Role of the hypothalamic pituitary adrenal axis in the control of the response to stress and infection

The release of adrenocorticotropin (ACTH) from the corticotrophs is controlled principally by vasopressin and corticotropin-releasing hormone (CRH). Oxytocin may augment the release of ACTH under certain conditions, whereas atrial natriuretic peptide acts as a corticotropin release-inhibiting factor to inhibit ACTH release by direct action on the pituitary. Glucocorticoids act on their receptors within the hypothalamus and anterior pituitary gland to suppress the release of vasopressin and CRH and the release of ACTH in response to these neuropeptides. CRH neurons in the paraventricular nucleus also project to the cerebral cortex and subcortical regions and to the locus ceruleus (LC) in the brain stem. Cortical influences via the limbic system and possibly the LC augment CRH release during emotional stress, whereas peripheral input by pain and other sensory impulses to the LC causes stimulation of the noradrenergic neurons located there that project their axons to the CRH neurons stimulating them by alpha-adrenergic receptors. A muscarinic cholinergic receptor is interposed between the alpha-receptors and nitric oxidergic interneurons which release nitric oxide that activates CRH release by activation of cyclic guanosine monophosphate, cyclooxygenase, lipoxygenase and epoxygenase. Vasopressin release during stress may be similarly mediated. Vasopressin augments the release of CRH from the hypothalamus and also augments the action of CRH on the pituitary. CRH exerts a positive ultrashort loop feedback to stimulate its own release during stress, possibly by stimulating the LC noradrenergic neurons whose axons project to the paraventricular nucleus to augment the release of CRH.

Chronic postnatal administration of methylmalonic acid provokes a decrease of myelin content and ganglioside N-acetylneuraminic acid concentration in cerebrum of young rats

Levels of methylmalonic acid (MMA) comparable to those of human methylmalonic acidemia were achieved in blood (2-2.5 mmol/l) and brain (1.35 µmol/g) of rats by administering buffered MMA, pH 7.4, subcutaneously twice a day from the 5th to the 28th day of life. MMA doses ranged from 0.76 to 1.67 µmol/g as a function of animal age. Control rats were treated with saline in the same volumes. The animals were sacrificed by decapitation on the 28th day of age. Blood was taken and the brain was rapidly removed. Medulla, pons, the olfactory lobes and cerebellum were discarded and the rest of the brain ("cerebrum") was isolated. Body and "cerebrum" weight were measured, as well as the cholesterol and triglyceride concentrations in blood and the content of myelin, total lipids, and the concentrations of the lipid fractions (cholesterol, glycerolipids, phospholipids and ganglioside N-acetylneuraminic acid (ganglioside-NANA)) in the "cerebrum". Chronic MMA administration had no effect on body or "cerebrum" weight, suggesting that the metabolites per se neither affect the appetite of the rats nor cause malnutrition. In contrast, MMA caused a significant reduction of plasma triglycerides, but not of plasma cholesterol levels. A significant diminution of myelin content and of ganglioside-NANA concentration was also observed in the "cerebrum". We propose that the reduction of myelin content and ganglioside-NANA caused by MMA may be related to the delayed myelination/cerebral atrophy and neurological dysfunction found in methylmalonic acidemic children.

Partial purification of tightly bound mitochondrial hexokinase from maize (Zea mays L.) root membranes

In mammals, hexokinase (HK) is strategically located at the outer membrane of mitochondria bound to the porin protein. The mitochondrial HK is a crucial modulator of apoptosis and reactive oxygen species generation. In plants, these properties related to HK are unknown. In order to better understand the physiological role of non-cytosolic hexokinase (NC-HK) in plants, we developed a purification strategy here described. Crude extract of 400 g of maize roots (230 mg protein) contained a specific activity of 0.042 µmol G6P min-1 mg PTN-1. After solubilization with detergent two fractions were obtained by DEAE column chromatography, NC-HK 1 (specific activity = 3.6 µmol G6P min-1 mg PTN-1 and protein recovered = 0.7 mg) and NC-HK 2. A major purification (yield = 500-fold) was obtained after passage of NC-HK 1 through the hydrophobic phenyl-Sepharose column. The total amount of protein and activity recovered were 0.04 and 18%, respectively. The NC-HK 1 binds to the hydrophobic phenyl-Sepharose matrix, as observed for rat brain HK. Mild chymotrypsin digestion did not affect adsorption of NC-HK 1 to the hydrophobic column as it does for rat HK I. In contrast to mammal mitochondrial HK, glucose-6-phosphate, clotrimazole or thiopental did not dissociate NC-HK from maize (Zea mays) or rice (Oryza sativa) mitochondrial membranes. These data show that the interaction between maize or rice NC-HK to mitochondria differs from that reported in mammals, where the mitochondrial enzyme can be displaced by modulators or pharmacological agents known to interfere with the enzyme binding properties with the mitochondrial porin protein.

Involvement of glutamate and reactive oxygen species in methylmercury neurotoxicity

This review addresses the mechanisms of methylmercury (MeHg)-induced neurotoxicity, specifically examining the role of oxidative stress in mediating neuronal damage. A number of critical findings point to a central role for astrocytes in mediating MeHg-induced neurotoxicity as evidenced by the following observations: a) MeHg preferentially accumulates in astrocytes; b) MeHg specifically inhibits glutamate uptake in astrocytes; c) neuronal dysfunction is secondary to disturbances in astrocytes. The generation of reactive oxygen species (ROS) by MeHg has been observed in various experimental paradigms. For example, MeHg enhances ROS formation both in vivo (rodent cerebellum) and in vitro (isolated rat brain synaptosomes), as well as in neuronal and mixed reaggregating cell cultures. Antioxidants, including selenocompounds, can rescue astrocytes from MeHg-induced cytotoxicity by reducing ROS formation. We emphasize that oxidative stress plays a significant role in mediating MeHg-induced neurotoxic damage with active involvement of the mitochondria in this process. Furthermore, we provide a mechanistic overview on oxidative stress induced by MeHg that is triggered by a series of molecular events such as activation of various kinases, stress proteins and other immediate early genes culminating in cell damage.

Effect of the ketamine/xylazine anesthetic on the auditory brainstem response of adult gerbils

The auditory brainstem response (ABR) is a test widely used to assess the integrity of the brain stem. Although it is considered to be an auditory-evoked potential that is influenced by the physical characteristics of the stimulus, such as rate, polarity and type of stimulus, it may also be influenced by the change in several parameters. The use of anesthetics may adversely influence the value of the ABR wave latency. One of the anesthetics used for e ABR assessment, especially in animal research, is the ketamine/xylazine combination. Our objective was to determine the influence of the ketamine/xylazine anesthetic on the ABR latency values in adult gerbils. The ABRs of 12 adult gerbils injected with the anesthetic were collected on three consecutive days, or a total of six collections, namely: pre-collection and A, B, C, D, and E collections. Before each collection the gerbil was injected with a dose of ketamine (100 mg/kg)/xylazine (4 mg/kg). For the capture of the ABR, 2000 click stimuli were used with rarefaction polarity and 13 stimuli per second, 80 dBnHL intensity and in-ear phones. A statistically significant difference was observed in the latency of the V wave in the ABR of gerbils in the C and D collections compared to the pre-, A and E collections, and no difference was observed between the pre-, A, B, and E collections. We conclude that the use of ketamine/xylazine increases the latency of the V wave of the ABR after several doses injected into adult gerbils; thus clinicians should consider the use of this substance in the assessment of ABR.

Optical coherence tomography imaging of the basal ganglia: feasibility and brief review

Optical coherence tomography (OCT) is a promising medical imaging technique that uses light to capture real-time cross-sectional images from biological tissues in micrometer resolution. Commercially available optical coherence tomography systems are employed in diverse applications, including art conservation and diagnostic medicine, notably in cardiology and ophthalmology. Application of this technology in the brain may enable distinction between white matter and gray matter, and obtainment of detailed images from within the encephalon. We present, herein, the in vivo implementation of OCT imaging in the rat brain striatum. For this, two male 60-day-old rats (Rattus norvegicus, Albinus variation, Wistar) were stereotactically implanted with guide cannulas into the striatum to guide a 2.7-French diameter high-definition OCT imaging catheter (Dragonfly™, St. Jude Medical, USA). Obtained images were compared with corresponding histologically stained sections to collect imaging samples. A brief analysis of OCT technology and its current applications is also reported, as well as intra-cerebral OCT feasibility on brain mapping during neurosurgical procedures.

Antioxidant activity in vivo and in vitro of Halimeda incrassata aqueous extracts

The aim of the present paper was to provide the evidences for the antioxidant activity in Halimeda incrassata (Ellis) Lamouroux aqueous extracts obtained after simple water extraction of the fresh algae at room temperature (23°C). Previously in the literature, only antioxidant activity associated to carotenoids fractions of seaweeds has been reported. From different species of seaweeds, Halimeda incrassata aqueous extract exhibited the highest antioxidant activity on the inhibition of TBARS formed during the spontaneous lipid peroxidation of rat brain homogenates with an IC50 of 0.340mg.mL-1. Halimeda incrassata aqueous extract (0.5mg.mL-1), was also capable of decreasing the in vitro generation of hydrogen peroxide by two distinct metabolic pathways involving glutamic and malonic acids. Also, Halimeda incrassata (at doses of 50, 100 and 200mg.Kg-1) showed a neuroprotective effect in vivo on the gerbil model of bilateral carotid occlusion because of decreasing the locomotor and exploratory activity induced by ischemia. In summary, Halimeda incrassata aqueous extracts exhibit antioxidant properties in different in vitro as well as in vivo models which could be explained by the presence of several hydrosoluble compounds. Further studies on this way are necessary to elucidate the precise structure of these compounds. Low toxicity of most seaweeds to humans, but particularly of Halimeda genus may favor its use as functional food.

Activity of brainstem cholinergic neurons during 22 kHz ultrasonic vocalization in rats /

Adult rats emit 22 kHz ultrasonic alann calls in aversive situations. This type of call IS a component of defensive behaviour and it functions predominantly to warn conspecifics about predators. Production of these calls is dependent on the central cholinergic system. The laterodorsal tegmental nucleus (LDT) and pedunculopontine tegmental nucleus (PPT) contain largely cholinergic neurons, which create a continuous column in the brainstem. The LDT projects to structures in the forebrain, and it has been implicated in the initiation of 22 kHz alarm calls. It was hypothesized that release of acetylcholine from the ascending LDT terminals in mesencephalic and diencephalic areas initiates 22 kHz alarm vocalization. Therefore, the tegmental cholinergic neurons should be more active during emission of alarm calls. The aim of this study was to demonstrate increased activity of LDT cholinergic neurons during emission of 22 kHz calls induced by air puff stimuli. Immunohistochemical staining of the enzyme choline acetyltransferase identified cell bodies of cholinergic neurons, and c-Fos immunolabeling identified active cells. Double labeled cells were regarded as active cholinergic cells. There were significantly more (p

Effets neurophysiologiques de la stimulation du nerf vague : implication dans le traitement de la dépression résistante et optimisation des paramètres de stimulation

La dépression est une pathologie grave qui, malgré de multiples stratégies thérapeutiques, demeure résistante chez un tiers des patients. Les techniques de stimulation cérébrale sont devenues une alternative intéressante pour les patients résistants à diverses pharmacothérapies. La stimulation du nerf vague (SNV) a ainsi fait preuve de son efficacité en clinique et a récemment été approuvée comme traitement additif pour la dépression résistante. Cependant, les mécanismes d’action de la SNV en rapport avec la dépression n’ont été que peu étudiés. Cette thèse a donc eu comme premier objectif de caractériser l’impact de la SNV sur les différents systèmes monoaminergiques impliqués dans la pathophysiologie de la dépression, à savoir la sérotonine (5-HT), la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA), grâce à l’utilisation de techniques électrophysiologiques et de la microdialyse in vivo chez le rat. Des études précliniques avaient déjà révélé qu’une heure de SNV augmente le taux de décharge des neurones NA du locus coeruleus, et que 14 jours de stimulation sont nécessaires pour observer un effet comparable sur les neurones 5-HT. Notre travail a démontré que la SNV modifie aussi le mode de décharge des neurones NA qui présente davantage de bouffées, influençant ainsi la libération terminale de NA, qui est significativement augmentée dans le cortex préfrontal et l’hippocampe après 14 jours. L’augmentation de la neurotransmission NA s’est également manifestée par une élévation de l’activation tonique des récepteurs postsynaptiques α2-adrénergiques de l’hippocampe. Après lésion des neurones NA, nous avons montré que l’effet de la SNV sur les neurones 5-HT était indirect, et médié par le système NA, via l’activation des récepteurs α1-adrénergiques présents sur les neurones du raphé. Aussi, tel que les antidépresseurs classiques, la SNV augmente l’activation tonique des hétérorécepteurs pyramidaux 5-HT1A, dont on connait le rôle clé dans la réponse thérapeutique aux antidépresseurs. Par ailleurs, nous avons constaté que malgré une diminution de l’activité électrique des neurones DA de l’aire tegmentale ventrale, la SNV induit une augmentation de la DA extracellulaire dans le cortex préfrontal et particulièrement dans le noyau accumbens, lequel joue un rôle important dans les comportements de récompense et l’hédonie. Un deuxième objectif a été de caractériser les paramètres optimaux de SNV agissant sur la dépression, en utilisant comme indicateur le taux de décharge des neurones 5-HT. Des modalités de stimulation moins intenses se sont avérées aussi efficaces que les stimulations standards pour augmenter l’activité électrique des neurones 5-HT. Ces nouveaux paramètres de stimulation pourraient s’avérer bénéfiques en clinique, chez des patients ayant déjà répondu à la SNV. Ils pourraient minimiser les effets secondaires reliés aux périodes de stimulation et améliorer ainsi la qualité de vie des patients. Ainsi, ces travaux de thèse ont caractérisé l’influence de la SNV sur les trois systèmes monoaminergiques, laquelle s’avère en partie distincte de celle des antidépresseurs classiques tout en contribuant à son efficacité en clinique. D’autre part, les modalités de stimulation que nous avons définies seraient intéressantes à tester chez des patients recevant la SNV, car elles devraient contribuer à l’amélioration des bénéfices cliniques de cette thérapie.

Caractérisation des complexes ribonucléoprotéiques de Staufen1 et Staufen2

Dans la cellule, chaque ARNm se doit d’être régulé finement au niveau transcriptionnel, bien entendu, mais également au niveau de sa traduction, de sa dégradation ainsi que de sa localisation intracellulaire, et ce, afin de permettre l’expression de chaque produit protéique au moment et à l’endroit précis où son action est requise. Lorsqu’un mécanisme physiologique est mis de l’avant dans la cellule, il arrive souvent que plusieurs ARNm se doivent d’être régulés simultanément. L’un des moyens permettant d’orchestrer un tel processus est de réguler l’action d’une protéine commune associée à chacun de ces ARNm, via un mécanisme post-traductionnel par exemple. Ainsi l’expression d’un groupe précis d’ARNm peut être régulée finement dans le temps et dans l’espace selon les facteurs protéiques auxquels il est associé. Dans l’optique d’étudier certains de ces complexes ribonucléoprotéiques (mRNP), nous nous sommes intéressés aux isoformes et paralogues de Staufen, une protéine à domaine de liaison à l’ARN double-brin (dsRBD) impliquée dans de nombreux aspects de la régulation post-transcriptionnelle, tels la dégradation, la traduction ou encore la localisation d’ARNm. Chez la drosophile, un seul gène Staufen est exprimé alors que chez les mammifères, il existe deux paralogues de la protéine, soit Stau1 et Stau2, tous deux possédant divers isoformes produits suite à l’épissage alternatif de leur gène. Stau1 et Stau2 sont identiques à 50%. Les deux isoformes de Stau2, Stau259 et Stau262 ne diffèrent qu’en leur extrémité N-terminale. En effet, alors que Stau259 arbore un dsRBD1 tronqué, celui de Stau262 est complet. Ces observations introduisent une problématique très intéressante à laquelle nous nous sommes attaqué : ces différentes protéines, quoique très semblables, font-elles partie de complexes ribonucléoprotéiques distincts ayant des fonctions propres à chacun ou, au contraire, vu cette similarité de séquence, travaillent-elles de concert au sein des mêmes complexes ribonucléoprotéiques? Afin d’adresser cette question, nous avons entrepris d’isoler, à partir de cellules HEK293T, les différents complexes de Stau1 et Stau2 par la technique d’immunoprécipitation. Nous avons isolé les ARNm associés à chaque protéine, les avons identifiés grâce aux micropuces d’ADN et avons confirmé nos résultats par RT-PCR. Malgré la présence d’une population commune d’ARNm associée à Stau1 et Stau2, la majorité des transcrits identifiés furent spécifiques à chaque orthologue. Cependant, nous avons remarqué que les diverses populations d’ARNm participaient aux mêmes mécanismes de régulation, ce qui suggère que ces deux protéines possèdent des rôles complémentaires dans la mise en œuvre de divers phénomènes cellulaires. Au contraire, les transcrits associés à Stau259 et Stau262 sont davantage similaires, indiquant que celles-ci auraient des fonctions plutôt semblables. Ces résultats sont très intéressants, car pour la première fois, nous avons identifié des populations d’ARNm associées aux isoformes Stau155, Stau259 et Stau262. De plus, nous les avons analysées en parallèle afin d’en faire ressortir les populations spécifiques à chacune de ces protéines. Ensuite, connaissant l’importance de Stau2 dans le transport dendritique d’ARNm, nous avons cherché à caractériser les complexes ribonucléoprotéiques neuronaux associés à celle-ci. Dans un premier temps et à l’aide de la technique d’immunoprécipitation, nous avons identifié une population d’ARNm neuronaux associés à Stau2. Plus de 1700 ARNm montraient une présence d’au moins huit fois supérieure dans le précipité obtenu avec l’anticorps anti-Stau2 par rapport à celui obtenu avec le sérum pré-immun. Ces ARNm codent pour des protéines impliquées dans des processus de modifications post-traductionnelles, de traduction, de transport intracellulaire et de métabolisme de l’ARN. De façon intéressante, cette population d’ARNm isolée du cerveau de rat est relativement différente de celle caractérisée des cellules humaines HEK293T. Ceci suggère que la spécificité d’association Stau2-ARNm peut diffèrer d’un tissu à un autre. Dans un deuxième temps, nous avons isolé les protéines présentes dans les complexes ribonucléoprotéiques obtenus de cerveaux de rat et les avons identifiées par analyse en spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons identifié au sein des particules de Stau2 des protéines liant l’ARN (PABPC1, hnRNPH1, YB1, hsc70), des protéines du cytosquelette (α- et β-tubuline), de même que la protéine peu caractérisée RUFY3. En poussant davantage la caractérisation, nous avons établi que YB1 et PABPC1 étaient associées à Stau2 grâce à la présence de l’ARN, alors que la protéine hsc70, au contraire, interagissait directement avec celle-ci. Enfin, cette dernière association semble être modulable par l’action de l’ATP. Ce résultat offre de nombreuses possibilités quant à la régulation de la fonction de Stau2 et/ou de son mRNP. Entre autres, cette étude suggère un mécanisme de régulation de la traduction au sein de ces particules. Pour faire suite à la caractérisation des mRNP de Stau, nous avons voulu déterminer au niveau neurophysiologique l’importance de ceux-ci. Comme l’étude de Stau2 avait déjà été entreprise préalablement par un autre laboratoire, nous avons décidé de concentrer notre étude sur le rôle de Stau1. Ainsi, nous avons démontré que celle-ci était nécessaire à la mise en place d’une forme de plasticité synaptique à long terme, la forme tardive de potentialisation à long terme ou L-LTP, dépendante de la transcription et de l’activité des récepteurs NMDA. La transmission de base, de même que la faculté de ces épines à faire de la E-LTP, la forme précoce de potentialisation à long terme, et la dépression à long terme ou LTD sont conservées. Ceci indique que les épines conservent la capacité d’être modulées. Ainsi, l’inhibition de la L-LTP, suite à la sous-expression de Stau1, n’est pas simplement due à la perte d’éléments fonctionnels, mais réside plutôt dans l’incapacité de ceux-ci à induire les changements synaptiques spécifiquement nécessaires à la mise en place de la L-LTP. De plus, au niveau synaptique, la sous-expression de Stau1 réduit à la fois l’amplitude et la fréquence des mEPSC. Ces résultats concordent avec l’observation que la sous-expression de Stau1 augmente significativement la proportion d’épines allongées et filopodales, des épines formant des synapses dites silencieuses. Par le fait même, elle diminue le nombre d’épines fonctionnelles, de forme dite normale. Ainsi, nous avons été en mesure de démontrer que l’absence, au niveau neuronal, de la protéine Stau1 induisait un déficit probable dans la localisation et/ou la traduction d’ARNm responsable de la restructuration de l’épine et de facteurs nécessaires à la mise en place de la L-LTP. En conclusion, nous avons participé à lever le voile sur la composition et l’importance des complexes ribonucléoprotéiques de Stau1 et Stau2. Nous avons identifié des populations distinctes et communes d’ARNm associées aux différents isoformes de Stau, à partir des mRNP présents au sein des cellules HEK293. De plus, nous avons réussi à mettre à l’avant plan certaines composantes des mRNP neuronaux de Stau2, dont un partenaire protéique direct, hsc70, partenaire dont l’association est modulable par l’action de l’ATP, ainsi qu’une population neuronale de transcrits d’ARNm. Enfin, nous avons mis en lumière l’importance de Stau1 dans la morphologie des épines dendritiques ainsi que dans le phénomène de la plasticité synaptique.

Genetics of amyotrophic lateral sclerosis

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est la maladie des neurones moteurs la plus fréquente, affectant 4-6 individus par 100,000 habitants à l’échelle mondiale. La maladie se caractérise par une faiblesse et une atrophie musculaire suite à la dégénérescence des neurones du cortex moteur, tronc cérébral et moelle épinière. Les personnes atteintes développent les premiers symptômes à l’âge adulte et la maladie progresse sur une période de trois à cinq ans. Il a été répertorié qu’environ 10% des patients ont une histoire familiale de SLA; 90% des gens affectés le sont donc de façon sporadique. La découverte il y a 19 ans de mutations dans le gène zinc/copper superoxide dismutase (SOD1), présentes dans 15-20% des cas familiaux de SLA et environ 2% du total des individus affectés, a été l’événement déclencheur pour la découverte de variations génétiques responsables de la maladie. La recherche sur la génétique de la SLA a connu une progression rapide ces quatre dernières années avec l’identification de mutations dans de nouveaux gènes. Toutefois, même si certains de ces gènes ont été démontrés comme réellement liés à la maladie, la contribution d’autres gènes demeure incertaine puisque les résultats publiés de ceux-ci n’ont pas, à ce jour, été répliqués. Une portion substantielle de cas reste cependant à être génétiquement expliquée, et aucun traitement à ce jour n’a été démontré comme étant efficace pour remédier, atténuer ou prévenir la maladie. Le but du projet de recherche de doctorat était d’identifier de nouveaux gènes mutés dans la SLA, tout en évaluant la contribution de gènes nouvellement identifiés chez une importante cohorte multiethnique de cas familiaux et sporadiques. Les résultats présentés sont organisés en trois sections différentes. Dans un premier temps, la contribution de mutations présentes dans le gène FUS est évaluée chez les patients familiaux, sporadiques et juvéniles de SLA. Précisément, de nouvelles mutations sont rapportées et la proportion de mutations retrouvées chez les cas familiaux et sporadiques de SLA est évaluée. De plus, une nouvelle mutation est rapportée dans un cas juvénile de SLA; cette étude de cas est discutée. Dans un deuxième temps, de nouvelles avenues génétiques sont explorées concernant le gène SOD1. En effet, une nouvelle mutation complexe est rapportée chez une famille française de SLA. De plus, la possibilité qu’une mutation présente dans un autre gène impliqué dans la SLA ait un impact sur l’épissage du gène SOD1 est évaluée. Finalement, la dernière section explique la contribution de nouveaux gènes candidats chez les patients atteints de SLA. Spécifiquement, le rôle des gènes OPTN, SIGMAR1 et SORT1 dans le phénotype de SLA est évalué. Il est souhaité que nos résultats combinés avec les récents développements en génétique et biologie moléculaire permettent une meilleure compréhension du mécanisme pathologique responsable de cette terrible maladie tout en guidant le déploiement de thérapies suite à l’identification des cibles appropriées.

Regulation of excitotoxicity in thiamine deficiency : role of glutamate transporters.

L’excitotoxicité est un mécanisme physiopathologique majeur impliqué dans la pathogenèse de la déficience en thiamine (DT). Dans les régions cérébrales vulnérables à la DT, on observe une mort cellulaire induite par excitotoxicité dont l’origine semble être la conséquence d’une perturbation du métabolisme énergétique mitochondrial, d’une dépolarisation membranaire soutenue et d’une diminution de l’absorption du glutamate par les astrocytes suite à la diminution de l’expression des transporteurs EAAT1 et EAAT2. Il est clairement établi que le glutamate joue un rôle central dans l’excitotoxicité lors de la DT. Ainsi, la mise en évidence des mécanismes impliqués dans la diminution de l’expression des transporteurs du glutamate est essentielle à la compréhension de la physiopathologie de la DT. L’objectif de cette thèse consiste en l’étude de la régulation des transporteurs astrocytaires du glutamate et la mise au point de stratégies thérapeutiques ciblant la pathogenèse de l’excitotoxicité lors de l’encéphalopathie consécutive à la DT. Les principaux résultats de cette thèse démontrent des perturbations des transporteurs du glutamate à la fois dans des modèles animaux de DT et dans des astrocytes en culture soumis à une DT. La DT se caractérise par la perte du variant d’épissage GLT-1b codant pour un transporteur du glutamate dans le thalamus et le colliculus inférieur, les régions cérébrales affectées lors d’une DT, en l’absence de modification des niveaux d’ARNm. Ces résultats suggèrent une régulation post-transcriptionnelle de l’expression des transporteurs du glutamate en condition de DT. Les études basées sur l’utilisation d’inhibiteurs spécifiques des facteurs de transcription NFkB et de l’enzyme nucléaire poly(ADP)ribose polymérase-1 (PARP-1) démontrent que la régulation de l’expression du transporteur GLT-1 est sous le contrôle de voies de signalisation NFkB dépendantes de PARP-1. Cette étude démontre une augmentation de l’activation de PARP-1 et de NFkB dans les régions vulnérables chez le rat soumis à une DT et en culture d’astrocytes DT. L’inhibition pharmacologique du facteur de transcription NFkB par le PDTC induit une augmentation des niveaux d’expression de GLT-1, tandis que l’inhibition de PARP-1 par le DPQ conduit à l’inhibition de l’hyperactivation de NFkB observée lors de DT. L’ensemble de ces résultats met en évidence un nouveau mécanisme de régulation des transporteurs du glutamate par l’activation de PARP-1. L’accumulation de lactate est une caractéristique de la DT. Un traitement avec le milieu de culture d’astrocytes en condition de DT sur des cultures d’astrocytes naïfs induit une diminution de l’expression de GLT-1 ainsi qu’une inhibition de la capacité d’absorption du glutamate par les astrocytes naïfs. En revanche, l’administration de lactate exogène ne modifie pas le niveau d’expression protéique de GLT-1. Ainsi, des facteurs solubles autres que le lactate sont sécrétés par des astrocytes en condition de perturbation métabolique et peuvent potentiellement réguler l’activité des transporteurs du glutamate et contribuer à la pathogenèse du syncytium astroglial. En outre, la ceftriaxone, un antibiotique de la famille des β-lactamines, augmente de façon différentielle l’expression du variant-d’épissage GLT-1 dans le colliculus inférieur chez le rat DT et en culture d’astrocytes DT. Ces résultats suggèrent que la ceftriaxone peut constituer une avenue thérapeutique dans la régulation de l’activité des transporteurs du glutamate lors de DT. Pour conclure, la mort cellulaire d’origine excitotoxique lors de DT survient en conséquence d’une dysfonction mitochondriale associée à une perturbation du métabolisme énergétique cérébral. La modification de l’expression des transporteurs du gluatamate est sous le contrôle des voies de signalisation NFkB dépendantes du facteur PARP-1. De plus, l’inhibition métabolique et l’augmentation des sécrétions de lactate observées lors de DT peuvent également constituer un autre mécanisme physiopathologique expliquant la diminution d’expression des transporteurs de glutamate. Enfin, la ceftriaxone pourrait représenter une stratégie thérapeutique potentielle dans le traitement de la régulation de l’expression des transporteurs du glutamate et de la perte neuronale associés à l’excitotoxicité observée lors de DT.

Dopamine Receptor Gene Expression In Streptozotocin Induced Diabetic Rats And Its Role In Insulin Secretion

Diabetes Mellitus is a metabolic disorder associated with insulin deficiency, which not.only affects the carbohydrate metabolism but also is associated with various central and peripheral complications. Chronic hyperglycemia during diabetes mellitus is a major initiator of diabetic microvascular complications like retinopathy, neuropathy, The central nervous system (CNS) neurotransmitters play an important role in the regulation of glucose homeostasis. These neurotransmitters mediate rapid intracellular communications not only within the central nervous system but also in the peripheral tissues. They exert their function through receptors present in both neuronal and non neuronal cell surface that trigger second messenger signaling pathways. Dopamine is a neurotransmitter that has been implicated in various central neuronal degenerative disorders like Parkinson's disease and behavioral diseases like Schizophrenia. Dopamine is synthesised from tyrosine, stored in vesicles in axon terminals and released when the neuron is depolarised. Dopamine interacts with specific membrane receptors to produce its effect. Dopamine plays an important role both centrally and peripherally. The recent identification of five dopamine receptor subtypes provides a basis for understanding dopamine's central and peripheral actions . Dopamine receptors are classified into two major groups : DA D1 like and DA D2 like. Dopamine D1 like receptors consists of DA D1 and DA D5 receptors . Dopamine D2 like receptors consists of DA D2, DA D3 and DA D4 receptors. Stimulation of the DA D1 receptor gives rise to increased production of cAMP. Dopamine D2 receptors inhibit cAMP production, but activate the inositol phosphate second messenger system . Impairment of central dopamine neurotransmission causes muscle rigidity, hormonal regulation , thought disorder and cocaine addiction. Peripheral dopamine receptors mediate changes in blood flow, glomerular filtration rate, sodium excretion and catecholamine release. The dopamine D2 receptors increased in the corpus striatum and cerebral cortex but decreased in the hypothalamus and brain stem indicating their involvement in regulating insulin secretion. Dopamine D2 receptor which has a stimulatory effecton insulin secretion decreased in the pancreatic islets during diabetes. Our in vitro studies confirmed the stimulatory role of dopamine D2 receptors in stimulation of glucose induced insulin secretion. A detailed study at the molecular level on the mechanisms involved in the role of dopamine in insulin secretion, its functional modification could lead to therapeutic interventions that will have immense clinical importance.

DOPAMINE D2 RECEPTOR FUNCTIONAL REGULATION : cAMP AND IP3 ROLE IN PANCREATIC REGENERATION

The present study deals with the differential regulation of Dopamine content in pancreas and functional regulation of Dopamine D2 receptor in brain regions such as hypothalamus, brain stem, cerebral cortex and corpus striatum play an important role during pancreatic islets cell proliferation and insulin secretion. Though may reports are there implicating the functional interaction between DA receptor and pancreatic islets cell insulin secretion, the involvement of specific DA D2 receptors and changes in second messenger system during insulin secretion and pancreatic islets cell proliferation were not given emphasis. Down regulation of DA content in brain regions and pancreatic islets were observed during pancreatic regeneration. Up regulation of DA content in plasma and adrenals down regulated sympathetic activity in pancreas which cause an increase in insulin secretion and pancreatic islets cell proliferation during pancreatic regeneration. There was a differential regulation of DA D2 receptor in brain regions. The pancreatic islets DA D2 receptors were lip regulated during pancreatic regeneration. DA D2 receptor activation at specific concentration has accounted for increased pancreatic islets cell proliferation. In vitro experiments have proved the differential regulation of DA on insulin synthesis and pancreatic islets cell proliferation. Inhibitory effect of DA on cAMP and stimulatory effect of DA on IP3 through DA D2 receptors were observed in in vitro cell culture system. These effects are correlating with the DA, cAMP and IP3 content during pancreatic regeneration and islets cell proliferation. Up regulation of intracellular Ca2+ was also observed at 10-8 M DA, a specific concentration of DA which showed maximum increase of IP3 content in pancreatic islets through DA D2 receptor activation in in vitro culture. These in vitro data was highly correlating with the changes in DA, cAMP and IP3 content in pancreas during pancreatic regeneration and insulin secretion. Thus we conclude that there is a differential functional regulation of DA and DA D2 receptors in brain and pancreas during pancreatic regeneration. In vitro studies confirmed a concentration depend functional regulation of DA through DA D2 receptors on pancreatic islets cell proliferation and insulin secretion mediated through increased cAMP, IP3 and intracellular Ca2+ level. This will have immense clinical significance in the management in diabetes mellitus.

GABAA and GABAB Receptor Gene Expression and Functional Regulation During Pancreatic Regeneration and Insulin Secretion in Rats

The present study demonstrate the functional alterations of the GABAA and GABAB receptors and the gene expression during the regeneration of pancreas following partial pancreatectomy. The role of these receptors in insulin secretion and pancreatic DNA synthesis using the specific agonists and antagonists also are studied in vitro. The alterations of GABAA and GABAR receptor function and gene expression in the brain stem, crebellum and hypothalamus play an important role in the sympathetic regulation of insulin secretion during pancreatic regeneration. Previous studies have given much information linking functional interaction between GABA and the peripheral nervous system. The involvement of specific receptor subtypes functional regulation during pancreatic regeneration has not given emphasis and research in this area seems to be scarce. We have observed a decreased GABA content, down regulation of GABAA receptors and an up regulation of GABAB receptors in the cerebral cortex, brain stem and hypothalamus. Real Time-PCR analysis confirmed the receptor data in the brain regions. These alterations in the GABAA and GABAB receptors of the brain are suggested to govern the regenerative response and growth regulation of the pancreas through sympathetic innervation. In addition, receptor binding studies and Real Time-PCR analysis revealed that during pancreatic regeneration GABAA receptors were down regulated and GABAB receptors were up regulated in pancreatic islets. This suggests an inhibitory role for GABAA receptors in islet cell proliferation i.e., the down regulation of this receptor facilitates proliferation. Insulin secretion study during 1 hour showed GABA has inhibited the insulin secretion in a dose dependent manner in normal and hyperglycaemic conditions. Bicuculline did not antagonize this effect. GABAA agonist, muscimol inhibited glucose stimulated insulin secretion from pancreatic islets except in the lowest concentration of 1O-9M in presence of 4mM glucose.Musclmol enhanced insulin secretion at 10-7 and 10-4M muscimol in presence of 20mM glucose- 4mM glucose represents normal and 20mM represent hyperglycaemic conditions. GABAB agonist, baclofen also inhibited glucose induced insulin secretion and enhanced at the concentration of 1O-5M at 4mM glucose and at 10-9M baclofen in presence of 20mM glucose. This shows a differential control of the GABAA and GABAB receptors over insulin release from the pancreatic islets. During 24 hours in vitro insulin secretion study it showed that low concentration of GABA has inhibited glucose stimulated insulin secretion from pancreatic islets. Muscimol, the GABAA agonist, inhibited the insulin secretion but, gave an enhanced secretion of insulin in presence of 4mM glucose at 10-7 , 10-5 and 1O-4M muscimol. But in presence of 20mM glucose muscimol significantly inhibited the insulin secretion. GABAB agonist, baclofen also inhibited glucose induced insulin secretion in presence of both 4mM and 20mM glucose. This shows the inhibitory role of GABA and its specific receptor subtypes over insulin synthesis from pancreatic bete-islets. In vitro DNA synthesis studies showed that activation of GABAA receptor by adding muscimol, a specific agonist, inhibited islet DNA synthesis. Also, the addition of baclofen, a specific agonist of GABAB receptor resulted in the stimulation of DNA synthesis.Thus the brain and pancreatic GABAA and GABAB receptor gene expression differentially regulates pancreatic insulin secretion and islet cell proliferation during pancreatic regeneration. This will have immense clinical significance in therapeutic applications in the management of Diabetes mellitus.