analyse du Risque September 2009 Abstract The technical developments in recent years have brought the quantity and quality of digital information to an unprecedented level, as enormous archives of satellite images are available to the users. However, even if these advances open more and more possibilities in the use of digital imagery, they also rise several problems of storage and treatment. The latter is considered in this Thesis: the processing of very high spatial and spectral resolution images is treated with approaches based on data-driven algorithms relying on kernel methods. In particular, the problem of image classification, i.e. the categorization of the image's pixels into a reduced number of classes reflecting spectral and contextual properties, is studied through the different models presented. The accent is put on algorithmic efficiency and the simplicity of the approaches proposed, to avoid too complex models that would not be used by users. The major challenge of the Thesis is to remain close to concrete remote sensing problems, without losing the methodological interest from the machine learning viewpoint: in this sense, this work aims at building a bridge between the machine learning and remote sensing communities and all the models proposed have been developed keeping in mind the need for such a synergy. Four models are proposed: first, an adaptive model learning the relevant image features has been proposed to solve the problem of high dimensionality and collinearity of the image features. This model provides automatically an accurate classifier and a ranking of the relevance of the single features. The scarcity and unreliability of labeled. information were the common root of the second and third models proposed: when confronted to such problems, the user can either construct the labeled set iteratively by direct interaction with the machine or use the unlabeled data to increase robustness and quality of the description of data. Both solutions have been explored resulting into two methodological contributions, based respectively on active learning and semisupervised learning. Finally, the more theoretical issue of structured outputs has been considered in the last model, which, by integrating outputs similarity into a model, opens new challenges and opportunities for remote sensing image processing.

Contribution à l'étude neuroanatomique de systèmes enzymatiques impliqués dans le métabolisme énergétique cérébral

RESUME Il a longtemps été admis que le glucose était le principal, sinon le seul substrat du métabolisme énergétique cérébral. Néanmoins, des études récentes indiquent que dans des situations particulières, d'autres substrats peuvent être employés. C'est le cas des monocarboxylates (lactate et pyruvate principalement). Bien que la barrière hématoencéphalique soit peu perméable à ces molécules, elles deviennent néanmoins des substrats possibles si elles sont produites localement. Les deux systèmes enzymatiques pivots des voies glycolytiques et oxydatives sont la lactate déshydrogénase (LDH, EC 1.1.1.27) qui catalyse l'interconversion du pyruvate et du lactate et le complexe pyruvate déshydrogénase qui catalyse la conversion irréversible du pyruvate en acétyl-CoA qui entre dans la respiration mitochondriale. Nous avons étudié la localisation, tant régionale que cellulaire, des isoformes LDH-1, LDH-5 et PDHEla dans le cerveau du chat et dé l'homme au moyen de diverses techniques histologiques. Dans un premier temps, des investigations par hybridation in situ au moyen d'oligosondes marquées au 33P sur de coupes de cerveau de chat ont permis de montrer une différence de l'expression des enzymes à vocation oxydative (LDH-1 et PDHA1, le gène codant pour la protéine PDHEIa) par rapport à LDH-5, isoforme qui catalyse préférentiellement la formation de lactate. LDH-1 et PDHA 1 ont des distributions similaires et sont enrichies dans de nombreuses structures cérébrales, comme l'hippocampe, de nombreux noyaux thalamiques et des structures pontiques. Le cortex cérébral exhibe également une expression importante de LDH-1 et PDH. LDH-5 a par contre une expression largement plus diffuse à travers le cerveau, bien que l'on trouve néanmoins un enrichissement plus important dans l'hippocampe. Ces résultats sont en accord avec les observations que nous avons précédemment publiées chez le rongeur pour LDH-1 et LDH-5 (Laughton et collaborateurs, 2000). Des analyses par PCR en temps réel ont confirmé que dans certaines régions, LDH-1 est exprimée de façon nettement plus importante que LDH-5. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué sur des coupes histologiques d'hippocampe et de cortex occipital humain post-mortem des anticorps monoclonaux spécifiques de l'isoforme LDH-5 et la sous-unité PDHela du complexe pyruvate déshydrogénase. Là aussi, les immunoréactions révèlent une ségrégation régionale mais aussi cellulaire des deux enzymes. Dans les deux régions étudiées, LDH-5 est localisée exclusivement dans les astrocytes. Dans le cortex occipital, la matière blanche et également la couche I corticale sont immunopositives pour LDH-5. Dans l'hippocampe, le CA4 et l'alveus exhibe l'immunomarquage le plus intense pour LDH-5. Seuls des neurones (à de rares exceptions quelques astrocytes) sont immunopositifs à l'anticorps monoclonal dirigé contre PDHela. La couche IV du cortex occipital présente la plus forte immunoréaction. Dans l'hippocampe, une immunoréactivité est observée dans le stratum granulosum et à travers la région CA1 jusqu'à la région CA3. L'ensemble de ces résultats montre une hétérogénéité métabolique dans le cerveau et étaye l'hypothèse "astrocyte-neurone lactate shuttle" (ANL5) (Bittar et collaborateurs, 1996; Magistretti et Pellerin, 1999) qui propose que les astrocytes fournissent aux neurones activés du lactate comme substrat alternatif de leur métabolisme énergétique. ABSTRACT For a long time now, glucose has been thought to be the main, if not the sole substrate for brain energy metabolism. Recent data nevertheless suggest that other molecules, such as monocarboxylates (lactate and pyruvate mainly) could be suitable substrates. Although monocarboxylates poorly cross the blood brain barrier (BBB), such substrates could replace glucose if produced locally. The two key enzymatic systems required for the use and production of these substats are lactate dehydrogenase (LDH; EC 1.1.1.27) that catalyses the interconversion of lactate and pyruvate and the pyruvate dehydrogenase complex that irreversibly funnels pyruvate towards the mitochondrial TCA cycle and oxydative phosphorylation. Our study consisted in localizing these different systems with various histochemical procedures in the cat brain and two regions, i.e. hippocampus and primary visual cortex, of the human brain. First, by means of in situ hybridization with 33P labeled oligoprobes, we have demonstrated that the more oxidative enzymes (LDH-1 and PDHA1, the gene coding for PDHEla) are highly expressed in a variety of feline brain structures. These structures include the hippocampus, various thalamic nuclei and the pons. The cerebral cortex exhibits also a high LDH-1 and PDHAl expression. On the other hand, LDH-5 expression is poorer and more diffuse, although the hippocampus does seem to have a higher expression. These fmdings are consistent with our previous observation of the expression of LDH1 and LDH-5 in the rodent brain (Laughton et al, 2000). Real-time PCR (TagMan tm) revealed that, in various regions, LDH-1 is effectively more highly expressed than LDH-5. In a second set of experiments, monoclonal antibodies to LDH-5 and PDHeIa were applied to cryostat sections of post-mortem human hippocampus and occipital cortex. These procedures revealed not only that the two enzymes have different regional distributions, but also distinct cellular localisation. LDH-5 immunoreactivity is solely observed in astrocytes. In the occipital cortex, the white matter and layer I are immunopositive. In the hippocampus, the alveus and CA4 show LDH-5 immunoréactivity. PDHeIa has been detected, with few exceptions, only in neurons. Layer IV of the occipital cortex was most immmunoreactive. In the hippocampus, PDHela immunoreactivity is noticed in the stratum granulosum and through CA 1 to CA3 areas. The overall observations made in this study show that there is a metabolic heterogeneity in the brain and our findings support the hypothesis of an astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS)(Bittar et al., 1996; Magistretti & Pellerin, 1999) where astrocytes export to active neurons lactate to fuel their energy demands.

Conservation of the Eurasian Lynx (Lynx lynx) in a fragmented landscape - habitat models, dispersal and potential distribution

Abstract: The expansion of a recovering population - whether re-introduced or spontaneously returning - is shaped by (i) biological (intrinsic) factors such as the land tenure system or dispersal, (ii) the distribution and availability of resources (e.g. prey), (iii) habitat and landscape features, and (iv) human attitudes and activities. In order to develop efficient conservation and recovery strategies, we need to understand all these factors and to predict the potential distribution and explore ways to reach it. An increased number of lynx in the north-western Swiss Alps in the nineties lead to a new controversy about the return of this cat. When the large carnivores were given legal protection in many European countries, most organizations and individuals promoting their protection did not foresee the consequences. Management plans describing how to handle conflicts with large predators are needed to find a balance between "overabundance" and extinction. Wildlife and conservation biologists need to evaluate the various threats confronting populations so that adequate management decisions can be taken. I developed a GIS probability model for the lynx, based on habitat information and radio-telemetry data from the Swiss Jura Mountains, in order to predict the potential distribution of the lynx in this mountain range, which is presently only partly occupied by lynx. Three of the 18 variables tested for each square kilometre describing land use, vegetation, and topography, qualified to predict the probability of lynx presence. The resulting map was evaluated with data from dispersing subadult lynx. Young lynx that were not able to establish home ranges in what was identified as good lynx habitat did not survive their first year of independence, whereas the only one that died in good lynx habitat was illegally killed. Radio-telemetry fixes are often used as input data to calibrate habitat models. Radio-telemetry is the only way to gather accurate and unbiased data on habitat use of elusive larger terrestrial mammals. However, it is time consuming and expensive, and can therefore only be applied in limited areas. Habitat models extrapolated over large areas can in turn be problematic, as habitat characteristics and availability may change from one area to the other. I analysed the predictive power of Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) in Switzerland with the lynx as focal species. According to my results, the optimal sampling strategy to predict species distribution in an Alpine area lacking available data would be to pool presence cells from contrasted regions (Jura Mountains, Alps), whereas in regions with a low ecological variance (Jura Mountains), only local presence cells should be used for the calibration of the model. Dispersal influences the dynamics and persistence of populations, the distribution and abundance of species, and gives the communities and ecosystems their characteristic texture in space and time. Between 1988 and 2001, the spatio-temporal behaviour of subadult Eurasian lynx in two re-introduced populations in Switzerland was studied, based on 39 juvenile lynx of which 24 were radio-tagged to understand the factors influencing dispersal. Subadults become independent from their mothers at the age of 8-11 months. No sex bias neither in the dispersal rate nor in the distance moved was detected. Lynx are conservative dispersers, compared to bear and wolf, and settled within or close to known lynx occurrences. Dispersal distances reached in the high lynx density population - shorter than those reported in other Eurasian lynx studies - are limited by habitat restriction hindering connections with neighbouring metapopulations. I postulated that high lynx density would lead to an expansion of the population and validated my predictions with data from the north-western Swiss Alps where about 1995 a strong increase in lynx abundance took place. The general hypothesis that high population density will foster the expansion of the population was not confirmed. This has consequences for the re-introduction and recovery of carnivores in a fragmented landscape. To establish a strong source population in one place might not be an optimal strategy. Rather, population nuclei should be founded in several neighbouring patches. Exchange between established neighbouring subpopulations will later on take place, as adult lynx show a higher propensity to cross barriers than subadults. To estimate the potential population size of the lynx in the Jura Mountains and to assess possible corridors between this population and adjacent areas, I adapted a habitat probability model for lynx distribution in the Jura Mountains with new environmental data and extrapolated it over the entire mountain range. The model predicts a breeding population ranging from 74-101 individuals and from 51-79 individuals when continuous habitat patches < 50 km2 are disregarded. The Jura Mountains could once be part of a metapopulation, as potential corridors exist to the adjoining areas (Alps, Vosges Mountains, and Black Forest). Monitoring of the population size, spatial expansion, and the genetic surveillance in the Jura Mountains must be continued, as the status of the population is still critical. ENFA was used to predict the potential distribution of lynx in the Alps. The resulting model divided the Alps into 37 suitable habitat patches ranging from 50 to 18,711 km2, covering a total area of about 93,600 km2. When using the range of lynx densities found in field studies in Switzerland, the Alps could host a population of 961 to 1,827 residents. The results of the cost-distance analysis revealed that all patches were within the reach of dispersing lynx, as the connection costs were in the range of dispersal cost of radio-tagged subadult lynx moving through unfavorable habitat. Thus, the whole Alps could once be considered as a metapopulation. But experience suggests that only few disperser will cross unsuitable areas and barriers. This low migration rate may seldom allow the spontaneous foundation of new populations in unsettled areas. As an alternative to natural dispersal, artificial transfer of individuals across the barriers should be considered. Wildlife biologists can play a crucial role in developing adaptive management experiments to help managers learning by trial. The case of the lynx in Switzerland is a good example of a fruitful cooperation between wildlife biologists, managers, decision makers and politician in an adaptive management process. This cooperation resulted in a Lynx Management Plan which was implemented in 2000 and updated in 2004 to give the cantons directives on how to handle lynx-related problems. This plan was put into practice e.g. in regard to translocation of lynx into unsettled areas. Résumé: L'expansion d'une population en phase de recolonisation, qu'elle soit issue de réintroductions ou d'un retour naturel dépend 1) de facteurs biologiques tels que le système social et le mode de dispersion, 2) de la distribution et la disponibilité des ressources (proies), 3) de l'habitat et des éléments du paysage, 4) de l'acceptation de l'espèce par la population locale et des activités humaines. Afin de pouvoir développer des stratégies efficaces de conservation et de favoriser la recolonisation, chacun de ces facteurs doit être pris en compte. En plus, la distribution potentielle de l'espèce doit pouvoir être déterminée et enfin, toutes les possibilités pour atteindre les objectifs, examinées. La phase de haute densité que la population de lynx a connue dans les années nonante dans le nord-ouest des Alpes suisses a donné lieu à une controverse assez vive. La protection du lynx dans de nombreux pays européens, promue par différentes organisations, a entraîné des conséquences inattendues; ces dernières montrent que tout plan de gestion doit impérativement indiquer des pistes quant à la manière de gérer les conflits, tout en trouvant un équilibre entre l'extinction et la surabondance de l'espèce. Les biologistes de la conservation et de la faune sauvage doivent pour cela évaluer les différents risques encourus par les populations de lynx, afin de pouvoir rapidement prendre les meilleuresmdécisions de gestion. Un modèle d'habitat pour le lynx, basé sur des caractéristiques de l'habitat et des données radio télémétriques collectées dans la chaîne du Jura, a été élaboré afin de prédire la distribution potentielle dans cette région, qui n'est que partiellement occupée par l'espèce. Trois des 18 variables testées, décrivant pour chaque kilomètre carré l'utilisation du sol, la végétation ainsi que la topographie, ont été retenues pour déterminer la probabilité de présence du lynx. La carte qui en résulte a été comparée aux données télémétriques de lynx subadultes en phase de dispersion. Les jeunes qui n'ont pas pu établir leur domaine vital dans l'habitat favorable prédit par le modèle n'ont pas survécu leur première année d'indépendance alors que le seul individu qui est mort dans l'habitat favorable a été braconné. Les données radio-télémétriques sont souvent utilisées pour l'étalonnage de modèles d'habitat. C'est un des seuls moyens à disposition qui permette de récolter des données non biaisées et précises sur l'occupation de l'habitat par des mammifères terrestres aux moeurs discrètes. Mais ces méthodes de- mandent un important investissement en moyens financiers et en temps et peuvent, de ce fait, n'être appliquées qu'à des zones limitées. Les modèles d'habitat sont ainsi souvent extrapolés à de grandes surfaces malgré le risque d'imprécision, qui résulte des variations des caractéristiques et de la disponibilité de l'habitat d'une zone à l'autre. Le pouvoir de prédiction de l'Analyse Ecologique de la Niche (AEN) dans les zones où les données de présence n'ont pas été prises en compte dans le calibrage du modèle a été analysée dans le cas du lynx en Suisse. D'après les résultats obtenus, la meilleure mé- thode pour prédire la distribution du lynx dans une zone alpine dépourvue d'indices de présence est de combiner des données provenant de régions contrastées (Alpes, Jura). Par contre, seules les données sur la présence locale de l'espèce doivent être utilisées pour les zones présentant une faible variance écologique tel que le Jura. La dispersion influence la dynamique et la stabilité des populations, la distribution et l'abondance des espèces et détermine les caractéristiques spatiales et temporelles des communautés vivantes et des écosystèmes. Entre 1988 et 2001, le comportement spatio-temporel de lynx eurasiens subadultes de deux populations réintroduites en Suisse a été étudié, basé sur le suivi de 39 individus juvéniles dont 24 étaient munis d'un collier émetteur, afin de déterminer les facteurs qui influencent la dispersion. Les subadultes se sont séparés de leur mère à l'âge de 8 à 11 mois. Le sexe n'a pas eu d'influence sur le nombre d'individus ayant dispersés et la distance parcourue au cours de la dispersion. Comparé à l'ours et au loup, le lynx reste très modéré dans ses mouvements de dispersion. Tous les individus ayant dispersés se sont établis à proximité ou dans des zones déjà occupées par des lynx. Les distances parcourues lors de la dispersion ont été plus courtes pour la population en phase de haute densité que celles relevées par les autres études de dispersion du lynx eurasien. Les zones d'habitat peu favorables et les barrières qui interrompent la connectivité entre les populations sont les principales entraves aux déplacements, lors de la dispersion. Dans un premier temps, nous avons fait l'hypothèse que les phases de haute densité favorisaient l'expansion des populations. Mais cette hypothèse a été infirmée par les résultats issus du suivi des lynx réalisé dans le nord-ouest des Alpes, où la population connaissait une phase de haute densité depuis 1995. Ce constat est important pour la conservation d'une population de carnivores dans un habitat fragmenté. Ainsi, instaurer une forte population source à un seul endroit n'est pas forcément la stratégie la plus judicieuse. Il est préférable d'établir des noyaux de populations dans des régions voisines où l'habitat est favorable. Des échanges entre des populations avoisinantes pourront avoir lieu par la suite car les lynx adultes sont plus enclins à franchir les barrières qui entravent leurs déplacements que les individus subadultes. Afin d'estimer la taille de la population de lynx dans le Jura et de déterminer les corridors potentiels entre cette région et les zones avoisinantes, un modèle d'habitat a été utilisé, basé sur un nouveau jeu de variables environnementales et extrapolé à l'ensemble du Jura. Le modèle prédit une population reproductrice de 74 à 101 individus et de 51 à 79 individus lorsque les surfaces d'habitat d'un seul tenant de moins de 50 km2 sont soustraites. Comme des corridors potentiels existent effectivement entre le Jura et les régions avoisinantes (Alpes, Vosges, et Forêt Noire), le Jura pourrait faire partie à l'avenir d'une métapopulation, lorsque les zones avoisinantes seront colonisées par l'espèce. La surveillance de la taille de la population, de son expansion spatiale et de sa structure génétique doit être maintenue car le statut de cette population est encore critique. L'AEN a également été utilisée pour prédire l'habitat favorable du lynx dans les Alpes. Le modèle qui en résulte divise les Alpes en 37 sous-unités d'habitat favorable dont la surface varie de 50 à 18'711 km2, pour une superficie totale de 93'600 km2. En utilisant le spectre des densités observées dans les études radio-télémétriques effectuées en Suisse, les Alpes pourraient accueillir une population de lynx résidents variant de 961 à 1'827 individus. Les résultats des analyses de connectivité montrent que les sous-unités d'habitat favorable se situent à des distances telles que le coût de la dispersion pour l'espèce est admissible. L'ensemble des Alpes pourrait donc un jour former une métapopulation. Mais l'expérience montre que très peu d'individus traverseront des habitats peu favorables et des barrières au cours de leur dispersion. Ce faible taux de migration rendra difficile toute nouvelle implantation de populations dans des zones inoccupées. Une solution alternative existe cependant : transférer artificiellement des individus d'une zone à l'autre. Les biologistes spécialistes de la faune sauvage peuvent jouer un rôle important et complémentaire pour les gestionnaires de la faune, en les aidant à mener des expériences de gestion par essai. Le cas du lynx en Suisse est un bel exemple d'une collaboration fructueuse entre biologistes de la faune sauvage, gestionnaires, organes décisionnaires et politiciens. Cette coopération a permis l'élaboration du Concept Lynx Suisse qui est entré en vigueur en 2000 et remis à jour en 2004. Ce plan donne des directives aux cantons pour appréhender la problématique du lynx. Il y a déjà eu des applications concrètes sur le terrain, notamment par des translocations d'individus dans des zones encore inoccupées.

Neurophysiological effects of vasopressin and oxytocin in the central amygdala of the rat : a potential mechanism for the opposite modulation of anxiety and fear behavior

Abstract The amygdala is a group of nuclei in the temporal lobe of the brain that plays a crucial role in anxiety and fear behavior. Sensory information converges in the basolateral and lateral nuclei of the amygdala, which have been the first regions in the brain where the acquisition of new (fear) memories has been associated with long term changes in synaptic transmission. These nuclei, in turn, project to the central nucleus of the amygdala. The central amygdala, through its extensive projections to numerous nuclei in the midbrain and brainstem, plays a pivotal role in the orchestration of the rapid autonomic and endocrine fear responses. In the central amygdala a large number of neuropeptides and receptors is expressed, among which high levels of vasopressin and oxytocin receptors. Local injections of these peptides into the amygdala modulate several aspects of the autonomic fear reaction. Interestingly, their effects are opposing: vasopressin tends to enhance the fear reactions, whereas oxytocin has anxiolytic effects. In order to investigate the neurophysiological mechanisms that could underlie this opposing modulation of the fear behavior, we studied the effects of vasopressin and oxytocin on the neuronal activity in an acute brain slice preparation of the rat central amygdala. We first assessed the effects of vasopressin and oxytocin on the spontaneous activity of central amygdala neurons. Extracellular single unit recordings revealed two major populations of neurons: a majority of neurons was excited by vasopressin and inhibited by oxytocin, whereas other neurons were only excited by oxytocin receptor activation. The inhibitory effect of oxytocin could be reduced by the block of GABAergic transmission, whereas the excitatory effects of vasopressin and oxytocin were not affected. In a second step we identified the cellular mechanisms for the excitatory effects of both peptides as well as the morphological and biochemical mechanisms underlying the opposing effects, by using sharp electrode recordings together with intracellular labelings. We revealed that oxytocin-excited neurons are localized in the lateral part (CeL) whereas vasopressin excited cells are found in the medial part of the central amygdala (CeM). The tracing of the neuronal morphology showed that the axon collaterals of the oxytocin-excited neurons project from the CeL, far into the CeM. Combined immunohistochemical stainings indicated that these projections are GABAergic. In the third set of experiments we investigated the synaptic interactions between the two identified cell populations. Whole-cell patch-clamp recordings in the CeM revealed that the inhibitory effect of oxytocin was caused by the massive increase of inhibitory GABAergic currents, which was induced by the activation of CeL neurons. Finally, the effects of vasopressin and oxytocin on evoked activity were investigated. We found on the one hand, that the probability of evoking action potentials in the CeM by stimulating the basolateral amygdala afferents was enhanced under vasopressin, whereas it decreased under oxytocin. On the other hand, the impact of cortical afferents stimulation on the CeL neurons was enhanced by oxytocin application. Taken together, these findings have allowed us to develop a model, in which the opposing behavioral effects of vasopressin and oxytocin are caused by a selective activation of two distinct populations of neurons in the GABAergic network of the central amygdala. Our model could help to develop new anxiolytic treatments, which modulate simultaneously both receptor systems. By acting on a GABAergic network, such treatments can further be tuned by combinations with classical benzodiazepines. Résumé: L'amygdale est un groupe de noyaux cérébraux localisés dans le lobe temporal. Elle joue un rôle essentiel dans les comportements liés à la peur et l'anxiété. L'information issue des aires sensorielles converge vers les noyaux amygdaliens latéraux et basolatéraux, qui sont les projections vers différents noyaux du tronc cérébral et de l'hypothalamus, joue un rôle clef premières régions dans lesquelles il a été démontré que l'acquisition d'une nouvelle mémoire (de peur) était associée à des changements à long terme de la transmission synaptique. Ces noyaux envoient leurs projections sur l'amygdale centrale, qui à travers ses propres dans l'orchestration des réponses autonomes et endocrines de peur. Le contrôle de l'activité neuronale dans l'amygdale centrale module fortement la réaction de peur. Ainsi, un grand nombre de neuropeptides sont spécifiquement exprimés dans l'amygdale centrale et un bon nombre d'entre eux interfère dans la réaction de peur et d'anxiété. Chez les rats, une forte concentration de récepteurs à l'ocytocine et à la vasopressine est exprimée dans le noyau central, et l'injection de ces peptides dans l'amygdale influence différents aspects de la réaction viscérale associée à la peur. Il est intéressant de constater que ces peptides exercent des effets opposés. Ainsi, la vasopressine augmente la réaction de peur alors que l'ocytocine a un effet anxiolytique. Afin d'investiguer les mécanismes neurophysiologiques responsables de ces effets opposés, nous avons étudié l'effet de la vasopressine et de l'ocytocine sur l'activité neuronale de préparations de tranches de cerveau de rats contenant entre autres de l'amygdale centrale. Tout d'abord, notre intérêt s'est porté sur les effets de ces deux neuropeptides sur l'activité spontanée dans l'amygdale centrale. Des enregistrements extracellulaires ont révélé différentes populations de neurones ; une majorité était excitée par la vasopressine et inhibée par l'ocytocine ; d'autres étaient seulement excités par l'activation du récepteur à l'ocytocine. L'effet inhibiteur de l'ocytocine a pu être réduit par l'inhibition de la transmission GABAergique, alors que ses effets excitateurs n'étaient pas affectés. Dans un deuxième temps, nous avons identifié les mécanismes cellulaires responsables de l'effet excitateur de ces deux peptides et analysé les caractéristiques morphologiques et biochimiques des neurones affectés. Des enregistrements intracellulaires ont permis de localiser les neurones excités par l'ocytocine dans la partie latérale de l'amygdale centrale (CeL), et ceux excités par la vasopressine dans sa partie médiale (CeM). Le traçage morphologique des neurones a révélé que les collatérales axonales des cellules excitées par l'ocytocine projetaient du CeL loin dans le CeM. De plus, des colorations immuno-histochimiques ont révélé que ces projections étaient GABAergiques. Dans un troisième temps, nous avons étudié les interactions synaptiques entre ces deux populations de cellules. Les enregistrements en whole-cell patch-clamp dans le CeM ont démontré que les effets inhibiteurs de l'ocytocine résultaient de l'augmentation massive des courants GABAergique résultant de l'activation des neurones dans le CeL. Finalement, les effets de l'ocytocine et de la vasopressine sur l'activité évoquée ont été étudiés. Nous avons pu montrer que la probabilité d'évoquer un potentiel d'action dans le CeM, par stimulation de l'amygdale basolatérale, était augmentée sous l'effet de la vasopressine et diminuée sous l'action de l'ocytocine. Par contre, l'impact de la stimulation des afférences corticales sur les neurones du CeL était augmenté par l'application de l'ocytocine. L'ensemble de ces résultats nous a permis de développer un modèle dans lequel les effets comportementaux opposés de la vasopressine et de l'ocytocine sont causés par une activation sélective des deux différentes populations de neurones dans un réseau GABAergique. Un tel modèle pourrait mener au développement de nouveaux traitements anxiolytiques en modulant l'activité des deux récepteurs simultanément. En agissant sur un réseau GABAergique, les effets d'un tel traitement pourraient être rendus encore plus sélectifs en association avec des benzodiazépines classiques.

Organisation of genetic variation in multinucleate arbuscular mycorrhizal fungi

Les Champignons Endomycorhiziens Arbusculaires (CEA) forment une symbiose racinaire avec environ 80% des espèces connues de plantes vasculaires. Ils occupent une position écologique très importante liée aux bénéfices qu'ils confèrent aux plantes. Des études moléculaires effectuées sur des gènes ribosomaux ont révélé un très grand polymorphisme, tant à l'intérieur des espèces qu'entre celles-ci. Ces champignons étant coenocytiques et multinucléés, l'organisation de cette variabilité génétique intraspécifique pourrait avoir différentes origines. Ce travail se propose d'examiner l'organisation et l'évolution de cette variabilité. Sur la base de fossiles, l'existence des CEA remonte à au moins 450 millions d'années. Cette symbiose peut donc être considérée comme ancienne. Les premières données moléculaires n'indiquant pas de reproduction sexuée, une hypothèse fut élaborée stipulant que les CEA seraient des asexués ancestraux. La première partie de cette thèse (chapitre 2) met en évidence l'existence de recombinaison dans différents CEA mais montre également que celle-ci est insuffisante pour purger les mutations accumulées. La reproduction étant essentiellement asexuée, on peut prédire que les nombreux noyaux ont probablement divergé génétiquement. En collaboration avec M. Hijri nous avons pu vérifier cette hypothèse (chapitre 2). Dans le chapitre 3 j'ai cherché à comprendre si le polymorphisme était également présent dans une population naturelle du CEA Glomus intraradices au niveau intraspécifique, ce qui n'avait encore jamais été examiné. En comparant les empreintes génétiques d'individus obtenus chacun à partir d'une spore mise en culture, j'ai clairement démontré que d'importantes différences génétiques existent entre ceux-ci. Un résultat similaire, portant sur des traits quantitatifs d'individus de la même population, a été trouvé par A. Koch. Les deux études en ensemble montre que le polymorphisme génétique dans cette population est suffisamment grand pour être important au niveau écologique. Dans le chapitre 4, j'ai cherché a examiner le polymorphisme des séquences du gène BiP au sein d'un individu. C'est la première étude qui examine la diversité génétique du génome de CEA avec un autre marqueur que l'ADN ribosomique. J'ai trouvé 31 types de séquences différentes du gène BiP issu d'un isolat de G. intraradices mis en culture à partir d'une seule spore. Cette variation n'était pas restreinte à des zones sélectivement neutres du BiP. Mes résultats montrent qu'il y a un grand nombre de variants non-fonctionnels, proportionnellement au faible nombre de copies attendues par noyau. Ceci va dans le sens d'une partition de l'information génétique entre les noyaux.<br/><br/>Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are root symbionts with about 80% of all known species of vascular land plants. AMF are ecologically important because of the benefits that they confer to plants. Molecular studies on AMF showed that rDNA sequences were highly variable between species and within species. Because AMF are coenocytic and multinucleate there are several possibilities how this intraspecific genetic variation could be organized. Therefore, the organization and evolution of this variation in AMF were investigated in the present work. Based on fossil records the AMF symbiosis has existed for 450 Million years and is therefore considered ancient. First molecular data indicated no evident sexual reproduction and gave rise to the hypothesis that AMF might be ancient asexuals. The first part of this thesis (Chapter 2) shows evidence for recombination in different AMF but also indicates that it has not been frequent enough to purge accumulated mutations. Given asexual reproduction, it has been predicted that the many nuclei in AMF should diverge leading to genetically different nuclei. This hypothesis has been confirmed by an experiment of M. Hijri and is also included in chapter 2 as the results were published together. In chapter 3 I then investigated whether intraspecific genetic variation also exists in a field population of the AMF Glomus intraradices. Comparing genetic fingerprints of individuals derived from single spores I could clearly show that large genetic differences exist. A similar result, based on quantitative genetic traits, was found for the same population by A. Koch. The two studies taken together show that the genetic variation observed in the population is high enough to be of ecological relevance. Lastly, in chapter 4, I investigated within individual genetic variation among BiP gene sequences. It is the first study that has analyzed genetic diversity in the AMF genome in a region of DNA other than rDNA. I found 31 sequence variants of the BiP gene in one G. intraradices isolate that originated from one spore. Genetic variation was not only restricted to selectively neutral parts of BiP. A high number of predicted non-functional variants compared to a likely low number of copies per nucleus indicated that functional genetic information might even be partitioned among nuclei. The results of this work contribute to our understanding of potential evolutionary strategies of ancient asexuals, they also suggest that genetic differences in a population might be ecologically relevant and they show that this variation even occurs in functional regions of the AMF genome.