Gliotransmission in the hippocampus, mechanisms and interaction with synaptic functions

SUMMARYAstrocytes represent the largest cell population in the human brain. In addition to a well established role as metabolic support for neuronal activity, in the last years these cells have been found to accomplish other important and, sometimes, unexpected functions. The tight enwrapping of synapses by astrocytic processes and the predominant expression of glutamate uptake carriers in the astrocytic rather than neuronal plasma membranes brought to the definition of a critical involvement of astrocytes in the clearance of glutamate from synaptic junctions. Moreover, several publications showed that astrocytes are able to release chemical transmitters (gliotransmitters) suggesting their active implication in the control of synaptic functions. Among gliotransmitters, the best characterized is glutamate, which has been proposed to be released from astrocytes in a Ca2+ dependent manner via exocytosis of synaptic-like microvesicles.In my thesis I present results leading to substantial advancement of the understanding of the mechanisms by which astrocytes modulate synaptic activity in the hippocampus, notably at excitatory synapses on dentate granule cells. I show that tumor necrosis factor- alpha (TNFa), a molecule that is generally involved in immune system functions, critically controls astrocyte-to-synapse communication (gliotransmission) in the brain. With constitutive levels of TNFa present, activation of purinergic G protein-coupled receptors in astrocytes, called P2Y1 receptors, induces localized intracellular calcium ([Ca2+]j) elevation in astrocytic processes (measured by two-photon microscopy) followed by glutamate release and activation of pre-synaptic NMDA receptors resulting in synaptic potentiation. In preparations lacking TNFa, astrocytes respond with identical [Ca2+]i elevations but fail to induce neuromodulation. I find that TNFa specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. Addition of very low (picomolar) TNFa concentrations to preparations lacking the cytokine, promptly reconstitutes both normal exocytosis in cultured astrocytes and gliotransmission in hippocampal slices. These data provide the first demonstration that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca2+]i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFa.In addition, I find that higher and presumably pathological TNFa concentrations do not act just permissively but instead become direct and potent triggers of glutamate release from astrocytes, leading to a strong enhancement of excitatory synaptic activity. The TNFa action, like the one observed upon P2Y1R activation, is mediated by pre-synaptic NMDA receptors, but in this case the effect is long-lasting, and not reversible. Moreover, I report that a necessary molecular target for this action of TNFa is TNFR1, one of the two specific receptors for the cytokine, as I found that TNFa was unable to induce synaptic potentiation when applied in slices from TNFR1 knock-out (Tnfrlv") mice. I then created a double transgenic mouse model where TNFR1 is knocked out in all cells but can be re-expressed selectively in astrocytes and I report that activation of the receptors in these cells is sufficient to reestablish TNFa-dependent long-lasting potentiation of synaptic activity in the TNFR1 knock-out mice.I therefore discovered that TNFa is a primary molecule displaying both permissive and instructive roles on gliotransmission controlling synaptic functions. These reports might have profound implications for the understanding of both physiological and pathological processes associated to TNFa production, including inflammatory processes in the brain.RÉSUMÉLes astrocytes sont les cellules les plus abondantes du cerveau humain. Outre leur rôle bien établi dans le support métabolique de l'activité neuronale, d'autres fonctions importantes, et parfois inattendues de ces cellules ont été mises en lumière au cours de ces dernières années. Les astrocytes entourent étroitement les synapses de leurs fins processus qui expriment fortement les transporteurs du glutamate et permettent ainsi aux astrocytes de jouer un rôle critique dans l'élimination du glutamate de la fente synaptique. Néanmoins, les astrocytes semblent être capables de jouer un rôle plus intégratif en modulant l'activité synaptique, notamment par la libération de transmetteurs (gliotransmetteurs). Le gliotransmetteur le plus étudié est le glutamate qui est libéré par l'exocytose régulée de petites vésicules ressemblant aux vésicules synaptiques (SLMVs) via un mécanisme dépendant du calcium.Les résultats présentés dans cette thèse permettent une avancée significative dans la compréhension du mode de communication de ces cellules et de leur implication dans la transmission de l'information synaptique dans l'hippocampe, notamment des synapses excitatrices des cellules granulaires du gyrus dentelé. J'ai pu montrer que le « facteur de nécrose tumorale alpha » (TNFa), une cytokine communément associée au système immunitaire, est aussi fondamentale pour la communication entre astrocyte et synapse. Lorsqu'un niveau constitutif très bas de TNFa est présent, l'activation des récepteurs purinergiques P2Y1 (des récepteurs couplés à protéine G) produit une augmentation locale de calcium (mesurée en microscopie bi-photonique) dans l'astrocyte. Cette dernière déclenche ensuite une libération de glutamate par les astrocytes conduisant à l'activation de récepteurs NMDA présynaptiques et à une augmentation de l'activité synaptique. En revanche, dans la souris TNFa knock-out cette modulation de l'activité synaptique par les astrocytes n'est pas bien qu'ils présentent toujours une excitabilité calcique normale. Nous avons démontré que le TNFa contrôle spécifiquement l'exocytose régulée des SLMVs astrocytaires en permettant la fusion synchrone de ces vésicules et la libération de glutamate à destination des récepteurs neuronaux. Ainsi, nous avons, pour la première fois, prouvé que la modulation de l'activité synaptique par l'astrocyte nécessite, pour fonctionner correctement, des facteurs « permissifs » comme le TNFa, agissant sur le mode de sécrétion du glutamate astrocytaire.J'ai pu, en outre, démontrer que le TNFa, à des concentrations plus élevées (celles que l'on peut observer lors de conditions pathologiques) provoque une très forte augmentation de l'activité synaptique, agissant non plus comme simple facteur permissif mais bien comme déclencheur de la gliotransmission. Le TNFa provoque 1'activation des récepteurs NMD A pré-synaptiques (comme dans le cas des P2Y1R) mais son effet est à long terme et irréversible. J'ai découvert que le TNFa active le récepteur TNFR1, un des deux récepteurs spécifiques pour le TNFa. Ainsi, l'application de cette cytokine sur une tranche de cerveau de souris TNFR1 knock-out ne produit aucune modification de l'activité synaptique. Pour vérifier l'implication des astrocytes dans ce processus, j'ai ensuite mis au point un modèle animal doublement transgénique qui exprime le TNFR1 uniquement dans les astrocytes. Ce dernier m'a permis de prouver que l'activation des récepteurs TNFR1 astrocytaires est suffisante pour induire une augmentation de l'activité synaptique de manière durable.Nous avons donc découvert que le TNFa possède un double rôle, à la fois un rôle permissif et actif, dans le contrôle de la gliotransmission et, par conséquent, dans la modulation de l'activité synaptique. Cette découverte peut potentiellement être d'une extrême importance pour la compréhension des mécanismes physiologiques et pathologiques associés à la production du TNFa, en particulier lors de conditions inflammatoires.RÉSUMÉ GRAND PUBLICLes astrocytes représentent la population la plus nombreuse de cellules dans le cerveau humain. On sait, néanmoins, très peu de choses sur leurs fonctions. Pendant très longtemps, les astrocytes ont uniquement été considérés comme la colle du cerveau, un substrat inerte permettant seulement de lier les cellules neuronales entre elles. Il n'y a que depuis peu que l'on a découvert de nouvelles implications de ces cellules dans le fonctionnement cérébral, comme, entre autres, une fonction de support métabolique de l'activité neuronale et un rôle dans la modulation de la neurotransmission. C'est ce dernier aspect qui fait l'objet de mon projet de thèse.Nous avons découvert que l'activité des synapses (régions qui permettent la communication d'un neurone à un autre) qui peut être potentialisée par la libération du glutamate par les astrocytes, ne peut l'être que dans des conditions astrocytaires très particulières. Nous avons, en particulier, identifié une molécule, le facteur de nécrose tumorale alpha (TNFa) qui joue un rôle critique dans cette libération de glutamate astrocytaire.Le TNFa est surtout connu pour son rôle dans le système immunitaire et le fait qu'il est massivement libéré lors de processus inflammatoires. Nous avons découvert qu'en concentration minime, correspondant à sa concentration basale, le TNFa peut néanmoins exercer un rôle indispensable en permettant la communication entre l'astrocyte et le neurone. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus physiologique qui permet d'intégrer la communication astrocyte/neurone au fonctionnement général du cerveau. Par ailleurs, nous avons également démontré qu'en quantité plus importante, le TNFa change son mode de fonctionnement et agit comme un stimulateur direct de la libération de glutamate par l'astrocyte et induit une activation persistante de l'activité synaptique. Ce mode de fonctionnement est assez probablement représentatif d'un processus pathologique.Nous sommes également arrivés à ces conclusions grâce à la mise en place d'une nouvelle souche de souris doublement transgéniques dans lesquelles seuls les astrocytes (etnon les neurones ou les autres cellules cérébrales) sont capables d'être activés par le TNFa.

Glutamate exocytosis from astrocytes controls synaptic strength.

The release of transmitters from glia influences synaptic functions. The modalities and physiological functions of glial release are poorly understood. Here we show that glutamate exocytosis from astrocytes of the rat hippocampal dentate molecular layer enhances synaptic strength at excitatory synapses between perforant path afferents and granule cells. The effect is mediated by ifenprodil-sensitive NMDA ionotropic glutamate receptors and involves an increase of transmitter release at the synapse. Correspondingly, we identify NMDA receptor 2B subunits on the extrasynaptic portion of excitatory nerve terminals. The receptor distribution is spatially related to glutamate-containing synaptic-like microvesicles in the apposed astrocytic processes. This glial regulatory pathway is endogenously activated by neuronal activity-dependent stimulation of purinergic P2Y1 receptors on the astrocytes. Thus, we provide the first combined functional and ultrastructural evidence for a physiological control of synaptic activity via exocytosis of glutamate from astrocytes.

Molecular determinants of vesicular storage and release of the gliotransmitter D-serine from cortical astrocytes

Neuron-astrocyte reciprocal communication at synapses has emerged as a novel signalling pathway in brain function. Astrocytes sense the level of synaptic activity and, in turn, influence its efficacy through the regulated release of 'gliotransmitters' such as glutamate, ATP or D-serine. A calcium-dependent exocytosis is proposed to drive the release of gliotransmitters but its existence is still debated. Over the last years, we have been studying the molecular determinants governing D-serine release from glia using different approaches. Using a novel bioassay for D-serine, we have been able to show that D-serine release occurs mainly through a calcium- and SNARE proteindependent mechanism just supporting the idea that this amino acid is released by exocytosis from glia. We next have pursued our exploration by confocal imaging and tracking of the exocytotic routes for Dserine- mediated gliotransmission and have shown that D-serine releasable pools are confined to synaptobrevin2/cellubrevin-bearing vesicles. To shed light onto the mechanisms controlling the storage and the release of gliotransmitters and namely D-serine, we have developed a new method for the immunoisolation of synaptobrevin 2- positive vesicles from rat cortical astrocytes in culture while preserving their content in gliotransmitters. The purified organelles are clear round shape vesicles of excellent purity with homogeneous size (40 nm) as judged by electron microscopy. Immunoblotting analysis revealed that isolated vesicles contain most of the major proteins already described for neuron-derived vesicles like synaptic vesicle protein 2 (SV2) and the proton pump H?-ATPase. In addition, we have analyzed the content for various amino acids of these vesicles by means of chiral capillary electrophoresis coupled to laser-induced fluorescence detection. The purified vesicles contain large amount of D-serine. We also detect peaks corresponding to unidentified compounds that may correspond to others amino acids. Postembedding immunogold labelling of the rat neocortex further revealed the expression of D-serine in astrocytes processes contacting excitatory synapses. Finally, we have examined the uptake properties for Dserine and glutamate inside the isolated glial vesicles. Our results provide significant support for the existence of an uptake system for D-serine in secretory glial vesicles and for the storage of chemical substances like D-serine and glutamate. 11th International Congress on Amino Acids, Peptides and Proteins 763 123

TNFα controls glutamatergic gliotransmission in the hippocampal dentate gyrus.

Glutamatergic gliotransmission provides a stimulatory input to excitatory synapses in the hippocampal dentate gyrus. Here, we show that tumor necrosis factor-alpha (TNFα) critically controls this process. With constitutive TNFα present, activation of astrocyte P2Y1 receptors induces localized [Ca(2+)](i) elevations followed by glutamate release and presynaptic NMDA receptor-dependent synaptic potentiation. In preparations lacking TNFα, astrocytes respond with identical [Ca(2+)](i) elevations but fail to induce neuromodulation. We find that TNFα specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. In cultured astrocytes lacking TNFα glutamate exocytosis is dramatically slowed down due to altered vesicle docking. Addition of low picomolar TNFα promptly reconstitutes both normal exocytosis in culture and gliotransmission in situ. Alternatively, gliotransmission can be re-established without adding TNFα, by limiting glutamate uptake, which compensates slower release. These findings demonstrate that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca(2+)](i) elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFα. VIDEO ABSTRACT:

Synapse formation in adult barrel cortex following naturalistic environmental enrichment.

Environmental enrichment paradigms in adult laboratory animals, consisting of physical, perceptual, and social stimulation, have been shown to affect synapse and cell morphology in sensory cortex and enhance learning ability, whereas enrichment, which is in harmony with the animal's natural habitat may have even greater implications for plasticity. Previous studies in our laboratory have shown that whisker stimulation induced the formation of synapses and spines in the corresponding barrel. In the present study adult C57/Bl6J female laboratory mice at 6 weeks of age were placed during 2 months in a protected enrichment enclosure in a forest clearing at the Chisti Les Biological Station, Tvier, Russia. We analyzed neuropil ultrastructure in the C2 barrel using serial-section electron microscopy on a total of eight mice (n=4 enriched, n=4 standard cagemate controls). Quantitative analyses of volumes of neuropil showed a significant increase in excitatory and inhibitory synapses on spines and excitatory synapses on dendritic shafts in the C2 barrel in the enriched group compared with standard cagemate controls. These results demonstrate that naturalistic experience alters the synaptic circuitry in layer IV of the somatosensory cortex, the first cortical relay of sensory information, leaving a lasting trace that may guide subsequent behavior.

Insulin induces long-term depression of ventral tegmental area dopamine neurons via endocannabinoids.

The prevalence of obesity has markedly increased over the past few decades. Exploration of how hunger and satiety signals influence the reward system can help us understand non-homeostatic feeding. Insulin may act in the ventral tegmental area (VTA), a critical site for reward-seeking behavior, to suppress feeding. However, the neural mechanisms underlying insulin effects in the VTA remain unknown. We demonstrate that insulin, a circulating catabolic peptide that inhibits feeding, can induce long-term depression (LTD) of mouse excitatory synapses onto VTA dopamine neurons. This effect requires endocannabinoid-mediated presynaptic inhibition of glutamate release. Furthermore, after a sweetened high-fat meal, which elevates endogenous insulin, insulin-induced LTD is occluded. Finally, insulin in the VTA reduces food anticipatory behavior in mice and conditioned place preference for food in rats. Taken together, these results suggest that insulin in the VTA suppresses excitatory synaptic transmission and reduces anticipatory activity and preference for food-related cues.

Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.

An Ion Transport-Independent Role for the Cation-Chloride Cotransporter KCC2 in Dendritic Spinogenesis In Vivo.

The neuron-specific K-Cl cotransporter, KCC2, is highly expressed in the vicinity of excitatory synapses in pyramidal neurons, and recent in vitro data suggest that this protein plays a role in the development of dendritic spines. The in vivo relevance of these observations is, however, unknown. Using in utero electroporation combined with post hoc iontophoretic injection of Lucifer Yellow, we show that premature expression of KCC2 induces a highly significant and permanent increase in dendritic spine density of layer 2/3 pyramidal neurons in the somatosensory cortex. Whole-cell recordings revealed that this increased spine density is correlated with an enhanced spontaneous excitatory activity in KCC2-transfected neurons. Precocious expression of the N-terminal deleted form of KCC2, which lacks the chloride transporter function, also increased spine density. In contrast, no effect on spine density was observed following in utero electroporation of a point mutant of KCC2 (KCC2-C568A) where both the cotransporter function and the interaction with the cytoskeleton are disrupted. Transfection of the C-terminal domain of KCC2, a region involved in the interaction with the dendritic cytoskeleton, also increased spine density. Collectively, these results demonstrate a role for KCC2 in excitatory synaptogenesis in vivo through a mechanism that is independent of its ion transport function.

Neuroinflammatory TNFα Impairs Memory via Astrocyte Signaling.

The occurrence of cognitive disturbances upon CNS inflammation or infection has been correlated with increased levels of the cytokine tumor necrosis factor-α (TNFα). To date, however, no specific mechanism via which this cytokine could alter cognitive circuits has been demonstrated. Here, we show that local increase of TNFα in the hippocampal dentate gyrus activates astrocyte TNF receptor type 1 (TNFR1), which in turn triggers an astrocyte-neuron signaling cascade that results in persistent functional modification of hippocampal excitatory synapses. Astrocytic TNFR1 signaling is necessary for the hippocampal synaptic alteration and contextual learning-memory impairment observed in experimental autoimmune encephalitis (EAE), an animal model of multiple sclerosis (MS). This process may contribute to the pathogenesis of cognitive disturbances in MS, as well as in other CNS conditions accompanied by inflammatory states or infections.

Pre-existing astrocytes form functional perisynaptic processes on neurons generated in the adult hippocampus.

The adult dentate gyrus produces new neurons that morphologically and functionally integrate into the hippocampal network. In the adult brain, most excitatory synapses are ensheathed by astrocytic perisynaptic processes that regulate synaptic structure and function. However, these processes are formed during embryonic or early postnatal development and it is unknown whether astrocytes can also ensheathe synapses of neurons born during adulthood and, if so, whether they play a role in their synaptic transmission. Here, we used a combination of serial-section immuno-electron microscopy, confocal microscopy, and electrophysiology to examine the formation of perisynaptic processes on adult-born neurons. We found that the afferent and efferent synapses of newborn neurons are ensheathed by astrocytic processes, irrespective of the age of the neurons or the size of their synapses. The quantification of gliogenesis and the distribution of astrocytic processes on synapses formed by adult-born neurons suggest that the majority of these processes are recruited from pre-existing astrocytes. Furthermore, the inhibition of astrocytic glutamate re-uptake significantly reduced postsynaptic currents and increased paired-pulse facilitation in adult-born neurons, suggesting that perisynaptic processes modulate synaptic transmission on these cells. Finally, some processes were found intercalated between newly formed dendritic spines and potential presynaptic partners, suggesting that they may also play a structural role in the connectivity of new spines. Together, these results indicate that pre-existing astrocytes remodel their processes to ensheathe synapses of adult-born neurons and participate to the functional and structural integration of these cells into the hippocampal network.

JNK regulates dendrite and spine architecture in the central nervous system influencing spatial learning and motor tasks

JNK1 is a MAP-kinase that has proven a significant player in the central nervous system. It regulates brain development and the maintenance of dendrites and axons. Several novel phosphorylation targets of JNK1 were identified in a screen performed in the Coffey lab. These proteins were mainly involved in the regulation of neuronal cytoskeleton, influencing the dynamics and stability of microtubules and actin. These structural proteins form the dynamic backbone for the elaborate architecture of the dendritic tree of a neuron. The initiation and branching of the dendrites requires a dynamic interplay between the cytoskeletal building blocks. Both microtubules and actin are decorated by associated proteins which regulate their dynamics. The dendrite-specific, high molecular weight microtubule associated protein 2 (MAP2) is an abundant protein in the brain, the binding of which stabilizes microtubules and influences their bundling. Its expression in non-neuronal cells induces the formation of neurite-like processes from the cell body, and its function is highly regulated by phosphorylation. JNK1 was shown to phosphorylate the proline-rich domain of MAP2 in vivo in a previous study performed in the group. Here we verify three threonine residues (T1619, T1622 and T1625) as JNK1 targets, the phosphorylation of which increases the binding of MAP2 to microtubules. This binding stabilizes the microtubules and increases process formation in non-neuronal cells. Phosphorylation-site mutants were engineered in the lab. The non-phosphorylatable mutant of MAP2 (MAP2- T1619A, T1622A, T1625A) in these residues fails to bind microtubules, while the pseudo-phosphorylated form, MAP2- T1619D, T1622D, Thr1625D, efficiently binds and induces process formation even without the presence of active JNK1. Ectopic expression of the MAP2- T1619D, T1622D, Thr1625D in vivo in mouse brain led to a striking increase in the branching of cortical layer 2/3 (L2/3) pyramidal neurons, compared to MAP2-WT. The dendritic complexity defines the receptive field of a neuron and dictates the output to the postsynaptic cells. Previous studies in the group indicated altered dendrite architecture of the pyramidal neurons in the Jnk1-/- mouse motor cortex. Here, we used Lucifer Yellow loading and Sholl analysis of neurons in order to study the dendritic branching in more detail. We report a striking, opposing effect in the absence of Jnk1 in the cortical layers 2/3 and 5 of the primary motor cortex. The basal dendrites of pyramidal neurons close to the pial surface at L2/3 show a reduced complexity. In contrast, the L5 neurons, which receive massive input from the L2/3 neurons, show greatly increased branching. Another novel substrate identified for JNK1 was MARCKSL1, a protein that regulates actin dynamics. It is highly expressed in neurons, but also in various cancer tissues. Three phosphorylation target residues for JNK1 were identified, and it was demonstrated that their phosphorylation reduces actin turnover and retards migration of these cells. Actin is the main cytoskeletal component in dendritic spines, the site of most excitatory synapses in pyramidal neurons. The density and gross morphology of the Lucifer Yellow filled dendrites were characterized and we show reduced density and altered morphology of spines in the motor cortex and in the hippocampal area CA3. The dynamic dendritic spines are widely considered to function as the cellular correlate during learning. We used a Morris water maze to test spatial memory. Here, the wild-type mice outperformed the knock-out mice during the acquisition phase of the experiment indicating impaired special memory. The L5 pyramidal neurons of the motor cortex project to the spinal cord and regulate the movement of distinct muscle groups. Thus the altered dendrite morphology in the motor cortex was expected to have an effect on the input-output balance in the signaling from the cortex to the lower motor circuits. A battery of behavioral tests were conducted for the wild-type and Jnk1-/- mice, and the knock-outs performed poorly compared to wild-type mice in tests assessing balance and fine motor movements. This study expands our knowledge of JNK1 as an important regulator of the dendritic fields of neurons and their manifestations in behavior.

Rôle de la plasticité synaptique des interneurones somatostatinergiques dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe

La plasticité synaptique activité-dépendante forme la base physiologique de l’apprentissage et de la mémoire dépendants de l’hippocampe. Le rôle joué par les différents sous-types d’interneurones dans l’apprentissage et la mémoire hippocampiques reste inconnu, mais repose probablement sur des mécanismes de la plasticité spécifique aux synapses de certains sous-types d’interneurones. Les synapses excitatrices établies sur les interneurones de l’oriens-alveus dans l’aire CA1 exhibent une forme persistante de potentialisation à long terme induite par la stimulation chimique des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 1 (mGluR1) [mGluR1-mediated chemical late long-term potentiation (cL-LTPmGluR1)]. Le présent projet de recherche avait pour objectifs d’identifier les sous-types d’interneurones de l’oriens-alveus exprimant la cL-LTPmGluR1 et d’examiner les mécanismes d’induction et d’expression de celle-ci. Nous avons déterminé que la stimulation répétée des mGluR1 induit de la cL-LTPmGluR1 aux synapses excitatrices établies sur le sous-type d’interneurones exprimant le peptide somatostatine (SOM-INs). Des enregistrements électrophysiologiques couplés à des inhibiteurs pharmacologiques et à un knock-out fonctionnel de mammalian target of rapamycin complexe 1 (mTORC1) ont montré que l’induction de la cL-LTPmGluR1 (qui consiste en trois applications de l’agoniste des mGluR1/5, le (S)-3,5-dihydroxyphénylglycine (DHPG) en présence de l’antagoniste des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 5 (mGluR5), le 2-méthyl-6-(phényléthynyl)-pyridine (MPEP)) des SOM-INs requiert les voies de signalisation des mGluR1, de extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) et de mTORC1. L’ensemble de nos résultats montre qu’une forme persistante de plasticité synaptique sous-tendue par mTORC1 est induite par la stimulation répétée des mGluR1 dans les interneurones hippocampiques exprimant le peptide somatostatine. La connaissance des mécanismes sous-tendant la cL-LTPmGluR1, couplée à l’utilisation de modèles animal in vivo, rendront maintenant possible le blocage de la cL-LTPmGluR1 dans les SOM-INs et l’examen de son rôle dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe.

Localisation régionale et subcellulaire du récepteur EphA7 dans l'hippocampe et le cervelet du rat adulte

EphA7 est un membre de la famille des récepteurs à tyrosine kinase, Eph, qui assume plusieurs rôles durant le développement du système nerveux central. Par ailleurs, il continue d’être fortement exprimé dans le cerveau adulte, notamment dans les régions reconnues pour leur grande plasticité synaptique, telles que l’hippocampe et le cervelet. Par hybridation in situ, nous avons cartographié la distribution de l’ARNm d’EphA7 dans le cerveau de rats et souris adultes. Les couches pyramidales du CA1 et CA3 et granulaire du gyrus dentelé de la formation de l’hippocampe ont montré le plus fort marquage. Un niveau d’ARNm d’EphA7 plus modéré a été observé dans l’habenula, le striatum, l’amygdale, le cervelet et le cortex cingulaire, piriforme et entorhinal. Quant à la protéine détectée par immunohistochimie, elle était fortement exprimée dans le neuropile de l’hippocampe et la couche des cellules de Purkinje du cervelet. En microscopie électronique, dans toutes les couches de l’hippocampe et du cervelet examinées, des épines dendritiques, des dendrites, des axones non-myélinisés, des terminaisons axonales et quelquefois des prolongements astrocytaires constituaient les éléments immunopositifs. Comme on pouvait déjà le voir en microscopie photonique, les corps cellulaires des cellules pyramidales et granulaires de l’hippocampe ainsi que des cellules de Purkinje du cervelet montraient aussi du marquage, surtout intracellulaire. L’analyse quantitative a révélé la localisation préférentielle d’EphA7 dans des dendrites et épines dendritiques. La majorité des épines marquées formaient des synapses asymétriques (excitatrices) avec des terminaisons axonales non marquées. La double localisation préférentielle d’EphA7 dans les dendrites ainsi que les densités post-synaptiques des épines dendritiques est compatible avec l’hypothèse d’un rôle d’EphA7 dans le maintien ou la fonction de certaines synapses du SNC adulte.

Implication de Syngap1 dans la transmission GABAergique et la plasticité synaptique

La déficience intellectuelle affecte de 1 à 3% de la population mondiale, ce qui en fait le trouble cognitif le plus commun de l’enfance. Notre groupe à découvert que des mutations dans le gène SYNGAP1 sont une cause fréquente de déficience intellectuelle non-syndromique, qui compte pour 1-3% de l’ensemble des cas. À titre d’exemple, le syndrome du X fragile, qui est la cause monogénique la plus fréquente de déficience intellectuelle, compte pour environ 2% des cas. Plusieurs patients affectés au niveau de SYNGAP1 présentent également des symptômes de l’autisme et d’une forme d’épilepsie. Notre groupe a également montré que SYNGAP1 cause la déficience intellectuelle par un mécanisme d’haploinsuffisance. SYNGAP1 code pour une protéine exprimée exclusivement dans le cerveau qui interagit avec la sous-unité GluN2B des récepteurs glutamatergique de type NMDA (NMDAR). SYNGAP1 possède une activité activatrice de Ras-GTPase qui régule négativement Ras au niveau des synapses excitatrices. Les souris hétérozygotes pour Syngap1 (souris Syngap1+/-) présentent des anomalies de comportement et des déficits cognitifs, ce qui en fait un bon modèle d’étude. Plusieurs études rapportent que l’haploinsuffisance de Syngap1 affecte le développement cérébral en perturbant l’activité et la plasticité des neurones excitateurs. Le déséquilibre excitation/inhibition est une théorie émergente de l’origine de la déficience intellectuelle et de l’autisme. Cependant, plusieurs groupes y compris le nôtre ont rapporté que Syngap1 est également exprimé dans au moins une sous-population d’interneurones GABAergiques. Notre hypothèse était donc que l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones contribuerait en partie aux déficits cognitifs et au déséquilibre d’excitation/inhibition observés chez les souris Syngap1+/-. Pour tester cette hypothèse, nous avons généré un modèle de souris transgéniques dont l’expression de Syngap1 a été diminuée uniquement dans les interneurones dérivés des éminences ganglionnaires médianes qui expriment le facteur de transcription Nkx2.1 (souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1). Nous avons observé une diminution des courants postsynaptiques inhibiteurs miniatures (mIPSCs) au niveau des cellules pyramidales des couches 2/3 du cortex somatosensoriel primaire (S1) et dans le CA1 de l’hippocampe des souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1. Ces résultats supportent donc l’hypothèse selon laquelle la perte de Syngap1 dans les interneurones contribue au déséquilibre d’excitation/inhibition. De manière intéressante, nous avons également observé que les courants postsynaptiques excitateurs miniatures (mEPSCs) étaient augmentés dans le cortex S1, mais diminués dans le CA1 de l’hippocampe. Par la suite, nous avons testé si les mécanismes de plasticité synaptique qui sous-tendraient l’apprentissage étaient affectés par l’haploinsuffisance de Syngap1 dans les interneurones. Nous avons pu montrer que la potentialisation à long terme (LTP) NMDAR-dépendante était diminuée chez les souris Tg(Nkx2,1-Cre);Syngap1, sans que la dépression à long terme (LTD) NMDAR-dépendante soit affectée. Nous avons également montré que l’application d’un bloqueur des récepteurs GABAA renversait en partie le déficit de LTP rapporté chez les souris Syngap1+/-, suggérant qu’un déficit de désinhibition serait présent chez ces souris. L’ensemble de ces résultats supporte un rôle de Syngap1 dans les interneurones qui contribue aux déficits observés chez les souris affectées par l’haploinsuffisance de Syngap1.

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.