Interactions between intracellular Ca2+ stores: Ca2+ released from the NAADP pool potentiates cADPR-induced Ca2+ release

Cells possess multiple intracellular Ca2+-releasing systems. Sea urchin egg homogenates are a well-established model to study intracellular Ca2+ release. In the present study the mechanism of interaction between three intracellular Ca2+ pools, namely the nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP), the cyclic ADP-ribose (cADPR) and the inositol 1',4',5'-trisphosphate (IP3)-regulated Ca2+ stores, is explored. The data indicate that the NAADP Ca2+ pool could be used to sensitize the cADPR system. In contrast, the IP3 pool was not affected by the Ca2+ released by NAADP. The mechanism of potentiation of the cADPR-induced Ca2+ release, promoted by Ca2+ released from the NAADP pool, is mediated by the mechanism of Ca2+-induced Ca2+ release. These data raise the possibility that the NAADP Ca2+ store may have a role as a regulator of the cellular sensitivity to cADPR.

Eucalyptol, an essential oil, reduces contractile activity in rat cardiac muscle

Eucalyptol is an essential oil that relaxes bronchial and vascular smooth muscle although its direct actions on isolated myocardium have not been reported. We investigated a putative negative inotropic effect of the oil on left ventricular papillary muscles from male Wistar rats weighing 250 to 300 g, as well as its effects on isometric force, rate of force development, time parameters, post-rest potentiation, positive inotropic interventions produced by Ca2+ and isoproterenol, and on tetanic tension. The effects of 0.3 mM eucalyptol on myosin ATPase activity were also investigated. Eucalyptol (0.003 to 0.3 mM) reduced isometric tension, the rate of force development and time parameters. The oil reduced the force developed by steady-state contractions (50% at 0.3 mM) but did not alter sarcoplasmic reticulum function or post-rest contractions and produced a progressive increase in relative potentiation. Increased extracellular Ca2+ concentration (0.62 to 5 mM) and isoproterenol (20 nM) administration counteracted the negative inotropic effects of the oil. The activity of the contractile machinery evaluated by tetanic force development was reduced by 30 to 50% but myosin ATPase activity was not affected by eucalyptol (0.3 mM), supporting the idea of a reduction of sarcolemmal Ca2+ influx. The present results suggest that eucalyptol depresses force development, probably acting as a calcium channel blocker.

Lead reduces tension development and the myosin ATPase activity of the rat right ventricular myocardium

Lead (Pb2+) poisoning causes hypertension, but little is known regarding its acute effects on cardiac contractility. To evaluate these effects, force was measured in right ventricular strips that were contracting isometrically in 45 male Wistar rats (250-300 g) before and after the addition of increasing concentrations of lead acetate (3, 7, 10, 30, 70, 100, and 300 µM) to the bath. Changes in rate of stimulation (0.1-1.5 Hz), relative potentiation after pauses of 15, 30, and 60 s, effect of Ca2+ concentration (0.62, 1.25, and 2.5 mM), and the effect of isoproterenol (20 ng/mL) were determined before and after the addition of 100 µM Pb2+. Effects on contractile proteins were evaluated after caffeine treatment using tetanic stimulation (10 Hz) and measuring the activity of the myosin ATPase. Pb2+ produced concentration-dependent force reduction, significant at concentrations greater than 30 µM. The force developed in response to increasing rates of stimulation became smaller at 0.5 and 0.8 Hz. Relative potentiation increased after 100 µM Pb2+ treatment. Extracellular Ca2+ increment and isoproterenol administration increased force development but after 100 µM Pb2+ treatment the force was significantly reduced suggesting an effect of the metal on the sarcolemmal Ca2+ influx. Concentration of 100 µM Pb2+ also reduced the peak and plateau force of tetanic contractions and reduced the activity of the myosin ATPase. Results showed that acute Pb2+ administration, although not affecting the sarcoplasmic reticulum activity, produces a concentration-dependent negative inotropic effect and reduces myosin ATPase activity. Results suggest that acute lead administration reduced myocardial contractility by reducing sarcolemmal calcium influx and the myosin ATPase activity. These results also suggest that lead exposure is hazardous and has toxicological consequences affecting cardiac muscle.

The influence of stress on fear memory processes

It is well recognized that stressful experiences promote robust emotional memories, which are well remembered. The amygdaloid complex, principally the basolateral complex (BLA), plays a pivotal role in fear memory and in the modulation of stress-induced emotional responses. A large number of reports have revealed that GABAergic interneurons provide a powerful inhibitory control of the activity of projecting glutamatergic neurons in the BLA. Indeed, a reduced GABAergic control in the BLA is essential for the stress-induced influence on the emergence of associative fear memory and on the generation of long-term potentiation (LTP) in BLA neurons. The extracellular signal-regulated kinase (ERK) subfamily of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway in the BLA plays a central role in the consolidation process and synaptic plasticity. In support of the view that stress facilitates long-term fear memory, stressed animals exhibited a phospho-ERK2 (pERK2) increase in the BLA, suggesting the involvement of this mechanism in the promoting influence of threatening stimuli on the consolidation fear memory. Moreover, the occurrence of reactivation-induced lability is prevented when fear memory is encoded under intense stressful conditions since the memory trace remains immune to disruption after recall in previously stressed animals. Thus, the underlying mechanism in retrieval-induced instability seems not to be functional in memories formed under stress. All these findings are indicative that stress influences both the consolidation and reconsolidation fear memory processes. Thus, it seems reasonable to propose that the emotional state generated by an environmental challenge critically modulates the formation and maintenance of long-term fear memory.

Participation of the GABAergic system in the anesthetic effect of Lippia alba (Mill.) N.E. Brown essential oil

The objective of this study was to identify the possible involvement of the GABAergic system in the anesthetic effect of Lippia alba essential oil (EO). We propose a new animal model using silver catfish (Rhamdia quelen) exposed to an anesthetic bath to study the mechanism of action of EO. To observe the induction and potentiation of the anesthetic effect of EO, juvenile silver catfish (9.30 ± 1.85 g; 10.15 ± 0.95 cm; N = 6) were exposed to various concentrations of L. alba EO in the presence or absence of diazepam [an agonist of high-affinity binding sites for benzodiazepinic (BDZ) sites coupled to the GABA A receptor complex]. In another experiment, fish (N = 6) were initially anesthetized with the EO and then transferred to an anesthetic-free aquarium containing flumazenil (a selective antagonist of binding sites for BDZ coupled to the GABA A receptor complex) or water to assess recovery time from the anesthesia. In this case, flumazenil was used to observe the involvement of the GABA-BDZ receptor in the EO mechanism of action. The results showed that diazepam potentiates the anesthetic effect of EO at all concentrations tested. Fish exposed to diazepam and EO showed faster recovery from anesthesia when flumazenil was added to the recovery bath (12.0 ± 0.3 and 7.2 ± 0.7, respectively) than those exposed to water (9.2 ± 0.2 and 3.5 ± 0.3, respectively). In conclusion, the results demonstrated the involvement of the GABAergic system in the anesthetic effect of L. alba EO on silver catfish.

Acute exposure to lead increases myocardial contractility independent of hypertension development

We studied the effects of the acute administration of small doses of lead over time on hemodynamic parameters in anesthetized rats to determine if myocardial contractility changes are dependent or not on the development of hypertension. Male Wistar rats received 320 µg/kg lead acetateiv once, and their hemodynamic parameters were measured for 2 h. Cardiac contractility was evaluated in vitro using left ventricular papillary muscles as were Na+,K+-ATPase and myosin Ca2+-ATPase activities. Lead increased left- (control: 112 ± 3.7 vs lead: 129 ± 3.2 mmHg) and right-ventricular systolic pressures (control: 28 ± 1.2vs lead: 34 ± 1.2 mmHg) significantly without modifying heart rate. Papillary muscles were exposed to 8 µM lead acetate and evaluated 60 min later. Isometric contractions increased (control: 0.546 ± 0.07 vs lead: 0.608 ± 0.06 g/mg) and time to peak tension decreased (control: 268 ± 13vs lead: 227 ± 5.58 ms), but relaxation time was unchanged. Post-pause potentiation was similar between groups (n = 6 per group), suggesting no change in sarcoplasmic reticulum activity, evaluated indirectly by this protocol. After 1-h exposure to lead acetate, the papillary muscles became hyperactive in response to a β-adrenergic agonist (10 µM isoproterenol). In addition, post-rest contractions decreased, suggesting a reduction in sarcolemmal calcium influx. The heart samples treated with 8 µM lead acetate presented increased Na+,K+-ATPase (approximately 140%, P < 0.05 for control vs lead) and myosin ATPase (approximately 30%, P < 0.05 for control vs lead) activity. Our results indicated that acute exposure to low lead concentrations produces direct positive inotropic and lusitropic effects on myocardial contractility and increases the right and left ventricular systolic pressure, thus potentially contributing to the early development of hypertension.

Decreased motor unit firing rate in the potentiated tibialis anterior in humans

With repeated activity, force production, rate of force production, and relaxation time are impaired. These are characteristics ofa fatigued muscle (Vandenboom, 2004). However, brief bouts of near maximal to maximal activity results in the increased ability of the muscle to generate force, termed post activation potentiation (P AP)(V andervoort et aI., 1983). The purpose of the present study was to characterize motor unit firing rate (MUFR) in the unfatigued, potentiated tibialis anterior (TA). Using a quadrifilar needle electrode, MUFR was measured during a 5s 50% MVC in which the TA was either potentiated or unpotentiated; monopolar electrodes measured surface parameters. A lOs MVC was used to potentiate the muscle. Firing rate decreased significantly from 20.15±2.9Opps to 18.27±2.99pps, while mean power frequency decreased significantly from 60. 13±7.75 Hz to 53.62±8.56 Hz. No change in root mean square (RMS) was observed. Therefore, in the present study, MUFR decreases in response to a potentiated TA.

The role of retinoic acid in long-term memory formation and synaptic plasticity in the mollusc Lymnaea stagnalis

The active metabolite of vitamin A, retinoic acid (RA), is involved in memory formation and hippocampal plasticity in vertebrates. A similar role for retinoid signaling in learning and memory formation has not previously been examined in an invertebrate species. However, the conservation of retinoid signaling between vertebrates and invertebrates is supported by the presence of retinoid signaling machinery in invertebrates. For example, in the mollusc Lymnaea stagnalis the metabolic enzymes and retinoid receptors have been cloned from the CNS. In this study I demonstrated that impairing retinoid signaling in Lymnaea by either inhibiting RALDH activity or using retinoid receptor antagonists, prevented the formation of long-term memory (LTM). However, learning and intermediate-term memory were not affected. An additional finding was that exposure to constant darkness (due to the light-sensitive nature of RA) itself enhanced memory formation. This memory-promoting effect of darkness was sufficient to overcome the inhibitory effects of RALDH inhibition, but not that of a retinoid receptor antagonist, suggesting that environmental light conditions may influence retinoid signaling. Since RA also influences synaptic plasticity underlying hippocampal-dependent memory formation, I also examined whether RA would act in a trophic manner to influence synapse formation and/or synaptic transmission between invertebrate neurons. However, I found no evidence to support an effect of RA on post-tetanic potentiation of a chemical synapse. Retinoic acid did, however, reduce transmission at electrical synapses in a cell-specific manner. Overall, these studies provide the first evidence for a role of RA in the formation of implicit long-term memories in an invertebrate species and suggest that the role of retinoid signaling in memory formation has an ancient origin.

Myosin Regulatory Light Chain Phosphorylation and Its Effect on the Contractile Economy of Mouse Fast Muscle

Activated by elevations in myoplasmic calcium concentration, myosin light chain kinase (skMLCK) phosphorylates the regulatory light chains (RLCs) of fast muscle myosin. This covalent modification potentiates force production, but requires an investment of ATP. Our objective was to investigate the effect of RLC phosphorylation on the contractile economy (mechanical output:metabolic input) of fast twitch skeletal muscle. Extensor digitorum longus muscles isolated from Wildtype and skMLCK-/- mice mounted in vitro (25°C) were subjected to repetitive low-frequency stimulation (10Hz,15s) known to cause activation of skMLCK, and staircase potentiation of force. With a 3-fold increase in RLC phosphate content, Wildtype generated 44% more force than skMLCK-/- muscles over the stimulation period (P = .002), without an accompanied increase in energy cost (P = .449). Overall, the contractile economy of Wildtype muscles, with an intact RLC phosphorylation mechanism, was 73% greater than skMLCK /- muscles (P = .043), demonstrating an important physiological function of skMLCK during repetitive contractile activity.

Reduced power output in skeletal muscles devoid of skMLCK: RLC phosphorylation contributes to peak performance

Regulatory light chain (RLC) phosphorylation in fast twitch muscle is catalyzed by skeletal myosin light chain kinase (skMLCK), a reaction known to increase muscle force, work, and power. The purpose of this study was to explore the contribution of RLC phosphorylation on the power of mouse fast muscle during high frequency (100 Hz) concentric contractions. To determine peak power shortening ramps (1.05 to 0.90 Lo) were applied to Wildtype (WT) and skMLCK knockout (skMLCK-/-) EDL muscles at a range of shortening velocities between 0.05-0.65 of maximal shortening velocity (Vmax), before and after a conditioning stimulus (CS). As a result, mean power was increased to 1.28 ± 0.05 and 1.11 ± .05 of pre-CS values, when collapsed for shortening velocity in WT and skMLCK-/-, respectively (n = 10). In addition, fitting each data set to a second order polynomial revealed that WT mice had significantly higher peak power output (27.67 ± 1.12 W/ kg-1) than skMLCK-/- (25.97 ± 1.02 W/ kg-1), (p < .05). No significant differences in optimal velocity for peak power were found between conditions and genotypes (p > .05). Analysis with Urea Glycerol PAGE determined that RLC phosphate content had been elevated in WT muscles from 8 to 63 % while minimal changes were observed in skMLCK-/- muscles: 3 and 8 %, respectively. Therefore, the lack of stimulation induced increase in RLC phosphate content resulted in a ~40 % smaller enhancement of mean power in skMLCK-/-. The increase in power output in WT mice suggests that RLC phosphorylation is a major potentiating component required for achieving peak muscle performance during brief high frequency concentric contractions.

Identification des canaux TRPC impliqués dans la potentialisation à long terme des interneurones de la région CA1 de l'hippocampe chez le rat

Le réseau neuronal de l’hippocampe joue un rôle central dans la mémoire en modifiant de façon durable l’efficacité de ses synapses. Dans les interneurones de la couche oriens/alveus (O/A), l’induction de la potentialisation à long terme (PLT) requiert les courants postsynaptiques excitateurs évoqués par les récepteurs métabotropes du glutamate de sous-type 1a (CPSEmGluR1a) et l’entrée subséquente de Ca2+ via des canaux de la famille des transient receptor potential (TRP). Le but de ce projet était d’identifier les canaux TRP responsables des CPSEmGluR1a et d’explorer les mécanismes moléculaires régulant leur ouverture. Nous avons déterminé par des enregistrements électrophysiologiques que les CPSEmGluR1a étaient spécifiques aux interneurones O/A et qu’ils étaient indépendants de la phospholipase C. Nous avons ensuite examiné l’expression des TRPC et leur interaction avec mGluR1a par les techniques de RT-PCR, d’immunofluorescence et de co-immunoprécipitation. Nos résultats montrent que TRPC1 et mGluR1a s’associent dans l’hippocampe et que ces deux protéines sont présentes dans les dendrites des interneurones O/A. En revanche, TRPC4 ne semble s’associer à mGluR1a qu’en système recombinant et leur colocalisation paraît limitée au corps cellulaire. Finalement, nous avons procédé à des enregistrements d’interneurones dans lesquels l’expression des TRPC a été sélectivement supprimée par la transfection d’ARN interférant et avons ainsi démontré que TRPC1, mais non TRPC4, est une sous-unité obligatoire du canal responsable des CPSEmGluR1a. Ces travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires à la base de la transmission synaptique des interneurones O/A et de mettre en évidence un rôle potentiel de TRPC1 dans la PLT.

Plasticité présynaptique et gliale à long-terme en réponse à un changement chronique de l’activité synaptique,à la jonction neuromusculaire d’amphibien

La plasticité synaptique est une importante propriété du système nerveux, impliquée dans l’intégration de l’information. Cette plasticité a généralement été décrite par des changements aux niveaux pré et postsynaptiques. Notamment, l’efficacité présynaptique, soit la probabilité de libération de neurotransmetteurs associée au contenu quantique d’une synapse, peut être augmentée ou diminuée selon l’activité antérieure de la synapse. Malgré cette caractérisation, les mécanismes à l’origine de la détermination de l’efficacité présynaptique demeurent obscurs. Également, la plasticité synaptique reste encore mal définie au niveau glial, limitant, de ce fait, notre compréhension de l’intégration de l’information. Pourtant, la dernière décennie a mené à une redéfinition du rôle des cellules gliales. Autrefois reléguées à un rôle de support passif aux neurones, elles sont désormais reconnues comme étant impliquées dans la régulation de la neurotransmission. Notamment, à la jonction neuromusculaire (JNM), les cellules de Schwann périsynaptiques (CSPs) sont reconnues pour moduler l’efficacité présynaptique et les phénomènes de plasticité. Un tel rôle actif dans la modulation de la neurotransmission implique cependant que les CSPs soient en mesure de s’adapter aux besoins changeants des JNMs auxquelles elles sont associées. La plasticité synaptique devrait donc sous-tendre une forme de plasticité gliale. Nous savons, en effet, que la JNM est capable de modifications tant morphologiques que physiologiques en réponse à des altérations de l'activité synaptique. Par exemple, la stimulation chronique des terminaisons nerveuses entraîne une diminution persistante de l’efficacité présynaptique et une augmentation de la résistance à la dépression. À l’opposé, le blocage chronique des récepteurs nicotiniques entraîne une augmentation prolongée de l’efficacité présynaptique. Aussi, compte tenu que les CSPs détectent et répondent à la neurotransmission et qu’elles réagissent à certains stimuli environnementaux par des changements morphologiques, physiologiques et d’expression génique, nous proposons que le changement d'efficacité présynaptique imposé à la synapse, soit par une stimulation nerveuse chronique ou par blocage chronique des récepteurs nicotiniques, résulte en une adaptation des propriétés des CSPs. Cette thèse propose donc d’étudier, en parallèle, la plasticité présynaptique et gliale à long-terme, en réponse à un changement chronique de l’activité synaptique, à la JNM d’amphibien. Nos résultats démontrent les adaptations présynaptiques de l’efficacité présynaptique, des phénomènes de plasticité à court-terme, du contenu mitochondrial et de la signalisation calcique. De même, ils révèlent différentes adaptations gliales, notamment au niveau de la sensibilité des CSPs aux neurotransmetteurs et des propriétés de leur réponse calcique. Les adaptations présynaptiques et gliales sont discutées, en parallèle, en termes de mécanismes et de fonctions possibles dans la régulation de la neurotransmission. Nos travaux confirment donc la coïncidence de la plasticité présynaptique et gliale et, en ce sens, soulèvent l’importance des adaptations gliales pour le maintien de la fonction synaptique.

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Mécanismes traductionnels impliqués dans la potentialisation à long-terme de la transmission synaptique des cellules pyramidales de l’hippocampe chez le rongeur.

La mémoire et l’apprentissage sont des phénomènes complexes dont on ne comprend pas encore bien l’origine au niveau cellulaire et moléculaire. Cependant, il est largement admis que des changements plus simples au niveau synaptique, tels que la potentialisation à long-terme (long-term potentiation ou LTP) pourraient constituer la base cellulaire de la formation des nouveaux souvenirs. Ces mécanismes sont couramment étudiés au niveau de l’hippocampe, une région du lobe temporal reconnue comme étant nécessaire à la formation de la mémoire explicite chez les mammifères. La LTP est classiquement définie comme un renforcement durable de l’efficacité de connexions synaptiques ayant été stimulées de façon répétée et soutenue. De plus, on peut distinguer deux formes de LTP: une LTP précoce, qui repose sur la modification de protéines déjà formées, et une LTP tardive, qui requiert, elle, la synthèse de nouvelles protéines. Cependant, bien que de nombreuses études se soient intéressées au rôle de la traduction pour la maintenance de la LTP, les mécanismes couplant l’activité synaptique à la machinerie de synthèse protéique, de même que l’identité des protéines requises sont encore peu connus. Dans cette optique, cette thèse de doctorat s’est intéressée aux interactions entre l’activité synaptique et la régulation de la traduction. Il est par ailleurs reconnu que la régulation de la traduction des ARNm eukaryotiques se fait principalement au niveau de l’initiation. Nous avons donc étudié la modulation de deux voies majeures pour la régulation de la traduction au cours de la LTP : la voie GCN2/eIF2α et la voie mTOR. Ainsi, nos travaux ont tout d’abord démontré que la régulation de la voie GCN2/eIF2α et de la formation du complexe ternaire sont nécessaires à la maintenance de la plasticité synaptique et de la mémoire à long-terme. En effet, l’activité synaptique régule la phosphorylation de GCN2 et d’eIF2α, ce qui permet de moduler les niveaux du facteur de transcription ATF4. Celui-ci régule à son tour la transcription CREB-dépendante et permet ainsi de contrôler les niveaux d’expression génique et la synthèse de protéines nécessaires pour la stabilisation à long-terme des modifications synaptiques. De plus, la régulation de la voie mTOR et de la traduction spécifique des ARNm 5’TOP semble également jouer un rôle important pour la plasticité synaptique à long-terme. La modulation de cette cascade par l’activité synaptique augmente en effet spécifiquement la capacité de traduction des synapses activées, ce qui leur permet de traduire et d’incorporer les protéines nécessaires au renforcement durable des synapses. De telles recherches permettront sans doute de mieux comprendre la régulation des mécanismes traductionnels par l’activité synaptique, ainsi que leur importance pour la maintenance de la potentialisation à long-terme et de la mémoire à long-terme.

Genome wide search for genetic determinants of habitual alcohol, tobacco and coffee use, obesity-related traits, response to mental and physical stress and hemodynamic traits

Les habitudes de consommation de substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits cardiovasculaires associés seraient en partie reliés aux mêmes facteurs génétiques. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons effectué, chez 119 familles multi-générationnelles québécoises de la région du Saguenay-Lac-St-Jean, des études d’association et de liaison pangénomiques pour les composantes génétiques : de la consommation usuelle d’alcool, de tabac et de café, de la réponse au stress physique et psychologique, des traits anthropométriques reliés à l’obésité, ainsi que des mesures du rythme cardiaque (RC) et de la pression artérielle (PA). 58000 SNPs et 437 marqueurs microsatellites ont été utilisés et l’annotation fonctionnelle des gènes candidats identifiés a ensuite été réalisée. Nous avons détecté des corrélations phénotypiques significatives entre les substances psychoactives, le stress, l’obésité et les traits hémodynamiques. Par exemple, les consommateurs d’alcool et de tabac ont montré un RC significativement diminué en réponse au stress psychologique. De plus, les consommateurs de tabac avaient des PA plus basses que les non-consommateurs. Aussi, les hypertendus présentaient des RC et PA systoliques accrus en réponse au stress psychologique et un indice de masse corporelle (IMC) élevé, comparativement aux normotendus. D’autre part, l’utilisation de tabac augmenterait les taux corporels d’épinéphrine, et des niveaux élevés d’épinéphrine ont été associés à des IMC diminués. Ainsi, en accord avec les corrélations inter-phénotypiques, nous avons identifié plusieurs gènes associés/liés à la consommation de substances psychoactives, à la réponse au stress physique et psychologique, aux traits reliés à l’obésité et aux traits hémodynamiques incluant CAMK4, CNTN4, DLG2, DAG1, FHIT, GRID2, ITPR2, NOVA1, NRG3 et PRKCE. Ces gènes codent pour des protéines constituant un réseau d’interactions, impliquées dans la plasticité synaptique, et hautement exprimées dans le cerveau et ses tissus associés. De plus, l’analyse des sentiers de signalisation pour les gènes identifiés (P = 0,03) a révélé une induction de mécanismes de Potentialisation à Long Terme. Les variations des traits étudiés seraient en grande partie liées au sexe et au statut d’hypertension. Pour la consommation de tabac, nous avons noté que le degré et le sens des corrélations avec l’obésité, les traits hémodynamiques et le stress sont spécifiques au sexe et à la pression artérielle. Par exemple, si des variations ont été détectées entre les hommes fumeurs et non-fumeurs (anciens et jamais), aucune différence n’a été observée chez les femmes. Nous avons aussi identifié de nombreux traits reliés à l’obésité dont la corrélation avec la consommation de tabac apparaît essentiellement plus liée à des facteurs génétiques qu’au fait de fumer en lui-même. Pour le sexe et l’hypertension, des différences dans l’héritabilité de nombreux traits ont également été observées. En effet, des analyses génétiques sur des sous-groupes spécifiques ont révélé des gènes additionnels partageant des fonctions synaptiques : CAMK4, CNTN5, DNM3, KCNAB1 (spécifique à l’hypertension), CNTN4, DNM3, FHIT, ITPR1 and NRXN3 (spécifique au sexe). Ces gènes codent pour des protéines interagissant avec les protéines de gènes détectés dans l’analyse générale. De plus, pour les gènes des sous-groupes, les résultats des analyses des sentiers de signalisation et des profils d’expression des gènes ont montré des caractéristiques similaires à celles de l’analyse générale. La convergence substantielle entre les déterminants génétiques des substances psychoactives, du stress, de l’obésité et des traits hémodynamiques soutiennent la notion selon laquelle les variations génétiques des voies de plasticité synaptique constitueraient une interface commune avec les différences génétiques liées au sexe et à l’hypertension. Nous pensons, également, que la plasticité synaptique interviendrait dans de nombreux phénotypes complexes influencés par le mode de vie. En définitive, ces résultats indiquent que des approches basées sur des sous-groupes et des réseaux amélioreraient la compréhension de la nature polygénique des phénotypes complexes, et des processus moléculaires communs qui les définissent.