Dying neurons in thalamus of asphyxiated term newborns and rats are autophagic

Enjeu: Déterminer si la macroautophagie est activée de façon excessive dans les neurones en souffrance dans l'encéphalopathie anoxique-ischémique du nouveau-né à terme. Contexte de la recherche: L'encéphalopathie anoxique-ischémique suite à une asphyxie néonatale est associée à une morbidité neurologique à long terme. Une diminution de son incidence reste difficile, son primum movens étant soudain, imprévisible voire non identifiable. Le développement d'un traitement pharmacologique neuroprotecteur post-anoxie reste un défi car les mécanismes impliqués dans la dégénérescence neuronale sont multiples, interconnectés et encore insuffisamment compris. En effet, il ressort des études animales que la notion dichotomique de mort cellulaire apoptotique (type 1)/nécrotique (type 3) est insuffisante. Une même cellule peut présenter des caractéristiques morphologiques mixtes non seulement d'apoptose et de nécrose mais aussi parfois de mort autophagique (type 2) plus récemment décrite. L'autophagie est un processus physiologique normal et essentiel de dégradation de matériel intracellulaire par les enzymes lysosomales. La macroautophagie, nommée simplement autophagie par la suite, consiste en la séquestration de parties de cytosol à éliminer (protéines et organelles) dans des compartiments intermédiaires, les autophagosomes, puis en leur fusion avec des lysosomes pour former des autolysosomes. Dans certaines conditions de stress telles que l'hypoxie et l'excitoxicité, une activité autophagique anormalement élevée peut être impliquée dans la mort cellulaire soit comme un mécanisme de mort indépendant (autodigestion excessive correspondante à la mort cellulaire de type 2) soit en activant d'autres voies de mort comme celles de l'apoptose. Description de l'article: Ce travail examine la présence de l'autophagie et son lien avec la mort cellulaire dans les neurones d'une région cérébrale fréquemment atteinte chez le nouveau- né humain décédé après une asphyxie néonatale sévère, le thalamus ventro-latéral. Ces résultats ont été comparés à ceux obtenus dans un modèle d'hypoxie-ischémie cérébrale chez le raton de 7 jours (dont le cerveau serait comparable à celui d'un nouveau-né humain de 34-37 semaines de gestation). Au total 11 nouveau-nés à terme décédés peu après la naissance ont été rétrospectivement sélectionnés, dont 5 présentant une encéphalopathie hypoxique- ischémique sévère et 6 décédés d'une cause autre que l'asphyxie choisis comme cas contrôle. L'autophagie et l'apoptose neuronale ont été évaluées sur la base d'une étude immunohistochimique et d'imagerie confocale de coupes histologiques en utilisant des marqueurs tels que LC3 (protéine dont la forme LC3-II est liée à la membrane des autophagosomes), p62/SQSTM1 (protéine spécifiquement dégradée par autophagie), LAMP1 (protéine membranaire des lysosomes et des autolysosomes), Cathepsin D ou B (enzymes lysosomales), TUNEL (détection de la fragmentation de l'ADN se produisant lors de l'apoptose), CASPASE-3 activée (protéase effectrice de l'apoptose) et PGP9.5 (protéine spécifique aux neurones). Chez le raton l'étude a pu être étendue en utilisant d'autres méthodes complémentaires telles que la microscopie électronique et le Western-blot. Une quantification des différents marqueurs montre une augmentation statistiquement significative de l'autophagie neuronale dans les cas d'asphyxie par rapport aux cas contrôles chez l'humain comme chez le raton. En cas d'asphyxie, les mêmes neurones expriment une densité accrue d'autophagosomes et d'autolysosomes par rapport aux cas contrôles. De plus, les neurones hautement autophagiques présentent des caractéristiques de l'apoptose. Conclusion: Cette étude montre, pour la première fois, que les neurones thalamiques lésés en cas d'encéphalopathie hypoxique-ischémique sévère présentent un niveau anormalement élevé d'activité autophagique comme démontré chez le raton hypoxique-ischémique. Ce travail permet ainsi de mettre en avant l'importance de considérer l'autophagie comme acteur dans la mort neuronale survenant après asphyxie néonatale. Perspectives: Récemment un certain nombre d'études in vitro ou sur des modèles d'ischémie cérébrale chez les rongeurs suggèrent un rôle important de la macroautophagie dans la mort neuronale. Ainsi, l'inhibition spécifique de la macroautophagie devrait donc être envisagée dans le futur développement des stratégies neuroprotectrices visant à protéger le cerveau des nouveau-nés à terme suite à une asphyxie.

Identification of neuronal network properties from the spectral analysis of calcium imaging signals in neuronal cultures

Neuronal networks in vitro are prominent systems to study the development of connections in living neuronal networks and the interplay between connectivity, activity and function. These cultured networks show a rich spontaneous activity that evolves concurrently with the connectivity of the underlying network. In this work we monitor the development of neuronal cultures, and record their activity using calcium fluorescence imaging. We use spectral analysis to characterize global dynamical and structural traits of the neuronal cultures. We first observe that the power spectrum can be used as a signature of the state of the network, for instance when inhibition is active or silent, as well as a measure of the network's connectivity strength. Second, the power spectrum identifies prominent developmental changes in the network such as GABAA switch. And third, the analysis of the spatial distribution of the spectral density, in experiments with a controlled disintegration of the network through CNQX, an AMPA-glutamate receptor antagonist in excitatory neurons, reveals the existence of communities of strongly connected, highly active neurons that display synchronous oscillations. Our work illustrates the interest of spectral analysis for the study of in vitro networks, and its potential use as a network-state indicator, for instance to compare healthy and diseased neuronal networks.

Targeted inactivation of hypocretin receptors in dopaminergic and noradrenergic systems alters brain activity in wakefulness

Since the discovery of hypocretins/orexins (Hcrt/Ox) in 1998, several narcoleptic mouse models, such as Hcrt-KO, Hcrtrl-KO, Hcrtr2-KO and double receptors KO mice, and orexin-ataxin transgenic mice were generated. The available Hcrt mouse models do not allow the dissection of the specific role of Hcrt in each target region. Dr. Anne Vassalli generated loxP-flanked alleles for each Hcrt receptor, which are manipulated by Cre recombinase to generate mouse lines with disrupted Hcrtrl or Hcrtr2 (or both) in cell type-specific manner. The role of noradrenaline (NA) and dopamine (OA) in ttie regulation of vigilance states is well documented. The purpose of this thesis is to explore the role of the Hcrt input into these two monoaminergic systems. Chronic loss of Hcrtrl in NA neurons consolidated paradoxical sleep (PS), and altered wakefulness brain activity in baseline, during the sleep deprivation (SD), and when mice were challenged by a novel environment, or exposed to nest-building material. The analysis of alterations in the sleep EEG delta power showed a consistent correlation with the changes in the preceding waking quality in these mice. Targeted inactivation of Hcrt input into DA neurons showed that Hcrtr2 inactivation present the strongest phenotype. The loss of Hcrtr2 in DA neurons caused modified brain activities in spontaneous wakefulness, during SD, and in novel environmental conditions. In addition to alteration of wakefulness quality and quantity, conditional inactivation of Hcrtr2 in DA neurons caused an increased in time spent in PS in baseline and a delayed and less complete PS recovery after SD. In the first 30 min of sleep recovery, single (i.e. for Hcrtrl or Hcrtr2) conditional knockout receptor mice had opposite changes in delta activity, including an increased power density in the fast delta range with specific inactivation of Hcrtr2, but a decreased power density in the same range with specific inactivation of Hcrtrl in DA cells. These studies demonstrate a complex impact of Hcrt receptors signaling in both NA and DA system, not only on quantity and quality of wakefulness, but also on PS amount regulation as well as on SWS delta power expression. -- Depuis la découverte des hypocrétines/orexines (Hcrt/Ox) en 1998, plusieurs modèles de souris, narcoleptiques telles que Hcrt-KO, Hcrtr2-KO et récepteurs doubles KO et les souris transgéniques orexine-ataxine ont été générés. Les modèles de souris Hcrt disponibles ne permettaient pas la dissection du rôle spécifique de l'Hcrt dans chaque noyau neuronal cible. Notre laboratoire a généré des allèles loxP pour chacun des 2 gènes codant pour les récepteurs Hcrtr, qui sont manipulés par recombinase Cre pour générer des lignées de souris avec Hcrtrl inactivé, ou Hcrtr2 inactivé, (ou les deux), spécifiquement dans un type cellulaire particulier. Le rôle de la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA) dans la régulation des états de vigilance est bien documentée. Le but de cette thèse est d'étudier le rôle de l'afférence Hcrt dans ces deux systèmes monoaminergiques au niveau de l'activité cérébrale telle qu'elle apparaît dans l'électroencéphalogramme (EEG). Mon travail montre que la perte chronique de Hcrtrl dans les neurones NA consolide le sommeil paradoxal (PS), et l'activité cérébrale de l'éveil est modifiée en condition spontanée, au cours d'une experience de privation de sommeil (SD), et lorsque les souris sont présentées à un nouvel environnement, ou exposées à des matériaux de construction du nid. Ces modifications de l'éveil sont corrélées à des modifications de puissance de l'activité delta du sommeil lent qui le suit. L'inactivation ciblée des Hcrtrs dans les neurones DA a montré que l'inactivation Hcrtr2 conduit au phénotype le plus marqué. La perte de Hcrtr2 dans les neurones DA mène à des modification d'activité cérébrale en éveil spontané, pendant SD, ainsi que dans des conditions environnementales nouvelles. En plus de l'altération de la qualité de l'éveil et de la quantité, l'inactivation conditionnelle de Hcrtr2 dans les neurones DA a provoqué une augmentation du temps passé en sommeil paradoxal (PS) en condition de base, et une reprise retardée et moins complète du PS après SD. Dans les 30 premières minutes de la récupération de sommeil, les modèles inactivés pour un seul des récepteurs (ie pour Hcrtrl ou Hcrtr2 seulement) montrent des changements opposés en activité delta, en particulier une densité de puissance accrue dans le delta rapide avec l'inactivation spécifique de Hcrtr2, mais une densité de puissance diminuée dans cette même gamme chez les souris inactivées spécifiquement en Hcrtrl dans les neurones DA. Ces études démontrent un impact complexe de l'inactivation de la neurotransmission au niveau des récepteurs d'Hcrt dans les deux compartiments NA et DA, non seulement sur la quantité et la qualité de l'éveil, mais aussi sur la régulation de quantité de sommeil paradoxal, ainsi que sur l'expression de la puissance delta pendant le sommeil lent.

Efficacy of the fluorescent dyes Fast Blue, Fluoro-Gold, and Diamidino Yellow for retrograde tracing to dorsal root ganglia after subcutaneous injection

The present study was designed to investigate the efficacy of the fluorescent dyes Fast Blue (FB), Fluoro-Gold (FG), and Diamidino Yellow (DY) for retrograde tracing of lumbar dorsal root ganglia after their subcutaneous injection into different hindlimb digits. Injection of equal volumes (0.5 mu l) of 5% FB or 2% FG resulted in similar mean numbers of sensory neurones labelled by each tracer. Injection of equal volumes (0.5 mu l) of FB or FG in a single digit followed 10 days later by a second injection of the same volume of 5% DY into the same digit resulted in similar mean numbers of labelled sensory neurones for each of the three tracers. Furthermore, on average, 75% of all the FB-labelled cells and 74% of all FC-labelled cells also contained DY. Repeating the same experiment with an increased volume of DY (1.5 mu l) resulted in an increase in the mean number of double-labelled profiles to 82 and 84% for FB and FG, respectively. The results show that FB, FG and DY label similar numbers of cutaneous afferents and that a high level of double labelling may be obtained after sequential injections in digits. These properties make them suitable candidates in investigations where a combination of tracers with similar labelling efficacies is needed.

Induced pluripotent stem cells as a promising tool to study the effect of interleukin-22 in multiple sclerosis

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie démyélinisante du système nerveux central (SNC) provoquant des pertes motrices, sensitives et cognitives. La SEP se déclare chez le jeune adulte ayant des prédispositions génétiques, mais semble induite, par des facteurs environnementaux. La SEP touche principalement les femmes et sa prévalence dans les zones à haut risque, tel que la Suisse, est de 0.1%. Bien que son étiologie exacte reste méconnue, nous savons que la maladie est médiée par des lymphocytes T autoréactifs périphériques, qui infiltrent le SNC où ils activent d'autres cellules immunitaires ainsi que les cellules du SNC elles-mêmes, créant un foyer inflammatoire, qui va attaquer et finir par tuer les oligodendrocytes et les neurones. Les épisodes inflammatoires sont entrecoupés par des phases de rémission associées à une guérison partielle des lésions. Cette première phase de la maladie, comprenant des épisodes inflammatoires et de rémissions est appelé SEP récurrente-rémittente (SEP-RR) et touche 90% des patients. Elle évolue, dans deux-tiers des cas, vers une SEP secondaire progressive (SEP-SP), qui est caractérisée par une progression constante de la maladie, associée à une réduction de l'inflammation mais une augmentation de la neurodégénérescence. Les patients souffrants de SEP primaire progressive (SEP-PP) développent directement les symptômes de la phase progressive de la maladie. Les thérapies disponibles ont considérablement amélioré l'évolution de la maladie des patients SEP-RR, en agissant sur une diminution de la réponse immunitaire et donc de l'inflammation. Cependant, ces traitements sont inefficaces chez les patients SEP-SP et SEP-PP, n'agissant pas sur la neurodégénérescence. IL-22, une cytokine sécrétée notoirement par les cellules Th17, a été associée à la SEP en contribuant à la perméabilisation de la barrière hémato-encéphalique et à l'inflammation du SNC, qui sont des étapes clés de la pathogenèse de la maladie. En outre, le gène codant pour un inhibiteur puissant d'IL- 22, 'IL-22 binding protein' (IL-22BP), a été démontré comme un facteur de risque de la SEP. Ces indices nous ont poussés à nous intéresser de plus près au rôle de l'IL-22 dans la SEP. Nous avons pu montrer qu'IL-22 et IL-22BP étaient augmentées dans le sang des patients SEP par rapport à des sujets sains. Nous avons trouvé qu'IL-22 cible spécifiquement les astrocytes dans le SNC et que son récepteur est particulièrement exprimé dans les lésions des patient SEP. Contre toute attente, nous avons pu montrer que l'IL-22 semble soutenir la survie des astrocytes. Cette découverte, suggérant qu'IL-22 serait protecteur pour le SNC et pour la SEP, confirme de récentes publications et ouvre la voie à de potentielles applications thérapeutiques. En parallèle, dans le but de mieux comprendre l'immunopathogenèse de la SEP, nous avons développé les techniques de culture de cellules souches pluripotentes induites (iPSC). Nos iPSC sont dérivées du sang des donneurs et acquièrent toutes les propriétés des cellules souches embryonnaires après induction. Les iPSC peuvent ensuite être différenciées en différents types de cellules, dont les cellules du SNC. Nous avons ainsi pu obtenir avec succès des neurones, dérivés de cellules du sang, en passant par le stade des iPSC. La prochaine étape consiste à générer des cultures d'astrocytes et d'oligodendrocytes et ainsi obtenir les principales cellules du SNC, le but étant de former de véritables 'cerveaux-en-culture'. Cet outil semble particulièrement adapté à l'étude de l'activité de diverses molécules sur les cellules du SNC, comme par exemple l'IL-22 et d'autres molécules ayant un potentiel intérêt thérapeutique au niveau du SNC. Le but ultime étant de développer des co-cultures de cellules du SNC avec des cellules immunitaires autologues, de patients SEP et de sujets sains, afin de mettre en évidence l'attaque des cellules du SNC par des leucocytes autoréactifs. Ce projet prospectif a permis d'accroître nos connaissance sur des aspects immunitaires de la SEP et à pour but de mieux comprendre l'immunopathogenèse de la SEP afin d'élaborer de nouvelles stratégies thérapeutiques. -- La sclérose en plaques est une maladie auto-inflammatoire du système nerveux central conduisant à la destruction de la myéline, indispensable à la conduction nerveuse, et finalement à la mort des neurones eux-mêmes. Cela a pour conséquence des pertes motrices, sensorielles et cognitives, qui ont tendance à s'aggraver au fil de la maladie. Elle se déclare chez le jeune adulte, entre l'âge de 20 et 40 ans, et prédomine chez la femme. En Suisse, environ une personne sur l'OOO est atteinte de sclérose en plaques. Les causes exactes de cette maladie, qui incluent des facteurs génétiques et environnementaux, sont encore mal connues. Des traitements de plus en plus efficaces ont été développés ces dernières années et ont permis de drastiquement améliorer l'évolution de la maladie chez les patients atteints de sclérose en plaques. Cependant, ces traitements ne sont efficaces que sur certaines catégories de patients et peuvent engendrer de lourds effets secondaires. Ces thérapies agissent presque exclusivement sur les cellules du système immunitaire en les désactivant partiellement, mais pas sur les cellules nerveuses, qui sont pourtant celles qui conditionnent le devenir du patient. Le développement de médicaments protégeant ou permettant la régénération des cellules du système nerveux central est donc primordial. L'étude de l'interleukine-22 nous a permis de montrer que cette cytokine ('hormone' du système immunitaire) pouvait cibler spécifiquement les astrocytes, des cellules gliales qui jouent un rôle central dans le maintien de l'équilibre du système nerveux central. Nos recherches ont montré que cette interleukine-22 permettrait une meilleure survie des astrocytes durant la phase aiguë de la maladie et aurait aussi des propriétés neuroprotectrices. En parallèle, nous sommes en train de développer un nouveau modèle in vitro d'étude de la sclérose en plaques grâce à la technologie des cellules souches pluripotentes induites. Ces cellules souches sont induites à partir de cellules du sang du donneur et acquièrent toutes les caractéristiques des cellules souches embryonnaires présentes dans un organisme en formation. Ainsi, ces cellules souches pluripotentes ont, par exemple, la capacité de se différencier en cellules du système nerveux central. Nous avons pu, de cette manière, obtenir des neurones. Le but ultime serait de pouvoir reconstituer une ébauche de cerveau in vitro, en cultivant ensemble différents types de cellules du système nerveux central, afin d'y réaliser des expériences avec des cellules immunitaires du même donneur. Ces travaux ont pour but d'améliorer notre compréhension de la pathogenèse de la sclérose en plaques et de permettre le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. --Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease of the central nervous system leading to cognitive, sensitive and motor disabilities. MS occurs in genetically predisposed young adults with probable environmental triggers. MS affects predominantly women and its prevalence in high risk area such as Switzerland is 0.1%. Though its exact aetiology remains undetermined, we know that autoreactive T cells from de periphery are reactivated and recruited into the central nervous system (CNS) were they further activate other immune cells and resident cells, creating inflammatory foci, where oligodendrocytes and neurons are insulted and, eventually, killed. Inflammatory episodes, called relapses, are interspersed with remission phases where partial recovery of the lesions occurs. This first phase of the disease, occurring in 90% of the patients, is called relapsing-remitting MS (RR-MS) and is leading, in two-third of the cases, to secondary-progressive MS (SP-MS), where there is a continuous steady progression of the disease, associated with reduced inflammation but increased neurodegeneration. Primary-progressive MS (PP-MS) patients experience directly this progressive phase of the disease. Whereas disease modifying therapies have dramatically ameliorated the disease course of RR-MS patients by dampening immunity and, in turn, inflammation, treatments of SP-MS and PP-MS patients, who suffer primarily from the neurodegenerative aspect of the disease, are still inexistent. IL-22, a pro-inflammatory Th17 cell cytokine, has been associated with MS by participating to blood-brain barrier infiltration and CNS inflammation, which are crucial steps in MS pathogenesis. In addition, the gene coding for IL-22 binding protein (IL-22BP), which is a potent secreted IL-22 inhibitor, has been associated with MS risk. These findings call for further investigation on the role of IL-22 in MS. We detected increased IL-22 and IL-22BP in the blood of MS patients as compared to healthy controls. Acting exclusively on cells of nonhematopoietic origin, we found that IL-22 targets specifically astrocytes in the CNS and that its receptor is highly expressed in the lesion of MS patients. Unexpectedly, we found that IL-22 seems to promote survival of astrocytes. This finding, suggesting that IL-22 might be protective for the CNS in the context of MS, is consistent with recent publications and might open putative therapeutic applications at the CNS level. In parallel, with the aim of better understanding the immunopathogenesis of MS, we developed induced pluripotent stem cell (iPSC) techniques. IPSC are derived from blood cells of the donors and bear embryonic stem cell properties. IPSC can be differentiated into various cell types including CNS cells. We successfully obtained neurons derived from the donor blood cells, through iPSC. We further aim at developing astrocytes and oligodendrocytes cultures to recreate a 'brain-in-a-dish'. This would be a powerful tool to test the activity of various compounds on CNS cells, including IL-22 and other putative neuroprotective drugs. Ultimately, the goal is to develop co-cultures of CNS cells with autologous immune cells of MS patients as well as healthy controls to try to expose evidence of CNS cells targeted by autoreactive leukocytes. This prospective project has increased our knowledge of immune aspects of MS and further aims at better understanding the immunopathology of MS in order to pave the way to the elaboration of new therapeutic strategies.

Neuropathogenesis in glutaric aciduria type I and methylmalonic aciduria

Glutaric aciduria type-I (GA-I) and methylmalonic aciduria (MMA-uria) are two neurometabolic diseases manifesting in neonatal period and early childhood. They belong to the group of organic acidurias and are caused by defects in the catabolism of amino acids, leading to massive accumulation of toxic metabolites in the body and severe brain injury. Therapeutic strategies are mainly based on reversing catabolic state during metabolic crisis and dietary protein restriction that both aim to prevent extra production of toxic metabolites. Specific and neuroprotective treatments are missing because the mechanisms of brain damage in these diseases are only poorly understood. The principal objective of my work was to develop in vitro models for both diseases aiming at elucidation of toxic effects of the main metabolites accumulating in GA-I (glutaric acid (GA) and 3-hydroxy glutaric acid (3-OHGA)) and MMA-uria (methylmalonic acid (MMA), propionic acid (PA) and 2-methylcitric acid (2-MCA)) on developing brain cells, and to study the cellular pathways targeted by these deleterious effects in order to find new therapeutic potentials. We used re-aggregated embryonic rat brain cells in organotypic 3D cultures, which were exposed to toxic metabolites at different developing stages of the cultures. In parallel, we studied the cellular localization of the defected enzyme in GA-I, glutaryl-CoA dehydrogenase (GCDH), in the brain and peripheral tissues of rats in adulthood and during embryonic development. GCDH expression: GCDH showed a strong neuronal expression in embryonic central and peripheral nervous system. In the adult brain, GCDH expression was exclusively neuronal with the strongest signal in cerebral cortex and Purkinje cells. GCDH expression was homogenous in embryonic peripheral organs with high levels in intestinal mucosa at late stages. Strong GCDH expression was also observed in liver and intestinal mucosa and with lower intensity in muscles, convoluted renal tubules and renal collecting tubes in adult peripheral organs. GA-I and MMA-uria in vitro models: 3-OHGA (for GA-I) and 2-MCA (for MMA-uria) showed the most deleterious effects at early stages of the cultures with morphological and biochemical alterations and induction of cell death. 3-OHGA and 2-MCA caused astrocytic cell suffering reflected by astrocytic fiber loss and swelling and retardation in oligodendrocytic maturation and/or differentiation. High ammonium increase concomitant with glutamine decrease was observed in these cultures. Neurons were not substantially affected. Our studies revealed that brain-cell generated ammonia may play a role in the neuropathogenesis of these diseases. Thus, developing neuroprotective strategies that target ammonium toxicity in the brain of GA-I and MMA-uria patients might be important according to our findings. -- L'acidurie glutarique de type I (GA-I) et l'acidurie méthylmalonique (MMA-urie) sont deux maladies neurométaboliques se manifestant durant la période néonatale ou la petite enfance, et qui appartiennent aux aciduries organiques. Elles sont causées par des défauts dans le catabolisme des acides aminés, conduisant à une accumulation des métabolites toxiques dans le corps et aussi des lésions cérébrales sévères. Le traitement est limité à une prise en charge d'urgence pendant la crise métabolique et à une diète restreinte en protéines naturelles. Des traitements spécifiques, neuroprotecteurs manquent principalement parce que les mécanismes conduisant aux lésions cérébrales dans ces maladies sont peu connus. L'objectif principal de mon travail était d'élucider les effets toxiques des métabolites accumulés dans GA-I (l'acide glutarique (GA) et l'acide 3-hydroxyglutarique (3-OHGA)) et MMA-uria (l'acide méthylmalonique (MMA), l'acide propionique (PA) et l'acide 2-méthylcitrique(2-MCA) sur les cellules du cerveau ainsi que les voies cellulaires impliquées, dans le but de trouver de potentielles nouvelles stratégies thérapeutiques. Nous avons utilisé un modèle in vitro de cultures 3D de cellules de cerveau d'embryons de rat (en développement) en les exposant aux métabolites toxiques à différents stades de développement des cultures. En parallèle, nous avons étudié la localisation cellulaire de l'enzyme déficiente dans GA-I, la CoA-glutarly déshydrogénase (GCDH), dans le cerveau et les organes périphériques des rats adultes et pendant le développement embryonnaire. L'expression de GCDH: GCDH a montré une expression neuronale forte dans le système nerveux chez l'embryon et le cerveau adulte. L'expression était homogène dans les organes périphériques avec une forte expression dans l'intestin. Les modèles in vitro de GA-I et MMA-uria : 3-OHGA en modèle GA-I et 2-MCA en modèle MMA-uria ont montré les effets délétères les plus importants avec des altérations morphologiques des cellules et biochimiques dans le milieu de culture et l'induction de mort cellulaire non-apoptotique (3-OHGA) ou apoptotique (2-MCA). 3-OHGA et 2-MCA ont provoqué une souffrance astrocytaire avec perte des fibres et gonflement et un retard de maturation et/ou de différentiation des oligodendrocytes. Une augmentation importante d'ammonium avec une diminution concomitante de glutamine a été observée dans les cultures. Les neurones n'étaient pas vraiment affectés. Nos études ont révélé que l'ammonium généré par les cellules cérébrales pourrait jouer un rôle dans la neuropathogenèse de ces deux maladies. Par conséquent, développer des stratégies neuroprotectrices ciblant la toxicité de l'ammonium dans le cerveau des patients atteints de GA-I ou MMA-urie pourrait être très important selon nos résultats.

Prenatal Exposure to DEHP Affects Spermatogenesis and Sperm DNA Methylation in a Strain-Dependent Manner.

Di-(2-ethylhexyl)phtalate (DEHP) is a plasticizer with endocrine disrupting properties found ubiquitously in the environment and altering reproduction in rodents. Here we investigated the impact of prenatal exposure to DEHP on spermatogenesis and DNA sperm methylation in two distinct, selected, and sequenced mice strains. FVB/N and C57BL/6J mice were orally exposed to 300 mg/kg/day of DEHP from gestation day 9 to 19. Prenatal DEHP exposure significantly decreased spermatogenesis in C57BL/6J (fold-change = 0.6, p-value = 8.7*10-4), but not in FVB/N (fold-change = 1, p-value = 0.9). The number of differentially methylated regions (DMRs) by DEHP-exposure across the entire genome showed increased hyper- and decreased hypo-methylation in C57BL/6J compared to FVB/N. At the promoter level, three important subsets of genes were massively affected. Promoters of vomeronasal and olfactory receptors coding genes globally followed the same trend, more pronounced in the C57BL/6J strain, of being hyper-methylated in DEHP related conditions. In contrast, a large set of micro-RNAs were hypo-methylated, with a trend more pronounced in the FVB/N strain. We additionally analyze both the presence of functional genetic variations within genes that were associated with the detected DMRs and that could be involved in spermatogenesis, and DMRs related with the DEHP exposure that affected both strains in an opposite manner. The major finding in this study indicates that prenatal exposure to DEHP can decrease spermatogenesis in a strain-dependent manner and affects sperm DNA methylation in promoters of large sets of genes putatively involved in both sperm chemotaxis and post-transcriptional regulatory mechanisms.

Different flavors of Toll guide olfaction.

Toll-like receptors are historically linked to immunity across animal phyla, but accumulating evidence suggests they play additional roles in neuronal networks and in cell-cell interactions. Ward and colleagues now identify Toll-6 and Toll-7 as instructive guidance cues during Drosophila olfactory development.

Characterization of an antennal carboxylesterase from the pest moth Spodoptera littoralis degrading a host plant odorant.

Background: Carboxyl/cholinesterases (CCEs) are highly diversified in insects. These enzymes have a broad range of proposed functions, in neuro/developmental processes, dietary detoxification, insecticide resistance or hormone/pheromone degradation. As few functional data are available on purified or recombinant CCEs, the physiological role of most of these enzymes is unknown. Concerning their role in olfaction, only two CCEs able to metabolize sex pheromones have been functionally characterized in insects. These enzymes are only expressed in the male antennae, and secreted into the lumen of the pheromone-sensitive sensilla. CCEs able to hydrolyze other odorants than sex pheromones, such as plant volatiles, have not been identified. Methodology: In Spodoptera littoralis, a major crop pest, a diversity of antennal CCEs has been previously identified. We have employed here a combination of molecular biology, biochemistry and electrophysiology approaches to functionally characterize an intracellular CCE, SlCXE10, whose predominant expression in the olfactory sensilla suggested a role in olfaction. A recombinant protein was produced using the baculovirus system and we tested its catabolic properties towards a plant volatile and the sex pheromone components. Conclusion: We showed that SlCXE10 could efficiently hydrolyze a green leaf volatile and to a lesser extent the sex pheromone components. The transcript level in male antennae was also strongly induced by exposure to this plant odorant. In antennae, SlCXE10 expression was associated with sensilla responding to the sex pheromones and to plant odours. These results suggest that a CCE-based intracellular metabolism of odorants could occur in insect antennae, in addition to the extracellular metabolism occurring within the sensillar lumen. This is the first functional characterization of an Odorant- Degrading Enzyme active towards a host plant volatile.

A signaling mechanism coupling netrin-1/deleted in colorectal cancer chemoattraction to SNARE-mediated exocytosis in axonal growth cones

Directed cell migration and axonal guidance are essential steps in neural development. Both processes are controlled by specific guidance cues that activate the signaling cascades that ultimately control cytoskeletal dynamics. Another essential step in migration and axonal guidance is the regulation of plasmalemma turnover and exocytosis in leading edges and growth cones. However, the cross talk mechanisms linking guidance receptors and membrane exocytosis are not understood. Netrin-1 is a chemoattractive cue required for the formation of commissural pathways. Here, we show that the Netrin-1 receptor deleted in colorectal cancer (DCC) forms a protein complex with the t-SNARE (target SNARE) protein Syntaxin-1 (Sytx1). This interaction is Netrin-1 dependent both in vitro and in vivo, and requires specific Sytx1 and DCC domains. Blockade of Sytx1 function by using botulinum toxins abolished Netrin-1-dependent chemoattraction of axons in mouse neuronal cultures. Similar loss-of-function experiments in the chicken spinal cord in vivo using dominant-negative Sytx1 constructs or RNAi led to defects in commissural axon pathfinding reminiscent to those described in Netrin-1 and DCC loss-of-function models. We also show that Netrin-1 elicits exocytosis at growth cones in a Sytx1-dependent manner. Moreover, we demonstrate that the Sytx1/DCC complex associates with the v-SNARE (vesicle SNARE) tetanus neurotoxin-insensitive vesicle-associated membrane protein (TI-VAMP) and that knockdown of TI-VAMP in the commissural pathway in the spinal cord results in aberrant axonal guidance phenotypes. Our data provide evidence of a new signaling mechanism that couples chemotropic Netrin-1/DCC axonal guidance and Sytx1/TI-VAMP SNARE proteins regulating membrane turnover and exocytosis.

Uncovering the functional constraints underlying the genomic organisation of the Odorant-Binding Protein genes

Animal olfactory systems have a critical role for the survival and reproduction of individuals. In insects, the odorant-binding proteins (OBPs) are encoded by a moderately sized gene family, and mediate the first steps of the olfactory processing. Most OBPs are organized in clusters of a few paralogs, which are conserved over time. Currently, the biological mechanism explaining the close physical proximity among OBPs is not yet established. Here, we conducted a comprehensive study aiming to gain insights into the mechanisms underlying the OBP genomic organization. We found that the OBP clusters are embedded within large conserved arrangements. These organizations also include other non-OBP genes, which often encode proteins integral to plasma membrane. Moreover, the conservation degree of such large clusters is related to the following: 1) the promoter architecture of the confined genes, 2) a characteristic transcriptional environment, and 3) the chromatin conformation of the chromosomal region. Our results suggest that chromatin domains may restrict the location of OBP genes to regions having the appropriate transcriptional environment, leading to the OBP cluster structure. However, the appropriate transcriptional environment for OBP and the other neighbor genes is not dominated by reduced levels of expression noise. Indeed, the stochastic fluctuations in the OBP transcript abundance may have a critical role in the combinatorial nature of the olfactory coding process.

A signaling mechanism coupling netrin-1/deleted in colorectal cancer chemoattraction to SNARE-mediated exocytosis in axonal growth cones

Directed cell migration and axonal guidance are essential steps in neural development. Both processes are controlled by specific guidance cues that activate the signaling cascades that ultimately control cytoskeletal dynamics. Another essential step in migration and axonal guidance is the regulation of plasmalemma turnover and exocytosis in leading edges and growth cones. However, the cross talk mechanisms linking guidance receptors and membrane exocytosis are not understood. Netrin-1 is a chemoattractive cue required for the formation of commissural pathways. Here, we show that the Netrin-1 receptor deleted in colorectal cancer (DCC) forms a protein complex with the t-SNARE (target SNARE) protein Syntaxin-1 (Sytx1). This interaction is Netrin-1 dependent both in vitro and in vivo, and requires specific Sytx1 and DCC domains. Blockade of Sytx1 function by using botulinum toxins abolished Netrin-1-dependent chemoattraction of axons in mouse neuronal cultures. Similar loss-of-function experiments in the chicken spinal cord in vivo using dominant-negative Sytx1 constructs or RNAi led to defects in commissural axon pathfinding reminiscent to those described in Netrin-1 and DCC loss-of-function models. We also show that Netrin-1 elicits exocytosis at growth cones in a Sytx1-dependent manner. Moreover, we demonstrate that the Sytx1/DCC complex associates with the v-SNARE (vesicle SNARE) tetanus neurotoxin-insensitive vesicle-associated membrane protein (TI-VAMP) and that knockdown of TI-VAMP in the commissural pathway in the spinal cord results in aberrant axonal guidance phenotypes. Our data provide evidence of a new signaling mechanism that couples chemotropic Netrin-1/DCC axonal guidance and Sytx1/TI-VAMP SNARE proteins regulating membrane turnover and exocytosis.

A signaling mechanism coupling netrin-1/deleted in colorectal cancer chemoattraction to SNARE-mediated exocytosis in axonal growth cones

Directed cell migration and axonal guidance are essential steps in neural development. Both processes are controlled by specific guidance cues that activate the signaling cascades that ultimately control cytoskeletal dynamics. Another essential step in migration and axonal guidance is the regulation of plasmalemma turnover and exocytosis in leading edges and growth cones. However, the cross talk mechanisms linking guidance receptors and membrane exocytosis are not understood. Netrin-1 is a chemoattractive cue required for the formation of commissural pathways. Here, we show that the Netrin-1 receptor deleted in colorectal cancer (DCC) forms a protein complex with the t-SNARE (target SNARE) protein Syntaxin-1 (Sytx1). This interaction is Netrin-1 dependent both in vitro and in vivo, and requires specific Sytx1 and DCC domains. Blockade of Sytx1 function by using botulinum toxins abolished Netrin-1-dependent chemoattraction of axons in mouse neuronal cultures. Similar loss-of-function experiments in the chicken spinal cord in vivo using dominant-negative Sytx1 constructs or RNAi led to defects in commissural axon pathfinding reminiscent to those described in Netrin-1 and DCC loss-of-function models. We also show that Netrin-1 elicits exocytosis at growth cones in a Sytx1-dependent manner. Moreover, we demonstrate that the Sytx1/DCC complex associates with the v-SNARE (vesicle SNARE) tetanus neurotoxin-insensitive vesicle-associated membrane protein (TI-VAMP) and that knockdown of TI-VAMP in the commissural pathway in the spinal cord results in aberrant axonal guidance phenotypes. Our data provide evidence of a new signaling mechanism that couples chemotropic Netrin-1/DCC axonal guidance and Sytx1/TI-VAMP SNARE proteins regulating membrane turnover and exocytosis.

Identification of pyridine analogs as new predator-derived kairomones.

In the wild, animals have developed survival strategies relying on their senses. The individual ability to identify threatening situations is crucial and leads to increase in the overall fitness of the species. Rodents, for example have developed in their nasal cavities specialized olfactory neurons implicated in the detection of volatile cues encoding for impending danger such as predator scents or alarm pheromones. In particular, the neurons of the Grueneberg ganglion (GG), an olfactory subsystem, are implicated in the detection of danger cues sharing a similar chemical signature, a heterocyclic sulfur- or nitrogen-containing motif. Here we used a "from the wild to the lab" approach to identify new molecules that are involuntarily emitted by predators and that initiate fear-related responses in the recipient animal, the putative prey. We collected urines from carnivores as sources of predator scents and first verified their impact on the blood pressure of the mice. With this approach, the urine of the mountain lion emerged as the most potent source of chemical stress. We then identified in this biological fluid, new volatile cues with characteristic GG-related fingerprints, in particular the methylated pyridine structures, 2,4-lutidine and its analogs. We finally verified their encoded danger quality and demonstrated their ability to mimic the effects of the predator urine on GG neurons, on mice blood pressure and in behavioral experiments. In summary, we were able to identify here, with the use of an integrative approach, new relevant molecules, the pyridine analogs, implicated in interspecies danger communication.

Dendritic Spine Abnormalities in Hippocampal CA1 Pyramidal Neurons Underlying Memory Deficits in the SAMP8 Mouse Model of Alzheimer's Disease

SAMP8 is a strain of mice with accelerated senescence. These mice have recently been the focus of attention as they show several alterations that have also been described in Alzheimer"s disease (AD) patients. The number of dendritic spines, spine plasticity, and morphology are basic to memory formation. In AD, the density of dendritic spines is severely decreased. We studied memory alterations using the object recognition test. We measured levels of synaptophysin as a marker of neurotransmission and used Golgi staining to quantify and characterize the number and morphology of dendritic spines in SAMP8 mice and in SAMR1 as control animals. While there were no memory differences at 3 months of age, the memory of both 6- and 9-month-old SAMP8 mice was impaired in comparison with age-matched SAMR1 mice or young SAMP8 mice. In addition, synaptophysin levels were not altered in young SAMP8 animals, but SAMP8 aged 6 and 9 months had less synaptophysin than SAMR1 controls and also less than 3-month-old SAMP8 mice. Moreover, while spine density remained stable with age in SAMR1 mice, the number of spines started to decrease in SAMP8 animals at 6 months, only to get worse at 9 months. Our results show that from 6 months onwards SAMP8 mice show impaired memory. This age coincides with that at which the levels of synaptophysin and spine density decrease. Thus, we conclude that together with other studies that describe several alterations at similar ages, SAMP8 mice are a very suitable model for studying AD.