Développement de l’activité rythmique chez l’embryon du poisson-zébré

Les circuits neuronaux peuvent générer une panoplie de rythmes. Nous pouvons séparer les mécanismes de création de ces rythmes en deux grands types. Le premier consiste de circuits contrôlés par des cellules « pacemakers », ayant une activité rythmique intrinsèque, comme dans le ganglion stomatogastique des crustacés. Le deuxième consiste de circuits multi-neuronaux connectés par un réseau synaptique qui permet une activité rythmique sans la présence de neurones pacemakers, tel que démontré pour les circuits de la nage chez plusieurs vertébrés. Malgré nos connaissances des mécanismes de rhythmogénèse chez les vertébrés adultes, les mécanismes de la création et la maturation de ces circuits locomoteurs chez les embryons restent encore inconnus. Nous avons étudié cette question à l’aide du poisson-zébré où les embryons débutent leur activité motrice par des contractions spontanées alternantes à 17 heures post-fertilisation (hpf). Des études ont démontré que cette activité spontanée n’est pas sensible aux antagonistes de la transmission synaptique chimique et ne requiert pas le rhombencéphale. Après 28 hpf, les embryons commencent à nager et se propulser en réponse au toucher. Des études antérieures on démontré que l’apparition de la nage nécessite le rhombencéphale et la transmission synaptique chimique. Cette thèse explore la possibilité que ces changements comportementaux représentent la progression d’un circuit contrôle par un pacemaker à un circuit ou le rythme provient d’un circuit distribué. En mesurant le groupement des contractions de l’activité spontanée, plutôt que la fréquence moyenne, nous avons découvert une nouvelle forme d’activité spontanée qui débute à 22 hpf. Cette activité consiste de deux contractions alternantes à succession très rapide. Contrairement à l’activité spontanée présente dès 17 hpf cette nouvelle forme d’activité requiert le rhombencéphale et la transmission synaptique chimique, comme démontré pour la nage qui apparait à 28 hpf. Cette forme de comportement intermédiaire représente potentiellement une étape transitoire lors de la maturation des circuits moteurs.

Transmission des voies olfactives aux cellules réticulospinales de la lamproie

Les informations olfactives sont connues pour leur capacité à induire des comportements moteurs spécifiques. En dépit de nombreuses observations comportementales chez les vertébrés, on ne connaît toujours pas les mécanismes et les voies nerveuses qui sous-tendent ces phénomènes de transformation olfacto-locomotrices. Chez la lamproie, des travaux récents ont permis de décrire cette voie, et les mécanismes responsables de la transformation des entrées olfactives en activité locomotrice (Derjean et al., 2010). Cette voie prend origine dans la partie médiane du bulbe olfactif, et envoie des projections vers le tubercule postérieur, une région qui se trouve dans le diencéphale. De là, les neurones projettent directement vers la Région Locomotrice Mésencéphalique, connue pour envoyer des connexions vers les neurones réticulospinaux, et activer la locomotion. L’objectif de cette étude était d’établir si l’ensemble des neurones réticulospinaux répond aux stimulations olfactives. Pour ce faire, nous avons utilisé sur une préparation de cerveau isolé de lamproie des techniques d’électrophysiologie et d’imagerie calcique. La stimulation électrique des nerfs olfactifs, de la région médiane du bulbe olfactif ou du tubercule postérieur a provoqué une activation de toutes les cellules réticulospinales qui se retrouvent dans les quatre noyaux réticulaires (ARRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Antérieur; MRN : Noyau Réticulaire Mésencéphalique; MRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Moyen; PRRN : Noyau Réticulaire Rhombencéphalique Postérieur). Seule la partie médiane du bulbe olfactif est impliquée dans le passage de l’information olfactive vers les neurones réticulospinaux. Nous avons aussi découvert que le blocage des récepteurs GABAergiques dans la partie médiane du bulbe olfactif augmentait les réponses olfactives de façon considérable dans les cellules réticulospinales. Nous avons montré ainsi qu’il existe un tonus inhibiteur impliqué dans la dépression modulatrice de la voie olfacto-locomotrice. Ce travail a permis de montrer que la stimulation des afférences sensorielles olfactives active simultanément l’ensemble des populations de neurones réticulospinaux qui commandent la locomotion. De plus, il existerait un tonus inhibiteur GABAergique, au niveau de la partie médiane du bulbe olfactif, responsable d’une dépression modulatrice dans la voie olfacto-locomotrice.

Projections anatomiques des bulbes olfactifs chez la lamproie

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Organisation et modulation du réseau neuronal de la respiration chez la lamproie.

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique.

Étude comparative des projections des neurones dopaminergiques chez deux espèces animales.

Une des voies les plus étudiées dans le contrôle locomoteur est la voie dopaminergique ascendante, vu son importance dans les maladies qui touchent la locomotion, comme la maladie du Parkinson. La substance noire pars compacta (A9; SNc) et l’aire tegmentaire ventrale (A10; VTA) envoient des projections dopaminergiques (DA+) vers les ganglions de la base (GB) qui à leur tour projettent vers la région locomotrice mésencéphalique (RLM), une région de tronc cérébral qui contrôle la locomotion chez les vertébrés. Des terminaisons DA+ au niveau de la RLM ont récemment été découvertes chez le singe. Donc, il semblait intéressant de savoir d’où provenaient ces projections DA+ et si elles étaient maintenues de manière équivalente dans l’évolution des espèces animales. Nous nous sommes donc penchés sur deux espèces animales en particulier, la lamproie et le triton. Dans ce travail, nous avons observé une voie DA+ descendante du tubercule postérieur (PT; homologue à la substance noire pars compacta et à l’aire tegmentaire ventrale chez les mammifères) directement vers la RLM, sans passer par l’intermédiaire des GB. Cette voie DA+ descendante a été observée autant chez la lamproie que chez le triton, à la suite d’injections de marqueurs rétrogrades et de détection immunohistochimique de la tyrosine hydroxylase (TH) ou de la dopamine (DA). La voie DA+ descendante semble donc conservée au cours de l’évolution des espèces vertébrés, bien que l’importance relative de la voie ascendante DA+ semble augmenter au cours de l’évolution.

Immunolocalization of Na+/K+-ATPase, carbonic anhydrase II, and vacuolar H+-ATPase in the gills of freshwater adult lampreys, Geotria australis

As adults, anadromous lampreys migrate from seawater into freshwater rivers, where they require branchial ion (NaCl) absorption for osmoregulation. In teleosts and elasmobranchs, pharmological, immunohistochemical, and molecular data support roles for Na⁺/K⁺-ATPase (NPPase), carbonic anhydrase II (CAII), and vacuolar H⁺-ATPase (V-ATPase) in two different models of branchial ion absorption. To our knowledge, these transport-related proteins have not been studied in adult freshwater lampreys, and therefore it is not known if they are expressed, or have similar functions, in lampreys. The purpose of this study was to localize NPPase, CAII, and V-ATPase in the gills of adult freshwater lampreys and determine if any of these transport-related proteins are expressed in the same cells. Heterologous antibodies were used to localize the three proteins in gill tissue from pouched lamprey (Geotria australis). Immunoreactivity (IR) for all three proteins occurred between, and at the base of, lamellae in cells that match previous descriptions of mitochondrion-rich-cells (MRCs). NPPase-IR was always on the basolateral side of cells that did not stain for CAII or V-ATPase. In contrast, CAII-IR was always on the apical side of cells that also contained diffuse V-ATPase-IR. Therefore, we have identified two types of MRC in adult freshwater lamprey gills based on immunohistochemical staining for three transport proteins. A model of ion transport, based on our results, is proposed for adult freshwater lampreys. 

The existence of gonadotropin-releasing hormone-like peptides in the neural ganglia and ovary of the abalone, Haliotis asinina L.

Gonadotropin-releasing hormone (GnRH) is a neuropeptide that is conserved in both vertebrate and invertebrate species. In this study, we have demonstrated the presence and distribution of two isoforms of GnRH-like peptides in neural ganglia and ovary of reproductively mature female abalone, Haliotis asinina, using immunohistochemistry. We found significant immunoreactivities (ir) of anti-lamprey(I) GnRH-III and anti-tunicate(t) GnRH, but with variation of labeling intensity by each anti-GnRH type. IGnRH-III-ir was detected in numerous type1 neurosecretory cells (NS1) throughout the cerebral and pleuropedal ganglia, whereas tGnRH-I-ir was detected in only a few NS1 cells in the dorsal region of cerebral and pleuropedal ganglia. In addition, a small number of type2 neurosecretory cells (NS2) in cerebral ganglion showed lGnRH-III-ir. Long nerve fibers in the neuropil of ventral regions of the cerebral and pleuropedal ganglia showed strong tGnRH-I-ir. In the ovary, lGnRH-III-ir was found primarily in oogonia and stage I oocytes, whereas tGnRH-ir was observed in stage I oocytes and some stage II oocytes. These results indicate that GnRH produced in neural ganglia may act in neural signaling. Alternatively, GnRH may also be synthesized locally in the ovary where it could induce oocytes development.

Stimulatory effects of egg-laying hormone and gonadotropin-releasing hormone on reproduction of the tropical abalone, Haliotis asinina linnaeus

Egg-laying hormone (ELH) is a neuropeptide hormone that stimulates ovulation of gastropods, including Aplysia californica and Lymnaea stagnalis. Other neuropeptides, gonadotropin releasing hormones (GnRHs), also play important roles in controlling reproduction in both vertebrates and invertebrates. In the current study, the effects of abalone ELH (aELH) and several GnRHs on somatic growth, sex differentiation, gonad maturation, and spawning of Haliotis asinina were investigated in 3 experiments. In experiment 1, groups of 4-mo-old juveniles (11.8 ±  0.03 mm shell length (SL) and 0.33 ± 0.04 g body weight (BW)) were injected with aELH and GnRHs, including buserelin (mammalian GnRH analogue), octopus GnRH (octGnRH), and tunicate GnRH-I (tGnRH-I), at doses of 20 ng/g BW and 200 ng/g BW. The aELH induced early sex differentiation with a bias toward females, but with normal somatic growth, whereas the different isoforms of GnRH had no effect on sexual differentiation or somatic growth. In experiment 2, groups of 1-y-old-abalone (SL, 4.04 ± 0.02 cm; BW, 20.15 ± 0.25 g) were injected with aELH and the 3 isoforms of GnRH including buserelin, octGnRH, and lamprey GnRH (1GnRH-I) at doses of 500 ng/g BW and 1,000 ng/g BW, and all produced stimulatory effects. For each peptide treatment, the gonads reached full maturation within 5- 6 wk and spawning occurred, whereas control groups took 8 wk to reach maturity. In experiment 3, injections of ripe abalone with aELH stimulated spawning of both sexes in a dose-dependent manner. Buserelin had a lesser effect on inducing spawning, and octGnRH had no apparent effect. The gametes released from induced spawnings by aELH and GnRH showed normal fertilization and development of larvae. Altogether, these findings provide further knowledge on manipulating abalone reproduction, which is important in improving abalone aquaculture.

Oxygen dependency of hydrogen sulfide-mediated vasoconstriction in cyclostome aortas

Hydrogen sulfide (H₂S) has been proposed to mediate hypoxic vasoconstriction (HVC), however, other studies suggest the vasoconstrictory effect indirectly results from an oxidation product of H₂S. Here we examined the relationship between H₂S and O₂ in isolated hagfish and lamprey vessels that exhibit profound hypoxic vasoconstriction. In myographic studies, H₂S (Na₂S) dose-dependently constricted dorsal aortas (DA) and efferent branchial arteries (EBA) but did not affect ventral aortas or afferent branchial arteries; effects similar to those produced by hypoxia. Sensitivity of H₂S-mediated contraction in hagfish and lamprey DA was enhanced by hypoxia. HVC in hagfish DA was enhanced by the H₂S precursor cysteine and inhibited by amino-oxyacetate, an inhibitor of the H₂S-synthesizing enzyme, cystathionine β-synthase. HVC was unaffected by propargyl glycine, an inhibitor of cystathionine λ-lyase. Oxygen consumption (ṀO₂) of hagfish DA was constant between 15 and 115 mmHg P_O2 (1 mmHg=0.133 kPa), decreased when P_O2 <15 mmHg, and increased after P_O2 exceeded 115 mmHg. 10 μmol l^–1 H₂S increased and ⩾100μ mol l^–1 H₂S decreased ṀO₂. Consistent with the effects on HVC, cysteine increased and amino-oxyacetate decreased Ṁ_O2. These results show that H₂S is a monophasic vasoconstrictor of specific cyclostome vessels and because hagfish lack vascular NO, and vascular sensitivity to H₂S was enhanced at low P_O2, it is unlikely that H₂S contractions are mediated by either H₂S–NO interaction or an oxidation product of H₂S. These experiments also provide additional support for the hypothesis that the metabolism of H₂S is involved in oxygen sensing/signal transduction in vertebrate vascular smooth muscle.

Nervous control of circulation--the role of gasotransmitters, NO, CO, and H2S.

The origins and actions of gaseous signaling molecules, nitric oxide (NO), carbon monoxide (CO) and hydrogen sulfide (H(2)S) in the mammalian cardiovascular system have received considerable attention and it is evident that these three "gasotransmitters" perform a variety of homeostatic functions. The origins, actions and disposition of these gasotransmitters in the piscine vasculature are far from resolved. In most fish examined to date, NO or NO donors are generally in vitro and in vivo vasodilators acting via soluble guanylyl cyclase, although there is evidence for NO-mediated vasoconstriction. Injection of sodium nitroprusside into trout causes hypotension that is attributed to a reduction in systemic resistance. Unlike mammals, NO does not appear to have an endothelial origin in fish blood vessels as an endothelial NO synthase has not identified. However, neural NO synthase is prevalent in perivascular nerves and is the most likely source of NO for cardiovascular control in fish. CO is a vasodilator in lamprey and trout vessels, and it, like NO, appears to exert its action, at least in part, via guanylyl cyclase and potassium channel activation. Inhibition of CO production increases resting tone in trout vessels suggestive of tonic CO activity, but little else is known about the origin or control of CO in the fish vasculature. H(2)S is synthesized by fish vessels and its constrictory, dilatory, or even multi-phasic actions, are both species- and vessel-specific. A small component of H(2)S-mediated basal activity may be endothelial in origin, but to a large extent H(2)S affects vascular smooth muscle directly and the mechanisms are unclear. H(2)S injected into the dorsal aorta of unanesthetized trout often produces oscillations in arterial blood pressure suggestive of H(2)S activity in the central nervous system as well as peripheral vasculature. Collectively, these studies hint at significant involvement of the gasotransmitters in piscine cardiovascular function and hopefully provide a variety of avenues for future research.

Fish hemoglobins

Vertebrate hemoglobin, contained in erythrocytes, is a globular protein with a quaternary structure composed of 4 globin chains (2 alpha and 2 beta) and a prosthetic group named heme bound to each one. Having myoglobin as an ancestor, hemoglobin acquired the capacity to respond to chemical stimuli that modulate its function according to tissue requirements for oxygen. Fish are generally submitted to spatial and temporal O2 variations and have developed anatomical, physiological and biochemical strategies to adapt to the changing environmental gas availability. Structurally, most fish hemoglobins are tetrameric; however, those from some species such as lamprey and hagfish dissociate, being monomeric when oxygenated and oligomeric when deoxygenated. Fish blood frequently possesses several hemoglobins; the primary origin of this finding lies in the polymorphism that occurs in the globin loci, an aspect that may occasionally confer advantages to its carriers or even be a harmless evolutionary remnant. on the other hand, the functional properties exhibit different behaviors, ranging from a total absence of responses to allosteric regulation to drastic ones, such as the Root effect.

Molekulare Evolution der Intermediärfilament-Proteine des Flussneunauges Lampetra fluviatilis

Über cDNA-Banken und RT-PCR wurden erstmals 15 Intermediärfilament-Proteine (IF-Proteine) des Flussneunauges Lampetra fluviatilis (Agnatha, kieferlose Wirbeltiere) kloniert und sequenziert: drei Typ I-Keratine, vier Typ II-Keratine, fünf keratinartige IF-Proteine (drei Kγ, zwei Kα), die Typ III-Proteine Vimentin und Desmin sowie ein Typ IV-Neurofilament-Protein (NF).Die IF-Proteine wurden aus verschiedenen Organen isoliert und durch zweidimensionale Polyacrylamid-Gelelektrophorese (2D-PAGE) aufgetrennt. Biochemische sowie massenspektrometrische Analysen anhand der 2D-PAGE ermöglichten in Kombination mit den Sequenzdaten die Identifizierung von Vimentin, Desmin sowie aller sequenzierten Keratine bis auf zwei der fünf Kα/Kγ-Proteine. Die meisten Keratine ließen sich darüber hinaus in die Kategorien „E“ (von „epidermal“) und „S“ (von „simple epithelial“) einteilen.Von den sequenzierten Keratinen ist das IIS-Keratin K8 wahrscheinlich ortholog zu den bekannten K8-Sequenzen höherer Vertebraten. Die Bezeichnung K18 für das einzige IS-Keratin des Neunauges in Anlehnung an das IS-Keratin K18 des Menschen basiert auf der stets beobachteten Koexpression mit K8 in einfachen Epithelien.Die Sequenz des Neunaugen-Vimentins zeigt große Übereinstimmungen mit den bekannten Desminsequenzen der Vertebraten. Die keratinartigen Proteine Kα und Kγ sind bis jetzt nur von Agnathen (Neunaugen und Schleimaale) bekannt.In molekularen Stammbäumen können K8, K18, Vimentin, Desmin und das NF_L des Neunauges gut als Außengruppe definiert werden.

A hypothalamic follicle-stimulating hormone-releasing decapeptide in the rat

Previous studies indicated that there is a separate hypothalamic control of follicle-stimulating hormone (FSH) release distinct from that of luteinizing hormone (LH). An FSH-releasing factor (FSHRF) was purified from rat and sheep hypothalami, but has not been isolated. We hypothesized that FSHRF might be an analogue of mammalian luteinizing hormone-releasing hormone (m-LHRH) and evaluated the activity of many analogues of m-LHRH and of the known LHRHs found in lower forms. Here we demonstrate that lamprey (l) LHRH-III has a potent, dose-related FSH- but not LH-releasing action on incubated hemipituitaries of male rats. l-LHRH-I on the other hand, had little activity to release either FSH or LH. m-LHRH was equipotent to l-LHRH-III to release FSH, but also had a high potency to release LH in contrast to l-LHRH-III that selectively released FSH. Chicken LHRH-II had considerable potency to release both LH and FSH, but no selectivity in its action. Salmon LHRH had much less potency than the others tested, except for l-LHRH-I, and no selectivity in its action. Because ovariectomized, estrogen, progesterone-treated rats are a sensitive in vivo assay for FSH- and LH-releasing activity, we evaluated l-LHRH-III in this assay and found that it had a completely selective stimulatory effect on FSH release at the two doses tested (10 and 100 pmols). Therefore, l-LHRH-III is a highly potent and specific FSH-releasing peptide that may enhance fertility in animals and humans. It may be the long sought after m-FSHRF.

Molecular studies suggest that cartilaginous fishes have a terminal position in the piscine tree

The Chondrichthyes (cartilaginous fishes) are commonly accepted as being sister group to the other extant Gnathostomata (jawed vertebrates). To clarify gnathostome relationships and to aid in resolving and dating the major piscine divergences, we have sequenced the complete mtDNA of the starry skate and have included it in phylogenetic analysis along with three squalomorph chondrichthyans—the common dogfish, the spiny dogfish, and the star spotted dogfish—and a number of bony fishes and amniotes. The direction of evolution within the gnathostome tree was established by rooting it with the most closely related non-gnathostome outgroup, the sea lamprey, as well as with some more distantly related taxa. The analyses placed the chondrichthyans in a terminal position in the piscine tree. These findings, which also suggest that the origin of the amniote lineage is older than the age of the oldest extant bony fishes (the lungfishes), challenge the evolutionary direction of several morphological characters that have been used in reconstructing gnathostome relationships. Applying as a calibration point the age of the oldest lungfish fossils, 400 million years, the molecular estimate placed the squalomorph/batomorph divergence at ≈190 million years before present. This dating is consistent with the occurrence of the earliest batomorph (skates and rays) fossils in the paleontological record. The split between gnathostome fishes and the amniote lineage was dated at ≈420 million years before present.

Molecular evolution of two vertebrate aryl hydrocarbon (dioxin) receptors (AHR1 and AHR2) and the PAS family

The aryl hydrocarbon receptor (AHR) is a ligand-activated transcription factor through which halogenated aromatic hydrocarbons such as 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) cause altered gene expression and toxicity. The AHR belongs to the basic helix–loop–helix/Per-ARNT-Sim (bHLH-PAS) family of transcriptional regulatory proteins, whose members play key roles in development, circadian rhythmicity, and environmental homeostasis; however, the normal cellular function of the AHR is not yet known. As part of a phylogenetic approach to understanding the function and evolutionary origin of the AHR, we sequenced the PAS homology domain of AHRs from several species of early vertebrates and performed phylogenetic analyses of these AHR amino acid sequences in relation to mammalian AHRs and 24 other members of the PAS family. AHR sequences were identified in a teleost (the killifish Fundulus heteroclitus), two elasmobranch species (the skate Raja erinacea and the dogfish Mustelus canis), and a jawless fish (the lamprey Petromyzon marinus). Two putative AHR genes, designated AHR1 and AHR2, were found both in Fundulus and Mustelus. Phylogenetic analyses indicate that the AHR2 genes in these two species are orthologous, suggesting that an AHR gene duplication occurred early in vertebrate evolution and that multiple AHR genes may be present in other vertebrates. Database searches and phylogenetic analyses identified four putative PAS proteins in the nematode Caenorhabditis elegans, including possible AHR and ARNT homologs. Phylogenetic analysis of the PAS gene family reveals distinct clades containing both invertebrate and vertebrate PAS family members; the latter include paralogous sequences that we propose have arisen by gene duplication early in vertebrate evolution. Overall, our analyses indicate that the AHR is a phylogenetically ancient protein present in all living vertebrate groups (with a possible invertebrate homolog), thus providing an evolutionary perspective to the study of dioxin toxicity and AHR function.