Caractérisation et régulation du métabolisme des acides gras dans l’hypothalamus

Un déséquilibre de la balance énergétique constitue la principale cause du développement des pathologies métaboliques telles que l’obésité et le diabète de type 2. Au sein du cerveau, l’hypothalamus joue un rôle primordial dans le contrôle de la prise alimentaire et du métabolisme périphérique via le système nerveux autonome. Ce contrôle, repose sur l’existence de différentes populations neuronales au sein de l’hypothalamus médio-basal (MBH), neurones à neuropeptide Y (NPY)/Agouti-related peptide (AgRP), et neurones a proopiomelanocortine (POMC), dont l’activité est directement modulée par les variations des taux circulants des nutriments tels que le glucose et les acides gras (FA). Alors que les mécanismes de détection et le métabolisme intracellulaire du glucose ont été largement étudiés, l’implication du métabolisme intracellulaire des FA dans leurs effets centraux, est très peu comprise. De plus, on ignore si le glucose, module le métabolisme intracellulaire des acides gras à longue chaine (LCFA) dans le MBH. Le but de notre première étude est, de déterminer l'impact du glucose sur le métabolisme des LCFA, le rôle de l’AMP-activated protein kinase (AMPK), kinase détectrice du statut énergétique cellulaire, et d'établir s’il y a des changements dans le métabolisme des LCFA en fonction de leur structure, du type cellulaire et de la région cérébrale. Nos résultats montrent que le glucose inhibe l'oxydation du palmitate via l’AMPK dans les neurones et les astrocytes primaires hypothalamiques, in vitro, ainsi que dans les explants du MBH, ex vivo, mais pas dans les astrocytes et les explants corticaux. De plus, le glucose augmente l'estérification du palmitate et non de l’oléate dans les neurones et les explants du MBH, mais pas dans les astrocytes hypothalamiques. Ces résultats décrivent le devenir métabolique de différents LCFA dans le MBH, ainsi que, la régulation AMPK - dépendante de leur métabolisme par le glucose dans les astrocytes et les neurones, et démontrent pour la première fois que le métabolisme du glucose et des LCFA est couplé spécifiquement dans les noyaux du MBH, dont le rôle est critique pour le contrôle de l'équilibre énergétique. Le deuxième volet de cette thèse s’est intéressé à déterminer les mécanismes intracellulaires impliqués dans le rôle de la protéine de liaison ACBP dans le métabolisme central des FA. Nous avons démontré que le métabolisme de l’oléate et non celui du palmitate est dépendant de la protéine ACBP, dans les astrocytes hypothalamiques ainsi que dans les explants du MBH. Ainsi, nos résultats démontrent qu’ACBP, protéine identifiée originellement au niveau central, comme un modulateur allostérique des récepteurs GABA, agit comme un régulateur du métabolisme intracellulaire des FA. Ces résultats ouvrent de nouvelles pistes de recherche liées à la régulation du métabolisme des acides gras au niveau central, ainsi que, la nouvelle fonction de la protéine ACBP dans la régulation du métabolisme des FA au niveau du système nerveux central. Ceci aiderait à identifier des cibles moléculaires pouvant contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques de pathologies telles que l’obésité et le diabète de type 2.

Mécanismes moléculaires régulant la pathologie dendritique dans la rétine adulte lésée in vivo

Les dendrites sont essentielles pour la réception et l’intégration des stimuli afférents dans les neurones. De plus en plus d’évidences d’une détérioration dendritique sont associées à une axonopathie dans les maladies neurodégénératives. Le glaucome dont la physiopathologie est caractérisée par une détérioration progressive et irréversible des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) est la première cause de cécité irréversible dans le monde. Son évolution est associée à un amincissement graduel des axones et à l’atrophie des somas des CGRs. La majorité des études de neuroprotection des neuropathies rétiniennes visent la survie et la protection des somas et des axones. Des études récentes ont démontré des changements dendritiques associés à cette pathologie, toutefois les mécanismes moléculaires les régulant sont méconnus. L’hypothèse principale de ma thèse stipule qu’une lésion axonale entraîne des altérations précoces des structures dendritiques. L’identification de voies de signalisation régulant ces changements permettrait d’élaborer des stratégies de neuroprotection et de rétablir la fonction de ces neurones. Dans la première étude, nous avons examiné l’effet précoce d’une lésion axonale aigüe sur la morphologie dendritique des CGRs in vivo. En utilisant des souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente jaune (YFP) soumises à une axotomie, nous avons démontré un rétrécissement de l’arbre dendritique des CGRs et une diminution sélective de l’activité de mTOR avant le début de la mort des CGRs lésées. Aussi nous avons démontré une augmentation de l’expression de la protéine Regulated in development and DNA damage response 2 (REDD2), un régulateur négatif en amont de la protéine mTOR en réponse à la lésion du nerf optique in vivo. Nous avons démontré que la réactivation de mTOR par l’inhibition de l’expression de REDD2 préserve les arbres dendritiques des CGRs adultes. En effet, l’injection de petits ARN d’interférence contre la REDD2 (siREDD2) stimule l’activité de mTOR dans les CGRs lésées et augmente significativement la longueur et la surface dendritique totale. De plus, la rapamycine, un inhibiteur de mTOR, inhibe complètement l’effet du siREDD2 sur la croissance et l’élaboration des dendrites. L’analyse électrophysiologique des CGRs démontre une augmentation de l’excitabilité des CGRs lésées qui est restaurée en présence du siREDD2. Par ailleurs, des données récentes ont mis en évidence l’implication de la neuro-inflammation dans le glaucome, caractérisée par une augmentation de cytokines pro-inflammatoires dont principalement le facteur de nécrose tumorale (TNFα). Ainsi dans la deuxième étude nous avons examiné l’effet du TNF exogène sur la morphologie de l’arbre dendritique des CGRs et commencé l’étude des mécanismes moléculaires sous-jacents à ces changements. Nos résultats démontrent que l’injection de TNF recombinante dans le vitrée induit une rétraction dendritique précoce qui corrèle à une réduction de phospho-S6 suggérant l’implication de mTOR dans ces CGRs lésées. Ainsi, les études présentées dans cette thèse mettent en évidence un nouveau rôle de mTOR dans la stabilité et le maintien des dendrites de neurones rétiniennes adultes. Ces études ont aussi démontré l’effet précoce de stress direct ou indirect, c’est-à-dire l’axotomie et le TNFα respectivement sur la pathologie dendritique et sur leur effet sur la fonction neuronale.

Role of Reactive Gliosis and Neuroinflammation in Experimental Glaucoma

Le glaucome est la principale cause de cécité irréversible dans le monde. Chez les patients atteints de cette pathologie, la perte de la vue résulte de la mort sélective des cellules ganglionnaires (CGR) de la rétine ainsi que de la dégénérescence axonale. La pression intraoculaire élevée est considérée le facteur de risque majeur pour le développement de cette maladie. Les thérapies actuelles emploient des traitements pharmacologiques et/ou chirurgicaux pour diminuer la pression oculaire. Néanmoins, la perte du champ visuel continue à progresser, impliquant des mécanismes indépendants de la pression intraoculaire dans la progression de la maladie. Il a été récemment démontré que des facteurs neuroinflammatoires pourraient être impliqués dans le développement du glaucome. Cette réponse est caractérisée par une régulation positive des cytokines pro-inflammatoires, en particulier du facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα). Cependant, le mécanisme par lequel le processus neuroinflammatoire agit sur la mort neuronale reste à clarifier. L’hypothèse principale de ce doctorat propose que les facteurs pro-inflammatoires comme le TNFα et la phosphodiestérase 4 (PDE4) interagissent avec les mécanismes moléculaires de la mort neuronale, favorisant ainsi la survie et la protection des CGRs au cours du glaucome. Dans la première partie de ma thèse, J’ai utilisé un modèle in vivo de glaucome chez des rats Brown Norway pour montrer que l’expression du TNFα est augmentée après l'induction de l'hypertension oculaire. L'hypothèse spécifique de cette étude suggère que les niveaux élevés de TNFα provoquent la mort des CGRs en favorisant l'insertion de récepteurs AMPA perméables au calcium (CP-AMPAR) à la membrane cytoplasmique. Pour tester cette hypothèse, j’ai utilisé un inhibiteur sélectif de la forme soluble du TNFα, le XPro1595. L'administration de cet agent pharmacologique a induit une protection significative des somas et des axones des neurones rétiniens. L'évaluation de la perméabilité au cobalt a montré que le TNFα soluble est impliqué dans l'insertion de CP-AMPAR à la membrane des CGRs lors du glaucome. L’exposition des neurones à une pression oculaire élevée est à l’origine de la hausse de la densité membranaire des CP-AMPARs, grâce à une diminution de l’expression de la sous-unité GluA2. La présence de GluA2 au sein du récepteur ne permet pas l’entrée du calcium à l’intérieur de la cellule. L'administration intraoculaire d’antagonistes spécifiques des CP-AMPARs promeut la protection des somas et des axones des CGRs. Ces résultats montrent que les CP-AMPARs jouent un rôle important dans la pathologie du glaucome. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé l'effet neuroprotecteur d’un inhibiteur de la PDE4, l’ibudilast, dans notre modèle de glaucome. L'hypothèse spécifique s’oriente vers une atténuation de la réponse neuroinflammatoire et de la gliose par l’administration d’ibudilast, favorisant ainsi la protection neuronale. Les résultats montrent que dans les rétines glaucomateuses, l’ibudilast diminue la gliose et l'expression de plusieurs facteurs tels que le TNFα, l'interleukine-1β (IL-1β), l’interleukine-6 (IL-6) et le facteur inhibiteur de la migration des macrophages (MIF). Chez les rats glaucomateux, nous avons observé une expression notable de PDE4A dans les cellules de Müller, qui est en corrélation avec l'accumulation de l’AMP cyclique (AMPc) dans ces cellules après un traitement d’ibudilast. Finalement, nous avons démontré que la protection des CGRs via l’administration d’ibudilast est un mécanisme dépendent de l’AMPc et de la protéine kinase A (PKA). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse identifient deux mécanismes différents impliqués dans la perte des CGRs au cours du glaucome. Ces mécanismes pourraient fournir des perspectives potentielles pour le développement de nouvelles stratégies de traitement du glaucome.

Développement d'une méthode de quantification des varicosités synaptiques et asynaptiques établies par les neurones dopaminergiques

Les neurones dopaminergiques (DA) de la substance noire compacte (SNc) et de l’aire tegmentaire ventrale (ATV) développent des contacts de type synaptique et non synaptique. Malgré de nombreux travaux sur la synaptogénèse en général, aucune méthode autre que la microscopie électronique, n’a été développée pour quantifier les varicosités synaptiques et asynaptiques issues des neurones DA. L’objectif principal de ce projet était de développer une méthode d’analyse et de quantification des varicosités synaptiques et asynaptiques des neurones DA. L’hypothèse proposée est qu’il devait être possible de détecter la présence de synapses en visualisant la colocalisation d’une protéine présynaptique telle que synaptotagmine 1 (SYT1) avec un marqueur post-synaptique tel que la postsynaptic density protein 95 (PSD95). Pour ce faire, nous avons préparé des cultures primaires de neurones DA à l’aide d’une lignée de souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente verte (GFP) sous le contrôle du promoteur de la tyrosine hydroxyalse (TH). Nous avons ensuite visualisé les terminaisons axonales à l'aide de marquages immunocytochimiques de protéines pré et post-synaptiques. L’analyse quantitative des images a été effectuée avec le logiciel de traitement d’image Image-J. Nos résultats montrent que, via l’association d’un marqueur présynaptique tel que SYT1 avec un marqueur postsynaptique tel que PSD95, seule une minorité des terminaisons établies par les neurones DA sont de type synaptique. En contraste, des neurones glutamatergiques du cortex, établissent une majorité de terminaisons associées à un marqueur postsynaptique. Nos résultats valident donc la mise en place d'une technique d'analyse permettant de quantifier la proportion de terminaisons synaptiques et asynaptiques établies par les neurones DA.

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.

Ultrabithorax Confers Spatial Identity in a Context-Specific Manner in the Drosophila Postembryonic Ventral Nervous System

In holometabolous insects such as Drosophila melanogaster, neuroblasts produce an initial population of diverse neurons during embryogenesis and a much larger set of adult-specific neurons during larval life. In the ventral CNS, many of these secondary neuronal lineages differ significantly from one body segment to another, suggesting a role for anteroposterior patterning genes. Here we systematically characterize the expression pattern and function of the Hox gene Ultrabithorax (Ubx) in all 25 postembryonic lineages. We find that Ubx is expressed in a segment-, lineage-, and hemilineage-specific manner in the thoracic and anterior abdominal segments. When Ubx is removed from neuroblasts via mitotic recombination, neurons in these segments exhibit the morphologies and survival patterns of their anterior thoracic counterparts. Conversely, when Ubx is ectopically expressed in anterior thoracic segments, neurons exhibit complementary posterior transformation phenotypes. Our findings demonstrate that Ubx plays a critical role in conferring segment-appropriate morphology and survival on individual neurons in the adult-specific ventral CNS. Moreover, while always conferring spatial identity in some sense, Ubx has been co-opted during evolution for distinct and even opposite functions in different neuronal hemilineages.

CONFORMATIONAL CHANGES IN THE EXTRACELLULAR DOMAIN OF GLUTAMATE RECEPTORS

The family of membrane protein called glutamate receptors play an important role in the central nervous system in mediating signaling between neurons. Glutamate receptors are involved in the elaborate game that nerve cells play with each other in order to control movement, memory, and learning. Neurons achieve this communication by rapidly converting electrical signals into chemical signals and then converting them back into electrical signals. To propagate an electrical impulse, neurons in the brain launch bursts of neurotransmitter molecules like glutamate at the junction between neurons, called the synapse. Glutamate receptors are found lodged in the membranes of the post-synaptic neuron. They receive the burst of neurotransmitters and respond by fielding the neurotransmitters and opening ion channels. Glutamate receptors have been implicated in a number of neuropathologies like ischemia, stroke and amyotrophic lateral sclerosis. Specifically, the NMDA subtype of glutamate receptors has been linked to the onset of Alzheimer’s disease and the subsequent degeneration of neuronal cells. While crystal structures of AMPA and kainate subtypes of glutamate receptors have provided valuable information regarding the assembly and mechanism of activation; little is known about the NMDA receptors. Even the basic question of receptor assembly still remains unanswered. Therefore, to gain a clear understanding of how the receptors are assembled and how agonist binding gets translated to channel opening, I have used a technique called Luminescence Resonance Energy Transfer (LRET). LRET offers the unique advantage of tracking large scale conformational changes associated with receptor activation and desensitization. In this dissertation, LRET, in combination with biochemical and electrophysiological studies, were performed on the NMDA receptors to draw a correlation between structure and function. NMDA receptor subtypes GluN1 and GluN2A were modified such that fluorophores could be introduced at specific sites to determine their pattern of assembly. The results indicated that the GluN1 subunits assembled across each other in a diagonal manner to form a functional receptor. Once the subunit arrangement was established, this was used as a model to further examine the mechanism of activation in this subtype of glutamate receptor. Using LRET, the correlation between cleft closure and activation was tested for both the GluN1 and GluN2A subunit of the NMDA receptor in response to agonists of varying efficacies. These investigations revealed that cleft closure plays a major role in the mechanism of activation in the NMDA receptor, similar to the AMPA and kainate subtypes. Therefore, suggesting that the mechanism of activation is conserved across the different subtypes of glutamate receptors.

Ca++/calmodulin-dependent protein kinase II: Messenger RNA in developing rat brain

Ca$\sp{++}$/calmodulin-dependent protein kinase II (CaM-KII) is highly concentrated in mammalian brain, comprising as much as 2% of the total protein in some regions. In forebrain, CaM-KII has been shown to be enriched in postsynaptic structures where it has been implicated in maintaining cytoskeletal structure, and more recently in signal transduction mechanisms and processes underlying learning and memory. CaM-KII appears to exist as a holoenzyme composed of two related yet distinct subunits, alpha and beta. The ratio of the subunits in the holoenzyme varies with different brain regions and to some degree with subcellular fractions. The two subunits also display distinct developmental profiles. Levels of alpha subunit are not evident at birth but increase dramatically during postnatal development, while levels of beta subunit are readily detected at birth and only gradual increase postnatally. The distinct regional, subcellular and developmental distribution of the two subunits of CaM-KII have prompted us to examine factors involved in regulating the synthesis of the subunit proteins.^ This dissertation addresses the regional and developmental expression of the mRNAs for the individual subunits using in situ hybridization histochemistry and northern slot-blot analysis. By comparing the developmental profile of each mRNA with that of its respective protein, we have determined that initiation of gene transcription is likely the primary site for regulating CaM-KII protein levels. Furthermore, the distinct cytoarchitecture of the hippocampus has allowed us to demonstrate that the alpha, but not beta subunit mRNA is localized in dendrites of certain forebrain neurons. The localization of alpha subunit mRNA at postsynaptic structures, in concert with the accumulation of subunit protein, suggests that dendritic synthesis of CaM-KII alpha subunit may be important for maintaining postsynaptic structure and/or function. ^

Glutamate receptors expressed in {\it Xenopus\/} oocytes: Studies in function and regulation

The amino acid glutamate is the primary excitatory neurotransmitter for the CNS and is responsible for the majority of fast synaptic transmission. Glutamate receptors have been shown to be involved in multiple forms of synaptic plasticity such as LTP, LTD, and the formation of specific synaptic connections during development. In addition to contributing to the plasticity of the CNS, glutamate receptors also are involved in, at least in part, various pathological conditions such as epilepsy, ischemic damage due to stroke, and Huntington's chorea. The regulation of glutamate receptors, particularly the ionotropic NMDA and AMPA/KA receptors is therefore of great interest. In this body of work, glutamate receptor function and regulation by kinase activity was examined using the Xenopus oocyte which is a convenient and faithful expression system for exogenous proteins. Glutamate receptor responses were measured using the two-electrode voltage clamp technique in oocytes injected with rat total forebrain RNA. NMDA elicited currents that were glycine-dependent, subject to block by Mg$\sp{2+}$ in a voltage-dependent manner and sensitive to the specific NMDA antagonist APV in a manner consistent with those types of responses found in neural tissue. Similarly, KA-evoked currents were sensitive to the specific AMPA/KA antagonist CNQX and exhibited current voltage relationships consistent with the calcium permeable type II KA receptors found in the hippocampus. There is evidence to indicate that NMDA and AMPA/KA receptors are regulated by protein kinase A (PKA). We explored this by examining the effects of activators of PKA (forskolin, 1-isobutyl-3-methylxanthine (IBMX) and 8-Br-cAMP) on NMDA and KA currents in the oocyte. In buffer where Ca$\sp{2+}$ was replaced by 2 mM Ba$\sp{2+},$ forskolin plus IBMX and 8-Br-cAMP augmented currents due to NMDA application but not KA. This augmentation was abolished by pretreating the oocytes in the kinase inhibitor K252A. The use of chloride channel blockers resulted in attenuation of this effect indicating that Ba$\sp{2+}$ influx through the NMDA channel was activating the endogenous calcium-activated chloride current and that the cAMP mediated augmentation was at the level of the chloride channel and not the NMDA channel. This was confirmed by (1) the finding that 8-Br-cAMP increased chloride currents elicited via calcium channel activation while having no effect on the calcium channels themselves and (2) the fact that lowering the Ba$\sp{2+}$ concentration to 200 $\mu$M abolished the augmentation NMDA currents by 8-Br-cAMP. Thus PKA does not appear to modulate ionotropic glutamate receptors in our preparation. Another kinase also implicated in the regulation of NMDA receptors, calcium/phospholipid-dependent protein kinase (PKC), was examined for its effects on the NMDA receptor under low Ba$\sp{2+}$ (200 $\mu$M) conditions. Phorbol esters, activators of PKC, induced a robust potentiation of NMDA currents that was blockable by the kinase inhibitor K252A. Furthermore activation of metabotropic receptors by the selective agonist trans-ACPD, also potentiated NMDA albeit more modestly. These results indicate that neither NMDA nor KA-activated glutamate receptors are modulated by PKA in Xenopus oocytes whereas NMDA receptors appear to be augmented by PKC. Furthermore, the endogenous chloride current of the oocyte was found to be responsive to Ba$\sp{2+}$ and in addition is enhanced by PKA. Both of these latter findings are novel. In conclusion, the Xenopus oocyte is a useful expression system for the analysis of ligand-gated channel activity and the regulation of those channels by phosphorylation. ^

Traumatic brain injury (TBI) produces cytoskeletal protein derangements within cortical neurons that can be attenuated by protease inhibition

TBI produces a consistent and extensive loss of neurofilament 68 (NF68) and neurofilament 200 (NF200), key intermediate cytoskeletal proteins found in neurons including axons and dendrites, in cortical samples from injured brain. The presence of low molecular weight NF68 breakdown products (BDPs) strongly suggest that calpain proteolysis at least in part contributes to neurofilament (NF) protein loss following injury. Furthermore, one and two-dimensional gel electrophoresis analyses of NF BDPs obtained from in situ and in vitro tissue also implicated the involvement of calpain 2 mediated proteolysis of neurofilaments following TBI. Immunohistochemical examination of derangements in cytoskeletal proteins following traumatic brain injury in rats indicated that preferential dendritic rather than axonal damage occurs within three hours post-TBI. Although proteolysis of cytoskeletal proteins occurred concurrently with early morphological alterations, evidence of proteolysis preceded the full expression of evolutionary histopathological changes. Furthermore, cytoskeletal immunofluorescence alterations were not restricted to the site of impact. Confocal microscopic investigations of NF68 and NF200 immunofluorescence within injured cortical neurons revealed alterations in neurofilament assembly in the absence of NF derangements detectable at the light microscopic level ($<$15 minutes post-TBI). Collectively immunohistochemistry studies suggest that derangements to neuronal processes are biochemical and evolutionary in nature, and not due solely to mechanical shearing. Importantly, a systemically administered calpain inhibitor (calpain inhibitor 2) significantly reduced NF200, NF68, and spectrin protein loss as well as providing marked preservation of NF proteins in neuronal somata, dendrites, and axons at 24 hours post-TBI. ^

Functional studies of homeobox gene {\it Cart1\/} during mouse development

Cart1 is a paired-class homeobox-containing gene that is expressed in head mesenchyme, branchial arches, limb buds, and various cartilages during embryogenesis. To understand the role of Cart1 during mammalian development, I generated Cart1-mutant mice by gene targeting in mouse embryonic stem cells. Cart1-homozygous mutants were born alive but all died soon after birth. Most had acrania (absence of the cranial vault) and meroanencephaly (absence of part of the brain). In situ hybridization studies showed that Cart1 is expressed specifically in forebrain mesenchyme but not in midbrain or hindbrain mesenchyme nor in the neural tube. Developmental studies revealed a transient deficiency of forebrain mesenchyme cells due to apoptosis associated with a delay in neural tube closure in that region. Subsequently, the forebrain region became filled with mesenchyme and closed, however, the midbrain neural tube region never initiated closure and remained open. These results suggest that Cart1 is required for the survival of forebrain mesenchyme and that its absence disrupts cranial neural tube morphogenesis by blocking the initiation of closure in the midbrain region, and this ultimately leads to the generation of lethal craniofacial defects. Prenatal treatment of Cart1 homozygous mutants with folic acid suppressed the development of the acrania/meroanencephaly phenotype. Thus, Cart1 mutant mice provide a novel animal model for understanding the cellular, molecular, and genetic etiology of neural tube defects and for the development of prenatal therapeutic protocols using folic acid. ^

Glutamate and nitric oxide as regulatory transmitters in developing rabbit retina

Glutamate is the major excitatory neurotransmitter in the retina and serves as the synaptic messenger for the three classes of neurons which constitute the vertical pathway--the photoreceptors, bipolar cells and ganglion cells. In addition, the glutamate system has been localized morphologically, pharmacologically as well as molecularly during the first postnatal week of development before synaptogenesis occurs. The role which glutamate plays in the maturing visual system is complex but ranges from mediating developmental neurotoxicity to inducing neurite outgrowth.^ Nitric oxide/cGMP is a novel intercellular messenger which is thought to act in concert with the glutamate system in regulating a variety of cellular processes in the brain as well as retina, most notably neurotoxicity. Several developmental activities including programmed cell death, synapse elimination and synaptic reorganization are possible functions of cellular regulation modulated by nitric oxide as well as glutamate.^ The purpose of this thesis is to (1) biochemically characterize the endogenous pools of glutamate and determine what fraction exists extracellularly; (2) examine the morphological expression of NO producing cells in developing retina; (3) test the functional coupling of the NMDA subtype of glutamate receptor to the NO system by examining neurotoxicity which has roles in both the maturing and adult retina.^ Biochemical sampling of perfusates collected from the photoreceptor surface of ex vivo retina demonstrated that although the total pool of glutamate present at birth is relatively modest, a high percentage resides in extracellular pools. As a result, immature neurons without significant synaptic connections survive and develop in a highly glutamatergic environment which has been shown to be toxic in the adult retina.^ The interaction of the glutamate system with the NO system has been postulated to regulate neuronal survival. We therefore examined the developmental expression of the enzyme responsible for producing NO, nitric oxide synthase (NOS), using an antibody to the constitutive form of NOS found in the brain. The neurons thought to produce the majority of NO in the adult retina, a subpopulation of widefield amacrine cells, were not immunoreactive until the end of the second postnatal week. However, a unique developmental expression was observed in the ganglion cell layer and developing outer nuclear layer of the retina during the first postnatal week. We postulate NO producing neurons may not be present in a mature configuration therefore permitting neuronal survival in a highly glutamatergic microenvironment and allowing NO to play a development-specific role at this time.^ The next set of experiments constituted a functional test of the hypothesis that the absence of the prototypic NO producing cells in developing retina protects immature neurons against glutamate toxicity. An explant culture system developed in order to examine cellular responses of immature and adult neurons to glutamate toxicity showed that immature neurons were affected by NMDA but were less responsive to NMDA and NO mediated toxicity. In contrast, adult explants exhibited significant NMDA toxicity which was attenuated by NMDA antagonists, 2-amino-5-phosphonovaleric acid (APV), dextromethorphan (Dex) and N$\rm\sp{G}$-D-methyl arginine (metARG). These results indicated that pan-retinal neurotoxicity via the NMDA receptor and/or NO activation occurred in the adult retina but was not significant in the neonate. (Abstract shortened by UMI.) ^

Long-term synaptic facilitation of tail sensorimotor connections in {\it Aplysia\/}

Long-term sensitization in Aplysia is a well studied model for the examination of the cellular and molecules mechanisms of long-term memory. Several lines of evidence suggest long-term sensitization is mediated at least partially by long-term synaptic facilitation between the sensory and motor neurons. The sensitization training and one of its analogues, serotonin (5-HT), can induce long-term facilitation. In this study, another analogue to long-term sensitization training has been developed. Stimulation of peripheral nerves of pleural-pedal ganglia preparation induced long-term facilitation at both 24 hr and 48 hr. This is the first report that long-term facilitation in Aplysia persists for more than 24 hr, which is consistent with the observation that long-term sensitization lasts for more than one day. Thus, the data support the hypothesis that long-term facilitation is an important mechanism for long-term sensitization.^ One of the major differences between short-term and long-term facilitation is that long-term facilitation requires protein synthesis. Therefore, the effects of anisomycin, a protein synthesis inhibitor, on long-term facilitation was examined. Long-term facilitation induced by nerve stimulation was inhibited by 2 $\mu$M anisomycin, which inhibits $\sim$90% of protein synthesis. Nevertheless, at higher concentration (20 $\mu$M), anisomycin induced long-term facilitation by itself, which raises an interesting question about the function of anisomycin other than protein synthesis inhibition.^ Since protein synthesis is critical for long-term facilitation, a major goal is to identify and functionally characterize the molecules whose mRNA levels are altered during the formation of long-term facilitation. Behavioral training or its analogues (nerve stimulation and 5-HT) increases the level of mRNA of calmodulin (CaM). Thus, the role of Ca$\sp{2+}$-CaM-dependent protein kinase II (CaMKII), a major substrate of CaM, in long-term facilitation induced by nerve stimulation was examined. KN-62, a specific CaMKII inhibitor, did not block either the induction or the maintenance of long-term facilitation induced by nerve stimulation. These data indicate that CaMKII may not be involved in long-term facilitation. Another protein whose mRNA level of a molecule was increased by the behavioral training and the treatment of 5-HT is Aplysia tolloid/BMP-1-like protein 1 (apTBL-1). Tolloid in Drosophila and BMP-1 in human tissues are believed to be secreted as a metalloprotease to activate TGF-$\beta.$ Thus, the long-term effects of recombinant human TGF-$\beta1$ on synaptic strength were examined. Treatment of ganglia with TGF-$\beta1$ produced long-term facilitation, but not short-term or intermediate-term facilitation ($\le$4 hr). In addition, TGF-$\beta1$ and 5-HT were not additive in producing long-term facilitation, which indicates an interaction between two cascades. Moreover, 5-HT-induced facilitation (at both 24 hr and 48 hr) and nerve stimulation-induced facilitation (at 24 hr) were inhibited by TGF-$\beta$ sRII, a TGF-$\beta$ inhibitor. These results suggest that TGF-$\beta$ is part of the cascade of events underlying long-term sensitization, and also indicate that a signaling molecule used in development may also have functions in adult neuronal plasticity. ^

Signals underlying the induction and expression of long-term, injury-related plasticity in sensory neurons of Aplysia

An important goal in the study of long-term memory is to understand the signals that induce and maintain the underlying neural alterations. In Aplysia, long-term sensitization of defensive reflexes has been examined in depth as a simple model of memory. Extensive studies of sensory neurons (SNs) in Aplysia have led to a cellular and molecular model of long-term memory that has greatly influenced memory research. According to this model, induction of long-term memory in Aplysia depends upon serotonin (5-HT) release and subsequent activation of the cAMP-PKA pathway in SNs. The evidence supporting this model mainly came from studies of long-term synaptic facilitation (LTF) using dissociated (and therefore axotomized) cells growing in culture. However, studies in more intact preparations have produced complex and discrepant results. Because these SNs function as nociceptors, and display similar alterations (long-term hyperexcitability [LTH], LTF, and growth) in models of memory and nerve injury, this study examined the roles of 5-HT and the cAMP-PKA pathway in the induction and expression of long-term, injury-related LTH and LTF in Aplysia SNs. ^ The results presented here suggest that 5-HT is not a primary signal for inducing LTH (and perhaps LTF) in Aplysia SNs. Prolonged treatment with 5-HT failed to induce LTH of Aplysia SNs in either ganglia or dissociated-cell preparations. Treatment with a 5-HT antagonist, methiothepin, during noxious nerve stimulation failed to reduce 24 hr LTH. Furthermore, while 5-HT can induce LTF of SN synapses, this LTF appears to be an indirect effect of 5-HT on other cells. When neural activity was suppressed by elevating divalent cations or by using tetrodotoxin (TTX), 5-HT failed to induce LTF. Unlike LTF, LTH of the SNs could not be produced, even when 5-HT treatment occurred in normal artificial sea water (ASW), suggesting that LTH and LTF are likely to depend on different signals for induction. However, methiothepin reduced the later expression of LTH induced by nerve stimulation, suggesting that 5-HT contributes to the maintenance of LTH in Aplysia SNs.n of somata from the ganglion (which axotomizes SNs) or crushing peripheral n. ^ In summary, this study found that 5-HT and the cAMP-PKA pathway are not involved in the induction of long-term, injury-related LTH of Aplysia SNs, but persistent release of 5-HT and persistent PKA activity contribute to the maintenance of LTH induced by injury. (Abstract shortened by UMI.)^

Expression of neuromuscular junction messenger RNAs and protein in aged rats

The loss of skeletal muscle mass is believed to be the dominant reason for reduced strength in aging humans. The purpose of this investigation was to gain some information as to why skeletal muscles lose mass as we age. Since nervous system innervation is essential for skeletal muscle fiber viability, incomplete regional reinnervation during normal synaptic junction turnover has been hypothesized to result in selective muscle fiber loss. Examined here was the age-related association in skeletal muscle between atrophy and the expression of mRNAs encoding the γ- and ϵ-subunits of the nicotinic acetylcholine receptor, myogenin, and muscle specific receptor kinase (MuSK). Gastrocnemius and biceps brachii muscles were collected from young (2 month), adult (18 month), and old (31 month) Fischer 344 cross brown Norway F 1 male rats. In the gastrocnemius, muscles of old vs. young and adult rats, lower muscle mass was accompanied by significantly elevated acetylcholine receptor γ-subunit, myogenin, and MuSK mRNA levels. In contrast, the biceps brachii muscle in the same animals exhibited neither atrophy nor a change in acetylcholine receptor γ-subunit, myogenin, or MuSK mRNA levels. Expression of the acetylcholine receptor ϵ-subunit mRNA did not change with age in either gastrocnemius or biceps brachii muscles. Since acetylcholine receptor γ-subunit, myogenin, and MuSK mRNA levels are upregulated in surgically denervated skeletal muscles of young rats while expression of the acetylcholine receptor ϵ-subunit does not change, the findings of the current investigation suggest that a select fiber population within atrophied skeletal muscles of old rats may be in a denervated-like state. I speculate that increases in γ-subunit, myogenin, and MuSK mRNA levels in atrophied muscles of old rats are compensatory responses to nerve terminal retraction. Indeed, a prolongation of denervation in these muscle fibers would subsequently result in their atrophy and death, ultimately leading to a decline in the number of force generating elements present in the muscle. ^