rSec6 and rSec8, mammalian homologs of yeast proteins essential for secretion.

Many of the molecules necessary for neurotransmission are homologous to proteins involved in the Golgi-to-plasma membrane stage of the yeast secretory pathway. Of 15 genes known to be essential for the later stages of vesicle trafficking in yeast, 7 have no identified mammalian homologs. These include the yeast SEC6, SEC8, and SEC15 genes, whose products are constituents of a 19.5S particle that interacts with the GTP-binding protein Sec4p. Here we report the sequences of rSec6 and rSec8, rat homologs of Sec6p and Sec8p. The rSec6 cDNA is predicted to encode an 87-kDa protein with 22% amino acid identity to Sec6p, and the rSec8 cDNA is predicted to encode a 110-kDa protein which is 20% identical to Sec8p. Northern blot analysis indicates that rSec6 and rSec8 are expressed in similar tissues. Immunodetection reveals that rSec8 is part of a soluble 17S particle in brain. COS cell cotransfection studies demonstrate that rSec8 colocalizes with the GTP-binding protein Rab3a and syntaxin 1a, two proteins involved in synaptic vesicle docking and fusion at the presynaptic terminal. These data suggest that rSec8 is a component of a high molecular weight complex which may participate in the regulation of vesicle docking and fusion in brain.

The vesicular monoamine transporter 2 is present in small synaptic vesicles and preferentially localizes to large dense core vesicles in rat solitary tract nuclei.

In central neurons, monamine neurotransmitters are taken up and stored within two distinct classes of regulated secretory vesicles: small synaptic vesicles and large dense core vesicles (DCVs). Biochemical and pharmacological evidence has shown that this uptake is mediated by specific vesicular monamine transporters (VMATs). Recent molecular cloning techniques have identified the vesicular monoamine transporter (VMAT2) that is expressed in brain. This transporter determines the sites of intracellular storage of monoamines and has been implicated in both the modulation of normal monoaminergic neurotransmission and the pathogenesis of related neuropsychiatric disease. We used an antiserum against VMAT2 to examine its ultrastructural distribution in rat solitary tract nuclei, a region that contains a dense and heterogeneous population of monoaminergic neurons. We find that both immunoperoxidase and immunogold labeling for VMAT2 localize to DCVs and small synaptic vesicles in axon terminals, the trans-Golgi network of neuronal perikarya, tubulovesicles of smooth endoplasmic reticulum, and potential sites of vesicular membrane recycling. In axon terminals, immunogold labeling for VMAT2 was preferentially associated with DCVs at sites distant from typical synaptic junctions. The results provide direct evidence that a single VMAT is expressed in two morphologically distinct types of regulated secretory vesicles in central monoaminergic neurons.

Amyloid precursor protein processing is stimulated by metabotropic glutamate receptors.

Stimulation of muscarinic m1 or m3 receptors can, by generating diacylglycerol and activating protein kinase C, accelerate the breakdown of the amyloid precursor protein (APP) to form soluble, nonamyloidogenic derivatives (APPs), as previously shown. This relationship has been demonstrated in human glioma and neuroblastoma cells, as well as in transfected human embryonic kidney 293 cells and PC-12 cells. We now provide evidence that stimulation of metabotropic glutamate receptors (mGluRs), which also are coupled to phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate hydrolysis, similarly accelerates processing of APP into nonamyloidogenic APPs. This process is demonstrated both in hippocampal neurons derived from fetal rats and in human embryonic kidney 293 cells transfected with cDNA expression constructs encoding the mGluR 1 alpha subtype. In hippocampal neurons, both an mGluR antagonist, L-(+)-2-amino-3-phosphonopropionic acid, and an inhibitor of protein kinase C, GF 109203X, blocked the APPs release evoked by glutamate receptor stimulation. Ionotropic glutamate agonists, N-methyl-D-aspartate or S(-)-5-fluorowillardiine, failed to affect APPs release. These data show that selective mGluR agonists that initiate signal-transduction events can regulate APP processing in bona fide primary neurons and transfected cells. As glutamatergic neurons in the cortex and hippocampus are damaged in Alzheimer disease, amyloid production in these regions may be enhanced by deficits in glutamatergic neurotransmission.

Presynaptic modulation of cortical synaptic activity by calcineurin.

Synaptic plasticity is modulated by Ca(2+)-induced alterations in the balance between phosphorylation and dephosphorylation. Recent evidence suggests that calcineurin, the Ca(2+)-calmodulin-dependent phosphatase (2B), modulates the activity of postsynaptic glutamate receptors. However, in rat cortex, calcineurin is enriched mainly in presynaptic, not postsynaptic, fractions. To determine if calcineurin modulates glutamatergic neurotransmission through a presynaptic mechanism, we used whole-cell patch clamp experiments to test effects of two specific calcineurin inhibitors, cyclosporin A (CsA) and FK506, on synaptic activity in fetal rat cortical neurons. The rate of spontaneous action-potential firing was markedly increased by either CsA or FK506 but was unaffected by rapamycin, a structural analog of FK506 which has no effect on calcineurin. In voltage-clamp experiments, CsA increased the rate but not the amplitude of glutamate receptor-mediated, excitatory postsynaptic currents, suggesting an increased rate of glutamate release. CsA had no effect on the amplitude of currents evoked by brief bath application of selective glutamate receptor agonists, providing further evidence for a pre- rather than postsynaptic site of action. In conclusion, these data indicate that calcineurin modulates glutamatergic neurotransmission in rat cortical neurons through a presynaptic mechanism.

Bridging grafts and transient nerve growth factor infusions promote long-term central nervous system neuronal rescue and partial functional recovery.

Grafts of favorable axonal growth substrates were combined with transient nerve growth factor (NGF) infusions to promote morphological and functional recovery in the adult rat brain after lesions of the septohippocampal projection. Long-term septal cholinergic neuronal rescue and partial hippocampal reinnervation were achieved, resulting in partial functional recovery on a simple task assessing habituation but not on a more complex task assessing spatial reference memory. Control animals that received transient NGF infusions without axonal-growth-promoting grafts lacked behavioral recovery but also showed long-term septal neuronal rescue. These findings indicate that (i) partial recovery from central nervous system injury can be induced by both preventing host neuronal loss and promoting host axonal regrowth and (ii) long-term neuronal loss can be prevented with transient NGF infusions.

D-serine, an endogenous synaptic modulator: localization to astrocytes and glutamate-stimulated release.

Using an antibody highly specific for D-serine conjugated to glutaraldehyde, we have localized endogenous D-serine in rat brain. Highest levels of D-serine immunoreactivity occur in the gray matter of the cerebral cortex, hippocampus, anterior olfactory nucleus, olfactory tubercle, and amygdala. Localizations of D-serine immunoreactivity correlate closely with those of D-serine binding to the glycine modulatory site of the N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor as visualized by autoradiography and are inversely correlated to the presence of D-amino acid oxidase. D-Serine is enriched in process-bearing glial cells in neuropil with the morphology of protoplasmic astrocytes. In glial cultures of rat cerebral cortex, D-serine is enriched in type 2 astrocytes. The release of D-serine from these cultures is stimulated by agonists of non-NMDA glutamate receptors, suggesting a mechanism by which astrocyte-derived D-serine could modulate neurotransmission. D-Serine appears to be the endogenous ligand for the glycine site of NMDA receptors.

Regulatory region in choline acetyltransferase gene directs developmental and tissue-specific expression in transgenic mice.

Acetylcholine, one of the main neurotransmitters in the nervous system, is synthesized by the enzyme choline acetyltransferase (ChAT; acetyl-CoA:choline O-acetyltransferase, EC 2.3.1.6). The molecular mechanisms controlling the establishment, maintenance, and plasticity of the cholinergic phenotype in vivo are largely unknown. A previous report showed that a 3800-bp, but not a 1450-bp, 5' flanking segment from the rat ChAT gene promoter directed cell type-specific expression of a reporter gene in cholinergic cells in vitro. Now we have characterized a distal regulatory region of the ChAT gene that confers cholinergic specificity on a heterologous downstream promoter in a cholinergic cell line and in transgenic mice. A 2342-bp segment from the 5' flanking region of the ChAT gene behaved as an enhancer in cholinergic cells but as a repressor in noncholinergic cells in an orientation-independent manner. Combined with a heterologous basal promoter, this fragment targeted transgene expression to several cholinergic regions of the central nervous system of transgenic mice, including basal forebrain, cortex, pons, and spinal cord. In eight independent transgenic lines, the pattern of transgene expression paralleled qualitatively and quantitatively that displayed by endogenous ChAT mRNA in various regions of the rat central nervous system. In the lumbar enlargement of the spinal cord, 85-90% of the transgene expression was targeted to the ventral part of the cord, where cholinergic alpha-motor neurons are located. Transgene expression in the spinal cord was developmentally regulated and responded to nerve injury in a similar way as the endogenous ChAT gene, indicating that the 2342-bp regulatory sequence contains elements controlling the plasticity of the cholinergic phenotype in developing and injured neurons.

Avaliação do efeito de polimorfismos genéticos com a dependência à nicotina

Introdução: A identificação de variantes genéticas que predispõem a maior susceptibilidade à dependência à nicotina pode ser importante para a prevenção e o tratamento do tabagismo. No contexto de medicina personalizada, os principais objetivos do presente estudo foram avaliar se polimorfismos nos genes CHRNA2, CHRNA3, CHRNA5 e CHRNB3 estão associados com o nível de dependência em indivíduos fumantes e com o resultado do tratamento antitabágico. Métodos: Estudo de coorte com 1049 pacientes fumantes que receberam tratamento farmacológico (vareniclina, vareniclina e bupropiona, bupropiona e/ou terapia de reposição nicotínica). O sucesso na cessação tabágica foi considerado para os pacientes que completaram 6 meses de abstinência contínua. O teste de Fagerström para a dependência à nicotina (FTND) e o escore de consumo situacional Issa foram utilizados para avaliar a dependência à nicotina. A escala de conforto PAF foi utilizada para avaliar o conforto do paciente durante o tratamento. Os polimorfismos CHRNA2 rs2472553, CHRNA3 rs1051730, CHRNA5 rs16969968, CHRNA5 rs2036527 e CHRNB3 rs6474413 foram genotipados pela análise da curva de melting. Resultados: As mulheres portadoras dos genótipos GA e AA para os polimorfismos CHRNA5 rs16969968 e rs2036527 obtiveram maior taxa de sucesso no tratamento antitabagismo: 44,0% e 56,3% (rs16969968), 41,5% e 56,5% (rs2036527), respectivamente; em comparação com as mulheres portadoras do genótipo GG: 35,7% (rs16969968) e 34,8% (rs2036527), (P=0,03; n=389; P=0,01; n=391). Os genótipos GA ou AA para os rs16969968 e rs2036527 foram associados com maior OR para o sucesso em mulheres (OR=1,63; IC 95%=1,04-2,54; P=0,03 e OR=1,59; IC 95%=1,02-2,48; P=0,04; respectivamente), em um modelo multivariado. Não foi encontrada associação dos polimorfismos no gene CHRNA5 com o escore de FTND. Para os polimorfismos CHRNA2 rs2472553, CHRNA3 rs1051730 e CHRNB3 rs6474413 não foram encontradas associações significativas com os fenótipos estudados. Conclusão: Os polimorfismos rs16969968 e rs2036527 no gene CHRNA5 foram associados com maior taxa de sucesso no tratamento antitabagismo em mulheres. Estes resultados podem contribuir com avanços na terapêutica baseada em medicina personalizada

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Wnt/β-catenin Signaling Regulates Regeneration in Diverse Tissues of the Zebrafish

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Getting muscles moving again after botulinum toxin: novel therapeutic challenges

The use of botulinum neurotoxins for the treatment of muscle hyperactivity and spasticity disorders has been remarkably successful, owing to the abilities of the toxins to elicit prolonged localized paralysis and the rarity of serious adverse effects. However, botulinum toxins are the most deadly protein toxins known, and existing antidotes possess limited effectiveness. Paradoxically, in situ, the intoxicated motoneuron does not die. It reacts by emanating a sprouting network known to implement new functional synapses, leading to resumption of neurotransmission. Recent studies have highlighted ways of accelerating this natural recovery process to overcome paralysis successfully. Developing new therapeutic strategies and treatments for botulism will require more research into the molecular understanding of this 'naturally occurring' recovery process.

Genes and gene expression in the brain of the alcoholic

Chronic alcoholism leads to localized brain damage, which is prominent in superior frontal cortex but mild in motor cortex. The likelihood of developing alcohol dependence is associated with genetic markers. GABA(A) receptor expression differs between alcoholics and controls, whereas glutamate receptor differences are muted. We determined whether genotype differentiated the localized expression of glutamate and gamma-aminobutyric acid (GABA) receptors to influence the severity of alcohol-induced brain damage. Cerebrocortical tissue was obtained at autopsy from alcoholics without alcohol-related disease, alcoholics with cirrhosis, and matched controls. DRD2A, DRD2B, GABB2, EAAT2, and 5HTT genotypes did not divide alcoholic cases and controls on N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor parameters. In contrast, alcohol dehydrogenase (ADH)3 genotype interacted significantly with NMDA receptor efficacy and affinity in a region-specific manner. EAAT2 genotype interacted significantly with local GABAA receptor subunit mRNA expression, and GABB2 and DRD2B genotypes with p subunit isoform protein expression. Genotype may modulate amino acid transmission locally so as to mediate neuronal vulnerability. This has implications for the effectiveness of pharmacological interventions aimed at ameliorating brain damage and, possibly, dependence. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved

Glutamate-mediated excitotoxicity and neurodegeneration in Alzheimer's disease

Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia, accounting for 60-70% of cases in subjects over 65 years of age. Several postulates have been put forward that relate AD neuropathology to intellectual and functional impairment. These range from free-radical-induced damage, through cholinergic dysfunction, to beta-amyloid-induced toxicity. However, therapeutic strategies aimed at improving the cognitive symptoms of patients via choline supplementation, cholinergic stimulation or beta-amyloid vaccination, have largely failed. A growing body of evidence suggests that perturbations in systems using the excitatory amino acid L-glutamate (L-Glu) may underlie the pathogenic mechanisms of (e.g.) hypoxia-ischemia, epilepsy, and chronic neurodegenerative disorders such as Huntington's disease and AD. Almost all neurons in the CNS carry the N-methyl-D-aspartate (NMDA) subtype of ionotropic L-glutamate receptors, which can mediate post-synaptic Ca2+ influx. Excitotoxicity resulting from excessive activation of NMDA receptors may enhance the localized vulnerability of neurons in a manner consistent with AD neuropathology, as a consequence of an altered regional distribution of NMDA receptor subtypes. This review discusses mechanisms for the involvement of the NMDA receptor complex and its interaction with polyamines in the pathogenesis of AD. NMDA receptor antagonists have potential for the therapeutic amelioration of AD. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.