Astrocytes refine cortical connectivity at dendritic spines.

During cortical synaptic development, thalamic axons must establish synaptic connections despite the presence of the more abundant intracortical projections. How thalamocortical synapses are formed and maintained in this competitive environment is unknown. Here, we show that astrocyte-secreted protein hevin is required for normal thalamocortical synaptic connectivity in the mouse cortex. Absence of hevin results in a profound, long-lasting reduction in thalamocortical synapses accompanied by a transient increase in intracortical excitatory connections. Three-dimensional reconstructions of cortical neurons from serial section electron microscopy (ssEM) revealed that, during early postnatal development, dendritic spines often receive multiple excitatory inputs. Immuno-EM and confocal analyses revealed that majority of the spines with multiple excitatory contacts (SMECs) receive simultaneous thalamic and cortical inputs. Proportion of SMECs diminishes as the brain develops, but SMECs remain abundant in Hevin-null mice. These findings reveal that, through secretion of hevin, astrocytes control an important developmental synaptic refinement process at dendritic spines.

Huntingtin is required for normal excitatory synapse development in cortical and striatal circuits.

Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disease caused by the expansion of a poly-glutamine (poly-Q) stretch in the huntingtin (Htt) protein. Gain-of-function effects of mutant Htt have been extensively investigated as the major driver of neurodegeneration in HD. However, loss-of-function effects of poly-Q mutations recently emerged as potential drivers of disease pathophysiology. Early synaptic problems in the excitatory cortical and striatal connections have been reported in HD, but the role of Htt protein in synaptic connectivity was unknown. Therefore, we investigated the role of Htt in synaptic connectivity in vivo by conditionally silencing Htt in the developing mouse cortex. When cortical Htt function was silenced, cortical and striatal excitatory synapses formed and matured at an accelerated pace through postnatal day 21 (P21). This exuberant synaptic connectivity was lost over time in the cortex, resulting in the deterioration of synapses by 5 weeks. Synaptic decline in the cortex was accompanied with layer- and region-specific reactive gliosis without cell loss. To determine whether the disease-causing poly-Q mutation in Htt affects synapse development, we next investigated the synaptic connectivity in a full-length knock-in mouse model of HD, the zQ175 mouse. Similar to the cortical conditional knock-outs, we found excessive excitatory synapse formation and maturation in the cortices of P21 zQ175, which was lost by 5 weeks. Together, our findings reveal that cortical Htt is required for the correct establishment of cortical and striatal excitatory circuits, and this function of Htt is lost when the mutant Htt is present.

The DLK-1 kinase promotes mRNA stability and local translation in C. elegans synapses and axon regeneration.

Growth cone guidance and synaptic plasticity involve dynamic local changes in proteins at axons and dendrites. The Dual-Leucine zipper Kinase MAPKKK (DLK) has been previously implicated in synaptogenesis and axon outgrowth in C. elegans and other animals. Here we show that in C. elegans DLK-1 regulates not only proper synapse formation and axon morphology but also axon regeneration by influencing mRNA stability. DLK-1 kinase signals via a MAPKAP kinase, MAK-2, to stabilize the mRNA encoding CEBP-1, a bZip protein related to CCAAT/enhancer-binding proteins, via its 3'UTR. Inappropriate upregulation of cebp-1 in adult neurons disrupts synapses and axon morphology. CEBP-1 and the DLK-1 pathway are essential for axon regeneration after laser axotomy in adult neurons, and axotomy induces translation of CEBP-1 in axons. Our findings identify the DLK-1 pathway as a regulator of mRNA stability in synapse formation and maintenance and also in adult axon regeneration.

Protein expression profiling during chick retinal maturation: a proteomics-based approach

Background: The underlying pathways that drive retinal neurogenesis and synaptogenesis are still relatively poorly understood. Protein expression analysis can provide direct insight into these complex developmental processes. The aim of this study was therefore to employ proteomic analysis to study the developing chick retina throughout embryonic (E) development commencing at day 12 through 13, 17, 19 and post-hatch (P) 1 and 33 days.

Results: 2D proteomic and mass spectrometric analysis detected an average of 1514 spots per gel with 15 spots demonstrating either modulation or constitutive expression identified via MS. Proteins identified included alpha and beta-tubulin, alpha enolase, B-creatine kinase, gamma-actin, platelet-activating factor (PAF), PREDICTED: similar to TGF-beta interacting protein 1, capping protein (actin filament muscle Z line), nucleophosmin 1 (NPM1), dimethylarginine dimethylaminohydrolase, triosphoaphate isomerase, DJ1, stathmin, fatty acid binding protein 7 (FABP7/B-FABP), beta-synuclein and enhancer of rudimentary homologue.

Conclusion: This study builds upon previous proteomic investigations of retinal development and represents the addition of a unique data set to those previously reported. Based on reported bioactivity some of the identified proteins are most likely to be important to normal retinal development in the chick. Continued analysis of the dynamic protein populations present at the early stages and throughout retinal development will increase our understanding of the molecular events underpinning retinogenesis.

Association and expression study of synapsin III and schizophrenia

The synapsin III gene, SYN3, which belongs to the family of synaptic vesicle-associated proteins, has been implicated in the modulation of neurotransmitter release and in synaptogenesis, suggesting a potential role in several neuropsychiatric diseases. The human SYN3 gene is located on chromosome 22q12-13, a candidate region implicated in previous linkage studies of schizophrenia. However, association studies of SYN3 and schizophrenia have produced inconsistent results. In this Study, four SYN3 SNPs (rs133945 (-631 C>G), rs133946(-196 G>A), rs9862 and rs1056484) were tested in three sets of totally 3759 samples that comprise 655 affected subjects and 626 controls in the Irish Case-Control Study of Schizophrenia (ICCSS). 1350 samples incorporating 273 pedigrees in the Irish Study of High Density Schizophrenia Families (ISHDSF), and 564 unrelated schizophrenia patients and 564 healthy individuals in a Chinese case-control sample. The expression levels of SYN3 in schizophrenic patients and unaffected controls were compared using postmortem brain cDNAs provided by the Stanley Medical Research Institute (SMRI). There was no significant association in either the Irish or Chinese case-control samples, nor in the combined samples. Consistent with this finding, we did not find any significant difference in allele or haplotype frequencies when we used the pedigree disequilibrium test to analyze the Irish family sample. In the expression Studies, no significant difference (p = 0.507) was observed between patients and controls. Both the association studies and expression studies didn't support a major role for SYN3 in the susceptibility of schizophrenia in Irish and Chinese populations. (C) 2009 Elsevier Ireland Ltd All rights reserved.

The synapsin cycle:a view from the synaptic endocytic zone

Although the synapsin phosphoproteins were discovered more than 30 years ago and are known to play important roles in neurotransmitter release and synaptogenesis, a complete picture of their functions within the nerve terminal is lacking. It has been shown that these proteins play an important role in the clustering of synaptic vesicles (SVs) at active zones and function as modulators of synaptic strength by acting at both pre- and postdocking levels. Recent studies have demonstrated that synapsins migrate to the endocytic zone of central synapses during neurotransmitter release, which suggests that there are additional functions for these proteins in SV recycling.

Synaptic dysfunction in early encephalopathies : from genes to function

Tese de doutoramento, Medicina (Neurologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2015

Comprehensive Expression Analyses of Neural Cell-Type-Specific miRNAs Identify New Determinants of the Specification and Maintenance of Neuronal Phenotypes.

MicroRNAs (miRNAs) have been shown to play important roles in both brain development and the regulation of adult neural cell functions. However, a systematic analysis of brain miRNA functions has been hindered by a lack of comprehensive information regarding the distribution of miRNAs in neuronal versus glial cells. To address this issue, we performed microarray analyses of miRNA expression in the four principal cell types of the CNS (neurons, astrocytes, oligodendrocytes, and microglia) using primary cultures from postnatal d 1 rat cortex. These analyses revealed that neural miRNA expression is highly cell-type specific, with 116 of the 351 miRNAs examined being differentially expressed fivefold or more across the four cell types. We also demonstrate that individual neuron-enriched or neuron-diminished RNAs had a significant impact on the specification of neuronal phenotype: overexpression of the neuron-enriched miRNAs miR-376a and miR-434 increased the differentiation of neural stem cells into neurons, whereas the opposite effect was observed for the glia-enriched miRNAs miR-223, miR-146a, miR-19, and miR-32. In addition, glia-enriched miRNAs were shown to inhibit aberrant glial expression of neuronal proteins and phenotypes, as exemplified by miR-146a, which inhibited neuroligin 1-dependent synaptogenesis. This study identifies new nervous system functions of specific miRNAs, reveals the global extent to which the brain may use differential miRNA expression to regulate neural cell-type-specific phenotypes, and provides an important data resource that defines the compartmentalization of brain miRNAs across different cell types.

Synapse formation on adult-born hippocampal neurons.

It is now widely accepted that adult neurogenesis plays a fundamental role in hippocampal function. Neurons born in the adult dentate gyrus of the hippocampus undergo a series of events before they fully integrate in the network and eventually become undistinguishable from neurons born during embryogenesis. Adult hippocampal neurogenesis is strongly regulated by neuronal activity and neurotransmitters, and the synaptic integration of adult-born neurons occurs in discrete steps, some of which are very different from perinatal synaptogenesis. Here, we review the current knowledge on the development of the synaptic input and output of neurons born in the adult hippocampus, from the stem/progenitor cell to the fully mature neuron. We also provide insight on the regulation of adult neurogenesis by some neurotransmitters and discuss some specificities of the integration of new neurons in an adult environment. The understanding of the mechanisms regulating the synaptic integration of adult-born neurons is not only crucial for our understanding of brain plasticity, but also provides a framework for the manipulation and monitoring of endogenous adult neurogenesis as well as grafted cells, for potential therapeutic applications.

Dysregulated ADAM10-Mediated Processing of APP during a Critical Time Window Leads to Synaptic Deficits in Fragile X Syndrome.

The Fragile X mental retardation protein (FMRP) regulates neuronal RNA metabolism, and its absence or mutations leads to the Fragile X syndrome (FXS). The β-amyloid precursor protein (APP) is involved in Alzheimer's disease, plays a role in synapse formation, and is upregulated in intellectual disabilities. Here, we show that during mouse synaptogenesis and in human FXS fibroblasts, a dual dysregulation of APP and the α-secretase ADAM10 leads to the production of an excess of soluble APPα (sAPPα). In FXS, sAPPα signals through the metabotropic receptor that, activating the MAP kinase pathway, leads to synaptic and behavioral deficits. Modulation of ADAM10 activity in FXS reduces sAPPα levels, restoring translational control, synaptic morphology, and behavioral plasticity. Thus, proper control of ADAM10-mediated APP processing during a specific developmental postnatal stage is crucial for healthy spine formation and function(s). Downregulation of ADAM10 activity at synapses may be an effective strategy for ameliorating FXS phenotypes.

Maturation and Functional Integration of New Granule Cells into the Adult Hippocampus.

The adult hippocampus generates functional dentate granule cells (GCs) that release glutamate onto target cells in the hilus and cornus ammonis (CA)3 region, and receive glutamatergic and γ-aminobutyric acid (GABA)ergic inputs that tightly control their spiking activity. The slow and sequential development of their excitatory and inhibitory inputs makes them particularly relevant for information processing. Although they are still immature, new neurons are recruited by afferent activity and display increased excitability, enhanced activity-dependent plasticity of their input and output connections, and a high rate of synaptogenesis. Once fully mature, new GCs show all the hallmarks of neurons generated during development. In this review, we focus on how developing neurons remodel the adult dentate gyrus and discuss key aspects that illustrate the potential of neurogenesis as a mechanism for circuit plasticity and function.

Le rôle des récepteurs aux cannabinoïdes CB1 et CB2 dans le guidage axonal

Au cours du développement, les axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) voyagent sur de longues distances pour établir des connexions avec leurs cellules cibles. La navigation des cônes de croissance est guidée par différentes molécules chimiotropiques présentes dans leur environnement. Les endocannabinoïdes (eCB) sont d’importants neuromodulateurs qui régulent de manière rétrograde la fonction de nombreuses synapses du cerveau. Ils agissent principalement par le biais de leurs récepteurs liés à une protéine Gi/o CB1 (CB1R) et CB2 (CB2R). La présence des eCBs durant le stade fœtal et la période postnatale suggère leur implication dans des événements régulant le développement du système nerveux. Cette thèse confirme l’expression des récepteurs aux cannabinoïdes CB1 et CB2 ainsi que l’enzyme dégradant les eCBs lors du développement embryonnaire et perinatal des CGRs et de la voie rétinothalamique in vivo. La manipulation pharmacologique de l’activité de CB1R et CB2R réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs et des neurones corticaux in vitro. De plus, la stimulation locale avec un agoniste de CB1R ou de CB2R modifie le comportement du cône de croissance entraînant sa répulsion. CB1R et CB2R modulent par le biais de la voie de signalisation AMPc/PKA, la mobilisation de DCC à la membrane plasmique. Par ailleurs, les résultats de cette recherche démontrent également l’implication de CB1R et CB2R dans la ségrégation des projections ipsi- et controlatérales et le développement de la voie rétinothalamique.

Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la régulation du développement des circuits d’interneurones GABAergiques dans le néocortex : rôle de la molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM)

Les interneurones GABAergiques constituent une population mineure de cellules par rapport aux neurones glutamatergiques dans le néocortex. Cependant ils contrôlent fortement l'excitabilité neuronale, la dynamique des réseaux neuronaux et la plasticité synaptique. L'importance des circuits GABAergiques dans le processus fonctionnel et la plasticité des réseaux corticaux est soulignée par des résultats récents qui montrent que des modifications très précises et fiables des circuits GABAergiques sont associées à divers troubles du développement neurologique et à des défauts dans les fonctions cérébrales. De ce fait, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliquant le développement des circuits GABAergiques est la première étape vers une meilleure compréhension de la façon dont les anomalies de ces processus peuvent se produire. La molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM) appartient à la super-famille des immunoglobulines de reconnaissance cellulaire et est impliquée dans des interactions homophiliques et hétérophiliques avec d’autres molécules. Même si plusieurs rôles de NCAM ont été démontrés dans la croissance neuronale, la fasciculation axonale, la formation et la maturation de synapses, de même que dans la plasticité cellulaire de plusieurs systèmes, le rôle de NCAM dans la formation des synapses GABAergiques reste inconnu. Ce projet visait donc à déterminer le rôle précis de NCAM dans le processus de maturation des synapses GABAergiques dans le néocortex, en modulant son expression à différentes étapes du développement. L’approche choisie a été de supprimer NCAM dans des cellules GABAergiques à paniers avant la maturation des synapses (EP12-18), pendant la maturation (EP16-24), ou durant le maintien de celles-ci (EP24-32). Les méthodes utilisées ont été le clonage moléculaire, l’imagerie confocale, la culture de coupes organotypiques et des techniques morphométriques de quantification de l’innervation GABAergique. Nos résultats montrent que l’inactivation de NCAM durant la phase de maturation des synapses périsomatiques (EP16-24) cause une réduction du nombre de synapses GABAergiques périsomatiques et du branchement de ces axones. En revanche, durant la phase de maintien (EP26-32), l’inactivation de NCAM n’a pas affecté ces paramètres des synapses GABAergiques. Or, il existe trois isoformes de NCAM (NCAM120, 140 et 180) qui pourraient jouer des rôles différents dans les divers types cellulaires ou à des stades développementaux différents. Nos données montrent que NCAM120 et 140 sont nécessaires à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Cependant, NCAM180, qui est l’isoforme la plus étudiée et caractérisée, ne semble pas être impliquée dans ce processus. De plus, l’inactivation de NCAM n’a pas affecté la densité des épines dendritiques ou leur longueur. Elle est donc spécifique aux synapses périsomatiques GABAeriques. Finalement, nos résultats suggèrent que le domaine conservé C-terminal KENESKA est essentiel à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Des expériences futures nous aiderons à mieux comprendre la mécanistique et les différentes voies de signalisation impliquées.

Étude ultrastructurale et développementale du récepteur EphA4 dans l’hippocampe du rat

Afin de mieux comprendre l’évolution des fonctions du récepteur EphA4 pendant le développement du système nerveux central (SNC), nous avons étudié sa localisation cellulaire et subcellulaire dans l’hippocampe du rat, d’abord chez l’adulte, puis pendant le développement postnatal, ainsi que ses rôles potentiels dans la genèse, la migration ou la maturation des cellules granulaires dans l’hippocampe adulte. Pour ce faire, nous avons utilisé la méthode d’immunocytochimie en microscopie photonique, électronique et confocale. En microscopie photonique, une forte immunoréactivité (peroxydase/DAB) pour EphA4 est observée aux jours 1 et 7 suivant la naissance (P1 et P7) dans les couches de corps cellulaires, avec un marquage notamment associé à la surface des corps cellulaires des cellules granulaires et pyramidales, ainsi que dans les couches de neuropile du gyrus dentelé et des secteurs CA3 et CA1. L’intensité du marquage diminue progressivement dans les couches de corps cellulaires, entre P7 et P14, pour devenir faible à P21 et chez l’adulte, tandis qu’elle persiste dans les couches de neuropile, sauf celles qui reçoivent des afférences du cortex entorhinal. En microscopie électronique, après marquage à la peroxydase/DAB, EphA4 décore toute la surface des cellules pyramidales et granulaires, du corps cellulaire jusqu’aux extrémités distales, entre P1 et P14, pour devenir confiné aux extrémités synaptiques, c’est-à-dire les terminaisons axonales et les épines dendritiques, à P21 et chez l’adulte. À la membrane plasmique des astrocytes, EphA4 est redistribué comme dans les neurones, marquant le corps cellulaire et ses prolongements proximaux à distaux, à P1 et P7, pour devenir restreint aux prolongements périsynaptiques distaux, à partir de P14. D’autre part, des axones en cours de myélinisation présentent souvent une forte immunoréactivité punctiforme à leur membrane plasmique, à P14 et P21. En outre, dans les neurones et les astrocytes, le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi et les vésicules de transport, organelles impliquées dans la synthèse, la modification posttraductionnelle et le transport des protéines glycosylées, sont aussi marqués, et plus intensément chez les jeunes animaux. Enfin, EphA4 est aussi localisé dans le corps cellulaire et les dendrites des cellules granulaires générées chez l’adulte, au stade de maturation où elles expriment la doublecortine (DCX). De plus, des souris adultes knockouts pour EphA4 présentent des cellules granulaires DCX-positives ectopiques, c’est-à-dire positionnées en dehors de la zone sous-granulaire, ce qui suggère un rôle d’EphA4 dans la régulation de leur migration. Ces travaux révèlent ainsi une redistribution d’EphA4 dans les cellules neuronales et gliales en maturation, suivant les sites cellulaires où un remodelage morphologique s’effectue : les corps cellulaires lorsqu’ils s’organisent en couches, les prolongements dendritiques et axonaux pendant leur croissance, guidage et maturation, puis les épines dendritiques, les terminaisons axonales et les prolongements astrocytaires distaux associés aux synapses excitatrices, jusque chez l’adulte, où la formation de nouvelles synapses et le renforcement des connexions synaptiques existantes sont exercés. Ces localisations pourraient ainsi correspondre à différents rôles d’EphA4, par lesquels il contribuerait à la régulation des capacités plastiques du SNC, selon le stade développemental, la région, l’état de santé, ou l’expérience comportementale de l’animal.

Rôle du récepteur aux cannabinoïdes CB2 sur la synaptogenèse

Lors de cette étude, nous avons d’abord localisé les récepteurs CB1 et CB2 sur les structures neuronales. Nous avons montré que les récepteurs CB1 et CB2 sont présents sur les dendrites et les axones et les filopodes. Dans le même ordre d’idée, nous avons localisé le récepteur DCC sur les structures neuronales. Celui-ci est aussi présent sur les dendrites, les axones et les filopodes. Ces résultats suggèrent que le récepteur DCC serait impliqué non seulement dans le processus de synaptogenèse médié par le récepteur CB1, comme cela a été montré dans le laboratoire du professeur Bouchard, mais aussi dans celui, éventuellement, médié par le récepteur CB2. Nous avons ensuite évalué l’effet des ligands du récepteur CB2. Nous n’avons détecté aucun effet clair des agonistes inverses (AM630 et JTE907) et des agonistes (JWH015 et JWH133) quant à la médiation du processus de synaptogenèse en terme de variation de la densité des filopodes et des points de contacts synaptiques. Nous avons obtenu des résultats variables. Ceux-ci furent non reproductibles. Nous avons obtenu des résultats différents des résultats originaux lorsque nous avons requantifié visuellement les mêmes photos à deux reprises Nous avons développé une méthode informatisée de quantification qui nous a permis d’obtenir des résultats reproductibles. Cependant, nous n’avons toujours pas détecté d’effets sur la synaptogenèse médiés par le récepteur CB2. Ces résultats préliminaires ne nous permettent ni d’infirmer, ni de confirmer d’éventuels effets sur la synaptogenèse médiés par le récepteur CB2. Une étude exhaustive serait nécessaire pour le déterminer.