Acid-sensing ion channels : modulation by serine-proteases and involvement in acid-induced action potential generation in hippocampal neurons

SUMMARY Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage gated sodium channels. They are activated by rapid extracellular acidification and generate an inactivating inward current. Four ASIC genes have been cloned: ASIC1, 2, 3 and 4, with variants a and b for ASIC1and AS1C2. ASICs are expressed in neurons of the central (CNS) and peripheral nervous system (PNS). In the CNS, ASICs have a role in learning, memory, as well as in neuronal death in ischemia. In the PNS, ASICs are involved in the perception of acid-induced pain, as well as in mechanoperception. In one part of my thesis project, we addressed the question of the mechanism of regulation of ASIC1 a by the serine protease trypsin at the molecular level. Trypsin modifies the function of ASIC1 a but not of ASIC1b. In order to identify the channel region responsible for this effect, we created chimeras between ASIC1 a and 1b. Subsequently, to identify the exact trypsin target(s), we mutated predicted trypsin sites in the region identified by the chimera. In the second part of a project, we investigated the role of ASICs at the cellular level, in neuronal signaling. Using the whole-cell patch clamp in hippocampal neuronal culture, we studied the potential involvement of ASICs in action potential (AP) generation. In the first part of the thesis work, we showed that trypsin modifies ASIC1a function: it shifts the pH activation and the steady-state inactivation curve towards more acidic values and accelerates the time course of the channel recovery from inactivation. We also showed that trypsin cleaves ASIC1a and that the functional effect and a channel cleavage correlate. In the inactivated state, channels cannot be modified by trypsin. Cleavage occurs in a channel region that is also important for inactivation of all ASICs; a part of this region is critical for the inhibition of ASIC1 a by the spider toxin Psalmotoxin1. In the second part of the thesis work, we showed that ASIC activity can modulate AP generation. ASIC activity by itself can induce trains of APs. In situations in which this activity by itself is not sufficient to induce APs, it can contribute to AP generation. During high neuronal activity, ASIC activity can block already existing trains of APs. In conclusion, depending on the activity of neuron in a particular moment, ASICs can differently modulate AP generation; they can induce, facilitate or inhibit APs. We also showed that trypsin changes the capability of ASICs to modulate AP generation by shifting the pH dependence to more acidic values, which adapts channel gating to pH conditions which may occur in pathological conditions such as ischemia. Our finding that trypsin modifies ASIC1 a function identifies a novel pharmacological tool, and proposes a mechanism of ASIC1a regulation that may have a physiological importance. The identification of the exact site of trypsin action gives insight to the molecular mechanisms of ASIC regulation. This work proposes a role in modulation of AP generation for ASICs in the CNS. RESUME Les canaux ASIC sont les canaux ioniques activés par l'acidification rapide extracellulaire. Activés, ils génèrent un courant entrant qui inactive en présence de stimulus acide. Quatre gènes ASIC ont été clonés, ASIC1, 2, 3 et 4, avec les variants a et b pour ASIC1 et 2. Les ASICs sont exprimés dans les neurones du système nerveux central (SNC) et périphérique (SNP). Dans le SNC, les ASIC ont un rôle dans le mémoire, apprentissage et la mort neuronale dans t'ischémie. Dans le SNP, ils ont un rôle dans la perception de la douleur et méchanosensation. Dans une partie de mon projet de thèse, nous avons étudié les mécanismes de la régulation d'ASIC1a par la sérine-protéase trypsine au niveau moléculaire. La trypsine modifie la fonction d'ASIC1a et pas ASIC1b. Nous avons créé les chimères entre ASIC1 a et 1 b, afin d'identifier la région du canal responsable pour l'effet. Pour identifier le(s) site(s) exactes de l'action de la trypsine, nous avons muté les sites potentiels de la trypsine dans la région identifiée par les chimères. Dans la deuxième partie du projet, nous avons étudié le rôle des ASICs au niveau cellulaire. En utilisant la technique du patch clamp dans les cultures des neurones de l'hippocampe, nous avons étudié l'implication des ASICs dans la génération des potentiels d'action (PA). Nous avons montré que la trypsine agit sur le canal ASIC1a ; elle décale l'activation et « steady-state » inactivation vers les valeurs plus acides, et elle raccourcit le temps du « recovery » du canal. La trypsine coupe ASIC1a sur le résidu K145 et l'effet fonctionnel et la coupure corrèlent. Nous avons identifié la région du canal responsable pour l'inactivation de tous les ASICs ; une partie de cette région est responsable pour ['inhibition d'ASIC1 a par la Psalmotoxinel . Nous avons montré que les ASICs peuvent moduler la génération des PAs. L'activité des ASICs peut induire les trains des PAs. Quand l'activité des ASICs n'est pas suffisante pour induire le PA, elle peut contribuer à sa génération. Pendant l'activité neuronale forte, l'activité des ASICs peut bloquer les trains des PAs qui existent déjà. En conclusion, dépendant de l'activité neuronale, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs différemment ; ils peuvent induire, faciliter ou inhiber les PAs. La trypsine change la capacité des ASICs de moduler les PAs. Après l'action de la trypsine, les ASICs peuvent moduler la génération des PAs dans les conditions légèrement acides, suivies par les fluctuations du pH acide, qui peuvent exister dans l'ischémie. Le fait que la trypsine agit sur ASIC1a définit l'outil pharmacologique et propose le mécanisme de la régulation d'ASICI a qui pourrait avoir l'importance physiologique. L'identification du site de l'action de la trypsine éclaircit les mécanismes moléculaires de la régulation des ASICs. Cette étude propose un rôle des ASICs dans la modulation de la génération des PAs. Résumé pour le public large Les neurones sont les cellules de système nerveux dont la fonction est la signalisation. Comme toutes les autres cellules, les neurones ont une membrane qui sépare l'intérieur du milieu extérieur. Cette membrane est imperméable pour des particules chargées (ions). Dans cette membrane existent les protéines spécifiques, « canaux », qui permettent le transport des ions d'un côté de la membrane à l'autre, comme réponse aux stimuli différents. Ce transport des ions à travers la membrane génère un courant, qu'on peut mesurer. Ce courant est la base de la communication entre les neurones, ou, ce qu'on appelle la signalisation neuronale. Quand ce courant est suffisamment grand, il permet la génération du potentiel d'action, qui est le message principal de communication neuronale. Les canaux ASIC (acid-sensing ion channel), que nous étudions dans le laboratoire, sont activés par les acides. Les acides sont relâchés dans beaucoup de situations dans le système nerveux. Les ASIC ont été découverts récemment (en 1996), et nous ne connaissons pas encore très bien toutes les fonctions de ces canaux. Nous savons qu'ils ont un rôle dans le mémoire, apprentissage, la sensation de la douleur et l'infarctus cérébral. Dans la première partie de ce projet de thèse, nous avons voulu mieux comprendre comment fonctionnent ces canaux. Pour faire ça, nous avons étudié la régulation des ASICs par une protéine, trypsine, qui coupe le canal ASIC. Nous avons étudié ou exactement la trypsine coupe le canal et quels effets ça produit sur la fonction du canal. Dans la deuxième partie du projet de thèse, nous avons voulu mieux connaître comment le canal fonctionne au niveau de la cellule, comment il interagit avec les autres canaux et si il a un rôle dans la génération des potentiels d'action. Nous avons pu montrer que la trypsine change la fonction du canal, ce qui lui permet de fonctionner différemment. Nous avons aussi déterminé ou exactement ta trypsine coupe le canal. Au niveau de la cellule, nous avons montré que les ASIC peuvent moduler la génération des potentiels d'action, étant, dépendant de l'activité du neurone, soit activateurs, soit inhibiteurs. La trypsine est une molécule qui peut être libérée dans le système nerveux pendant certaines conditions, comme l'infarctus cérébral. A cause de ça, les connaissances que la trypsine agit sur le anal ASIC pourraient être important physiologiquement. La connaissance de l'endroit exacte ou la trypsine coupe le canal nous aide à mieux comprendre la relation structure-fonction du canal. La modulation de la génération des potentiels d'actions par les ASIC indique que ces canaux peuvent avoir un rôle important dans la signalisation neuronale.

Étude de la fonction de GLUT8 sur un modèle de souris "knock-out"

Résumé GLUT8 est la première des nouvelles isoformes des GLUT récemment identifiés. Il est fortement exprimé dans les testicules et plus faiblement dans les blastocystes, le cerveau, particulièrement au niveau de l'hippocampe, et le coeur. En conditions basales, il est retenu dans un compartiment intracellulaire. Si on l'exprime en surface cellulaire, par la mutation du motif d'internalisation dileucine, il transporte le glucose avec une bonne affinité. Dans le but d'étudier sa fonction au niveau de l'organisme, nous avons créé un modèle de knock out conditionnel, en entourant le dernier exon du gène de GLUT8 par deux sites loxP. En croisant nos souris avec une souche de souris transgénique exprimant la cre-recombinase dans les cellules de la lignée germinale, nous avons généré un modèle de souris portant la délétion totale de GLUT8 de manière constitutionnelle. Les statistiques effectuées sur les premières naissances indiquent qu'une partie des souris knock out ne survit pas, suggérant un rôle de GLUT8 au niveau du développement embryonnaire. Les souris qui ont survécu ne présentent toutefois pas d'anomalies durant la croissance et sont fertiles. Elles ont des taux de glucose et d'insuline sanguins normaux. Au niveau cérébral, la structure de l'hippocampe n'est pas modifiée par la suppression de GLUT8, cependant, les souris GLUT8-/- présentent une prolifération cellulaire augmentée dans le gyrus denté. Cette augmentation de division cellulaire pourrait être la réponse adaptée à une éventuelle augmentation de la mort cellulaire au niveau de l'hippocampe. Elles ne semblent toutefois pas présenter de défauts cognitifs majeurs dans le bassin de Morris en conditions normales. Toutefois, en conditions de jeûne, elles tendent à une meilleure mémorisation à court terme. Les études morphologiques et histologiques au niveau cardiaque n'ont pas révélé de d'hypertrophie au niveau ventriculaire. La stimulation de la contraction à l'isoprotérénol n'a pas mis en évidence de défaut d'adaptation des coeurs GLUT8-/-. Cependant l'analyse fonctionnelle par électrocardiogramme, en conditions basales, a montré une augmentation de la durée de l'onde P, suggérant un défaut dans la dépolarisation des oreillettes. Nos résultats indiquent que GLUT8 ne joue pas un rôle prédominant dans la survie et la fonction basale des souris. Il pourrait jouer un rôle plus important dans des situations stressantes pour l'organisme, comme l'hypoglycémie ou les conditions d'ischémie qui induiraient son expression à la membrane plasmique et stimuleraient le captage du glucose. Abstract GLUT8 was the first of the recently identified isoform of the GLUT family proteins. It is strongly expressed in the testis. It is also found at a lower level in the blastocyst, in heart and in the brain. Under basal conditions, it is retained in the intracellular compartment, but when the internalization motif dileucine is mutated, GLUT8 translocates to the plasma membrane and transports glucose with a relatively high affinity. To study its function in vivo, we created a conditional knock out mouse model. To do so, we targeted the last exon of the GLUT8 gene with two loxP sites. We then crossed these mice with a transgenic model expressing the cre-recombinase in the gem' line to generate a constitutional total knock out mouse. The statistics made on the first breedings showed that some of the knock out mice do not survive, suggesting a role of GLUT8 in the embryonic development. Conversely mice who survive do not show developmental defects and they are fertile with normal glucose and insulin blood levels. In the brain, the general structure of the hippocampus is not modified by the deletion of GLUT8. However, GLUT8-/- mice show an increase in the cell proliferation in the dentate gyms. This cell proliferation could be due to an increase in the cell death in the hippocampus. When tested in the morris water maze, these mice do not show any cognitive defects in the basal conditions, but they have a tendency to learn better in fasted conditions. The morphological and histological studies made at the heart level did not show any cardiac hypertrophy in the ventricles. The stimulation with isoproterenol did not show any adaptation defects in the GLUT8-/- hearts. However, the functional analysis made in basal conditions with the electrocardiogram showed an increase in the P wave length, suggesting a defect in the atrial depolarization in the knock out mice. Overall, our results show that GLUT8 does not play an important role in the basal general functions in the mice, but might play a more important role during whole organism stress. Hypoglycaemia or ischemia, for example could stimulate the GLUT8 translocation to the plasma membrane to increase specifically glucose uptake. Résumé tout public Les différentes cellules de l'organisme possèdent des propriétés particulières, qui leur permettent de maintenir les fonctions de l'organe auquel elles appartiennent. La membrane plasmique qui les délimite sélectionne les substances qui vont pénétrer à l'intérieur de la cellule et permet ainsi de maintenir un environnement interne constant. Le glucose est une source d'énergie importante pour la cellule et doit pouvoir pénétrer à l'intérieur de la cellule. Il utilise pour cela des protéines de transport qui le feront passer de part et d'autre de la membrane. Les protéines de la famille des GLUT (pour GLUcose Transporter) possèdent cette capacité. GLUT8 est un membre de la famille des GLUT identifié récemment. Il possède la capacité de transporter le glucose quand il se présente à la surface de la cellule. Il est principalement exprimé dans les testicules, dans le coeur et le cerveau et durant le développement embryonnaire. Son rôle n'est toutefois pas encore défini. Ce travail consiste à étudier la fonction de GLUT8 au niveau de l'organisme entier. Nous avons créé un modèle de souris dans lesquelles l'expression de GLUT8 a été supprimée pour mettre en évidence son importance dans le maintien de l'intégrité des fonctions du corps. Les observations effectuées sur les souris qui n'expriment plus GLUT8 nous indiquent que leurs cellules prolifèrent plus vite au niveau de l'hippocampe. L'hippocampe est une structure située dans le cerveau qui est impliquée dans les phénomènes d'apprentissage. Les souris qui ont été testées dans des tâches d'apprentissage n'ont malgré cela pas montré une amélioration de la mémorisation. Dans le coeur, la suppression de GLUT8 semble présenter un défaut quand on mesure l'activité électrique du coeur par électrocardiogramme. Toutefois, ils fonctionnent normalement et ne présentent pas de défauts morphologiques en conditions normales. Les expériences effectuées sur les modèles de souris indiquent que GLUT8 ne jouerait pas un rôle prédominant dans le fonctionnement normal du corps. Il pourrait exercer sa fonction dans des situations plus particulières comme l'hypoglycémie, où il permettrait une meilleure capacité à transporter le glucose dans les cellules.

Exploring the mechanisms regulating nutrient bioavailability and lipid metabolism through a nutrigenomics approach

SUMMARY Following the complete sequencing of the human genome, the field of nutrition has begun utilizing this vast quantity of information to comprehensively explore the interactions between diet and genes. This approach, coined nutrigenomics, aims to determine the influence of common dietary ingredients on the genome, and attempts to relate the resulting different phenotypes to differences in the cellular and/or genetic response of the biological system. However, complementary to defining the biological outcomes of dietary ingredients, we must also understand the influence of the multiple factors (such as the microbiota, bile, and function of transporters) that may contribute to the bioavailability, and ultimately bioefficacy, of these ingredients. The gastrointestinal tract (GIT) is the body's foremost tissue boundary, interacting with nutrients, exogenous compounds and microbiota, and whose condition is influenced by the complex interplay between these environmental factors and genetic elements. In order to understand GIT nutrient-gene interactions, our goal was to comprehensively elucidate the region-specific gene expression underlying intestinal functions. We found important regional differences in the expression of members of the ATP-binding cassette family of transporters in the mouse intestine, suggesting that absorption of dietary compounds may vary along the GIT. Furthermore, the influence of the microbiota on host gene expression indicated that this luminal factor predominantly influences immune function and water transport throughout the GIT; however, the identification of region-specific functions suggest distinct host-bacterial interactions along the GIT. Thus, these findings reinforce that to understand nutrient bioavailability and GIT function, one must consider the physiologically distinct regions of the gut. Nutritional molecules absorbed by the enterocytes of the GIT enter circulation and will be selectively absorbed and metabolised by tissues throughout the body; however, their bioefficacy in the body will depend on the unique and shared molecular mechanisms of the various tissues. Using a nutrigenomic approach, the biological responses of the liver and hippocampus of mice fed different long chain-polyunsaturated fatty acids diets revealed tissue-specific responses. Furthermore, we identified stearoyl-CoA desaturase as a hepatic target for arachidonic acid, suggesting a potentially novel molecular mechanism that may protect against diet-induced obesity. In summary, this work begins to unveil the fundamentally important role that nutrigenomics will play in unravelling the molecular mechanisms, and those exogenous factors capable of influencing these mechanisms, that regulate the bioefficacy of nutritional molecules. RÉSUMÉ Suite au séquençage complet du génome humain, le domaine de la nutrition a commencé à utiliser cette vaste quantité d'information pour explorer de manière globale les interactions entre la nourriture et les gènes. Cette approche, appelée « nutrigenomics », a pour but de déterminer l'influence d'ingrédients couramment utilisés dans l'alimentation sur le génome, et d'essayer de relier ces différents phénotypes, ainsi révélés, à des différences de réponses cellulaires et/ou génétiques. Cependant, en plus de définir les effets biologiques d'ingrédients alimentaires, il est important de comprendre l'influence des multiples facteurs (telle que la microflore, la bile et la fonction des transporteurs) pouvant contribuer à la bio- disponibilité et par conséquent à l'efficacité de ces ingrédients. Le tractus gastro-intestinal (TGI), qui est la première barrière vers les tissus, interagit avec les nutriments, les composés exogènes et la microflore. La fonction de cet organe est influencée par les interactions complexes entre les facteurs environnementaux et les éléments génétiques. Dans le but de comprendre les interactions entre les nutriments et les gènes au niveau du TGI, notre objectif a été de décrire de manière globale l'expression génique spécifique de chaque région de l'intestin définissant leurs fonctions. Nous avons trouvé d'importantes différences régionales dans l'expression des transporteurs de la famille des « ATP-binding cassette transporter » dans l'intestin de souris, suggérant que l'absorption des composés alimentaires puisse varier le long de l'intestin. De plus, l'étude des effets de la microflore sur l'expression des gènes hôtes a indiqué que ce facteur de la lumière intestinale influence surtout la fonction immunitaire et le transport de l'eau à travers l'intestin. Cependant, l'identification des fonctions spécifiques de chaque région suggère des interactions distinctes entre l'hôte et les bactéries le long de l'intestin. Ainsi, ces résultats renforcent l'idée que la compréhension de la bio-disponibilité des nutriments, et par conséquent la fonction du TGI, doit prendre en considération les différences régionales. Les molécules nutritionnelles transportées par les entérocytes jusqu'à la circulation sanguine, sont ensuite sélectivement absorbées et métabolisées par les différents tissus de l'organisme. Cependant, leur efficacité biologique dépendra du mécanisme commun ou spécifique de chaque tissu. En utilisant une approche « nutriogenomics », nous avons pu mettre en évidence les réponses biologiques spécifiques du foie et de l'hippocampe de souris nourris avec des régimes supplémentés avec différents acides gras poly-insaturés à chaîne longue. De plus, nous avons identifié la stearoyl-CoA desaturase comme une cible hépatique pour l'acide arachidonique, suggérant un nouveau mécanisme moléculaire pouvant potentiellement protéger contre le développement de l'obésité. En résumé, ce travail a permis de dévoiler le rôle fondamental qu'une approche telle que la « nutrigenomics » peut jouer dans le décryptage des mécanismes moléculaires et de leur régulation par des facteurs exogènes, qui ensemble vont contrôler l'efficacité biologique des nutriments.

Cellular and molecular mechanisms underlying the effects of sleep loss on hippocampal synaptic plasticity

SUMMARY : The function of sleep for the organism is one of the most persistent and perplexing questions in biology. Current findings lead to the conclusion that sleep is primarily for the brain. In particular, a role for sleep in cognitive aspects of brain function is supported by behavioral evidence both in humans and animals. However, in spite of remarkable advancement in the understanding of the mechanisms underlying sleep generation and regulation, it has been proven difficult to determine the neurobiological mechanisms underlying the beneficial effect of sleep, and the detrimental impact of sleep loss, on learning and memory processes. In my thesis, I present results that lead to several critical steps forward in the link between sleep and cognitive function. My major result is the molecular identification and physiological analysis of a protein, the NR2A subunit of NMDA receptor (NMDAR), that confers sensitivity to sleep loss to the hippocampus, a brain structure classically involved in mnemonic processes. Specifically, I used a novel behavioral approach to achieve sleep deprivation in adult C57BL6/J mice, yet minimizing the impact of secondary factors associated with the procedure,.such as stress. By using in vitro electrophysiological analysis, I show, for the first time, that sleep loss dramatically affects bidirectional plasticity at CA3 to CA1 synapses in the hippocampus, a well established cellular model of learning and memory. 4-6 hours of sleep loss elevate the modification threshold for bidirectional synaptic plasticity (MT), thereby promoting long-term depression of CA3 to CA 1 synaptic strength after stimulation in the theta frequency range (5 Hz), and rendering long-term potentiation induction.more difficult. Remarkably, 3 hours of recovery sleep, after the deprivation, reset the MT at control values, thus re-establishing the normal proneness of synapses to undergo long-term plastic changes. At the molecular level, these functional changes are paralleled by a change in the NMDAR subunit composition. In particular, the expression of the NR2A subunit protein of NMDAR at CA3 to CA1 synapses is selectively and rapidly increased by sleep deprivation, whereas recovery sleep reset NR2A synaptic content to control levels. By using an array of genetic, pharmacological and computational approaches, I demonstrate here an obligatory role for NR2A-containing NMDARs in conveying the effect of sleep loss on CA3 to CAl MT. Moreover, I show that a genetic deletion of the NR2A subunit fully preserves hippocampal plasticity from the impact of sleep loss, whereas it does not alter sleepwake behavior and homeostatic response to sleep deprivation. As to the mechanism underlying the effects of the NR2A subunit on hippocampal synaptic plasticity, I show that the increased NR2A expression after sleep loss distinctly affects the contribution of synaptic and more slowly recruited NMDAR pools activated during plasticity-induction protocols. This study represents a major step forward in understanding the mechanistic basis underlying sleep's role for the brain. By showing that sleep and sleep loss affect neuronal plasticity by regulating the expression and function of a synaptic neurotransmitter receptor, I propose that an important aspect of sleep function could consist in maintaining and regulating protein redistribution and ion channel trafficking at central synapses. These findings provide a novel starting point for investigations into the connections between sleep and learning, and they may open novel ways for pharmacological control over hippocampal .function during periods of sleep restriction. RÉSUMÉ DU PROJET La fonction du sommeil pour l'organisme est une des questions les plus persistantes et difficiles dans la biologie. Les découvertes actuelles mènent à la conclusion que le sommeil est essentiel pour le cerveau. En particulier, le rôle du sommeil dans les aspects cognitifs est soutenu par des études comportementales tant chez les humains que chez les animaux. Cependant, malgré l'avancement remarquable dans la compréhension des mécanismes sous-tendant la génération et la régulation du sommeil, les mécanismes neurobiologiques qui pourraient expliquer l'effet favorable du sommeil sur l'apprentissage et la mémoire ne sont pas encore clairs. Dans ma thèse, je présente des résultats qui aident à clarifier le lien entre le sommeil et la fonction cognitive. Mon résultat le plus significatif est l'identification moléculaire et l'analyse physiologique d'une protéine, la sous-unité NR2A du récepteur NMDA, qui rend l'hippocampe sensible à la perte de sommeil. Dans cette étude, nous avons utilisé une nouvelle approche expérimentale qui nous a permis d'induire une privation de sommeil chez les souris C57BL6/J adultes, en minimisant l'impact de facteurs confondants comme, par exemple, le stress. En utilisant les techniques de l'électrophysiologie in vitro, j'ai démontré, pour la première fois, que la perte de sommeil est responsable d'affecter radicalement la plasticité bidirectionnelle au niveau des synapses CA3-CA1 de l'hippocampe. Cela correspond à un mécanisme cellulaire de l'apprentissage et de la mémoire bien établi. En particulier, 4-6 heures de privation de sommeil élèvent le seuil de modification pour la plasticité synaptique bidirectionnelle (SM). Comme conséquence, la dépression à long terme de la transmission synaptique est induite par la stimulation des fibres afférentes dans la bande de fréquences thêta (5 Hz), alors que la potentialisation à long terme devient plus difficile. D'autre part, 3 heures de sommeil de récupération sont suffisant pour rétablir le SM aux valeurs contrôles. Au niveau moléculaire, les changements de la plasticité synaptiques sont associés à une altération de la composition du récepteur NMDA. En particulier, l'expression synaptique de la protéine NR2A du récepteur NMDA est rapidement augmentée de manière sélective par la privation de sommeil, alors que le sommeil de récupération rétablit l'expression de la protéine au niveau contrôle. En utilisant des approches génétiques, pharmacologiques et computationnelles, j'ai démontré que les récepteurs NMDA qui expriment la sous-unité NR2A sont responsables de l'effet de la privation de sommeil sur le SM. De plus, nous avons prouvé qu'une délétion génétique de la sous-unité NR2A préserve complètement la plasticité synaptique hippocampale de l'impact de la perte de sommeil, alors que cette manipulation ne change pas les mécanismes de régulation homéostatique du sommeil. En ce qui concerne les mécanismes, j'ai .découvert que l'augmentation de l'expression de la sous-unité NR2A au niveau synaptique modifie les propriétés de la réponse du récepteur NMDA aux protocoles de stimulations utilisés pour induire la plasticité. Cette étude représente un pas en avant important dans la compréhension de la base mécaniste sous-tendant le rôle du sommeil pour le cerveau. En montrant que le sommeil et la perte de sommeil affectent la plasticité neuronale en régulant l'expression et la fonction d'un récepteur de la neurotransmission, je propose qu'un aspect important de la fonction du sommeil puisse être finalisé au règlement de la redistribution des protéines et du tracking des récepteurs aux synapses centraux. Ces découvertes fournissent un point de départ pour mieux comprendre les liens entre le sommeil et l'apprentissage, et d'ailleurs, ils peuvent ouvrir des voies pour des traitements pharmacologiques dans le .but de préserver la fonction hippocampale pendant les périodes de restriction de sommeil.

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.

Long-term cerebral plasticity-related gene expression : a study of the respective role of CBP and CRTC1 in CREB transcriptional activation

1.1 AbstractThe treatment of memory disorders and cognitive deficits in various forms of mental retardation may greatly benefit from a better understanding of the molecular and cellular mechanisms of memory formation. Different forms of memory have distinct molecular requirements.Short-term memory (STM) is thought to be mediated by covalent modifications of existing synaptic molecules, such as phosphorylation or dephosphorylation of enzymes, receptors or ion channels. In contrast, long-term memoiy (LTM) is thought to be mediated by growth of new synapses and restructuring of existing synapses. There is extensive evidence that changes in gene expression and de novo protein synthesis are key processes for LTM formation. In this context, the transcription factor CREB (cAMP-response element-binding protein) was shown to be crucial. Activation of CREB requires phosphorylation of a serine residue (Ser-133), and the subsequent recruitment of a coactivator called CREB-binding protein (CBP). Moreover, we have recently shown that another coactivator called CREB Regulated Transcription Coactivator 1 (CRTC1) functions as a calcium- and cAMP-sensitive coincidence detector in neurons, and is involved in hippocampal long-term synaptic plasticity. Given the importance of cAMP and calcium signaling for plasticity-related gene expression in neurons and in astrocytes, we sought to determine the respective involvement of the CREB coactivators CBP and CRTC1 in CREB-mediated transcription.We developed various strategies to selectively interfere with these CREB coactivators in mouse primary neurons and in astrocytes in vitro. However, despite several pieces of evidence implicating CBP and/or CRTC1 in the regulation of neuronal plasticity genes, we could not clearly determine the respective requirement of these coactivators for the activation of these genes. Nevertheless, we showed that calcineurin activity, which is important for CRTC1 nuclear translocation, is necessary for the expression of some CREB-regulated plasticity genes. We associated this phenomena to physiopathological conditions observed in Down's syndrome. In addition, we demonstrated that in astrocytes, noradrenaline stimulates CREB-target gene expression through β-adrenergic receptor activation, intracellular cAMP pathway activation, and CRTC-induced CREB transactivation.Defining the respective role of CREB and its coactivators CBP and CRTC1 in neuronal and astrocytic cultures in vitro sets the stage for future in vivo studies and for the possible development of new therapeutic strategies to improve the treatment of memoiy and cognitive disorders.1.2 RésuméUne meilleure connaissance des mécanismes moléculaires et cellulaires responsables de la formation de la mémoire pourrait grandement améliorer le traitement des troubles de la mémoire ainsi que des déficits cognitifs observés dans différentes formes de pathologies psychiatriques telles que le retard mental. Les différentes formes de mémoire dépendent de processus moléculaires différents.La mémoire à court terme (STM) semble prendre forme suite à des modifications covalentes de molécules synaptiques préexistantes, telles que la phosphorylation ou la déphosphorylation d'enzymes, de récepteurs ou de canaux ioniques. En revanche, la mémoire à long terme (LTM) semble être due à la génération de nouvelles synapses et à la restructuration des synapses existantes. De nombreuses études ont permis de démontrer que les changements dans l'expression des gènes et la synthèse de protéine de novo sont des processus clés pour la formation de la LTM. Dans ce contexte, le facteur de transcription CREB (cAMP-response element-binding protein) s'est avéré être un élément crucial. L'activation de CREB nécessite la phosphorylation d'un résidu sérine (Ser-133), et le recrutement d'un coactivateur nommé CBP (CREB binding protein). En outre, nous avons récemment démontré qu'un autre coactivateur de CREB nommé CRTC1 (CREB Regulated Transcription Coactivator 1) agit comme un détecteur de coïncidence de l'AMP cyclique (AMPc) et du calcium dans les neurones et qu'il est impliqué dans la formation de la plasticité synaptique à long terme dans l'hippocampe. Etant donné l'importance des voies de l'AMPc et du calcium dans l'expression des gènes impliqués dans la plasticité cérébrale, nous voulions déterminer le rôle respectif des coactivateurs de CREB, CBP et CRTC1.Nous avons développé diverses stratégies pour interférer de façon sélective avec les coactivateurs de CREB dans les neurones et dans les astrocytes chez la souris in vitro. Nos résultats indiquent que CBP et CRTC1 sont tous deux impliqués dans la transcription dépendante de CREB induite par l'AMPc et le calcium dans les neurones. Cependant, malgré plusieurs évidences impliquant CBP et/ou CRTC1 dans l'expression de gènes de plasticité neuronale, nous n'avons pas pu déterminer clairement leur nécessité respective pour l'activation de ces gènes. Toutefois, nous avons montré que l'activité de la calcineurine, dont dépend la translocation nucléaire de CRTC1, est nécessaire à l'expression de certains de ces gènes. Nous avons pu associer ce phénomène à une condition physiopathologique observée dans le syndrome de Down. Nous avons également montré que dans les astrocytes, la noradrénaline stimule l'expression de gènes cibles de CREB par une activation des récepteurs β- adrénergiques, l'activation de la voie de l'AMPc et la transactivation de CREB par les CRTCs.Définir le rôle respectif de CREB et de ses coactivateurs CBP et CRTC1 dans les neurones et dans les astrocytes in vitro permettra d'acquérir les connaissances nécessaires à de futures études in vivo et, à plus long terme d'éventuellement développer des stratégies thérapeutiques pour améliorer les traitements des troubles cognitifs.

Hypoxie-ischémie cérébrale néonatale : rôle de la voie de JNK et implication de l'autophagie dans la mort neuronale

Résumé : Malgré les immenses progrès réalisés depuis plusieurs années en médecine obstétricale ainsi qu'en réanimation néonatale et en recherche expérimentale, l'asphyxie périnatale, une situation de manque d'oxygène autour du moment de la naissance, reste une cause majeure de mortalité et de morbidité neurologique à long terme chez l'enfant (retard mental, paralysie cérébrale, épilepsie, problèmes d'apprentissages) sans toutefois de traitement pharmacologique réel. La nécessité de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les complications de l'asphyxie périnatale est donc aujourd'hui encore essentielle. Le but général de ce travail est l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques impliquées dans des mécanismes moléculaires pathologiques induits par l'hypoxie-ischémie (HI) dans le cerveau immature. Pour cela, le modèle d'asphyxie périnatale (proche du terme) le plus reconnu chez le rongeur a été développé (modèle de Rice et Vannucci). Il consiste en la ligature permanente d'une artère carotide commune (ischémie) chez le raton de 7 jours combinée à une période d'hypoxie à 8% d'oxygène. Il permet ainsi d'étudier les lésions de type hypoxique-ischémique dans différentes régions cérébrales dont le cortex, l'hippocampe, le striatum et le thalamus. La première partie de ce travail a abordé le rôle de deux voies de MAPK, JNK et p38, après HI néonatale chez le raton à l'aide de peptides inhibiteurs. Tout d'abord, nous avons démontré que D-JNKI1, un peptide inhibiteur de la voie de JNK présentant de fortes propriétés neuroprotectrices dans des modèles d'ischémie cérébrale adulte ainsi que chez le jeune raton, peut intervenir sur différentes voies de mort dont l'activation des calpaïnes (marqueur de la nécrose précoce), l'activation de la caspase-3 (marqueur de l'apoptose) et l'expression de LC3-II (marqueur de macroautophagie). Malgré ces effets positifs le traitement au D-JNKI1 ne modifie pas l'étendue de la lésion cérébrale. L'action limitée de D-JNKI1 peut s'expliquer par une implication modérée des JNKs (faiblement activées et principalement l'isotype JNK3) après HI néonatale sévère. Au contraire, l'inhibition de la voie de nNOS/p38 par le peptide DTAT-GESV permet une augmentation de 20% du volume du tissu sain à court et long terme. Le second projet a étudié les effets de l'HI néonatale sur l'autophagie neuronale. En effet, l'autophagie est un processus catabolique essentiel au bien-être de la cellule. Le type principal d'autophagie (« macroautophagie » , que nous appellerons par la suite « autophagie ») consiste en la séquestration d'éléments à dégrader (protéines ou organelles déficients) dans un compartiment spécialisé, l'autophagosome, qui fusionne avec un lysosome pour former un autolysosome où le contenu est dégradé par les hydrolases lysosomales. Depuis peu, l'excès ou la dérégulation de l'autoptiagie a pu être impliqué dans la mort cellulaire en certaines conditions de stress. Ce travail démontre que l'HI néonatale chez le raton active fortement le flux autophagique, c'est-à-dire augmente la formation des autophagosomes et des autolysosomes, dans les neurones en souffrance. De plus, la relation entre l'autophagie et l'apoptose varie selon la région cérébrale. En effet, alors que dans le cortex les neurones en voie de mort présentent des caractéristiques mixtes apoptotiques et autophagiques, ceux du CA3 sont essentiellement autophagiques et ceux du CA1 sont principalement apoptotiques. L'induction de l'autophagie après HI néonatale semble donc participer à la mort neuronale soit par l'enclenchement de l'apoptose soit comme mécanisme de mort en soi. Afin de comprendre la relation pouvant exister entre autophagie et apoptase un troisième projet a été réalisé sur des cultures primaires de neurones corticaux exposés à un stimulus apoptotique classique, la staurosporine (STS). Nous avons démontré que l'apoptose induite par la STS était précédée et accompagnée par une forte activation du flux autophagique neuronal. L'inhibition de l'autophagie de manière pharmacologique (3-MA) ou plus spécifiquement par ARNs d'interférence dirigés contre deux protéines autophagiques importantes (Atg7 et Atg5) a permis de mettre en évidence des rôles multiples de l'autophagie dans la mort neuronale. En effet, l'autophagie prend non seulement part à une voie de mort parallèle à l'apoptose pouvant être impliquée dans l'activation des calpaïnes, mais est également partiellement responsable de l'induction des voies apoptotiques (activation de la caspase-3 et translocation nucléaire d'AIF). En conclusion, ce travail a montré que l'inhibition de JNK par D-JNKI1 n'est pas un outil neuroprotecteur efficace pour diminuer la mort neuronale provoquée par l'asphyxie périnatalé sévère, et met en lumière deux autres voies thérapeutiques beaucoup plus prometteuses, l'inhibition de nNOS/p38 ou de l'autophagie. ABSTRACT : Despite enormous progress over the last«decades in obstetrical and neonatal medicine and experimental research, perinatal asphyxia, a situation of lack of oxygen around the time of the birth, remains a major cause of mortality and long term neurological morbidity in children (mental retardation, cerebral palsy, epilepsy, learning difficulties) without any effective treatment. It is therefore essential to develop new therapeutic strategies for the complications of perinatal asphyxia. The overall aim of this work was to identify new therapeutic targets involved in pathological molecular mechanisms induced by hypoxia-ischemia (HI) in the immature brain. For this purpose, the most relevant model of perinatal asphyxia (near term) in rodents has been developed (model of Rice and Vannucci). It consists in the permanent ligation of one common carotid artery (ischemia) in the 7-day-old rat combined with a period of hypoxia at 8% oxygen. This model allows the study of the hypoxic-ischemic lesion in different brain regions including the cortex, hippocampus, striatum and thalamus. The first part of this work addressed the role of two MAPK pathways (JNK and p38) after rat neonatal HI using inhibitory peptides. First, we demonstrated that D-JNKI1, a JNK peptide inhibitor presenting strong neuroprotective properties in models of cerebral ischemia in adult and young rats, could affect different cell death mechanisms including the activation of calpain (a marker of necrosis) and caspase-3 (a marker of apoptosis), and the expression of LC3-II (a marker of macroautophagy). Despite these positive effects, D-JNKI1 did not modify the extent of brain damage. The limited action of D-JNKI1 can be explained by the fact that JNKs were only moderately involved (weakly activated and principally the JNK3 isotype) after severe neonatal HI. In contrast, inhibition of nNOS/p38 by the peptide D-TAT-GESV increased the surviving tissue volume by around 20% at short and long term. The second project investigated the effects of neonatal HI on neuronal autophagy. Indeed, autophagy is a catabolic process essential to the well-being of the cell. The principal type of autophagy ("macroautophagy", that we shall henceforth call "autophagy") involves the sequestration of elements to be degraded (deficient proteins or organelles) in a specialized compartment, the autophagosome, which fuses with a lysosome to form an autolysosome where the content is degraded by lysosomal hydrolases. Recently, an excess or deregulation of autophagy has been implicated in cell death in some stress conditions. The present study demonstrated that rat neonatal HI highly enhanced autophagic flux, i.e. increased autophagosome and autolysosome formation, in stressed neurons. Moreover, the relationship between autophagy and apoptosis varies according to the brain region. Indeed, whereas dying neurons in the cortex exhibited mixed features of apoptosis and autophagy, those in CA3 were primarily autophagíc and those in CA1 were mainly apoptotic. The induction of autophagy after neonatal HI seems to participate in neuronal death either by triggering apoptosis or as a death mechanism per se. To understand the relationships that may exist between autophagy and apoptosis, a third project has been conducted using primary cortical neuronal cultures exposed to a classical apoptotic stimulus, staurosporine (STS). We demonstrated that STS-induced apoptosis was preceded and accompanied by a strong activation of neuronal autophagic flux. Inhibition of autophagy pharmacologically (3-MA) or more specifically by RNA interference directed against two important autophagic proteins (Atg7 and AtgS) showed multiple roles of autophagy in neuronal death. Indeed, autophagy was not only involved in a death pathway parallel to apoptosis possibly involved in the activation of calpains, but was also partially responsible for the induction of apoptotic pathways (caspase-3 activation and AIF nuclear translocation). In conclusion, this study showed that JNK inhibition by D-JNKI1 is not an effective neuroprotective tool for decreasing neuronal death following severe perinatal asphyxia, but highlighted two more promising therapeutic approaches, inhibition of the nNOSlp38 pathway or of autophagy.

Canine distemper virus : persistence and pathology in the central nervous system

Résumé : Le virus de la maladie de Carré (en anglais: canine distemper virus, CDV) qui est pathogène pour les chiens et autres carnivores, est très semblable au virus de la rougeole humaine (en anglais MV). Ces deux virus font partie du genre des Morbillivirus qui appartient à la famille des Paramyxoviridae. Ils induisent des complications dans le système nerveux central (SNC). Au stade précoce et aigu de l'infection du SNC, le CDV induit une démyélinisation (1). Ce stade évolue dans certains cas vers une infection chronique avec progression de la démyélinisation. Pendant le stade précoce, qui suit en général de trois semaines les premiers symptômes, le processus de démyélinisation est associé à la réplication du virus et n'est pas considéré comme inflammatoire (1). Par contre, au stade chronique, la progression des plaques de démyélinisation semble être plutôt liée à des processus immunogènes caractéristiques (2), retrouvés également dans la sclérose en plaques (SEP) chez les humains. Pour cette raison, le CDV est considéré comme un modèle pour la SEP humaine et aussi pour l'étude des maladies et complications induites par les Morbillivirus en général (3). Dans notre laboratoire, nous avons utilisé la souche A75/17-CDV, qui est considérée comme le modèle des souches neurovirulentes de CDV. Nous avons cherché en premier lieu à établir un système robuste pour infecter des cultures neuronales avec le CDV. Nous avons choisi les cultures primaires de l'hippocampe du nouveau-né de rat (4), que nous avons ensuite infecté avec une version modifiée du A75/17, appelée rgA75/17-V (5). Dans ces cultures, nous avons prouvé que le CDV infecte des neurones et des astrocytes. Malgré une infection qui se diffuse lentement entre les cellules, cette infection cause une mort massive aussi bien des neurones infectés que non infectés. En parallèle, les astrocytes perdent leur morphologie de type étoilé pour un type polygonal. Finalment, nous avons trouvé une augmentation importante de la concentration en glutamate dans le milieu de culture, qui laisse présumer une sécrétion de glutamate par les cultures infectées (6). Nous avons ensuite étudié le mécanisme des effets cytopathiques induits par le CDV. Nous avons d'abord démontré que les glycoprotéines de surface F et H du CDV s'accumulent massivement dans le réticulum endoplasmique (RE). Cette accumulation déclenche un stress du RE, qui est caractérisé par une forte expression du facteur de transcription proapoptotique CHOP/GADD 153 et de le la calreticuline (CRT). La CRT est une protéine chaperonne localisée dans le RE et impliquée dans l'homéostasie du calcium (Ca2+) et dans le repliement des protéines. En transfectant des cellules de Vero avec des plasmides codant pour plusieurs mutants de la glycoprotéine F de CDV, nous avons démontré une corrélation entre l'accumulation des protéines virales dans le RE et l'augmentation de l'expression de CRT, le stress du RE et la perte de l'homéostasie du Ca2+. Nous avons obtenu des résultats semblables avec des cultures de cellules primaires de cerveau de rat. Ces résultats suggèrent que la CRT joue un rôle crucial dans les phénomènes neurodégénératifs pendant l'infection du SNC, notamment par le relazgage du glutamate via le Ca2+. De manière intéressante, nous démontrons également que l'infection de CDV induit une fragmentation atypique de la CRT. Cette fragmentation induit une re-localisation et une exposition sélective de fragments amino-terminaux de la CRT, connus pour êtres fortement immunogènes à la surface des cellules infectées et non infectées. A partir de ce résultat et des résultats précédents, nous proposons le mécanisme suivant: après l'infection par le CDV, la rétention dans le RE des protéines F et H provoque un stress du RE et une perte de l'homéostasie du Ca2+. Ceci induit la libération du glutamate, qui cause une dégénération rapide du SNC (sur plusieurs jours ou semaines) correspondant à la phase aiguë de la maladie chez le chien. En revanche, les fragments amino-terminaux de la CRT libérés à la surface des cellules infectées peuvent avoir un rôle important dans l'établissement d'une démyélinisation d'origine immunogène, typique de la phase chronique de l'infection de CDV. Summary : The dog pathogen canine distemper virus (CDV), closely related to the human pathogen measles virus (MV), belongs to the Morbillivirus genus of the Paramyxoviridae family. Both CDV and NIV induce complications in the central nervous system (CNS). In the acute early stage of the infection in CNS, the CDV infection induces demyelination. This stage is sometimes followed by a late persistent stage of infection with a progression of the demyelinating lesions (1). The acute early stage occurs around three weeks after the infection and demyelinating processes are associated with active virus replication and are not associated to inflammation (1). In contrast during late persistent stage, the demyelination plaque progression seems to be mainly due to an immunopathological process (2), which characteristics are shared in many aspects with the human disease multiple sclerosis (MS). For these reasons, CDV is considered as a model for human multiple sclerosis, as well as for the study of Morbillivirus-mediated pathogenesis (3). In our laboratory, we used the A75/17-CDV strain that is considered to be the prototype of neurovirulent CDV strain. We first sought to establish a well characterized and robust model for CDV infection of a neuronal culture. We chose primary cultures from newborn rat hippocampes (4) that we infected with a modified version of A75/17, called rgA75/17-V (5). In these cultures, we showed that CDV infects both neurons and astrocytes. While the infection spreads only slowly to neighbouring cells, it causes a massive death of neurons, which includes also non-infected neurons. In parallel, astrocytes undergo morphological changes from the stellate type to the polygonal type. The pharmacological blocking of the glutamate receptors revealed an implication of glutamatergic signalling in the virus-mediated cytopathic effect. Finally, we found a drastic increase concentration of glutamate in the culture medium, suggesting that glutamate was released from the cultured cells (6). We further studied the mechanism of the CDV-induced cytopathic effects. We first demonstrated that the CDV surface glycoprotein F and H markedly accumulate in the endoplasmic reticulum (ER). This accumulation triggers an ER stress, which is characterized by increased expression of the proapoptotic transcription factor CHOP/GADD 153 and calreticulin (CRT). CRT is an ER resident chaperon involved in the Ca2+ homeostasis and in the response to misfolded proteins. Transfections of Vero cells with plasmids encoding various CDV glycoprotein mutants reveal a correlation between accumulation of viral proteins in the ER, CRT overexpression, ER stress and alteration of ER Ca2+ homeostasis. Importantly, similar results are also obtained in primary cell cultures from rat brain. These results suggest that CRT plays a crucial role in CNS infection, particularly due to CRT involvement in Ca2+ mediated glutamate releases, and subsequent neurodegenerative disorders. Very intriguingly, we also demonstrated that CDV infection induces an atypical CRT fragmentation, with relocalisation and selective exposure of the highly immunogenic CRT N-terminal fragments at the surface of infected and neighbouring non-infected cells. Altogether our results combined with previous findings suggest the following scenario. After CDV infection, F and H retention alter Ca2+ homeostasis, and induce glutamate release, which in turn causes rapid CNS degeneration (within days or a week) corresponding to the acute phase of the disease in dogs. In contrast, the CRT N-terminal fragments released at the surface of infected cells may rather have an important role in the establishment of the autoimmune demyelination in the late stage of CDV infection.

Formation of a spatial memory trace : a behavioral, cellular and molecular study

THESIS ABSTRACTThis thesis project was aimed at studying the molecular mechanisms underlying learning and memory formation, in particular as they relate to the metabolic coupling between astrocytes and neurons. For that, changes in the metabolic activity of different mice brain regions after 1 or 9 days of training in an eight-arm radial maze were assessed by (14C) 2-deoxyglucose (2DG) autoradiography. Significant differences in the areas engaged during the behavioral task at day 1 (when animals are confronted for the first time to the learning task) and at day 9 (when animals are highly performing) have been identified. These areas include the hippocampus, the fornix, the parietal cortex, the laterodorsal thalamic nucleus and the mammillary bodies at day 1 ; and the anterior cingulate, the retrosplenial cortex and the dorsal striatum at day 9. Two of these cerebral regions (those presenting the greatest changes at day 1 and day 9: the hippocampus and the retrosplenial cortex, respectively) were microdissected by laser capture microscopy and selected genes related to neuron-glia metabolic coupling, glucose metabolism and synaptic plasticity were analyzed by RT-PCR. 2DG and gene expression analysis were performed at three different times: 1) immediately after the end of the behavioral paradigm, 2) 45 minutes and 3) 6 hours after training. The main goal of this study was the identification of the metabolic adaptations following the learning task. Gene expression results demonstrate that the learning task profoundly modulates the pattern of gene expression in time, meaning that these two cerebral regions with high 2DG signal (hippocampus and retrosplenial cortex) have adapted their metabolic molecular machinery in consequence. Almost all studied genes show a higher expression in the hippocampus at day 1 compared to day 9, while an increased expression was found in the retrosplenial cortex at day 9. We can observe these molecular adaptations with a short delay of 45 minutes after the end of the task. However, 6 hours after training a high gene expression was found at day 9 (compared to day 1) in both regions, suggesting that only one day of training is not sufficient to detect transcriptional modifications several hours after the task. Thus, gene expression data match 2DG results indicating a transfer of information in time (from day 1 to day 9) and in space (from the hippocampus to the retrosplenial cortex), and this at a cellular and a molecular level. Moreover, learning seems to modify the neuron-glia metabolic coupling, since several genes involved in this coupling are induced. These results also suggest a role of glia in neuronal plasticity.RESUME DU TRAVAIL DE THESECe projet de thèse a eu pour but l'étude des mécanismes moléculaires qui sont impliqués dans l'apprentissage et la mémoire et, en particulier, à les mettre en rapport avec le couplage métabolique existant entre les astrocytes et les neurones. Pour cela, des changements de l'activité métabolique dans différentes régions du cerveau des souris après 1 ou 9 jours d'entraînement dans un labyrinthe radial à huit-bras ont été évalués par autoradiographie au 2-désoxyglucose (2DG). Des différences significatives dans les régions engagées pendant la tâche comportementale au jour 1 (quand les animaux sont confrontés pour la première fois à la tâche) et au jour 9 (quand les animaux ont déjà appris) ont été identifiés. Ces régions incluent, au jour 1, l'hippocampe, le fornix, le cortex pariétal, le noyau thalamic laterodorsal et les corps mamillaires; et, au jour 9, le cingulaire antérieur, le cortex retrosplenial et le striatum dorsal. Deux de ces régions cérébrales (celles présentant les plus grands changements à jour 1 et à jour 9: l'hippocampe et le cortex retrosplenial, respectivement) ont été découpées par microdissection au laser et quelques gènes liés au couplage métabolique neurone-glie, au métabolisme du glucose et à la plasticité synaptique ont été analysées par RT-PCR. L'étude 2DG et l'analyse de l'expression de gènes ont été exécutés à trois temps différents: 1) juste après entraînement, 2) 45 minutes et 3) 6 heures après la fin de la tâche. L'objectif principal de cette étude était l'identification des adaptations métaboliques suivant la tâche d'apprentissage. Les résultats de l'expression de gènes démontrent que la tâche d'apprentissage module profondément le profile d'expression des gènes dans le temps, signifiant que ces deux régions cérébrales avec un signal 2DG élevé (l'hippocampe et le cortex retrosplenial) ont adapté leurs « machines moléculaires » en conséquence. Presque tous les gènes étudiés montrent une expression plus élevée dans l'hippocampe au jour 1 comparé au jour 9, alors qu'une expression accrue a été trouvée dans le cortex retrosplenial au jour 9. Nous pouvons observer ces adaptations moléculaires avec un retard court de 45 minutes après la fin de la tâche. Cependant, 6 heures après l'entraînement, une expression de gènes élevée a été trouvée au jour 9 (comparé à jour 1) dans les deux régions, suggérant que seulement un jour d'entraînement ne suffit pas pour détecter des modifications transcriptionelles plusieurs heures après la tâche. Ainsi, les données d'expression de gènes corroborent les résultats 2DG indiquant un transfert d'information dans le temps (de jour 1 à jour 9) et dans l'espace (de l'hippocampe au cortex retrosplenial), et ceci à un niveau cellulaire et moléculaire. D'ailleurs, la tâche d'apprentissage semble modifier le couplage métabolique neurone-glie, puisque de nombreux gènes impliqués dans ce couplage sont induits. Ces observations suggèrent un rôle important de la glie dans les mécanismes de plasticité du système nerveux.

Novel action of a wake-promoting neuropeptide in hippocampus : inhibition of nmda receptor function at excitatory synapses through orexin-a

One of the most intriguing functions of the brain is the ability to learn and memorize. The mechanism through which memory and learning are expressed requires the activation of NMDA receptors (NMDARs). These molecular entities are placed at the postsynaptic density of excitatory synapses and their function is tightly controlled by the actions of several modulators at the extracellular, intracellular and pore sites. A large part of the intracellular modulation comes from the action of G-protein coupled receptors (GPCRs). Through intracellular cascades typically involving kinases and phosphatases, GPCRs potentiate or inhibit NMDARs, controlling the conductive state but also the trafficking within the synapse. The GPCRs are involved in the modulation of a variety of brain functions. Many of them control cognition, memory and learning performance, therefore, their effects on NMDARs are extensively studied. The orexinergic system signals through GPCRs and it is well known for the regulation of waking, feeding, reward and autonomic functions. Moreover, it is involved in potentiating hippocampus-related cognitive tasks. Orexin receptors and fibers are present within the hippocampus, but whether these directly modulate hippocampal cells and synapses has not yet been determined. During my thesis, I studied orexinergic actions on excitatory synaptic transmission via whole-cell patch-clamp recordings in rat acute hippocampal slices. I observed that exogenously applied orexin-A (ox-A) exerted a strong inhibitory action on NMDAR-mediated synaptic potentials at mossy fiber (MF)-CA3 synapses, by postsynaptically activating orexin-2 receptors, a minor inhibition at Schaffer collateral-CAl synapses and did not affect other synapses with the CA3 area. Moreover, I demonstrated that the susceptibility of NMDARs to ox- A depends on the tone of endogenous orexin known to fluctuate during the day-night cycle. In fact, in slices prepared during the active period of the rats, when endogenous orexin levels are high, NMDAR-currents were not affected by exogenously applied ox-A. The inhibitory effect of ox-A was, however, reverted when interfering with the orexinergic system through intraperitoneal injections of almorexant, a dual orexin receptor antagonist, during the active phase prior to slice preparation. This thesis work suggests that the orexinergic system regulates NMDAR-dependent information flow through select hippocampal pathways depending on the time-of-day. The specific orexinergic modulation of NMDARs at MFs dampens the excitability of the hippocampal circuit and could impede the mechanisms related to memory formation, possibly also following extended periods of waking. -- La capacité d'apprentissage et de mémorisation est une des fonctions les plus intrigantes de notre cerveau. Il a été montré qu'elles requièrent l'activation des récepteurs NMDA (NMDARs). Ces entités moléculaires sont présentes au niveau de la densité post-synaptique des synapses excitatrices et leur fonction est étroitement contrôlée par l'action de nombreux modulateurs au niveau extracellulaire, intracellulaire et membranaire de ces récepteurs. Une grande partie de la modulation intracellulaire s'effectue via l'action de récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs). Grace à leurs cascades intracellulaires typiquement impliquant des kinases et des phosphatases, les GPCRs favorisent l'activation ou l'inhibition des NMDARs, contrôlant ainsi leur perméabilité mais aussi leur mouvement à la synapse. Les GPCRs sont impliquées dans de nombreuses fonctions cérébrales telles que la cognition, la mémoire ainsi que la capacité d'apprentissage c'est pour cela que leurs effets sur les NMDARs sont très étudiés. Le système orexinergique fait intervenir ces GPCRs et est connu par son rôle dans la régulation de fonctions physiologiques telles que l'éveil, la prise alimentaire, la récompense ainsi que d'autres fonctions du système nerveux autonome. De plus, ce système est impliqué dans la régulation de tâches cognitives liées à l'hippocampe. Bien que les fibres et les récepteurs à l'orexine soient présents dans l'hippocampe, leur mécanisme d'action sur les cellules et les synapses de l'hippocampe n'a pas encore été élucidé. Durant ma thèse, je me suis intéressée aux effets de l'orexine sur la transmission synaptique excitatrice en utilisant la méthode d'enregistrement en patch-clamp en configuration cellule entière sur des tranches aiguës d'hippocampes de rats. J'ai observé que l'application exogène d'orexine A d'une part inhibe fortement les courants synaptiques dépendants de l'activation des NMDARs au niveau de la synapse entre les fibres moussues et CA3 via l'activation post-synaptique des orexine récepteurs 2 mais d'autre part n'inhibe que de façon mineure la synapse entre les collatérales de Schaffer et CAI et n'affecte pas les autres synapses impliquant CA3. J'ai également démontré que la sensibilité des NMDARs à l'orexine A dépend de sa concentration endogène qui fluctue durant le cycle éveil-sommeil. En effet, lorsque les coupes d'hippocampes sont préparées durant la période active de l'animal correspondant à un niveau endogène d'orexine élevé, l'application exogène d'orexine A n'a aucun effet sur les courants dépendants de l'activation des NMDARs. Cependant, l'injection dans le péritoine, durant la phase active de l'animal, d'un antagoniste des orexine récepteurs, l'almorexant, va supprimer l'effet inhibiteur de l'orexine A. Les résultats de ma thèse suggèrent donc que le système orexinergique module les informations véhiculées par les NMDARs via des voies de signalisation sélectives de l'hippocampe en fonction du moment de la journée. La modulation orexinergique des NMDARs au niveau des fibres moussues diminue ainsi l'excitabilité du circuit hippocampal et pourrait entraver les mécanismes liés à la formation de la mémoire, potentiellement après de longues périodes d'éveil.

Contribution à l'étude neuroanatomique de systèmes enzymatiques impliqués dans le métabolisme énergétique cérébral

RESUME Il a longtemps été admis que le glucose était le principal, sinon le seul substrat du métabolisme énergétique cérébral. Néanmoins, des études récentes indiquent que dans des situations particulières, d'autres substrats peuvent être employés. C'est le cas des monocarboxylates (lactate et pyruvate principalement). Bien que la barrière hématoencéphalique soit peu perméable à ces molécules, elles deviennent néanmoins des substrats possibles si elles sont produites localement. Les deux systèmes enzymatiques pivots des voies glycolytiques et oxydatives sont la lactate déshydrogénase (LDH, EC 1.1.1.27) qui catalyse l'interconversion du pyruvate et du lactate et le complexe pyruvate déshydrogénase qui catalyse la conversion irréversible du pyruvate en acétyl-CoA qui entre dans la respiration mitochondriale. Nous avons étudié la localisation, tant régionale que cellulaire, des isoformes LDH-1, LDH-5 et PDHEla dans le cerveau du chat et dé l'homme au moyen de diverses techniques histologiques. Dans un premier temps, des investigations par hybridation in situ au moyen d'oligosondes marquées au 33P sur de coupes de cerveau de chat ont permis de montrer une différence de l'expression des enzymes à vocation oxydative (LDH-1 et PDHA1, le gène codant pour la protéine PDHEIa) par rapport à LDH-5, isoforme qui catalyse préférentiellement la formation de lactate. LDH-1 et PDHA 1 ont des distributions similaires et sont enrichies dans de nombreuses structures cérébrales, comme l'hippocampe, de nombreux noyaux thalamiques et des structures pontiques. Le cortex cérébral exhibe également une expression importante de LDH-1 et PDH. LDH-5 a par contre une expression largement plus diffuse à travers le cerveau, bien que l'on trouve néanmoins un enrichissement plus important dans l'hippocampe. Ces résultats sont en accord avec les observations que nous avons précédemment publiées chez le rongeur pour LDH-1 et LDH-5 (Laughton et collaborateurs, 2000). Des analyses par PCR en temps réel ont confirmé que dans certaines régions, LDH-1 est exprimée de façon nettement plus importante que LDH-5. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué sur des coupes histologiques d'hippocampe et de cortex occipital humain post-mortem des anticorps monoclonaux spécifiques de l'isoforme LDH-5 et la sous-unité PDHela du complexe pyruvate déshydrogénase. Là aussi, les immunoréactions révèlent une ségrégation régionale mais aussi cellulaire des deux enzymes. Dans les deux régions étudiées, LDH-5 est localisée exclusivement dans les astrocytes. Dans le cortex occipital, la matière blanche et également la couche I corticale sont immunopositives pour LDH-5. Dans l'hippocampe, le CA4 et l'alveus exhibe l'immunomarquage le plus intense pour LDH-5. Seuls des neurones (à de rares exceptions quelques astrocytes) sont immunopositifs à l'anticorps monoclonal dirigé contre PDHela. La couche IV du cortex occipital présente la plus forte immunoréaction. Dans l'hippocampe, une immunoréactivité est observée dans le stratum granulosum et à travers la région CA1 jusqu'à la région CA3. L'ensemble de ces résultats montre une hétérogénéité métabolique dans le cerveau et étaye l'hypothèse "astrocyte-neurone lactate shuttle" (ANL5) (Bittar et collaborateurs, 1996; Magistretti et Pellerin, 1999) qui propose que les astrocytes fournissent aux neurones activés du lactate comme substrat alternatif de leur métabolisme énergétique. ABSTRACT For a long time now, glucose has been thought to be the main, if not the sole substrate for brain energy metabolism. Recent data nevertheless suggest that other molecules, such as monocarboxylates (lactate and pyruvate mainly) could be suitable substrates. Although monocarboxylates poorly cross the blood brain barrier (BBB), such substrates could replace glucose if produced locally. The two key enzymatic systems required for the use and production of these substats are lactate dehydrogenase (LDH; EC 1.1.1.27) that catalyses the interconversion of lactate and pyruvate and the pyruvate dehydrogenase complex that irreversibly funnels pyruvate towards the mitochondrial TCA cycle and oxydative phosphorylation. Our study consisted in localizing these different systems with various histochemical procedures in the cat brain and two regions, i.e. hippocampus and primary visual cortex, of the human brain. First, by means of in situ hybridization with 33P labeled oligoprobes, we have demonstrated that the more oxidative enzymes (LDH-1 and PDHA1, the gene coding for PDHEla) are highly expressed in a variety of feline brain structures. These structures include the hippocampus, various thalamic nuclei and the pons. The cerebral cortex exhibits also a high LDH-1 and PDHAl expression. On the other hand, LDH-5 expression is poorer and more diffuse, although the hippocampus does seem to have a higher expression. These fmdings are consistent with our previous observation of the expression of LDH1 and LDH-5 in the rodent brain (Laughton et al, 2000). Real-time PCR (TagMan tm) revealed that, in various regions, LDH-1 is effectively more highly expressed than LDH-5. In a second set of experiments, monoclonal antibodies to LDH-5 and PDHeIa were applied to cryostat sections of post-mortem human hippocampus and occipital cortex. These procedures revealed not only that the two enzymes have different regional distributions, but also distinct cellular localisation. LDH-5 immunoreactivity is solely observed in astrocytes. In the occipital cortex, the white matter and layer I are immunopositive. In the hippocampus, the alveus and CA4 show LDH-5 immunoréactivity. PDHeIa has been detected, with few exceptions, only in neurons. Layer IV of the occipital cortex was most immmunoreactive. In the hippocampus, PDHela immunoreactivity is noticed in the stratum granulosum and through CA 1 to CA3 areas. The overall observations made in this study show that there is a metabolic heterogeneity in the brain and our findings support the hypothesis of an astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS)(Bittar et al., 1996; Magistretti & Pellerin, 1999) where astrocytes export to active neurons lactate to fuel their energy demands.

The neuronal monocarboxylate transporter MCT2: its regulation by BDNF and its role in learning and memory

Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain physiological and pathological conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood-brain barrier or out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal isoform and little is known about the regulation of its expression. Noradrenaline (NA), insulin and IGF-1 were previously shown to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here we demonstrate that the well known brain neurotrophic factor BDNF enhances MCT2 protein expression in cultured cortical neurons and in synaptoneurosome preparations in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. We observed that BDNF induced MCT2 expression by activation of MAPK as well as PI3K/Akt/mTOR signaling pathways. Furthermore, we investigated the possible post-transcriptional regulation of MCT2 expression by a neuronal miRNA. Then, we demonstrated that BDNF enhanced MCT2 expression in the hippocampus in vivo, in parallel with some post-synaptic proteins such as PSD95 and AMPA receptor GluR2/3 subunits, and two immediate early genes Arc and Zif268 known to be expressed in conditions related to synaptic plasticity. In the last part, we demonstrated in vivo that a downregulation of hippocampal MCT2 via silencing with an appropriate lentiviral vector in mice caused an impairment of working memory without reference memory deficit. In conclusion, these results suggest that regulation of neuronal monocarboxylate transporter MCT2 expression could be a key event in the context of synaptic plasticity, allowing an adequate energy substrate supply in situations of altered synaptic efficacy. - Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergéiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famillle de transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que la noradrénaline, l'insuline et l'IGF-1 induisent l'expression de MCT2 dans des cultures de neurones corticaux par un mécanisme traductionnel. Dans cette étude nous démontrons dans un premier temps que le facteur neurotrophique BDNF augmente l'expression de MCT2 à la fois dans des cultures de neurones corticaux et dans les préparations synaptoneurosomales selon un décours temporel et une gamme de concentrations propre. Aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Nous avons observé que le BDNF induisait l'expression de MCT2 par l'activation simultanée des voies de signalisation MAPK et PI3K/Akt/mTOR. De plus, nous nous sommes intéressés à une potentielle régulation par les micro-ARNs de la synthèse de MCT2. Ensuite, nous avons démontré que le BDNF induit aussi l'expression de MCT2 dans l'hippocampe de la souris en parallèle avec d'autres protéines post-synaptiques telles que PSD95 et GluR2/3 et avec deux « immediate early genes » tels que Arc et Zif268 connus pour être exprimés dans des conditions de plasticité synaptique. Dans un dernier temps, nous avons démontré qu'une diminution d'expression de MCT2 induite par le biais d'un siRNA exprimé via un vecteur lentiviral dans l'hippocampe de souris générait des déficits de mémoire de travail sans affecter la mémoire de référence. En conclusion, ces résultats nous suggèrent que le transporteur aux monocarboxylates neuronal MCT2 serait essentiel pour l'apport énergétique du lactate pour les neurones dans des conditions de haute activité neuronale comme c'est le cas pendant les processus de plasticité synaptique.

Maladie d'Alzheimer : Etude des marqueurs pathologiques dans le cortex frontal humain et corrélations anatomo-cliniques

La maladie d'Alzheimer (MA), forme de démence la plus fréquente, est caractérisée précocement par des troubles de la mémoire, puis par une détérioration cognitive progressive, corrélée avec la progression des lésions cérébrales que sont les dépôts de protéine ß-amyloïde, notamment dans les plaques séniles, et la dégénérescence neurofibrillaire qui touche en priorité les grands neurones pyramidaux de l'hippocampe et du cortex cérébral. La perte ou les dommages synaptiques sont aussi prépondérants et conduisent à la mort neuronale et à la perte de réseaux fonctionnels notamment au niveau des protéines présynaptiques comme la synaptophysine et postsynaptiques comme PSD-95 (Leuba et al. 2008), ainsi que des récepteurs NMDA (NMDAR) liés à PSD-95 et jouant un rôle prédominant dans le fonctionnement synaptique. Notre étude s'est portée une des régions du cortex frontal correspondant à l'aire de Brodmann 10, encore peu étudiée dans la littérature scientifique, qui peut être touchée de manière plus ou moins importante dans la MA, entraînant des troubles de l'humeur et du comportement ainsi que des répercussions sur les fonctions exécutives. L'étude a pour but d'identifier et de quantifier les dépôts de protéine ß-amyloïde et les lésions neurofibrillaires ainsi que les changements de protéines synaptiques et de récepteurs NMDA dans cette région entre une population contrôle et AD, et de la comparer avec d'autres régions déjà partiellement étudiées dans le laboratoire, notamment l'aire 9 qui lui est adjacente et les aires cingulaires 24 et 25. L'analyse est faite de manière qualitative et semi-quantitative au microscope optique sur des coupes colorées avec des méthodes immunohistochimiques. De possibles corrélations anatomo-cliniques sont recherchées dans les cas AD. La région FC10 est touchée par la MA avec une présence de plaques séniles et de dégénérescences neurofibrillaires plus marquées chez les cas atteints de la MA ce qui n'est pas le cas des protéines synaptiques. Le comportement des deux marqueurs pathologiques dans FC10 est comparable aux autres régions cérébrales étudiées notamment à la région adjacente, FC9, contrairement aux marqueurs synaptiques qui selon la région ont un comportement plus variable. L'effet de l'âge dans l'évolution de la physiopathologie de la MA pour les marqueurs pathologiques a été mis en évidence dans la région FC10. Les régions EC et FC9 n'ont pas montré de microhémorragie synonyme d'une possible contribution vasculaire. L'étude de cette région a permis de mettre en évidence l'implication de FC10 dans la MA. Elle montre des points communs avec les autres régions cérébrales notamment vis-à-vis des plaques séniles et des DNF.

Mice with chronic GSH deficit display phenotypical anomalies that resemble key aspects of schizophrenia

ABSTRACTSchizophrenia is a major psychiatric disorder occurring with a prevalence of 1% in the worldwide population. It develops progressively with psychosis onset in late adolescence or earlyadulthood. The disorder can take many different facets and has a highly diffuse anddistributed neuropathology including deficits in major neurotransmitter systems,myelination, stress regulation, and metabolism. The delayed onset and the heterogeneouspathology suggest that schizophrenia is a developmental disease that arises from interplayof genetic and environmental factors during sensitive periods. Redox dysregulation due to animbalance between pro-oxidants and antioxidant defence mechanisms is among the riskfactors for schizophrenia. Glutathione (GSH) is the major cellular redox regulator andantioxidant. Levels of GSH are decreased in cerebrospinal fluid, prefrontal cortex and postmortemstriatum of schizophrenia patients. Moreover, polymorphisms of the key GSHsynthesizingenzyme, glutamate-cysteine ligase, modifier (GCLM) subunit, are associatedwith the disease, suggesting that GSH deficit is of genetic origin. Here we used miceknockout (KO) for the GCLM gene, which display chronic GSH deficit (~70 to 80% decrease)to investigate the direct link between redox dysregulation and schizophrenia. Accordingly,we evaluated whether GCLM KO compared to normal wildtype mice display behavioralchanges that relate to schizophrenia symptoms and whether their brains showmorphological, functional or metabolic alterations that resemble those in patients.Moreover, we exposed pubertal GCLM mice to repeated mild stress and measured theirhormonal and behavioral stress reactivity. Our data show that chronic GSH deficit isassociated with altered emotion- and stress-related behaviors, deficient prepulse inhibition,pronounced amphetamine-induced hyperlocomotion but normal spatial learning andworking memory. These changes represent important schizophrenia endophenotypes.Moreover, this particular pattern of change indicates impairment of the ventralhippocampus (VH) and related circuitry as opposed to the dorsal hippocampus (DH), which isimplicated in spatial information processing. This is consistent with a selective deficit ofparvalbumin positive interneurons and gamma oscillation in the VH but not DH. Increasedlevels of circulating stress hormones in KO mice following pubertal stress corroborate VHdysfunction as it is involved in negative feedback control of the stress response. VHstructural and functional deficits are frequently found in the schizophrenic brain. Metabolicevaluation of the developing GCLM KO anterior cortex using in vivo magnetic resonancespectroscopy revealed elevated glutamine (Gln), glutamate (Glu), Gln/Glu and N-acetylaspartate(NAA) during the pre-pubertal period. Similar changes are reported in earlyschizophrenia. Overall, we observe phenotypic anomalies in GSH deficient GCLM KO micethat correspond to major schizophrenia endophenotypes. This supports an important rolefor redox dysregulation in schizophrenia and validates the GCLM KO mouse as model for thedisease. Moreover, our results indicate that puberty may be a sensitive period for redoxsensitivechanges highliting the importance of early intervention. Gln, Gln/Glu, Glu and NAAmay qualify as early metabolic biomarkers to identify young at-risk individuals. Since chronictreatment with NAC normalized most metabolic changes in GCLM KO mice, NAC may be oneadjunct treatment of choice for early intervention in patients.RESUMELa schizophrénie est une maladie psychiatrique majeure avec une prévalence de 1% dans lapopulation. Son développement est progressif, les premières psychoses apparaissant àl'adolescence ou au début de l'âge adulte. La maladie a plusieurs présentations et uneneuropathologie étendue, qui inclut des déficits neurochimiques, métaboliques, de lamyélination et de la régulation du stress. L'émergence tardive et l'hétérogénéité de lapathologie suggèrent que la schizophrénie est une maladie développementale, favorisée pardes facteurs génétiques et environnementaux durant des périodes sensibles. La dérégulationrédox, due à un déséquilibre entre facteurs pro-oxidantes et défenses anti-oxidantes,constitue un facteur de risque. Le glutathion (GSH) est le principal régulateur rédox et antioxidantdes cellules, ses taux sont diminués dans le liquide céphalorachidien, le cortexpréfrontal et le striatum de patients. De plus, des variations du gène codant la sous-unitémodulatrice (GCLM) de la glutamate-cystéine ligase, enzyme de synthèse du GSH, sontassociés la maladie, suggérant que le déficit observé chez les patients est d'originegénétique. Nous avons donc utilisé des souris ayant une délétion du gène GCLM (KO), quiont un déficit chronique en GSH (70-80%), afin d'étudier le lien entre une dérégulation rédoxet la schizophrénie. Nous avons évalué si ces souris présentent des altérationscomportementales analogues aux symptômes de la maladie, et des modificationsstructurelles, fonctionnelles et métaboliques au niveau du cerveau, ressemblant à celles despatients. De plus, nous avons soumis les souris à des stresses modérés durant la puberté,puis mesuré les réponses hormonales et comportementales. Les animaux présentent undéficit pré-attentionnel du traitement des informations moto-sensorielles, un déficit pourcertains apprentissages, une réponse accrue à l'amphétamine, mais leurs mémoires spatialeet de travail sont préservées. Ces atteintes comportementales sont analogues à certainsendophénotypes de la schizophrénie. De plus, ces changements comportementaux sontlargement expliqués par une perturbation morphologique et fonctionnelle de l'hippocampeventral (HV). Ainsi, nous avons observé un déficit sélectif des interneurones immunoréactifsà la parvalbumine et une désynchronisation neuronale dans l'HV. L'hippocampe dorsal,impliqué dans l'orientation spatiale, demeure en revanche intact. L'augmentationd'hormones de stress dans le sang des souris KO suite à un stress prépubertal soutien aussil'hypothèse d'une dysfonction de l'HV, connu pour moduler ce type de réponse. Des déficitsstructurels et fonctionnels dans l'hippocampe antérieur (ventral) ont d'ailleurs été rapportéschez des patients schizophrènes. Par de résonance magnétique, nous avons également suivile profil métabolique du le cortex antérieur au cours du développement postnatal des sourisKO. Ces mesures ont révélé des taux élevés de glutamine (Gln), glutamate (Glu), du ratioGln/Glu, et de N-acétyl-aspartate (NAA) durant la période prépubertale. Des altérationssimilaires sont décrites chez les patients durant la phase précoce. Nous avons donc révélédes anomalies phénotypiques chez les souris GCLM KO qui reflètent certainsendophénotypes de la schizophrénie. Nos résultats appuient donc le rôle d'une dérégulationrédox dans l'émergence de la maladie et le potentiel des souris KO comme modèle. De plus,cette étude met en évidence la puberté comme période particulièrement sensible à unedérégulation rédox, renforçant l'importance d'une intervention thérapeutique précoce. Dansce cadre, Gln, Gln/Glu, Glu and NAA seraient des biomarqueurs clés pour identifier de jeunesindividus à risque. De part son efficacité dans notre modèle, NAC pourrait être unesubstance de choix dans le traitement précoce des patients.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.