Age-related functional and structural retinal modifications in the Igf1−/− null mouse

Background. Mutations in the gene encoding human insulin-like growth factor-I (IGF-I) cause syndromic neurosensorial deafness. To understand the precise role of IGF-I in retinal physiology, we have studied the morphology and electrophysiology of the retina of the Igf1−/− mice in comparison with that of the Igf1+/− and Igf1+/+ animals during aging. Methods. Serological concentrations of IGF-I, glycemia and body weight were determined in Igf1+/+, Igf1+/− and Igf1−/− mice at different times up to 360 days of age. We have analyzed hearing by recording the auditory brainstem responses (ABR), the retinal function by electroretinographic (ERG) responses and the retinal morphology by immunohistochemical labeling on retinal preparations at different ages. Results. IGF-I levels are gradually reduced with aging in the mouse. Deaf Igf1−/− mice had an almost flat scotopic ERG response and a photopic ERG response of very small amplitude at postnatal age 360 days (P360). At the same age, Igf1+/− mice still showed both scotopic and photopic ERG responses, but a significant decrease in the ERG wave amplitudes was observed when compared with those of Igf1+/+ mice. Immunohistochemical analysis showed that P360 Igf1−/− mice suffered important structural modifications in the first synapse of the retinal pathway, that affected mainly the postsynaptic processes from horizontal and bipolar cells. A decrease in bassoon and synaptophysin staining in both rod and cone synaptic terminals suggested a reduced photoreceptor output to the inner retina. Retinal morphology of the P360 Igf1+/− mice showed only small alterations in the horizontal and bipolar cell processes, when compared with Igf1+/+ mice of matched age. Conclusions. In the mouse, IGF-I deficit causes an age-related visual loss, besides a congenital deafness. The present results support the use of the Igf1−/− mouse as a new model for the study of human syndromic deaf-blindness.

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil.

The role of protein convertases in bigdynorphin and dynorphin A metabolic pathway

Les dynorphines sont des neuropeptides importants avec un rôle central dans la nociception et l’atténuation de la douleur. De nombreux mécanismes régulent les concentrations de dynorphine endogènes, y compris la protéolyse. Les Proprotéines convertases (PC) sont largement exprimées dans le système nerveux central et clivent spécifiquement le C-terminale de couple acides aminés basiques, ou un résidu basique unique. Le contrôle protéolytique des concentrations endogènes de Big Dynorphine (BDyn) et dynorphine A (Dyn A) a un effet important sur la perception de la douleur et le rôle de PC reste à être déterminée. L'objectif de cette étude était de décrypter le rôle de PC1 et PC2 dans le contrôle protéolytique de BDyn et Dyn A avec l'aide de fractions cellulaires de la moelle épinière de type sauvage (WT), PC1 -/+ et PC2 -/+ de souris et par la spectrométrie de masse. Nos résultats démontrent clairement que PC1 et PC2 sont impliquées dans la protéolyse de BDyn et Dyn A avec un rôle plus significatif pour PC1. Le traitement en C-terminal de BDyn génère des fragments peptidiques spécifiques incluant dynorphine 1-19, dynorphine 1-13, dynorphine 1-11 et dynorphine 1-7 et Dyn A génère les fragments dynorphine 1-13, dynorphine 1-11 et dynorphine 1-7. Ils sont tous des fragments de peptides associés à PC1 ou PC2. En plus, la protéolyse de BDyn conduit à la formation de Dyn A et Leu-Enk, deux peptides opioïdes importants. La vitesse de formation des deux est réduite de manière significative dans les fractions cellulaires de la moelle épinière de souris mutantes. En conséquence, l'inhibition même partielle de PC1 ou PC2 peut altérer le système opioïde endogène.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Ca2+-activated K+(BK) channel inactivation contributes to spike broadening during repetitive firing in the rat lateral amygdala

In many neurons, trains of action potentials show frequency-dependent broadening. This broadening results from the voltage-dependent inactivation of K+ currents that contribute to action potential repolarisation. In different neuronal cell types these K+ currents have been shown to be either slowly inactivating delayed rectifier type currents or rapidly inactivating A-type voltage-gated K+ currents. Recent findings show that inactivation of a Ca2+-dependent K+ current, mediated by large conductance BK-type channels, also contributes to spike broadening. Here, using whole-cell recordings in acute slices, we examine spike broadening in lateral amygdala projection neurons. Spike broadening is frequency dependent and is reversed by brief hyperpolarisations. This broadening is reduced by blockade of voltage-gated Ca2+ channels and BK channels. In contrast, broadening is not blocked by high concentrations of 4-aminopyridine (4-AP) or alpha-dendrotoxin. We conclude that while inactivation of BK-type Ca2+-activated K+ channels contributes to spike broadening in lateral amygdala neurons, inactivation of another as yet unidentified outward current also plays a role.

Neuromuscular synapses mediate motor axon branching and motoneuron survival during the embryonic period of programmed cell death

The embryonic period of motoneuron programmed cell death (PCD) is marked by transient motor axon branching, but the role of neuromuscular synapses in regulating motoneuron number and axonal branching is not known. Here, we test whether neuromuscular synapses are required for the quantitative association between reduced skeletal muscle contraction, increased motor neurite branching, and increased motoneuron survival. We achieved this by comparing agrin and rapsyn mutant mice that lack acetylcholine receptor (AChR) clusters. There were significant reductions in nerve-evoked skeletal muscle contraction, increases in intramuscular axonal branching, and increases in spinal motoneuron survival in agrin and rapsyn mutant mice compared with their wild-type littermates at embryonic day 18.5 (E18.5). The maximum nerve-evoked skeletal muscle contraction was reduced a further 17% in agrin mutants than in rapsyn mutants. This correlated to an increase in motor axon branch extension and number that was 38% more in agrin mutants than in rapsyn mutants. This suggests that specializations of the neuromuscular synapse that ensure efficient synaptic transmission and muscle contraction are also vital mediators of motor axon branching. However, these increases in motor axon branching did not correlate with increases in motoneuron survival when comparing agrin and rapsyn mutants. Thus, agrin-induced synaptic specializations are required for skeletal muscle to effectively control motoneuron numbers during embryonic development. (C) 2003 Elsevier Science (USA). All rights reserved.

The LFA-1-associated molecule PTA-1 (CD226) on T cells forms a dynamic molecular complex with protein 4.1G and human discs large

Clustering of the T cell integrin, LFA-1, at specialized regions of intercellular contact initiates integrin-mediated adhesion and downstream signaling, events that are necessary for a successful immunological response. But how clustering is achieved and sustained is not known. Here we establish that an LFA-1-associated molecule, PTA-1, is localized to membrane rafts and binds the carboxyl-terminal domain of isoforms of the actin-binding protein 4.1G. Protein 4.1 is known to associate with the membrane-associated guanylate kinase homologue, human discs large. We show that the carboxyl-terminal peptide of PTA-1 also can bind human discs large and that the presence or absence of this peptide greatly influences binding between PTA-1 and different isoforms of 4.1G. T cell stimulation with phorbol ester or PTA-1 cross-linking induces PTA-1 and 4.1G to associate tightly with the cytoskeleton, and the PTA-1 from such activated cells now can bind to the amino-terminal region of 4.1G. We propose that these dynamic associations provide the structural basis for a regulated molecular adhesive complex that serves to cluster and transport LFA-1 and associated molecules.

Changes to peptide structure, not concentration, contribute to expansion of the lowest avidity cytotoxic T lymphocytes

The efficient in vitro expansion of antigen-specific CD8(+) cytotoxic T lymphocytes (CTL) for use in adoptive immunotherapy represents an important clinical goal. Furthermore, the avidity of expanded CTL populations often correlates closely with clinical outcome. In our study, high-avidity CTL lines could be expanded ex vivo from an antigen-primed animal using low peptide concentration, and intermediate peptide concentrations favored the generation of lower avidity CTL. Further increases in peptide concentration during culture inhibited the expansion of all peptide-specific CD8(+) cells. In contrast, a single amino acid variant peptide efficiently generated functional CTL populations at high or low peptide concentration, which responded to wild-type epitope with the lowest average avidity seen in this study. We propose that for some peptides, the efficient generation of low-avidity CTL responses will be favored by stimulation with altered peptide rather than high concentrations of wild-type epitope. In addition, some variant peptides designed to have improved binding to major histocompatibility complex class I may reduce rather than enhance the functional avidity for the wild-type peptide of ex vivo-expanded CTL. These observations are relevant to in vitro expansion of CTL for immunotherapy and strategies to elicit regulatory or therapeutic immunity to neo-self-antigen when central tolerance has eliminated high-avidity, cognate T cells.

Glycinergic and GABAergic synaptic activity differentially regulate motoneuron survival and skeletal muscle innervation

GABAergic and glycinergic synaptic transmission is proposed to promote the maturation and refinement of the developing CNS. Here we provide morphological and functional evidence that glycinergic and GABAergic synapses control motoneuron development in a region-specific manner during programmed cell death. In gephyrin-deficient mice that lack all postsynaptic glycine receptor and some GABA(A) receptor clusters, there was increased spontaneous respiratory motor activity, reduced respiratory motoneuron survival, and decreased innervation of the diaphragm. In contrast, limb-innervating motoneurons showed decreased spontaneous activity, increased survival, and increased innervation of their target muscles. Both GABA and glycine increased limb-innervating motoneuron activity and decreased respiratory motoneuron activity in wild-type mice, but only glycine responses were abolished in gephyrin-deficient mice. Our results provide genetic evidence that the development of glycinergic and GABAergic synaptic inputs onto motoneurons plays an important role in the survival, axonal branching, and spontaneous activity of motoneurons in developing mammalian embryos.

Correlation of non-uniform protein expression with variation in transmitter release probability

The strength of synaptic transmission is highly variable between different synapses. The present study examined some factors that may contribute to this variation in the strength of neurotransmission in sympathetic varicosities of the mouse vas deferens. Transmitter release was measured using a focal macropatch electrode placed over pairs of visualised varicosities. By regulating the calcium concentration of the solutions inside the recording electrode and in the bath independently of each other, transmitter release was restricted to one or two surface varicosities at each recording site. Using this technique, transmitter release probability was shown to be highly variable, even between adjacent varicosities on single axon branches. Very little variation was observed in the calcium influx following single impulse nerve stimulation between adjacent Oregon Green BAPTA-1 loaded varicosities. However, the staining intensities of three vesicular proteins, SV2, synaptophysin, and synaptotagmin 1, showed considerable variation between adjacent varicosities on single axon branches. This variation in staining intensity may be partly explained by variation in the density of synaptic vesicles. However, double staining experiments using two vesicular antigens showed some varicosities staining for one vesicular antigen, but not for the second, suggesting that the expression of these release machinery proteins is regulated locally within the varicosities. The results of the present study strengthen suggestions that synaptic strength is at least in part, regulated by variation in the expression of vesicular proteins. (C) 2004 Wiley-Liss, Inc.

Synaptogenesis in the mushroom body calyx during metamorphosis in the honeybee Apis mellifera: An electron microscopic study

The goals of this study are to determine relationships between synaptogenesis and morphogenesis within the mushroom body calyx of the honeybee Apis mellifera and to find out how the microglomerular structure characteristic for the mature calyx is established during metamorphosis. We show that synaptogenesis in the mushroom body calycal neuropile starts in early metamorphosis (stages P1-P3), before the microglomerular structure of the neuropile is established. The initial step of synaptogenesis is characterized by the rare occurrence of distinct synaptic contacts. A massive synaptogenesis starts at stage P5, which coincides with the formation of microglomeruli, structural units of the calyx that are composed of centrally located presynaptic boutons surrounded by spiny postsynaptic endings. Microglomeruli are assembled either via accumulation of fine postsynaptic processes around preexisting presynaptic boutons or via ingrowth of thin neurites of presynaptic neurons into premicroglomeruli, tightly packed groups of spiny endings. During late pupal stages (P8-P9), addition of new synapses and microglomeruli is likely to continue. Most of the synaptic appositions formed there are made by boutons (putative extrinsic mushroom body neurons) into small postsynaptic profiles that do not exhibit presynaptic specializations (putative intrinsic mushroom body neurons). Synapses between presynaptic boutons characteristic of the adult calyx first appear at stage P8 but remain rare toward the end of metamorphosis. Our observations are consistent with the hypothesis that most of the synapses established during metamorphosis provide the structural basis for afferent information flow to calyces, whereas maturation of local synaptic circuitry is likely to occur after adult emergence.

The motor neurite terminal determines where neuromuscular synapses form in the absence of agrin

Agrin is a proteoglycan secreted by motor neurite terminals that functions to initiate and maintain AChR clusters at the nerve terminal. This led to the theory that neurite terminals decide where neuromuscular synapses form by secreting agrin. However, initiation of AChR clustering occurs in the absence of the innervating motoneuron and in the absence of agrin. In this instance, the muscle, not the nerve, is deciding the location of neuromuscular synapses by drawing neurite terminals towards pre-existing AChR clusters. If this were true, one would expect the initial innervation patterns to be the same in agrin-deficient mice and wild-type mice. To test this we quantified the intramuscular axonal branching and synapse formation in the diaphragm at E14.5 in agrin-deficient mice and wild-type mice. Heterozygote mothers were anaesthetised with Nembutal (30 mg) and killed via cervical dislocation. In the diaphragm, the nerve trunk runs down the centre of the muscle and extends branches primarily toward the lateral side. In agrin-deficient mice however, we found significantly more branches exited the phrenic nerve trunk, branched in the periphery and extended further on the medial side. Moreover, we found that the percentage α-bungarotoxin/synaptophysin colocalisations, markers of pre- and postsynaptic differentiation, respectively, was the same in agrin-deficient mice and wild-type mice. These results show that initial innervation patterns are not the same in agrin-deficient mice and wild-type mice indicating neurite terminals, not muscle, decide the placement of neuromuscular synapses in the absence of agrin.

On the mechanisms of cerebellar synaptic plasticity

Changes in the strength of signalling between neurones are thought to provide a cellular substrate for learning and memory. In the cerebellar cortex, raising the frequency and the strength of parallel fibre (PF) stimulation leads to a long-term depression (LTD) of the strength of signalling at the synapse between PFs and Purkinje cells (PCs), which spreads to distant synapses to the same cell via a nitric oxide (NO) dependent mechanism. At the same synapse, but under conditions of reduced post-synaptic calcium activity, raised frequency stimulation (RFS) of PFs triggers a long-term potentiation of synaptic transmission. The aims of the work described in this thesis were to investigate the conditions necessary for LTD and LTP at this synapse following RFS and to identify the origins and second messenger cascades involved in the induction and spread of LTP and LTD. In thin, parasagittal cerebellar slices whole cell patch clamp recordings were made from PCs and the effects of RFS of one of two, independent PF inputs to the same PC were examined under a range of experimental conditions. Under conditions designed to reduce post-synaptic calcium activity, RFS to a single PF input led to LTP and a decreases in paired pulse facilitation (PPF) in both pathways. This heterosynaptic potentiation was prevented by inhibition of protein kinase A (PKA) or by inhibition of NO synthase with either 7-nitroindazole (7-NI) or NG Nitro-L-argenine methyl ester. Inhibition of guanylate cyclase (GC) or protein kinase G (PKG) had no effect. A similar potentiation was observed upon application of the adenylyl cyclase (AC) activator forskolin or the NO donor spermine NONOate. Both of these treatments also resulted in an increase in the frequency of mEPSCs, which provides further evidence for a presynaptic origin of LTP. Forskolin induced potentiation and the increase in mEPSC frequency were blocked by 7-NI. The styryl dye FM1-43, a fluorescent reporter of endo- and exocytosis, was also used to further examine the possible pre-synaptic origins of LTP. RFS or forskolin application enhanced FM1-43 de-staining and NOS inhibitors blocked this effect. Application of NONOate also enhanced FM1-43 de-staining. When post-synaptic calcium activity was less strictly buffered, RFS to a single PF input led to a transient potentiation that was succeeded by LTD in both pathways. This LTD, which resembled previously described forms, was prevented by inhibition of the NO/cGMP/PKG cascade. Modification of the AC/cAMP/PKA cascade had no effect. In summary, the direction of synaptic plasticity at the PF-PC synapse in response to RFS depends largely on the level of post-synaptic calcium activity. LTP and LTD were non-input specific and both forms of plasticity were dependent on NOS activity. Induction of LTP was mediated by a presynaptic mechanism and depended on NO and cAMP production. LTD on the other hand was a post-synaptic process and required activity of the NO/cGMP/PKG signalling cascade.