Roles of astrocytic sodium dynamics in the neurometabolic coupling : a study by cellular imaging

RESUME LARGE PUBLIC Le système nerveux central est principalement composé de deux types de cellules :les neurones et les cellules gliales. Ces dernières, bien que l'emportant en nombre sur les neurones, ont longtemps été considérées comme des cellules sans intérêts par les neuroscientifiques. Hors, les connaissances modernes à leurs sujets indiquent qu'elles participent à la plupart des tâches physiologiques du cerveau. Plus particulièrement, elles prennent part aux processus énergétiques cérébraux. Ceux-ci, en plus d'être vitaux, sont particulièrement intrigants puisque le cerveau représente seulement 2 % de la masse corporelle mais consomme environ 25 % du glucose (substrat énergétique) corporel. Les astrocytes, un type de cellules gliales, jouent un rôle primordial dans cette formidable utilisation de glucose par le cerveau. En effet, l'activité neuronale (transmission de l'influx nerveux) est accompagnée d'une augmentation de la capture de glucose, issu de la circulation sanguine, par les astrocytes. Ce phénomène est appelé le «couplage neurométabolique » entre neurones et astrocytes. L'ion sodium fait partie des mécanismes cellulaires entrant en fonction lors de ces processus. Ainsi, dans le cadre de cette thèse, les aspects dynamiques de la régulation du sodium astrocytaire et leurs implications dans le couplage neurométabolique ont été étudiés par des techniques d'imagerie cellulaires. Ces études ont démontré que les mitochondries, machineries cellulaires convertissant l'énergie contenue dans le glucose, participent à la régulation du sodium astrocytaire. De plus, ce travail de thèse a permis de découvrir que les astrocytes sont capables de se transmettre, sous forme de vagues de sodium se propageant de cellules en cellules, un message donnant l'ordre d'accroître leur consommation d'énergie. Cette voie de signalisation leur permettrait de fournir de l'énergie aux neurones suite à leur activation. RESUME Le glutamate libéré dans la fente synaptique pendant l'activité neuronale, est éliminé par les astrocytes environnants. Le glutamate est co-transporté avec des ions sodiques, induisant une augmentation intracellulaire de sodium (Na+i) dans les astrocytes. Cette élévation de Na+i déclenche une cascade de mécanismes moléculaires qui aboutissent à la production de substrats énergétiques pouvant être utilisés par les neurones. Durant cette thèse, la mesure simultanée du sodium mitochondrial (Na+mit) et cytosolique par des techniques d'imagerie utilisant des sondes fluorescentes spécifiques, a indiqué que les variations de Na+i induites par le transport du glutamate sont transmises aux mitochondries. De plus, les voies d'entrée et de sortie du sodium mitochondrial ont été identifiées. L'échangeur de Na+ et de Ca2+ mitochondrial semble jouer un rôle primordial dans l'influx de Na+mit, alors que l'efflux de Na+mit est pris en charge par l'échangeur de Na+ et de H+ mitochondrial. L'étude du Na+mit a nécessité l'utilisation d'un système de photoactivation. Les sources de lumière ultraviolette (UV) classiques utilisées à cet effet (lasers, lampes à flash) ayant plusieurs désavantages, une alternative efficace et peu coûteuse a été développée. Il s'agit d'un système compact utilisant une diode électroluminescente (LED) à haute puissance et de longueur d'onde de 365nm. En plus de leurs rôles dans le couplage neurométabolique, les astrocytes participent à la signalisation multicellulaire en transmettant des vagues intercellulaires de calcium. Ce travail de thèse démontre également que des vagues intercellulaires de sodium peuvent être évoquées en parallèle à ces vagues calciques. Le glutamate, suite à sa libération par un mécanisme dépendent du calcium, est réabsorbé par les transporteurs au glutamate. Ce mécanisme a pour conséquence la génération de vagues sodiques se propageant de cellules en cellules. De plus, ces vagues sodiques sont corrélées spatialement avec une consommation accrue de glucose par les astrocytes. En conclusion, ce travail de thèse a permis de montrer que le signal sodique astrocytaire, déclenché en réponse au glutamate, se propage à la fois de façon intracellulaire aux mitochondries et de façon intercellulaire. Ces résultats suggèrent que les astrocytes fonctionnent comme un réseau de cellules nécessaire au couplage énergétique concerté entre neurones et astrocytes et que le sodium est un élément clé dans les mécanismes de signalisations cellulaires sous-jacents. SUMMARY Glutamate, released in the synaptic cleft during neuronal activity, is removed by surrounding astrocytes. Glutamate is taken-up with Na+ ions by specific transporters, inducing an intracellular Na+ (Na+i) elevation in astrocytes which triggers a cascade of molecular mechanisms that provides metabolic substrates to neurons. Thus, astrocytic Na+i homeostasis represents a key component of the so-called neurometabolic coupling. In this context, the first part of this thesis work was aimed at investigating whether cytosolic Na+ changes are transmitted to mitochondria, which could therefore influence their function and contribute to the overall intracellular Na+ regulation. Simultaneous monitoring of both mitochondrial Na+ (Na+mit) and cytosolic Na+ changes with fluorescent dyes revealed that glutamate-evoked cytosolic Na+ elevations are indeed transmitted to mitochondria. The mitochondrial Na+/Ca2+ exchangers have a prominent role in the regulation of Na+mit influx pathway, and Na+mit extrusion appears to be mediated by Na+/H+ exchangers. To demonstrate the implication of Na+/Ca2+ exchangers, this study has required the technical development of an UV-flash photolysis system. Because light sources for flash photolysis have to be powerful and in the near UV range, the use of UV lasers or flash lamps is usually required. As an alternative to these UV sources that have several drawbaks, we developped a compact, efficient and lowcost flash photolysis system which employs a high power 365nm light emitting diode. In addition to their role in neurometabolic coupling, astrocytes participate in multicellular signaling by transmitting intercellular Ca2+ waves. The third part of this thesis show that intercellular Na+ waves can be evoked in parallel to Ca2+ waves. Glutamate released by a Ca2+ wave-dependent mechanism is taken up by glutamate transporters, resulting in a regenerative propagation of cytosolic Na+ increases. Na+ waves in turn lead to a spatially correlated increase in glucose uptake. In conclusion, the present thesis demonstrates that glutamate-induced Na+ changes occurring in the cytosol of astrocytes propagate to both the mitochondrial matrix and the astrocytic network. These results furthermore support the view that astrocytic Na+ is a signal coupled to the brain energy metabolism.

Thymic stromal lymphopoietin plays divergent roles in murine models of atopic and nonatopic airway inflammation.

BACKGROUND: Thymic stromal lymphopoietin (TSLP) is a cytokine primarily produced by epithelial cells, which has been shown to be a potent inducer of T-helper 2 (Th2)-type responses. However, TSLP has pleiotropic effects upon immune cells, and although extensively studied in the context of atopic asthma, its relevance as a therapeutic target and its role in the pathogenesis of nonatopic asthma remains unknown. We sought to investigate the role of TSLP in atopic, nonatopic and viral-induced exacerbations of pulmonary inflammation. METHODS: Using stringently defined murine models of atopic, nonatopic and virally exacerbated forms of pulmonary inflammation, we compared inflammatory responses of C57BL/6 wild-type (WT) and TSLP receptor-deficient (TSLPR KO) mice. RESULTS: Thymic stromal lymphopoietin receptor (TSLPR) signaling was crucial for the development of atopic asthma. Specifically, TSLPR signaling to lung recruited CD4+ T cells enhanced eosinophilia, goblet cell hyperplasia, and overall inflammation within the airways. In contrast, the absence of TSLPR signaling was associated with strikingly exaggerated pulmonary neutrophilic inflammation in a nonatopic model of airway inflammation. The inflammation was associated with excessive levels of interleukin (IL)-17A in the lungs, indicating that TSLP negatively regulates IL-17A. In addition, in a model of influenza-induced exacerbation of atopic airway inflammation, the absence of TSLPR signaling also led to exaggerated neutrophilic inflammation. CONCLUSION: Thymic stromal lymphopoietin plays divergent roles in the pathogenesis of atopic and nonatopic asthma phenotypes by either enhancing Th2 responses or curtailing T-helper 17 responses. These findings raise important caveats for the design of therapeutic interventions targeting TSLP in asthma.

The effect of obesity, age, puberty and gender on resting metabolic rate in children and adolescents.

During puberty fat-free mass (FFM) and fat mass (FM) change quickly and these changes are influenced by sex and obesity. Since it is not completely known how these changes affect resting metabolic rate (RMR), the aim of the present study was to investigate the effect of body composition, age, sex and pubertal development of postabsorptive RMR in 9.5- to 16.5- year-old obese and non-obese children. Postabsorptive RMR was measured in a sample of 371 pre- and postpubertal children comprising 193 males (116 non-obese and 77 obese) and 178 females (119 non-obese and 59 obese). RMR was assessed by indirect calorimetry using a ventilated hood system for 45 min after an overnight fast. Body composition (FFM and FM) was estimated from skinfold measurements. The mean (+/- SD) RMR was significantly (P < 0.001) lower in non-obese (males: 5600 +/- 972 kJ/24 h; females: 5112 +/- 632 kJ/24 h) than in obese (males: 7223 +/- 1220 kJ/24 h; females: 6665 +/- 1106 kJ/24 h) children. This difference became non-significant when RMR was adjusted for body composition (FFM+FM). However, the difference between the genders still remained significant (control male: 6118 +/- 507, control female: 5652 +/- 507, P < 0.001; obese male: 6256 +/- 507, obese female: 5818 +/- 507 kJ/24 h, P < 0.001). The main determinant of RMR was FFM. In the whole cohort. FFM explained 79.8% of the variation in RMR, followed by age, gender and FM adding further 3.8%, 1.1% and 0.8% to the predictability of RMR, respectively. No significant contribution for study group (obese, non-obese), pubertal stage, or fat distribution was found in the regression for RMR. The adjusted value of RMR (for FFM and FM) slightly, but significantly (P < 0.01) decreased between the age of 10-16 years, demonstrating the important effect of age on RMR. CONCLUSIONS: The resting metabolic rate of obese and control children is not different when adjusted for body composition. The main determinant of RMR is the fat-free mass, however, age, gender and fat mass are also significant factors. Pubertal development and fat distribution do not influence RMR independently from the changes in body composition.

The ambiguous disruption of gender-role expectations in the law and the lady name

The main purpose of this research project is to analyse the major female figures in Wilkie Collins' work of fiction The Law and the Lady, in relation to the times in which the novel was produced and the situation of women in the Victorian era. After taking into account the major events of the life of the author, as well as the sociohistorical conditions of the Victorian period, I try to reach conclusions about whether the author challenges gender-role expectations, presenting the readers with a new form of femininity, of if, on the contrary, he preserves and maintains a conservative, traditional perspective of femininity and female conventions proper to the established parameters of the times in which he lived. Keywords:

CARDIAC AND MUSCLE CHANNELOPATHIES: ROLES AND REGULATION OF VOLTAGE-GATED SODIUM CHANNELS

Abstract :The contraction of the heart or skeletal muscles is mainly due to the propagation, through excitable cells, of an electrical influx called action potential (AP). The AP results from the sequential opening of ion channels that generate inward or outward currents through the cell membrane. Among all the channels involved, the voltage-gated sodium channel is responsible for the rising phase of the action potential. Ten genes encode the different isoforms of these channels (from Nav1.1 to Nav1.9 and an atypical channel named NavX). Nav1.4 and Nav1.5 are the main skeletal muscle and cardiac sodium channels respectively. Their importance for muscle and heart function has been highlighted by the description of mutations in their encoding genes SCN4A and SCNSA. They lead respectively to neuromuscular disorders such as myotonia or paralysis (for Nav1.4), and to cardiac arrhythmias that can deteriorate into sudden cardiac death (for Nav1.5).The general aim of my PhD work has been to study diseases linked with channels dysfunction, also called channelopathies. In that purpose, I investigated the function and the regulation of the muscle and cardiac voltage-gated sodium channels. During the two first studies, I characterized the effects of two mutations affecting Nav1.4 and Nav1.5 function. I used the HEK293 model cells to express wild-type or mutant channels and then studied their biophysical properties with the patch-clamp technique, in whole cell configuration. We found that the SCN4A mutation produced complex alterations of the muscle sodium channel function, that could explain the myotonic phenotype described in patients carrying the mutation. In the second study, the index case was an heterozygous carrier of a SCNSA mutation that leads to a "loss of function" of the channel. The decreased sodium current measured with mutated Nay 1.5 channels, at physiological temperature, was a one of the factors that could explain the observed Brugada syndrome. The last project aimed at identifying a new potential protein interacting with the cardiac sodium channel. We found that the protein SAP97 binds the three last amino-acids of the C-terminus of Na,, 1.5. Our results also indicated that silencing the expression of SAP97 in HEK293 cells decreased the sodium current. Sodium channels lacking their three last residues also produced a reduced INa. These preliminary results suggest that SAP97 is implicated in the regulation of sodium channel. Whether this effect is direct or imply the action of an adaptor protein remains to be investigated. Moreover, our group has previously shown that Nav1.5 channels are localized to lateral membranes of cardiomyocytes by the dystrophin multiprotein complex (DMC). This suggests that sodium channels are distributed in, at least, two different pools: one targeted at lateral membranes by DMC and the other at intercalated discs by another protein such as SAP97.These studies reveal that cardiac and muscle diseases may result from ion channel mutations but also from regulatory proteins affecting their regulation.Résumé :La contraction des muscles et du coeur est principalement due à la propagation, à travers les cellules excitables, d'un stimulus électrique appelé potentiel d'action (PA). C'est l'ouverture séquentielle de plusieurs canaux ioniques transmembranaires, permettant l'entrée ou la sortie d'ions dans la cellule, qui est à l'origine de ce PA. Parmi tous les canaux ioniques impliqués dans ce processus, les canaux sodiques dépendant du voltage sont responsables de la première phase du potentiel d'action. Les différentes isoformes de ces canaux (de Nav1.1 à Nav1.9 et NavX) sont codées par dix gènes distincts. Nav1.4 et Nav1.5 sont les principaux variants exprimés respectivement dans le muscle et le coeur. Plusieurs mutations ont été décrites dans les gènes qui codent pour ces deux canaux: SCN4A (pour Nav1.4) et SCNSA (pour Nav1.5). Elles sont impliquées dans des pathologies neuromusculaires telles que des paralysies ou myotonies (SCN4A) ou des arythmies cardiaques pouvant conduire à la mort subite cardiaque (SCNSA).Mon travail de thèse a consisté à étudier les maladies liées aux dysfonctionnements de ces canaux, aussi appelées canalopathies. J'ai ainsi analysé la fonction et la régulation des canaux sodiques dépendant du voltage dans le muscle squelettique et le coeur. A travers les deux premières études, j'ai ainsi pu examiner les conséquences de deux mutations affectant respectivement les canaux Nav1.4 et Nav1.5. Les canaux sauvages ou mutants ont été exprimés dans des cellules HEK293 afin de caractériser leurs propriétés biophysiques par la technique du patch clamp en configuration cellule entière. Nous avons pu déterminer que la mutation trouvée dans le gène SCN4A engendrait des modifications importantes de la fonction du canal musculaire. Ces altérations fournissent des indications nous permettant d'expliquer certains aspects de la myotonie observée chez les membres de la famille étudiée. Le patient présenté dans la deuxième étude était hétérozygote pour la mutation identifiée dans le gène SCNSA. La perte de fonction des canaux Nav1.5 ainsi engendrée, a été observée lors d'analyses à températures physiologiques. Elle représente l'un des éléments pouvant potentiellement expliquer le syndrome de Brugada du patient. La dernière étude a consisté à identifier une nouvelle protéine impliquée dans la régulation du canal sodique cardiaque. Nos expériences ont démontré que les trois derniers acides aminés de la partie C-terminale de Nav1.5 pouvaient interagir avec la protéine SAP97. Lorsque que l'expression de la SAP97 est réduite dans les cellules HEK293, cela induit une baisse importante du courant sodique. De même, les canaux tronqués de leurs trois derniers acides aminés génèrent un flux ionique réduit. Ces résultats préliminaires suggèrent que SAP97 est peut-être impliquée dans la régulation du canal Na,,1.5. Des expériences complémentaires permettront de déterminer si ces deux protéines interagissent directement ou si une protéine adaptatrice est nécessaire. De plus, nous avons préalablement montré que les canaux Nav1.5 étaient localisés au niveau de la membrane latérale des cardiomyocytes par le complexe multiprotéique de la dystrophine (DMC). Ceci suggère que les canaux sodiques peuvent être distribués dans un minimum de deux pools, l'un ciblé aux membranes latérales pax le DMC et l'autre dirigé vers les disques intercalaires par des protéines telles que SAP97.L'ensemble de ces études met en évidence que certaines maladies musculaires et cardiaques peuvent être la conséquence directe de mutations de canaux ioniques, mais que l'action de protéines auxiliaires peut aussi affecter leur fonction.

Gender and socioeconomic disparities in BMI trajectories in the Seychelles using birth cohorts generated from serial population-based surveys.

ABSTRACT: BACKGROUND: The relationship between body mass index (BMI) and socioeconomic status (SES) tends to change over time and across populations. In this study, we examined, separately in men and women, whether the association between BMI and SES changed over successive birth cohorts in the Seychelles (Indian Ocean, African region). METHODS: We used data from all participants in three surveys conducted in 1989, 1994 and 2004 in independent random samples of the population aged 25-64 years in the Seychelles (N= 3'403). We used linear regression to model mean BMI according to age, cohort, SES and smoking status, allowing for a quadratic term for age to account for a curvilinear relation between BMI and age and interactions between SES and age and between SES and cohorts to test whether the relation between SES and BMI changed across subsequent cohorts. All analyses were performed separately in men and women. RESULTS: BMI increased with age in all birth cohorts. BMI was lower in men of low SES than high SES but was higher in women of low SES than high SES. In all SES categories, BMI increased over successive cohorts (1.24 kg/m2 in men and 1.51 kg/m2 for a 10-year increase in birth cohorts, p <0.001). The difference in BMI between men or women of high vs. low SES did not change significantly across successive cohorts (the interaction between SES and year of birth of cohort was statistically not significant). Smoking was associated with lower BMI in men and women (respectively -1.55 kg/m2 and 2.46 kg/m2, p <0.001). CONCLUSIONS: Although large differences exist between men and women, social patterning of BMI did not change significantly over successive cohorts in this population of a middle-income country in the African region.