Development of polymeric nanoparticles containing neuroprotective compounds of Hypericum perforatum

Tese de Doutoramento em Biologia das Plantas - MAP BIOPLANT

Identification and characterization of novel molecular mechanisms involved in initiation and progression of myelination

Schwann cells synthesize a large amount of membrane that form a specialized structure called myelin that surrounds axons and facilitate the transmission of electrical signal along neurons in peripheral nervous system (PNS). Previous studies demonstrated that both Schwann cell differentiation and de-differentiation (in the situation of a nerve injury or demyelinating disease) are regulated by cell-intrinsic regulators including several transcription factors. In particular, the de-differentiation of mature Schwann cells is driven by the activation of multiple negative regulators of myelination including Sox2, c-Jun, Notch and Pax3, all usually expressed in immature Schwann cells and suppressed at the onset of myelination. In order to identify new regulators of myelination involved in the development of the PNS, we analyzed the gene-expression profiling data from developing PNS and from three models of demyelinating neuropathies. This analysis led to the identification of Sox4, a member of the Sox family of transcription factors, as a potential candidate. To characterize the molecular function of Sox4 in PNS, we generated two transgenic lines of mice, which overexpress Sox4 specifically in Schwann cells. Detailed analysis of these mice showed that the overexpression of Sox4 in Schwann cells causes a delay in progression of myelination between post-natal day 2 (P2) and P5. Our in vitro analysis suggested that Sox4 cDNA can be overexpressed while the protein translation is tightly regulated. Interestingly, we observed that Sox4 protein is stabilized in nerves of the CMT4C mouse, a model of the human neuropathy. We therefore crossed Sox4 transgenic mice with CMT4C mice and we observed that Sox4 overexpression exacerbated the neuropathy phenotype in these mice. While recognized as being crucial for the normal function of both neurons and myelinating glial cells, the processes that regulate the beginning of myelination and the nature of the neuro-glial cross-talk remains mostly unknown. In order to gain insight into the molecular pathways involved in the interactions between neurons and associated glial cells, we developed a neuron-glia co-culture system based on microfluidic chambers and successfully induced myelination in this system by ascorbic acid. Importantly, we observed that in addition to acting on Schwann cells, ascorbic acid also modulate neuronal/axonal NRG1/ErbB2-B3 signalling. The experimental setting used in our study thus allowed us to discover a novel phenomena of propagation for myelination in vitro. The further characterization of this event brought us to identify other compounds able to induce myelination: ADAMs secretases inhibitor GM6001 and cyclic-AMP. The results generated during my thesis project are therefore not only important for the advancement of our understanding of how the PNS works, but may also potentially help to develop new therapies aiming at improvement of PNS myelination under disease conditions. - Les cellules de Schwann synthétisent une grande quantité de membrane formant une structure spécialisée appelée myéline qui entoure les axones et facilite la transmission du signal électrique le long des neurones du système nerveux périphérique (SNP). Des études antérieures ont démontré que la différenciation et la dédifférenciation des cellules de Schwann (dans la situation d'une lésion nerveuse ou d'une maladie démyélinisante) sont régulées par des régulateurs cellulaires intrinsèques, incluant plusieurs facteurs de transcription. En particulier, la dédifférenciation des cellules de Schwann matures est contrôlée par l'activation de plusieurs régulateurs négatifs de la myélinisation dont Sox2, c-Jun, Notch et Pax3, tous habituellement exprimés dans des cellules de Schwann immatures et supprimés au début de la myélinisation. Afin d'identifier de nouveaux régulateurs de myélinisation impliqués dans le développement du SNP, nous avons analysé le profil d'expression génique durant le développement du SNP ainsi que dans trois modèles de neuropathies démyélinisantes. Cette analyse a mené à l'identification de Sox4, un membre de la famille des facteurs de transcription Sox, comme étant un candidat potentiel. Dans le but de caractériser la fonction moléculaire de Sox4 dans le SNP, nous avons généré deux lignées transgéniques de souris qui surexpriment Sox4 spécifiquement dans les cellules de Schwann. L'analyse détaillée de ces souris a montré que la surexpression de Sox4 dans les cellules de Schwann provoque un retard dans la progression de la myélinisation entre le jour postnatal 2 (P2) et P5. Notre analyse in vitro a suggéré que l'ADNc de Sox4 peut être surexprimé alors que la traduction des protéines est quand à elle étroitement régulée. De façon intéressante, nous avons observé que la protéine Sox4 est stabilisée dans les nerfs des souris CMT4C, un modèle de neuropathie humaine. Nous avons donc croisé les souris transgéniques Sox4 avec des souris CMT4C et avons observé que la surexpression de Sox4 exacerbe le phénotype de neuropathie chez ces souris. Bien que reconnus comme étant cruciaux pour le fonctionnement normal des neurones et des cellules gliales myélinisantes, les processus qui régulent le début de la myélinisation ainsi que la nature des interactions neurone-glie restent largement méconnus. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans les interactions entre les neurones et les cellules gliales leur étant associés, nous avons développé un système de co-culture neurone-glie basé sur des chambres microfluidiques et y avons induit avec succès la myélinisation avec de l'acide ascorbique. Étonnamment, nous avons remarqué que, en plus d'agir sur les cellules de Schwann, l'acide ascorbique module également la voie de signalisation neuronale/axonale NRG1/ErbB2-B3. Le protocole expérimental utilisé dans notre étude a ainsi permis de découvrir un nouveau phénomène de propagation de la myélinisation in vitro. La caractérisation plus poussée de ce phénomène nous a menés à identifier d'autres composés capables d'induire la myélinisation: L'inhibiteur de sécrétases ADAMs GM6001 et l'AMP cyclique. Les résultats obtenus au cours de mon projet de thèse ne sont donc pas seulement importants pour l'avancement de notre compréhension sur la façon dont le SNP fonctionne, mais peuvent aussi potentiellement aider à développer de nouvelles thérapies visant à l'amélioration de la myélinisation du SNP dans des conditions pathologiques.

Immune system's role in viral encephalitis.

Viral infections can be a major thread for the central nervous system (CNS), therefore, the immune system must be able to mount a highly proportionate immune response, not too weak, which would allow the virus to proliferate, but not too strong either, to avoid collateral damages. Here, we aim at reviewing the immunological mechanisms involved in the host defense in viral CNS infections. First, we review the specificities of the innate as well as the adaptive immune responses in the CNS, using several examples of various viral encephalitis. Then, we focus on three different modes of interactions between viruses and immune responses, namely human Herpes virus-1 encephalitis with the defect in innate immune response which favors this disease; JC virus-caused progressive multifocal leukoencephalopathy and the crucial role of adaptive immune response in this example; and finally, HIV infection with the accompanying low grade chronic inflammation in the CNS in some patients, which may be an explanation for the presence of cognitive disorders, even in some well-treated HIV-infected patients. We also emphasize that, although the immune response is generally associated with viral replication control and limited cellular death, an exaggerated inflammatory reaction can lead to tissue damage and can be detrimental for the host, a feature of the immune reconstitution inflammatory syndrome (IRIS). We will briefly address the indication of steroids in this situation.

Optimization of treatment with interferon beta in multiple sclerosis. Usefulness of automatic system application criteria

Background. A software based tool has been developed (Optem) to allow automatize the recommendations of the Canadian Multiple Sclerosis Working Group for optimizing MS treatment in order to avoid subjective interpretation. METHODS: Treatment Optimization Recommendations (TORs) were applied to our database of patients treated with IFN beta1a IM. Patient data were assessed during year 1 for disease activity, and patients were assigned to 2 groups according to TOR: "change treatment" (CH) and "no change treatment" (NCH). These assessments were then compared to observed clinical outcomes for disease activity over the following years. RESULTS: We have data on 55 patients. The "change treatment" status was assigned to 22 patients, and "no change treatment" to 33 patients. The estimated sensitivity and specificity according to last visit status were 73.9% and 84.4%. During the following years, the Relapse Rate was always higher in the "change treatment" group than in the "no change treatment" group (5 y; CH: 0.7, NCH: 0.07; p < 0.001, 12 m - last visit; CH: 0.536, NCH: 0.34). We obtained the same results with the EDSS (4 y; CH: 3.53, NCH: 2.55, annual progression rate in 12 m - last visit; CH: 0.29, NCH: 0.13). CONCLUSION: Applying TOR at the first year of therapy allowed accurate prediction of continued disease activity in relapses and disability progression.

TRAIL/TRAIL Receptor System and Susceptibility to Multiple Sclerosis

The TNF-related apoptosis inducing ligand (TRAIL)/TRAIL receptor system participates in crucial steps in immune cell activation or differentiation. It is able to inhibit proliferation and activation of T cells and to induce apoptosis of neurons and oligodendrocytes, and seems to be implicated in autoimmune diseases. Thus, TRAIL and TRAIL receptor genes are potential candidates for involvement in susceptibility to multiple sclerosis (MS). To test whether single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in the human genes encoding TRAIL, TRAILR-1, TRAILR-2, TRAILR-3 and TRAILR-4 are associated with MS susceptibility, we performed a candidate gene case-control study in the Spanish population. 59 SNPs in the TRAIL and TRAIL receptor genes were analysed in 628 MS patients and 660 controls, and validated in an additional cohort of 295 MS patients and 233 controls. Despite none of the SNPs withstood the highly conservative Bonferroni correction, three SNPs showing uncorrected p values<0.05 were successfully replicated: rs4894559 in TRAIL gene, p = 9.8×10(-4), OR = 1.34; rs4872077, in TRAILR-1 gene, p = 0.005, OR = 1.72; and rs1001793 in TRAILR-2 gene, p = 0.012, OR = 0.84. The combination of the alleles G/T/A in these SNPs appears to be associated with a reduced risk of developing MS (p = 2.12×10(-5), OR = 0.59). These results suggest that genes of the TRAIL/TRAIL receptor system exerts a genetic influence on MS.

Acute oxygen sensing in heme oxygenase-2 null mice.

Hemeoxygenase-2 (HO-2) is an antioxidant enzyme that can modulate recombinant maxi-K(+) channels and has been proposed to be the acute O(2) sensor in the carotid body (CB). We have tested the physiological contribution of this enzyme to O(2) sensing using HO-2 null mice. HO-2 deficiency leads to a CB phenotype characterized by organ growth and alteration in the expression of stress-dependent genes, including the maxi-K(+) channel alpha-subunit. However, sensitivity to hypoxia of CB is remarkably similar in HO-2 null animals and their control littermates. Moreover, the response to hypoxia in mouse and rat CB cells was maintained after blockade of maxi-K(+) channels with iberiotoxin. Hypoxia responsiveness of the adrenal medulla (AM) (another acutely responding O(2)-sensitive organ) was also unaltered by HO-2 deficiency. Our data suggest that redox disregulation resulting from HO-2 deficiency affects maxi-K(+) channel gene expression but it does not alter the intrinsic O(2) sensitivity of CB or AM cells. Therefore, HO-2 is not a universally used acute O(2) sensor.

Implication of the endocannabinoid system in the locomotor hyperactivity associated with congenital hypothyroidism

Alterations in motor functions are well-characterized features observed in humans and experimental animals subjected to thyroid hormone dysfunctions during development. Here we show that congenitally hypothyroid rats display hyperactivity in the adult life. This phenotype was associated with a decreased content of cannabinoid receptor type 1 (CB(1)) mRNA in the striatum and a reduction in the number of binding sites in both striatum and projection areas. These findings suggest that hyperactivity may be the consequence of a thyroid hormone deficiency-induced removal of the endocannabinoid tone, normally acting as a brake for hyperactivity at the basal ganglia. In agreement with the decrease in CB(1) receptor gene expression, a lower cannabinoid response, measured by biochemical, genetic and behavioral parameters, was observed in the hypothyroid animals. Finally, both CB(1) receptor gene expression and the biochemical and behavioral dysfunctions found in the hypothyroid animals were improved after a thyroid hormone replacement treatment. Thus, the present study suggests that impairment in the endocannabinoid system can underlay the hyperactive phenotype associated with hypothyroidism.

Influencia de un programa de actividad física en niños y adolescentes obesos con apnea del sueño; protocolo de estudio.

Recent studies show an alarming increase in the rate of overweight / obesity among the infant - juvenile population. Obesity in childhood is associated with a significant number of complications, such as sleep apnea syndrome, insulin resistance and type 2 diabetes, hypertension, cardiovascular disease and some cancers. It is estimated that the prevalence of sleep apnea in children is 2-3% in the general population, while in obese adolescents, varies between 13% and 66%, according to various studies. It is associated with impairment of neurocognitive function, behavior, cardiovascular system, metabolic disorders and growth. Sleep apnea is a serious public health problem that increases when children and adolescents are overweight or obese. We hypothesize that aerobic endurance exercise can be an effective treatment for obesity and apnea at the same time. The aim of this study was to determine the influence of physical activity in children and adolescents with overweight / obesity in sleep apnea. An observational, descriptive, prospective, longitudinal study will be carried out in children with sleep apnea and obesity. The universe will be made up of 60 children and adolescents aged between 10 and 18 years, attending the endocrinology service for suffering of obesity in the Hospital Clinico San Cecilio of Granada during the period September 2012-September 2013. The smple will consist of children and adolescents that meet these characteristics and to hom their arents/tutors have authorized through the informed consent. Sleep apnea in children wil be measured by polysomnography and sleep quality questionnaire. There will also be a nutritional assessment by a food frequency questionnaire and an anthropometric assessment. Among the expected results are the lower overweight and obesity in children through the physical activity program. To reduce apnea and to improve sleep quality

Benzodiazepinas: riesgos y estrategias para su retirada

Benzodiazepines and hypnotic Z-drugs are indicated for the short-term treatment of insomnia and anxiety (4 weeks maximum) at the lowest dose possible. Despite the recommendations for short-term use and its unfavourable effects, the level of consumption of benzodiazepines in our context is high and it is continually rising. Prolonged medication usage is associated with adverse effects and significant risks, particularly in the elderly, and should, therefore, be avoided when approaching new treatment. If a previous treatment assessed is found to be inappropriate, its possible withdrawal must be considered. Benzodiazepines withdrawal is based on a gradual dose reduction and should be managed by establishing a doctor-patient relationship of trust to encourage and accomplish discontinuation.

The systemic administration of oleoylethanolamide exerts neuroprotection of the nigrostriatal system in experimental Parkinsonism.

Oleoylethanolamide (OEA) is an agonist of the peroxisome proliferator-activated receptor α (PPARα) and has been described to exhibit neuroprotective properties when administered locally in animal models of several neurological disorder models, including stroke and Parkinson's disease. However, there is little information regarding the effectiveness of systemic administration of OEA on Parkinson's disease. In the present study, OEA-mediated neuroprotection has been tested on in vivo and in vitro models of 6-hydroxydopamine (6-OH-DA)-induced degeneration. The in vivo model was based on the intrastriatal infusion of the neurotoxin 6-OH-DA, which generates Parkinsonian symptoms. Rats were treated 2 h before and after the 6-OH-DA treatment with systemic OEA (0.5, 1, and 5 mg/kg). The Parkinsonian symptoms were evaluated at 1 and 4 wk after the development of lesions. The functional status of the nigrostriatal system was studied through tyrosine-hydroxylase (TH) and hemeoxygenase-1 (HO-1, oxidation marker) immunostaining as well as by monitoring the synaptophysin content. In vitro cell cultures were also treated with OEA and 6-OH-DA. As expected, our results revealed 6-OH-DA induced neurotoxicity and behavioural deficits; however, these alterations were less severe in the animals treated with the highest dose of OEA (5 mg/kg). 6-OH-DA administration significantly reduced the striatal TH-immunoreactivity (ir) density, synaptophysin expression, and the number of nigral TH-ir neurons. Moreover, 6-OH-DA enhanced striatal HO-1 content, which was blocked by OEA (5 mg/kg). In vitro, 0.5 and 1 μM of OEA exerted significant neuroprotection on cultured nigral neurons. These effects were abolished after blocking PPARα with the selective antagonist GW6471. In conclusion, systemic OEA protects the nigrostriatal circuit from 6-OH-DA-induced neurotoxicity through a PPARα-dependent mechanism.

Unraveling the complex metabolic nature of astrocytes.

Since the initial description of astrocytes by neuroanatomists of the nineteenth century, a critical metabolic role for these cells has been suggested in the central nervous system. Nonetheless, it took several technological and conceptual advances over many years before we could start to understand how they fulfill such a role. One of the important and early recognized metabolic function of astrocytes concerns the reuptake and recycling of the neurotransmitter glutamate. But the description of this initial property will be followed by several others including an implication in the supply of energetic substrates to neurons. Indeed, despite the fact that like most eukaryotic non-proliferative cells, astrocytes rely on oxidative metabolism for energy production, they exhibit a prominent aerobic glycolysis capacity. Moreover, this unusual metabolic feature was found to be modulated by glutamatergic activity constituting the initial step of the neurometabolic coupling mechanism. Several approaches, including biochemical measurements in cultured cells, genetic screening, dynamic cell imaging, nuclear magnetic resonance spectroscopy and mathematical modeling, have provided further insights into the intrinsic characteristics giving rise to these key features of astrocytes. This review will provide an account of the different results obtained over several decades that contributed to unravel the complex metabolic nature of astrocytes that make this cell type unique.

Concomitant calcium entry blockade and inhibition of the renin-angiotensin system: a rational and effective means for treating hypertension

Pharmacological treatment of hypertension is effective in preventing cardiovascular and renal complications. Calcium antagonists (CAs) and blockers of the renin-angiotensin system [angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibitors and angiotensin II antagonists (ARBs)] are widely used today to initiate antihypertensive treatment but, when given as monotherapy, do not suffice in most patients to normalise blood pressure (BP). Combining a CA and either an ACE-inhibitor or an ARB considerably increases the antihypertensive efficacy, but not at the expense of a deterioration of tolerability. Several fixed-dose combinations are available (CA + ACE-inhibitors: amlodipine + benazepril, felodipine + ramipril, verapamil + trandolapril; CA + ARB: amlodipine + valsartan). They are expected not only to improve BP control, but also to facilitate long-term adherence with antihypertensive therapy, thereby providing maximal protection against the cardiovascular and renal damage caused by high BP.

Molecular evolution of the Drosophila olfactory system

The olfactory system is an attractive model to study the genetic mechanisms underlying evolution of the nervous system. This sensory system mediates the detection and behavioural responses to an enormous diversity of volatile chemicals in the environment and displays rapid evolution, as species acquire, modify and discard olfactory receptors and circuits to adapt to new olfactory stimuli. Drosophilids provide an attractive model to study these processes. The availability of 12 sequenced genomes of Drosophila species occupying diverse ecological niches provides a rich resource for genomic analyses. Moreover, one of these species, Drosophila melanogaster, is amenable to a powerful combination of genetic and electrophysiological analyses. D. melanogaster has two distinct families of olfactory receptors to detect odours, the well-characterised Odorant Receptors (ORs) and the recently identified lonotropic Receptors (IRs). In my thesis, I have provided new insights into the genetic mechanisms underlying olfactory system evolution through three distinct, but interrelated projects. First, I performed a comparative genomic analysis of the IR repertoire in 12 sequenced Drosophila species, which has revealed that the olfactory IRs are highly conserved across species. By contrast, a large fraction of IRs that are not expressed in the olfactory system - and which may be gustatory receptors - are much more variable in sequence and gene copy number. Second, to identify ligands for IR expressing olfactory sensory neurons, I have performed an electrophysiological screen in D. melanogaster using a panel of over 160 odours. I found that the IRs respond to a number of amines, aldehydes and acids, contrasting with the chemical specificity of the OR repertoire, which is mainly tuned to esters, alcohols and ketones. Finally, the identification of ligands for IRs in this species allowed me to investigate in detail the molecular and functional evolution of a tandem array of IRs, IR75a/IR75b/IR75c, in D. sechellia. This species is endemic to the Seychelles archipelago and highly specialised to breed on the fruits of Morinda citrifolia, which is repulsive and toxic for other Drosophila species. These studies led me to discover that receptor loss, changes in receptor specificity and changes in receptor expression have likely played an important role during the evolution of these IRs in D. sechellia. These changes may explain, in part, the unique chemical ecology of this species. - Le système olfactif est un excellent modèle pour étudier les mécanismes génétiques impliqués dans l'étude de l'évolution du système nerveux. Ce système sensoriel permet la détection de nombreux composés volatils présents dans l'environnement et est à la base des réponses comportementales. Il est propre à chaque espèce et évolue rapidement en modifiant ou en éliminant des récepteurs et leurs circuits olfactifs correspondants pour s'adapter à de nouvelles odeurs. Pour étudier le système olfactif et son évolution, nous avons décidé d'utiliser la drosophile comme modèle. Le séquençage complet de 12 souches de drosophiles habitant différentes niches écologiques permet une analyse génomique conséquente. De plus, l'une de ces espèces Drosophila melanogaster permet la combinaison d'analyses génétiques et électrophysiologiques. En effet, D. melanogaster possède 2 familles distinctes de récepteurs olfactifs qui permettent la détection d'odeurs: les récepteurs olfactifs (ORs) étant les mieux caractérisés et les récepteurs ionotropiques (IRs), plus récemment identifiés. Au cours de ma thèse, j'ai apporté des nouvelles connaissances qui m'ont permis de mieux comprendre les mécanismes génétiques à la base de l'évolution du système olfactif au travers de trois projets différents, mais interdépendants. Premièrement, j'ai réalisé une analyse génomique comparative de l'ensemble des IRs dans les 12 souches de drosophiles séquencées jusqu'à présent. Ceci a montré que les récepteurs olfactifs IRs sont hautement conservés parmi l'ensemble de ces espèces. Au contraire, une grande partie des IRs qui ne sont pas exprimés dans le système olfactif, et qui semblent être des récepteurs gustatifs, sont beaucoup plus variables dans leur séquence et dans le nombre de copie de gènes. Deuxièmement, pour identifier les ligands des récepteurs IRs exprimés par les neurones sensoriels olfactifs, j'ai réalisé une étude électrophysiologique chez D. melanogaster e η testant l'effet de plus de 160 composés chimiques sur les IRs. J'ai trouvé que les IRs répondent à un nombre d'amines, d'aldéhydes et d'acides, contrairement aux récepteurs olfactifs ORs qui eux répondent principalement aux esthers, alcools et cétones. Finalement, l'identification de ligands pour les IRs dans ces espèces m'a permis d'étudier en détail l'évolution fonctionnelle et moléculaire des IR75a/IR75b/IR75c dans D. sechellia. Cette espèce est endémique de l'archipel des Seychelles et se nourrit spécifiquement du fruit Morinda citrifolia qui est répulsif et toxique pour d'autres souches de drosophiles. Ces études m'ont poussé à découvrir que, la perte de IR75a, le changement dans la spécificité de IR75b ainsi que le changement dans l'expression de IR75c ont probablement joué un rôle important dans l'évolution des IRs chez D. sechellia. Ces changements peuvent expliquer, en partie, l'écologie chimique propre à cette espèce. Résumé français large public Le système olfactif permet aux animaux de détecter des milliers de molécules odorantes, les aidant ainsi à trouver de la nourriture, à distinguer si elle est fraîche ou avariée, à trouver des partenaires sexuels, ainsi qu'à éviter les prédateurs. Selon l'environnement et le mode de vie des espèces, le système olfactif doit détecter des odeurs très diverses ; en effet, un moustique qui recherche du sang humain pour se nourrir doit détecter des odeurs bien différentes d'une abeille qui recherche des fleurs. Dans ma thèse, j'ai essayé de comprendre comment les systèmes olfactifs d'une espèce évoluent pour s'adapter aux exigences induites par son environnement. Un très bon modèle pour étudier cela est la drosophile dont les différentes espèces se nichent dans des habitats très divers. Pour ce faire, j'ai étudié les récepteurs olfactifs de différentes espèces de la drosophile. Ces récepteurs sont des protéines qui se lient à des odeurs spécifiques. Lorsqu'ils se lient, ils activent un neurone qui envoie un signal électrique au cerveau. Ce signal est ensuite traité par ce dernier qui indique à la mouche si l'odeur est attractive ou répulsive. J'ai identifié les récepteurs olfactifs de plusieurs espèces de drosophile et étudié s'il y avait des différences entre elles. La plupart des récepteurs sont similaires entre les espèces, cependant dans l'une d'entre elles, certains récepteurs sont différents. Ce fait est particulièrement intéressant car cette espèce de drosophile se nourrit de fruits que les autres espèces n'apprécient pas. Comme nous ne savons pas quels récepteurs se lient à quelles odeurs, j'ai testé un grand nombre de composants odorants. Ceci m'a permis de constater que, effectivement, certains changements produits dans ces récepteurs expliquent pourquoi cette espèce aime particulièrement ces fruits. En outre, mes résultats contribuent à mieux comprendre les changements génétiques qui sont impliqués dans l'évolution du système olfactif.

Regulation of Nav1.7 and Nav1.8 voltage-gated sodium channels by Nedd4-2 and β-subunits and its implication in neuropathic pain

In mammals, the presence of excitable cells in muscles, heart and nervous system is crucial and allows fast conduction of numerous biological information over long distances through the generation of action potentials (AP). Voltage-gated sodium channels (Navs) are key players in the generation and propagation of AP as they are responsible for the rising phase of the AP. Navs are heteromeric proteins composed of a large pore-forming a-subunit (Nav) and smaller ß-auxiliary subunits. There are ten genes encoding for Navl.l to Nav1.9 and NaX channels, each possessing its own specific biophysical properties. The excitable cells express differential combinations of Navs isoforms, generating a distinct electrophysiological signature. Noteworthy, only when anchored at the membrane are Navs functional and are participating in sodium conductance. In addition to the intrinsic properties of Navs, numerous regulatory proteins influence the sodium current. Some proteins will enhance stabilization of membrane Navs while others will favour internalization. Maintaining equilibrium between the two is of crucial importance for controlling cellular excitability. The E3 ubiquitin ligase Nedd4-2 is a well-characterized enzyme that negatively regulates the turnover of many membrane proteins including Navs. On the other hand, ß-subunits are known since long to stabilize Navs membrane anchoring. Peripheral neuropathic pain is a disabling condition resulting from nerve injury. It is characterized by the dysregulation of Navs expressed in dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons as highlighted in different animal models of neuropathic pain. Among Navs, Nav1.7 and Nav1.8 are abundantly and specifically expressed in DRG sensory neurons and have been recurrently incriminated in nociception and neuropathic pain development. Using the spared nerve injury (SNI) experimental model of neuropathic pain in mice, I observed a specific reduction of Nedd4-2 in DRG sensory neurons. This decrease subsequently led to an upregulation of Nav1.7 and Nav1.8 protein and current, in the axon and the DRG neurons, respectively, and was sufficient to generate neuropathic pain-associated hyperexcitability. Knocking out Nedd4-2 specifically in nociceptive neurons led to the same increase of Nav1.7 and Nav1.8 concomitantly with an increased thermal sensitivity in mice. Conversely, rescuing Nedd4-2 downregulation using viral vector transfer attenuated neuropathic pain mechanical hypersensitivity. This study demonstrates the significant role of Nedd4-2 in regulating cellular excitability in vivo and its involvement in neuropathic pain development. The role of ß-subunits in neuropathic pain was already demonstrated in our research group. Because of their stabilization role, the increase of ßl, ß2 and ß3 subunits in DRGs after SNI led to increased Navs anchored at the membrane. Here, I report a novel mechanism of regulation of a-subunits by ß- subunits in vitro; ßl and ß3-subunits modulate the glycosylation pattern of Nav1.7, which might account for stabilization of its membrane expression. This opens new perspectives for investigation Navs state of glycosylation in ß-subunits dependent diseases, such as in neuropathic pain. - Chez les mammifères, la présence de cellules excitables dans les muscles, le coeur et le système nerveux est cruciale; elle permet la conduction rapide de nombreuses informations sur de longues distances grâce à la génération de potentiels d'action (PA). Les canaux sodiques voltage-dépendants (Navs) sont des participants importants dans la génération et la propagation des PA car ils sont responsables de la phase initiale de dépolarisation du PA. Les Navs sont des protéines hétéromériques composées d'une grande sous-unité a (formant le pore du canal) et de petites sous-unités ß accompagnatrices. Il existe dix gènes qui codent pour les canaux sodiques, du Nav 1.1 au Nav 1.9 ainsi que NaX, chacun possédant des propriétés biophysiques spécifiques. Les cellules excitables expriment différentes combinaisons des différents isoformes de Navs, qui engendrent une signature électrophysiologique distincte. Les Navs ne sont fonctionnels et ne participent à la conductibilité du Na+, que s'ils sont ancrés à la membrane plasmique. En plus des propriétés intrinsèques des Navs, de nombreuses protéines régulatrices influencent également le courant sodique. Certaines protéines vont favoriser l'ancrage et la stabilisation des Navs exprimés à la membrane, alors que d'autres vont plutôt favoriser leur internalisation. Maintenir l'équilibre des deux processus est crucial pour contrôler l'excitabilité cellulaire. Dans ce contexte, Nedd4-2, de la famille des E3 ubiquitin ligase, est une enzyme bien caractérisée qui régule l'internalisation de nombreuses protéines, notamment celle des Navs. Inversement, les sous-unités ß sont connues depuis longtemps pour stabiliser l'ancrage des Navs à la membrane. La douleur neuropathique périphérique est une condition débilitante résultant d'une atteinte à un nerf. Elle est caractérisée par la dérégulation des Navs exprimés dans les neurones sensoriels du ganglion spinal (DRG). Ceci a été démontré à de multiples occasions dans divers modèles animaux de douleur neuropathique. Parmi les Navs, Nav1.7 et Nav1.8 sont abondamment et spécifiquement exprimés dans les neurones sensoriels des DRG et ont été impliqués de façon récurrente dans le développement de la douleur neuropathique. En utilisant le modèle animal de douleur neuropathique d'épargne du nerf sural (spared nerve injury, SNI) chez la souris, j'ai observé une réduction spécifique des Nedd4-2 dans les neurones sensoriels du DRG. Cette diminution avait pour conséquence l'augmentation de l'expression des protéines et des courants de Nav 1.7 et Nav 1.8, respectivement dans l'axone et les neurones du DRG, et était donc suffisante pour créer l'hyperexcitabilité associée à la douleur neuropathique. L'invalidation pour le gène codant pour Nedd4-2 dans une lignée de souris génétiquement modifiées a conduit à de similaires augmentations de Nav1.7 et Nav1.8, parallèlement à une augmentation à la sensibilité thermique. A l'opposé, rétablir une expression normale de Nedd4-2 en utilisant un vecteur viral a eu pour effet de contrecarrer le développement de l'hypersensibilité mécanique lié à ce modèle de douleur neuropathique. Cette étude démontre le rôle important de Nedd4-2 dans la régulation de l'excitabilité cellulaire in vivo et son implication dans le développement des douleurs neuropathiques. Le rôle des sous-unités ß dans les douleurs neuropathiques a déjà été démontré dans notre groupe de recherche. A cause de leur rôle stabilisateur, l'augmentation des sous-unités ßl, ß2 et ß3 dans les DRG après SNI, conduit à une augmentation des Navs ancrés à la membrane. Dans mon travail de thèse, j'ai observé un nouveau mécanisme de régulation des sous-unités a par les sous-unités ß in vitro. Les sous-unités ßl et ß3 régulent l'état de glycosylation du canal Nav1.7, et stabilisent son expression membranaire. Ceci ouvre de nouvelles perspectives dans l'investigation de l'état de glycosylation des Navs dans des maladies impliquant les sous-unités ß, notamment les douleurs neuropathiques.

The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.