The adaptive function of melanin-based coloration in the tawny owl (Strix aluco) ; the proximate role of the melanocortin system

Colour polymorphism is common in wild population. One of the main questioning of evolutionary biologists is to understand how different colour variants could have evolved and be maintained in fluctuating environments, a selective process that forces individuals to constantly adapt their strategies in order to survive. This issue is particularly true for traits that are genetically inherited. Natural selection erodes genotypes with lowest fitness (less adapted), reducing in turn global genetic variation within population. In this context, the study of the evolution and maintenance of melanin- based coloration is relevant since inter-individual variation in the deposition of these pigments is common in animal and plant kingdoms and is under strong genetic control. In this thesis, I focus on the specific case of the tawny owl (Strix aluco), a species displaying continuous variation in reddish pheomelanin-based coloration. Interestingly, empirical studies highlighted covariations between melanin-based coloration and important behavioural, physiological and life history traits. Recently, a genetic model pointed out the melanocortin system and their pleiotropic effects as a potential regulator of these covariations. Accordingly, this PhD thesis further investigates colour-specific behavioural, physiological, or life history strategies, while examining the proximate mechanisms underlying these reaction norms. We found that differently coloured tawny owls differently resolve fundamental trade-off between offspring number and quality (Chapter 1), light melanic individuals producing many low- quality offspring and dark, melanic ones producing few high-quality offspring. These reproductive strategies are likely to induce alternative physiological constraints. Indeed, we demonstrated that light melanic individuals produced higher levels of reactive oxygen species (ROS, Chapter 2), but also expressed higher levels of antioxidant (GSH, Chapters 2 & 3). Interestingly, we showed that light melanic breeding females could modulate their POMC prohormone levels according to the environmental conditions, while dark reddish ones produced constant levels of this prohormone {Chapter 4). Finally, we highlighted colour-specific patterns of prohormone convertase 1 (PCI) gene expression (Chapter 5), an enzyme responsible for POMC prohormone processing to ACTH and a- MSH, for instance. Altogether, these results provide strong evidence of colour-specific strategies, light and melanic tawny owls better coping with stressful and relaxed environments, respectively. Variation in melanin-based coloration is likely to be maintained by the heterogeneity of our study area and strong environmental stochasticity within and between years, these process favouring differently coloured tawny owls at different periods of time. From a proximate point of view, this PhD thesis supports the hypothesis that covariations between phenotypic traits and melanin-based coloration stems from the melanocortin system, especially the fundamental role of POMC gene expression and its processing to melanocortin peptides. - Le polymorphisme de couleur est une variation phénotypique très fréquente dans la nature. En biologie évolutive, une des problématiques clés est donc de comprendre comment différent morphes de couleur peuvent être apparus et maintenus au cours du temps dans des environnements aussi variables que les nôtres, surtout que ces fluctuations forcent ces morphes à s'adapter constamment pour assurer leur survie. Cette thématique est particulièrement réelle lorsque les variations phénotypiques sont héréditaires et donc sous forte influence génétique. La sélection naturelle a en effet le pouvoir d'éroder rapidement la variation génétique en éliminant les génotypes mal adaptés. Dans ce sens, l'étude de l'évolution, et de la maintenance de la coloration mélanique est donc tout à fait pertinente car la variation de coloration entre individus est très répandue à travers les règnes animal et végétal et sous forte influence génétique. Dans cette thèse, je me suis concentré sur le cas spécifique de la chouette hulotte (Strix aluco), une espèce présentant une variation continue dans la déposition de pigments pheomélaniques roux. De précédentes études ont déjà montré que cette variation de coloration était associée avec des variations de traits comportementaux, physiologiques ou d'histoire de vie. Récemment, une étude a souligné l'importance du système des mélanocortines et de leurs effets pléiotropes dans la régulation de ces covariations. En conséquence, cette thèse de doctoral a pour but d'étudier un peu plus les stratégies comportementales, physiologiques ou d'histoire de vie spécifiques à chaque morphe de couleur, tout en examinant un peu plus les mécanismes proximaux potentiellement à la base de ces normes de réactions. Nous constatons tout d'abord que les morphes de couleurs étaient associés à différentes stratégies dans la résolution de compromis telle que la production de beaucoup de jeunes ou des jeunes de qualité (Chapitre 1). Les morphes gris (dit peu mélaniques) ont tendance à produire beaucoup de jeunes mains de moindre qualité, alors que les morphes roux (dit fortement mélaniques) produisent moins de jeunes mais de meilleure qualité. Ces stratégies sont susceptibles alors d'induire certaines contraintes physiologiques. Par exemple, nous montrons que les morphes gris produisent plus de dérivés réactifs de l'oxygène (ROS, Chapitre 2), mais aussi plus d'antioxydants (GSH, Chapitres 2 & 3). Nous montrons ensuite que les femelles grises ont une plus grande capacité à moduler leur niveau de POMC prohormone dans le sang en fonction des conditions environnementales, alors que les femelles rousses gardent un niveau constant (Chapitre 4). Finalement, nous démontrons que les patterns d'expression du gène codant pour la prohormone convertase 1 varient chez des jeunes issus de parents gris ou roux (Chapitre 5). Ceci est particulièrement intéressant car cette enzyme permet de scinder la POMC prohormone en plusieurs peptides importants tels que l'ACTH ou l'a-MSH. En conclusion, ces résultats démontrent qu'il y a bel et bien des stratégies évolutives différentes entre les morphes de couleurs, les chouettes hulottes grises et rousses étant respectivement plus adaptés à des environnements stressants ou favorables. L'hétérogénéité de notre zone d'étude et la stochasticité environnementale qui caractérise ses habitats pourraient donc agir comme une source de sélection temporelle, laquelle favoriserait les différents morphes de couleurs à diverses périodes. D'un point de vue plus proximale maintenant, cette thèse de doctorat soutient l'hypothèse que les covariations observées entre la coloration mélanique et des traits phénotypiques importants sont modulées par les effets pléiotropes du système des mélanocortines, et met en avant le rôle prépondérant que pourrait jouer l'expression du gène POMC et sa post traduction en mélanocortines.

Contribution to the conservation biology of the wood ant Formica lugubris (Hymenoptera, Formicidae) in Switzerland

Summary Among ants, wood ants are probably the most fascinating and studied species in temperate European forests. Unfortunately, due to several threats they are nowadays registered in red lists. Recent studies made in the Swiss Jura Mountains ended up in the description of a new sympatric sibling species of Formica lugubris (i.e. Formica paralugubris Seifert 1996). Because of this confusion the biology of F. lugubris is incomplete. Due to the extreme difficulties to distinguish morphologically F. lugubris from F. paralugubris we studied their cuticular hydrocarbons profiles. Irrespective of their geographic origin, we observed quantitative discrimination between species within each caste (workers, males and gynes =young alate female). Moreover, using a behavioural taxonomic approach (i.e. the pupa-carrying test) we showed that ants preferred conspecific worker pupae to those of the sibling species. These first results allowed us to consider the two species as two separate taxonomic units. To understand their coexistence, habitat distribution models were fitted with GIS predictors and factors known to influence wood ant distribution. In the Jura Mountains, although the two species share very similar habitats, they are spatially segregated. F. lugubris occurs more frequently at woodland borders than in forest interiors. We demonstrated with genetic and field data that Formica lugubris displays two different social forms in close proximity in alpine zone (e.g. unmanaged forests of the Swiss National Park). We discovered populations mostly monogynous to weakly polygynous (i.e. one to a few egg laying queens per colony) and monodomous (i.e. one nest per colony), and polygynous/polydomous populations (new nests being founded by colony budding). It is generally admitted that monogyne species disperse well in order to find suitable habitat to found new colonies whereas polygyne species have restricted dispersal and local mating within the nest. In order to compare reproductive strategies of F. lugubris and F. paralugubris (i.e. matings and dealation process) we conducted experiments with sexuals. F, lugubris gynes from monogynous/monodomous populations do not show a local strategy like the obligately polygynous F. paralugubris (i.e. early dealation even without mating, insemination without flight activity and low fat reserve). They always keep their wings, do not mate when not able to fly and have high amount of fat content revealing high survival capacities. On the other side, F, lugubris gynes from polygynous/polydomous populations have lower lipid reserves and displayed a reproductive behaviour close to the F. para lugubris one. After dispersal, wood ant gynes can either start new societies by temporary social parasitism of another species (i.e. subgenus Serviformica) or be adopted intraspecifically in an existing nest. In F. lugubris, we demonstrated that gynes from monogynous/monodomous colonies showed a high success for temporary social parasitism compare to the lower success of gynes from polygynous/polydomous colonies. However, physiological analyses suggested that only gynes from monogynous/ monodomous populations can efficiently disperse and found new nest by temporary social parasitism. Intraspecifically, gynes were accepted to a high degree in polygynous nest and in monogynous nests as long as these nests contained sexuals. In conclusion, Formica lugubris displays a social and dispersal polymorphism (mixed mating and founding system) representing a behavioural plasticity in relation to environmental and ecological conditions. Therefore, conservation measures directed toward this species should try to maintain a maximum of diversity at the habitat level. Résumé Les fourmis des bois sont probablement parmi les espèces de fourmis les plus fascinantes et les plus étudiées des forêts tempérées Européennes. Actuellement, du fait de différentes menaces, elles figurent malheureusement sur listes rouges. Plusieurs études menées au sein du Jura Suisse ont abouti à la description d'une nouvelle espèce jumelle et sympatrique de Formica lugubris (F. para- lugubris Seifert 1996). A cause de cette confusion la biologie de F lugubris est lacunaire. La distinction morphologique de F. lugubris et de F. para lugubris est si difficile que nous avons étudié leurs hydrocarbures cuticulaires. Indépendamment de l'origine géographique, nous avons observé une discrimination quantitative entre les espèces au sein de chaque caste (ouvrières, mâles et jeunes femelles ailées). De plus, à l'aide d'une approche taxonomique comportementale (le test de transport de cocons) nous avons montré que les fourmis préfèrent des cocons d'ouvrières conspécifiques à ceux de l'espèce jumelle. Ces premiers résultats nous permettent de considérer ces deux espèces comme deux unités taxonomiques distinctes et valables. Afin de comprendre leur coexistence, des modèles mathématiques ont été développés avec des données SIG et des facteurs écologiques influençant la répartition des fournis des bois. Dans le Jura, même si elles partagent des habitats fortement similaires, les deux espèces n'occupent pas les mêmes secteurs. F. lugubris est plus fréquente en lisière forestière plutôt qu'en pleine forêt. Nous avons démontré grâce à des données génétiques et de terrain que F. lugubris présente deux formes sociales au sein de la zone alpine (forêts protégées du Parc National Suisse). D'autre part, nous avons découvert des populations monogynes à faiblement polygynes (une à quelques reines pondeuses par colonie) et monodomes (colonies composées d'une seule fourmilière), et des populations polygynes/polydomes (les nouveaux nids étant produit par bourgeonnement). Généralement, les espèces monogynes dispersent sur de grandes distances et peuvent coloniser des habitats favorables à la fondation de nouvelles colonies alors que les espèces polygynes possèdent une dispersion limitée avec des accouplements à l'intérieur des nids. Afin de comparer les stratégies de reproduction de F. lugubris et de F. paralugubris (accouplements et perte des ailes) nous avons mené des expériences avec les sexués. Les jeunes femelles ailées de F. lugubris issues de populations monogynes/monodomes ne présentent pas de stratégie locale comparée à l'espèce obligatoirement polygyne F paralugubris (perte des ailes précoce même si il n'y a pas eu accouplement, insémination possible sans avoir volé activement et faibles réserves de graisse). Elles conservent toujours leurs ailes, ne s'accouplent pas lorsqu'elles sont empêchées de voler et possèdent de grandes quantités de graisse révélant de fortes capacités de survie. D'autre part, les jeunes femelles ailées de F. lugubris provenant de populations polygynes/polydomes ont peu de réserves lipidiques et ont un comportement de reproduction proche de celles de F. paralugubris. Après leur dispersion, les jeunes sexués femelles de fourmis des bois peuvent soit fonder une nouvelle société par parasitisme social temporaire d'un nid d'une autre espèce (sous-genre Serviformica) soit être adoptées dans un nid déjà existant de leur propre espèce. Chez F. lugubris, nous avons pu démontrer que les jeunes sexués femelles de colonies monogynes/monodomes présentent un succès élevé au parasitisme sociale temporaire en comparaison au plus faible succès obtenu avec des sexués provenant de colonies polygynes/polydomes. Cependant, les données physiologiques suggèrent que seules les jeunes sexués femelles de populations mono-gynes/monodomes peuvent disperser efficacement et fonder un nouveau nid par parasitisme social temporaire. Au niveau intraspécifique, les jeunes femelles sont acceptées à un taux élevé dans les nids polygynes mais aussi dans les nids monogynes tant que ces nids possèdent encore de jeunes sexués. En conclusion, F. lugubris est caractérisée par un polymorphisme dans ses structures sociales et ses stratégies de dispersion (système mixte d'accouplement et de fondation) ce qui représente une forte plasticité comportementale en relation avec les conditions environnementales et écologiques. Par conséquent, les mesures de conservation de cette espèce devraient s'attacher à maintenir un maximum de diversité au niveau des habitats.

Role of the epithelial sodium channel (ENaC) in the epidermal barrier function of the skin

Abstract In humans, the skin is the largest organ of the body, covering up to 2m2 and weighing up to 4kg in an average adult. Its function is to preserve the body from external insults and also to retain water inside. This barrier function termed epidermal permeability barrier (EPB) is localized in the functional part of the skin: the epidermis. For this, evolution has built a complex structure of cells and lipids sealing the surface, the stratum corneum. The formation of this structure is finely tuned since it is not only formed once at birth, but renewed all life long. This active process gives a high plasticity and reactivity to skin, but also leads to various pathologies. ENaC is a sodium channel extensively studied in organs like kidney and lung due to its importance in regulating sodium homeostasis and fluid volume. It is composed of three subunits α, ß and r which are forming sodium selective channel through the cell membrane. Its presence in the skin has been demonstrated, but little is known about its physiological role. Previous work has shown that αENaC knockout mice displayed an abnormal epidermis, suggesting a role in differentiation processes that might be implicated in the EPB. The principal aim of this thesis has been to study the consequences for EPB function in mice deficient for αENaC by molecular and physiological means and to investigate the underlying molecular mechanisms. Here, the barrier function of αENaC knockout pups is impaired. Apparently not immediately after birth (permeability test) but 24h later, when evident water loss differences appeared compared to wildtypes. Neither the structural proteins of the epithelium nor the tights junctions showed any obvious alterations. In contrary, stratum corneum lipid disorders are most likely responsible for the barrier defect, accompanied by an impairment of skin surface acidification. To analyze in details this EPB defect, several hypotheses have been proposed: reduced sensibility to calcium which is the key activator far epidermal formation, or modification of ENaC-mediated ion fluxes/currents inside the epidermis. The cellular localization of ENaC and the action in the skin of CAPl, a positive regulator of ENaC, have been also studied in details. In summary, this study clearly demonstrates that ENaC is a key player in the EPB maintenance, because αENaC knockout pups are not able to adapt to the new environment (ex utero) as efficiently as the wildtypes, most likely due to impaired of sodium handling inside the epidermis. Résumé Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses pathologies. ENaC est un canal sodique très étudié dans le rein et le poumon pour son importance dans la régulation de l'homéostasie sodique et la régulation du volume du milieu intérieur. Il est composé de 3 sous unités, α, ß et y qui forment un pore sélectif pour le sodium dans les membranes. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris dont le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la différentiation et pourrait même être impliqué dans la barrière épithéliale. Le but de cette thèse fut l'étude de la barrière dans ces souris knockouts avec des méthodes moléculaires et physiologiques et la caractérisation des mécanismes moléculaire impliqués. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient un défaut de la barrière. Ce défaut n'est pas visible immédiatement à la naissance (test de perméabilité), mais 24h plus tard, lorsque les tests de perte d'eau transépithéliale montrent une différence évidente avec les animaux contrôles. Ni les protéines de structures ni les jonctions serrées de l'épiderme ne présentaient d'imperfections majeures. A l'inverse, les lipides de la couche cornée présentaient un problème de maturation (expliquant le phénotype de la barrière), certainement consécutif au défaut d'acidification à la surface de la peau que nous avons observé. D'autres mécanismes ont été explorées afin d'investiguer cette anomalie de la barrière, comme la réduction de sensibilité au calcium qui est le principal activateur de la formation de l'épiderme, ou la modification des flux d'ions entre les couches de l'épiderme. La localisation cellulaire d'ENaC, et l'action de son activateur CAPl ont également été étudiés en détails. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des knockouts ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme. Résumé tout public Chez l'homme, la peau est le plus grand organe, couvrant presque 2m2 et pesant près de 4kg chez l'adulte. Sa fonction principale est de protéger l'organisme des agressions extérieures mais également de conserver l'eau à l'intérieur du corps. Cette fonction nommée barrière épithéliale est localisée dans la partie fonctionnelle de la peau : l'épiderme. A cette fin, l'évolution s'est dotée d'une structure complexe composée de cellules et de lipides recouvrant la surface, la couche cornée. Sa formation est finement régulée, car elle n'est pas seulement produite à la naissance mais constamment renouvelée tout au long de la vie, ce qui lui confère une grande plasticité mais ce qui est également la cause de nombreuses maladies. ENaC est une protéine formant un canal qui permet le passage sélectif de l'ion sodium à travers la paroi des cellules. Il est très étudié dans le rein pour son importance dans la récupération du sel lors de la concentration de l'urine. Ce canal est présent dans la peau mais sa fonction n'y est pas connue. Des travaux précédents ont pu montrer que les souris où le gène codant pour αENaC a été invalidé présentent un épiderme pathologique, suggérant un rôle dans la peau et plus particulièrement la fonction de barrière de l'épiderme. Le but de cette thèse fut l'étude de la fonction de barrière dans ces souris mutantes, au niveau tissulaire et cellulaire. Dans ce travail, il a été montré que les souris mutantes présentaient une peau plus perméable que celle des animaux contrôles, grâce à une machine mesurant la perte d'eau à travers la peau. Ce défaut n'est visible que 24h après la naissance, mais nous avons pu montrer que les animaux mutants perdaient quasiment 2 fois plus d'eau que les contrôles. Au niveau moléculaire, nous avons pu montrer que ce défaut provenait d'un problème de maturation des lipides qui composent la barrière de la peau. Cette maturation est incomplète vraisemblablement à cause d'un défaut de mouvement des ions dans les couches les plus superficielles de l'épiderme, et cela à cause de l'absence du canal ENaC. En résumé, cette étude démontre clairement qu'ENaC est un acteur important dans la formation de la barrière épithéliale, car la peau des mutants ne s'adapte pas aussi bien que celle des sauvages au nouvel environnement ex utero à cause de la fonction d'ENaC dans les mouvements de sodium au sein même de l'épiderme.

The neuronal monocarboxylate transporter MCT2: its regulation by BDNF and its role in learning and memory

Glucose has been considered the major, if not the exclusive, energy substrate for the brain. But under certain physiological and pathological conditions other substrates, namely monocarboxylates (lactate, pyruvate and ketone bodies), can contribute significantly to satisfy brain energy demands. These monocarboxylates need to be transported across the blood-brain barrier or out of astrocytes into the extracellular space and taken up into neurons. It has been shown that monocarboxylates are transported by a family of proton-linked transporters called monocarboxylate transporters (MCTs). In the central nervous system, MCT2 is the predominant neuronal isoform and little is known about the regulation of its expression. Noradrenaline (NA), insulin and IGF-1 were previously shown to enhance the expression of MCT2 in cultured cortical neurons via a translational mechanism. Here we demonstrate that the well known brain neurotrophic factor BDNF enhances MCT2 protein expression in cultured cortical neurons and in synaptoneurosome preparations in a time- and concentrationdependent manner without affecting MCT2 mRNA levels. We observed that BDNF induced MCT2 expression by activation of MAPK as well as PI3K/Akt/mTOR signaling pathways. Furthermore, we investigated the possible post-transcriptional regulation of MCT2 expression by a neuronal miRNA. Then, we demonstrated that BDNF enhanced MCT2 expression in the hippocampus in vivo, in parallel with some post-synaptic proteins such as PSD95 and AMPA receptor GluR2/3 subunits, and two immediate early genes Arc and Zif268 known to be expressed in conditions related to synaptic plasticity. In the last part, we demonstrated in vivo that a downregulation of hippocampal MCT2 via silencing with an appropriate lentiviral vector in mice caused an impairment of working memory without reference memory deficit. In conclusion, these results suggest that regulation of neuronal monocarboxylate transporter MCT2 expression could be a key event in the context of synaptic plasticity, allowing an adequate energy substrate supply in situations of altered synaptic efficacy. - Le glucose représente le substrat énergétique majeur pour le cerveau. Cependant, dans certaines conditions physiologiques ou pathologiques, le cerveau a la capacité d'utiliser des substrats énergéiques appartenant à la classe des monocarboxylates (lactate, pyruvate et corps cétoniques) afin de satisfaire ses besoins énergétiques. Ces monocarboxylates doivent être transportés à travers la barrière hématoencéphalique mais aussi hors des astrocytes vers l'espace extracellulaire puis re-captés par les neurones. Leur transport est assuré par une famillle de transporteurs aux monocarboxylates (MCTs). Dans le système nerveux central, les neurones expriment principalement l'isoforme MCT2 mais peu d'informations sont disponibles concernant la régulation de son expression. Il a été montré que la noradrénaline, l'insuline et l'IGF-1 induisent l'expression de MCT2 dans des cultures de neurones corticaux par un mécanisme traductionnel. Dans cette étude nous démontrons dans un premier temps que le facteur neurotrophique BDNF augmente l'expression de MCT2 à la fois dans des cultures de neurones corticaux et dans les préparations synaptoneurosomales selon un décours temporel et une gamme de concentrations propre. Aucun changement n'a été observé concernant les niveaux d'ARNm de MCT2. Nous avons observé que le BDNF induisait l'expression de MCT2 par l'activation simultanée des voies de signalisation MAPK et PI3K/Akt/mTOR. De plus, nous nous sommes intéressés à une potentielle régulation par les micro-ARNs de la synthèse de MCT2. Ensuite, nous avons démontré que le BDNF induit aussi l'expression de MCT2 dans l'hippocampe de la souris en parallèle avec d'autres protéines post-synaptiques telles que PSD95 et GluR2/3 et avec deux « immediate early genes » tels que Arc et Zif268 connus pour être exprimés dans des conditions de plasticité synaptique. Dans un dernier temps, nous avons démontré qu'une diminution d'expression de MCT2 induite par le biais d'un siRNA exprimé via un vecteur lentiviral dans l'hippocampe de souris générait des déficits de mémoire de travail sans affecter la mémoire de référence. En conclusion, ces résultats nous suggèrent que le transporteur aux monocarboxylates neuronal MCT2 serait essentiel pour l'apport énergétique du lactate pour les neurones dans des conditions de haute activité neuronale comme c'est le cas pendant les processus de plasticité synaptique.

Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain

La douleur neuropathique est une forme de douleur chronique apparaissant suite à des lésions du système nerveux somato-sensoriel. Caractérisée par une plasticité neuronale inadapté, elle est très souvent intense, invalidante, associe des symptômes comme l'allodynie ou l' hyperalgésie et reste difficile à traiter avec les agents thérapeutiques actuels. Le thème de mon travail de thèse se concentre sur des mécanismes moléculaires de modulation des canaux sodiques voltage-dépendants suite à une lésion du nerf périphérique. Dans l'article présenté en annexe, j'ai focalisé mon travail sur une protéine, Nedd4-2, qui est une ligase ubiquitine. Elle a pour rôle de réguler et d'internaliser dans la cellule des protéines membranaires dont les canaux sodiques. Suite aux lésions du système nerveux périphérique, il existe une hyperexcitabilité neuronale engendrée notamment par un surplus et une dysrégulation des canaux sodiques à la membrane cellulaire. Dans 1 'hypothèse que l'ubiquitine ligase Nedd4-2 soit présente dans les neurones sensitifs primaires et ait un rôle dans la régulation des canaux sodiques, nous avons identifié cette protéine dans les neurones nociceptifs primaires du rat. En utilisant des techniques de Western Blot et d'immunohistochimie, j'ai trouvé que Nedd4-2 est présente dans presque 50% des neurones du ganglion spinal et ces neurones sont principalement des neurones nociceptifs. Dans un modèle expérimental de douleur neuropathique (SN I, pour spared nerve injury), Nedd4-2 se retrouve significativement diminuée dans le tissu du ganglion spinal. J'ai également investigué 1' expression de 2 isoformes des canaux sodiques connues pour leur implication dans la douleur, Navl.7 et Navl.8, et ces 2 isoformes se retrouvent dans les mêmes neurones que Nedd4-2. La caractérisation détaillée est décrite dans le manuscrit: «Neuronal expression of the ubiquitin ligase Nedd4-2 in rat dorsal root ganglia: modulation in the SNI model of neuropathic pain; Cachemaille M, Laedermann CJ, Pertin M, Abriel H, Gasselin RD, Decosterd 1.» Les résultats obtenus indiquent que Nedd4-2, en étant downrégulé après une lésion nerveuse, pourrait ainsi contribuer à une augmentation des canaux sodiques fonctionnels à la membrane. Ainsi Nedd4-2 pourrait être proposée comme cible thérapeutique de manière alternative aux bloqueurs de canaux sodiques. Ce travail a permis l'initiation d'autres expériences. J'ai contribué activement à la construction de vecteurs viraux type adéno-associé recombinant (rAA V2/6) et surexprimé la protéine in vivo dans les ganglions spinaux. Cette partie de mon travail se trouve intégrée dans d'autres travaux de mon laboratoire d'accueil qui a pu démontrer les effets fonctionnels de cette approche sur les courants sodiques enregistrés par électrophysiologie et une diminution de la douleur neuropathique chez la souris. - Abstract-Neuronal hyperexcitability following peripheral nerve lesions may stem from altered activity of voltagegated sodium channels (VGSCs), which gives rise toallodynia or hyperalgesia. In vitro, the ubiquitin ligase Nedd4-2 is a negative regulator of VGSC a-subunits (Nav), in particular Nav1.7, a key actor in nociceptor excitability. We therefore studied Nedd4-2 in rat nociceptors, its co-expression with Nav1.7 and Nav1.8, and its regulation in pathology. Adult rats were submitted to the spared nerve injury (SNI) model of neuropathic pain or injected with complete Freund's adjuvant (CFA), a model of inflammatory pain. L4 dorsal root ganglia (DRG) were analyzed in shamoperated animals, seven days after SNI and 48 h after CFA with immunofluorescence and Western blot. We observed Nedd4-2 expression in almost 50% of DRG neurons, mostly small and medium-sized. A preponderant localization is found in the non-peptidergic sub-population. Additionally, 55.7± 2.7% and 55.0 ±3.6% of Nedd4-2-positive cells are co-labeled with Nav1.7 and Nav1.8 respectively. SNI significantly decreases the proportion of Nedd4-2-positive neurons from 45.9± 1.9% to 33.5± 0.7% (p < 0.01) and the total Nedd4-2 protein to 44%± 0.13% of its basal level (p <0.01, n = 4 animals in each group, mean± SEM). In contrast, no change in Nedd4-2 was found after peripheral inflammation induced by CFA. These results indicate that Nedd4-2 is present in nociceptive neurons, is downregulated after peripheral nerve injury, and might therefore contribute to the dysregulation of Navs involved in the hyperexcitability associated with peripheral nerve injuries.

Consommation de cannabis : quels sont les risques?

Résumé - Les cannabinoïdes contenus dans la plante de cannabis ont un double usage et possèdent des propriétés opposées suivant les circonstances et les doses employées. Les cannabinoïdes, essentiellement drogue récréative ou d'abus pourraient, pour certains d'entre eux, devenir des médicaments. Selon les conditions d'utilisation, ils peuvent être neurotoxiques ou neuroprotecteurs, carcinogènes ou anticancéreux, hyper-émétiques ou antiémétiques, pro-inflammatoires ou anti-inflammatoires. . . Les techniques de culture sous serre indoor ainsi que la sélection de variétés de cannabis à fort potentiel de production ont conduit à un accroissement notable des taux de THC. Le cannabis est la drogue illégale la plus fréquemment consommée en Suisse et ailleurs dans le monde occidental. Environ la moitié des jeunes ont déjà expérimenté le cannabis. Environ 10 % des consommateurs le fument quotidiennement et en sont devenus dépendants. Un tiers de ces usagers peut être considéré comme chroniquement intoxiqué. Le THC, la principale substance psychoactive du cannabis, interagit avec le « système endocannabinoïde ». Ce système est composé de récepteurs cellulaires, de ligands endogènes et d'un dispositif complexe de synthèse, de dégradation, de régulation et de messagers intra-cellulaires. Le système endocannabinoïde joue un rôle clé dans le réglage fin du système nerveux. Les endocannabinoïdes régulent la mémorisation, l'apprentissage moteur et la plasticité des liaisons nerveuses. À dose psychoactive, le THC réduit les performances psychomotrices et neurocognitives. Les facultés d'apprentissage et de mémorisation sont diminuées. Le risque d'être responsable d'un accident de circulation est augmenté après prise de cannabis, et ceci d'autant plus que de l'alcool aura été consommé parallèlement. À l'exception des jeunes enfants, la consommation de cannabis n'entraîne pas de risque potentiel d'intoxication mortelle. Toutefois, le cannabis pourrait agir comme facteur déclenchant d'accident cardiovasculaire chez de rares individus prédisposés. Les individus jeunes, et/ou vulnérables ont un risque significativement plus élevé de développer une psychose à l'âge adulte ou de devenir dépendant au cannabis. Des études épidémiologiques ont montré que le risque de développer une schizophrénie à l'âge adulte était augmenté pour les consommateurs de cannabis et ceci d'autant plus que l'âge de début de consommation était précoce. Il en va de même pour le risque de dépression. Les troubles respiratoires pourraient être exacerbés par la prise de cannabis. Les femmes enceintes et celles qui allaitent ne devraient pas consommer de cannabis car le THC traverse la barrière hémato-placentaire, en outre, il se concentre dans le lait maternel. La période de la vie la plus sensible aux effets néfastes du cannabis correspond à celle allant du foetus à l'adolescent. Le système endocannabinoïde sur lequel agit le THC serait en effet un acteur majeur orchestrant le développement des réseaux neuronaux dans le cerveau immature. La prise concomitante d'autres psychotropes comme l'alcool, les benzodiazépines ou la cocaïne conduit à des renforcements mutuels de leurs effets délétères. De plus, il a été montré l'existence d'une sensibilité croisée pour la majorité des psychotropes qui agissent sur le système de la récompense, le cannabis y compris, ce qui augmente ainsi le risque de pharmacodépendance. La prise régulière de doses élevées de cannabis entraîne l'apparition d'une tolérance et de symptômes de sevrage discrets à l'arrêt de la consommation. À part les effets négatifs mentionnés auparavant, le cannabis possède des propriétés médicales originales qui sont l'objet d'études attentives. Plusieurs cannabinoïdes mineurs naturels ou synthétiques, comme l'acide ajulémique, pourraient trouver un jour une place dans la pharmacopée. En usage thérapeutique, des variétés particulières de cannabis sont préférées, par exemple celles riches en cannabidiol non psychoactif. Le mode d'administration diffère de celui utilisé en mode récréatif. Par exemple, la vaporisation des cannabinoïdes à basse température est préférée à l'inhalation du « joint »

Organization and plasticity of auditory spatial representations

Spatial hearing refers to a set of abilities enabling us to determine the location of sound sources, redirect our attention toward relevant acoustic events, and recognize separate sound sources in noisy environments. Determining the location of sound sources plays a key role in the way in which humans perceive and interact with their environment. Deficits in sound localization abilities are observed after lesions to the neural tissues supporting these functions and can result in serious handicaps in everyday life. These deficits can, however, be remediated (at least to a certain degree) by the surprising capacity of reorganization that the human brain possesses following damage and/or learning, namely, the brain plasticity. In this thesis, our aim was to investigate the functional organization of auditory spatial functions and the learning-induced plasticity of these functions. Overall, we describe the results of three studies. The first study entitled "The role of the right parietal cortex in sound localization: A chronometric single pulse transcranial magnetic stimulation study" (At et al., 2011), study A, investigated the role of the right parietal cortex in spatial functions and its chronometry (i.e. the critical time window of its contribution to sound localizations). We concentrated on the behavioral changes produced by the temporarily inactivation of the parietal cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS). We found that the integrity of the right parietal cortex is crucial for localizing sounds in the space and determined a critical time window of its involvement, suggesting a right parietal dominance for auditory spatial discrimination in both hemispaces. In "Distributed coding of the auditory space in man: evidence from training-induced plasticity" (At et al., 2013a), study B, we investigated the neurophysiological correlates and changes of the different sub-parties of the right auditory hemispace induced by a multi-day auditory spatial training in healthy subjects with electroencephalography (EEG). We report a distributed coding for sound locations over numerous auditory regions, particular auditory areas code specifically for precise parts of the auditory space, and this specificity for a distinct region is enhanced with training. In the third study "Training-induced changes in auditory spatial mismatch negativity" (At et al., 2013b), study C, we investigated the pre-attentive neurophysiological changes induced with a training over 4 days in healthy subjects with a passive mismatch negativity (MMN) paradigm. We showed that training changed the mechanisms for the relative representation of sound positions and not the specific lateralization themselves and that it changed the coding in right parahippocampal regions. - L'audition spatiale désigne notre capacité à localiser des sources sonores dans l'espace, de diriger notre attention vers les événements acoustiques pertinents et de reconnaître des sources sonores appartenant à des objets distincts dans un environnement bruyant. La localisation des sources sonores joue un rôle important dans la façon dont les humains perçoivent et interagissent avec leur environnement. Des déficits dans la localisation de sons sont souvent observés quand les réseaux neuronaux impliqués dans cette fonction sont endommagés. Ces déficits peuvent handicaper sévèrement les patients dans leur vie de tous les jours. Cependant, ces déficits peuvent (au moins à un certain degré) être réhabilités grâce à la plasticité cérébrale, la capacité du cerveau humain à se réorganiser après des lésions ou un apprentissage. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'organisation fonctionnelle de l'audition spatiale et la plasticité induite par l'apprentissage de ces fonctions. Dans la première étude intitulé « The role of the right parietal cortex in sound localization : A chronometric single pulse study » (At et al., 2011), étude A, nous avons examiné le rôle du cortex pariétal droit dans l'audition spatiale et sa chronométrie, c'est-à- dire le moment critique de son intervention dans la localisation de sons. Nous nous sommes concentrés sur les changements comportementaux induits par l'inactivation temporaire du cortex pariétal droit par le biais de la Stimulation Transcrânienne Magnétique (TMS). Nous avons démontré que l'intégrité du cortex pariétal droit est cruciale pour localiser des sons dans l'espace. Nous avons aussi défini le moment critique de l'intervention de cette structure. Dans « Distributed coding of the auditory space : evidence from training-induced plasticity » (At et al., 2013a), étude B, nous avons examiné la plasticité cérébrale induite par un entraînement des capacités de discrimination auditive spatiale de plusieurs jours. Nous avons montré que le codage des positions spatiales est distribué dans de nombreuses régions auditives, que des aires auditives spécifiques codent pour des parties données de l'espace et que cette spécificité pour des régions distinctes est augmentée par l'entraînement. Dans « Training-induced changes in auditory spatial mismatch negativity » (At et al., 2013b), étude C, nous avons examiné les changements neurophysiologiques pré- attentionnels induits par un entraînement de quatre jours. Nous avons montré que l'entraînement modifie la représentation des positions spatiales entraînées et non-entrainées, et que le codage de ces positions est modifié dans des régions parahippocampales.

Characterization of the neuronal microtubule regulator SCG10 in transfected cells and " in vivo "

SUMMARY The ability of neuronal processes to find their way along complex paths and to establish appropriate connections depends on continual rearrangements of the cytoskeletal components. The regulation of microtubules plays an important role for morphological changes underlying nevrite outgrowth, axonal elongation, and growth cone steering. SCG10 (superior cervical ganglion clone 10) is a neuronal growthassociated protein developmentally regulated and highly enriched in the neuronal growth cones. SCG10 presents a microtubule destabilizing activity that could participate to the regulation of microtubule dynamics and thus explain microtubule behaviors in the growth cone during axonal elongation and turning. It is here suggested that a tight control of the opposite effects on microtubules of SCG10 and the stabilizing microtubule-associated protein MAP1B allows a fine tuning of cytoskeletal rearrangement and may provide the required microtubule dynamic instability to promote axonal growth. Moreover, antibodyblockade of SCG10 function, that leads to growth cone pauses similar as those triggered by the guidance molecule EphB, and the modulation of SCG10 activity by the Rho GTPase Rnd1 suggest a potential role for SCG10 in the signal transduction pathways of extracellular guidance cues. The identification of the active zone protein Bassoon as a potential interaction partner for the SCG10-related protein NPC2, using atomic force microscopy as well as COS-7 and neuronal cell cultures, also gives new insights for a role of this protein family into the processes of synapse genesis or plasticity. Finally, SCG10 mutant mice generated by gene targeting and expressing a soluble form of the protein have been characterized during early postnatal development and in the adulthood. Due to the deletion of its membrane binding domain, SCG10 specific subcellular targeting to growth cones is compromised and results in impairments of motor and coordination development. Further histological analysis in the sciatic nerve reveal that these symptoms are associated with neurodegenerative signs. RESUME Une navigation correcte des prolongements cellulaires neuronaux leur permettant de former des connections appropriées repose sur de continuels réarrangements des constituants de leur cytosquelette. La régulation des microtubules joue notamment un rôle important dans les changements morphologiques qui accompagnent la croissance axonale et les réorientations du cône de croissance. SCG10 (superior cervical ganglion clone 10) est une protéine étroitement associée à la croissance neuronale, hautement régulée durant le développement et abondante au niveau du cône de croissance. SCG10 présente une activité déstabilisatrice sur les microtubules qui pourrait permettre une régulation des paramètres dynamiques propres aux microtubules et ainsi expliquer leur comportement durant la navigation du cône de croissance. Il est ici proposé qu'un contrôle précis des effets opposés de SCG10 et d'une autre protéine stabilisante associée aux microtubules (MAP1 B) permette un réglage fin des réarrangements du cytosquelette et puisse ainsi produire l'instabilité dynamique nécessaire à la croissance anale. Par ailleurs, le blocage de la fonction de SCG10 par un anticorps spécifique, conduisant à des pauses du cônes de croissance similaires à celles provoquées par la molécule de guidage EphB, ainsi que la modulation de l'activité de SCG10 par la Rho GTPase Rnd1 suggèrent une potentielle implication de SCG10 dans les voies de transduction des signaux provenant de molécules de guidage extracellulaires. L'identification d'une interaction de la protéine synaptique Bassoon avec la protéine NPC2 apparentée à SCG10, au moyen de la microscopie à force atomique et dans des cultures de cellules neuronales et COS-7, ouvre des perspectives concernant ces protéines dans la formation et la plasticité synaptiques. Finalement, des souris mutantes pour SCG10 produites par ciblage de gène et exprimant une forme soluble de la protéine ont été caractérisées durant la phase précoce du développement et à l'âge adulte. La délétion du domaine permettant l'ancrage de SCG10 aux membranes compromet sa sub-localisation au niveau du cône de croissance et résulte en l'apparition de troubles moteurs et de la coordination. Des analyses histologiques complémentaires au niveau du nerf sciatique montrent que ces symptômes sont associés avec des signes neurodégénératifs.

Signalling pathways in skin homeostasis

SUMMARY The results presented here contribute to a better understanding of the crucial molecular relationships and signalling cues exchanged by several fundamental cell types (epidermal keratinocytes, dermal fibroblasts, immune and endothelial cells) of the skin. Importantly we provide evidence to directly implicate Wnt/ß-catenin signalling as a putative player in different cell types (keratinocytes and neutrophils) in mediation of the cutaneous inflammatory response (Fart A). Finally we highlight the importance of several molecules, specifically expressed in the hair follicle stem cell niche to the morphogenesis and homeostasis of the hair follicle (Part B). PART A Currently the body of work pertaining to Wnt signalling and immune cells largely focuses on Wnt signalling in the development of these cells. The data presented here suggests a novel mechanism in which Wnt signalling appears to modulate immune cell recruitment to the skin. Keratinocytes are major contributors to early inflammatory responses by the release of chemokines which recruit immune cells. The resultant inflammatory response is a dynamic process of sequentially infiltrating immune cells governed by a network of growth factors, chemokines and cytokines. In wild type mice the response is typified by a rapid and substantial infiltration of neutrophils followed at later time points by macrophages and Tcells. The expression of the canonical Wnt pathway activating ligand, Wnt3a, is able to induce a strong neutrophil infiltration in the dermis. This response originates in keratinocytes, as it is abrogated upon keratinocyte-specific ablation of ß-catenin. Notably, this suggests that the crucial cross talk between these resident cells and recruited immune cells is, in part, mediated by Wnt signalling. In corroboration of this role of Wnt-mediated recruitment of neutrophils, expression of the Wnt inhibitory ligand sFRPI during acute inflammation results in a dramatic 'dampening' of immune cell infiltration in particular of neutrophil chemoattraction. Importantly, an intrinsic Wnt signalling pathway is essential for neutrophil chemoattraction in response to inflammatory stimuli. There is a marked reduction of neutrophil infiltration in mice grafted with a ß-catenin deficient bone marrow upon TPA induced cutaneous inflammation. Additionally, neutrophils lacking Wnt/ß-catenin fail to respond to IFNγ, an early inflammatory cue, in vitro. In combination, these data indicate a potent function of Wnt signalling in immune cell recruitment and the modulation of the inflammatory response. PART B Tissue specific stem cells form the cellular base on which tissue homeostasis and repair of adult tissue relies. The maintenance of this stem cell pool is highly dependent on the immediate environment or niche. We have identified three genes, the fibroblast growth factor receptor 1 (FGFR1), serpin protease inhibitor (serpin F1) and the haematopoietic cell phosphatase (Hcph) to be specifically expressed in a small population of stromal cells which are in close contact to bulge stem cells. These specialized stromal cells might represent an essential mesenchymal component of the skin stem cell niche and may regulate stem cell proliferation and differentiation. Multiple FGFR1 isoforms are generated through alternate transcript splicing and are able to interact with both FGFs and cell adhesion molecules. Two predominant forms of the receptor are FGFR1-α and FGFR1-ß. Expression of a dominant negative form of the alpha isoform prevents hair follicle morphogenesis altogether. Given that FGFR1-ß signals principally through the FGF ligands, this data indicates that FGF signalling is dispensable for follicle morphogenesis. Moreover the loss of follicular morphogenesis upon suggests a requirement for signalling via cell adhesion molecule association with the receptor as FGFR1 α has a greater affinity for these molecules. The expression of the second candidate niche gene serpin f1, lead to the complete ablation of hair follicle morphogenesis. The serpin f1 product, pigment-epithelial derived factor (PEDF) has potent anti-angiogenic effects. Immunohistochemical analysis using CD31, a endothelial cell marker, revealed that although these cells are present, they have are disorganised and do not form vessels. Interestingly, endothelial cells have been found to contribute to the neuronal stem cell niche and our results suggest a similar mechanism in the skin. SHP1, the Hcph gene product, is a phosphatase which acts in the haematopoetic system. Motheaten mice carrying spontaneous mutations in the Hcph gene have patchy alopecia in their skin and severe defects in their haematopoietic system. However the haematopoietic rescue of the mouse does not result in normal follicular homeostasis. Additionally, ablation of Hcph in either the dermal or keratinocyte compartments of the skin produces hair follicles with abberant morphologies. This data indicates that although SHP1 is not essential for hair follicle morphogenesis it is required in both epidermal and dermal compartments to maintain follicular morphology. RÉSUMÉ PARTIE A Jusqu'à présent, les travaux dédiés à l'étude de la voie de signalisation Wnt dans le système immunitaire se sont essentiellement concentrés sur son rôle dans le développement des cellules immunitaires. Les données présentées ici suggèrent fortement et de manière nouvelle, l'existence d'un mécanisme par lequel la voie de signalisation Wnt/ß-caténine module le recrutement de cellules immunitaires dans un tissu périphérique, la peau, et ainsi la réponse inflammatoire cutanée. La réponse inflammatoire cutanée est un processus dynamique d'infiltration séquentielle de diverses cellules immunitaires, orchestré par un réseau de facteurs de croissance, chémokines et cytokines. Les kératinocytes sont des contributeurs majeurs à la réponse inflammatoire précoce par la libération de chémokines qui permettent ensuite de recruter les cellules immunitaires. Dans des souris sauvages, la réponse est d'abord caractérisée par une infiltration rapide et substantielle de neutrophiles, suivie par celle des macrophages et des lymphocytes T. L'expression d'un ligand activateur de le voie canonique de signalisation Wnt (après injection infra-dermique de fibroblastes sur-exprimant Wnt-3a) induit une infiltration dermique très marquée de neutrophiles. De plus, la réponse est éliminée en l'absence de ß-caténine spécifiquement dans les kératinocytes, indiquant que ces cellules sont à l'origine de la réponse. De manière remarquable, ceci suggère qu'une signalisation cruciale entre ces cellules résidentes de la peau et les cellules immunitaires recrutées est, au moins en partie, médiée par la voie Wnt. Corroborant ce rôle de la voie Wnt/ß-caténine dans le recrutement des neutrophiles, l'expression d'un ligand inhibiteur de la voie (sFRP1) résulte au cours d'une inflammation aigüe en une réduction spectaculaire de l'infiltration des cellules immunitaires en général, et des neutrophiles en particulier. De manière importante, la voie de signalisation Wnt est intrinsèquement requise pour la chémoattraction des neutrophiles en réponse à un stimulus inflammatoire. En effet, suite à une inflammation cutanée induite par un ester de phorbol (TPA), une réduction notable de l'infiltration des neutrophiles est observée dans des souris préalablement greffées avec de la moelle osseuse constituée de cellules déficientes en ß-caténine. De plus, in vitro, les neutrophiles sans ß-caténine ne répondent pas à une stimulation par l'interféron γ, qui est pourtant un signal inflammatoire établi in vivo. En conclusion, nos données indiquent que la voie de signalisation Wnt/ß-caténine joue une fonction active dans le recrutement des cellules immunitaires vers un organe périphérique, la peau, ainsi que dans la modulation, à plusieurs niveaux, de la réponse inflammatoire cutanée. PARTIE B Les cellules souches tissu-spécifiques forment la base cellulaire sur laquelle repose l'homéostase et la réparation tissulaires chez l'adulte. La maintenance de ce réservoir de cellules souches est hautement dépendante de leur environnement cellulaire immédiat, encore appelé «niche des cellules souches». Dans la peau, ces cellules stromales spécialisées représentent un compartiment mésenchymateux essentiel de la niche des cellules souches en régulant leurs prolifération et différentiation. Nous avons identifié trois gènes, le «récepteur 1 àux facteurs de croissance des fibroblastes » (Fgfr1 ), l' «inhibiteur de protéase à sérine » (serpinf1 ou pedf) et la « phosphatase des cellules hématopoiétiques » (Hcph ou Ptpn6), comme spécifiquement exprimés par une petite population de cellules stromales qui sont étroitement associées aux cellules souches de la peau (localisées au niveau du bombement du follicule pileux). Pour analyser leur fonction dans ce contexte, nous avons utilisé un test de reconstitution complète de peau murine en combinaison à des. transductions géniques basées sur l'utilisation de lentivirus. Ce test repose sur le mélange de deux compartiments cellulaires, épidermique (kératinocytes) et dermique (fibroblastes), greffés sur une zone ouverte de peau du dos d'une souris pour ensemble reconstituer la peau. Des isoformes multiples de FGFR1 sont générées par épissage alternatif de transcrits et sont capables d'interagir à la fois avec les FGFs (facteurs de croissance des fibroblastes) et les molécules d'adhésion cellulaires. Les deux formes prédominantes du récepteur, FGFR1-α et FGFR1-ß, ne différent que par le «domaine ressemblant aux immunoglobulines 1 » (immunoglobulin-like 1 domain), absent de FGFR1-ß. De plus, FGFR1-ß a une affinité plus grande pour les FGFs et plus faible pour les molécules d'adhésion cellulaires telles que la Ncadhérine (connue pour activer FGFR). La sur-expression de l'une ou l'autre des formes n'empêche pas la morphogenèse folliculaire mais conduit à la formation de follicules aberrants. Toutefois, une différence phénotypique majeure est observée lorsqu'une forme «Dominant-Négatif » (DN) est exprimée dans le compartiment dermique. La sur-expression de FGFR1-ß DN conduit en effet à la formation de follicules petits et tronqués, avec des gaines épithéliales et un bulbe élargis ainsi qu'une petite papille dermique. Par contre, l'expression de FGFR1-α DN abolit complètement la morphogenèse folliculaire. Etant donné que la signalisation par FGFR1-ß est principalement dépendante des ligands FGFs, ces données indiquent que la signalisation par ceux-cì est non-nécessaire à la morphogenèse folliculaire. De plus, l'abolition du processus par la sur-expression de FGFR1-a DN suggëre une signalisation nécessaire entre le récepteur FGFR1 et une ou des molécules d'adhésion cellulaire. L'expression de notre second candidat comme gène spécifique de la niche des cellules souches de la peau, serpinf1, prévient la morphogenèse folliculaire. Seules de petites structures ressemblant à des cystes sont observées après reconstitution de la peau. De plus, dans ces transplants, aucune cellule CD34-positive (marqueur des cellules souches) n'est retrouvée associé à ces cystes. Le produit du gène serpin f1, le «facteur dérivé d'épithélium pigmentaire » (PEDF) est un puissant facteur anti-angiogénique. Nous avons donc analysé la vascularisation des transplants par immunohistochirnies utilisant CD31, un marqueur des cellules endothéliales. Nos résultats révèlent que les cellules endothéliales sont bien présentes, mais de manière désorganisée et ne formant pas de vaisseaux. De manière intéressante, les cellules endothéliales contribuent activement à la niche des cellules souches neuronales, et nos résultats suggèrent donc l'existence possible d'un mécanisme similaire dans la peau. SHP1, le produit du gène Hcph, est une phosphatase quì agit dans le système hématopoiétique. Les souris « motheaten »qui portent des mutations spontanées du gène ont une alopécie inégale au niveau de la peau et de sévères troubles du système hématopoiétique. Pour s'assurer que le phénotype observé au niveau de la peau n'est pas une conséquence d'un défaut du système hématopoiétique, nous avons transplanté des souris Hcph -/- avec de la moelle osseuse sauvage afin de restaurer la fonction de SHP 1 dans le système hématopoiétique. Toutefois, le défaut de morphologie folliculaire est maintenu. De plus, l'ablation d'Hcph dans le compartiment dermique ou épidermique d'essais de reconstitution de peau conduit à la production de follicules pileux avec des morphologies aberrantes. Ces données indiquent que SHP1 n'est pas essentiel à la morphogenèse folliculaire mais est toutefois requis à la fois dans les compartiments épidermiques et dermiques pour la maintenance de la forme du follicule.

Evolutionary ecology of the colour-dimorphic rewardless orchid "Dactylorhiza sambucina"

Abstract Phenotypic polymorphism is an ideal system to study natural selection in wild populations, because it allows tracking population genetic changes by means of phenotypic changes. A wide variety of polymorphic traits have been studied in numerous animals and plants, as for example colour patterns in moths, snails and birds, human laterality, male reproductive strategies, plant morphology or mating systems. This thesis focused on Dactylorhiza sarnbucina, a rewardless European orchid species, showing a striking flower colour polymorphism, with either yellow or red flowered individuals co-occurring in natural populations. Several studies have investigated its evolutionary ecology since Nilsson's seminal paper in 1980, with a particular emphasis in the evolution and maintenance of its colour polymorphism. One of the main selective forces proposed to maintain this colour polymorphism was pollinator driven negative frequency-dependent selection (NFDS), when each morph is advantaged when rare, and comparatively disadvantaged when common. However, other investigators have recently questioned the occurrence of NFDS, and proposed alternatively that fluctuating selection may maintain this colour polymorphism. In this thesis, we aimed at reviewing and synthesizing these different studies, and also brought our contribution on D. sambucina reproductive ecology. Because numerous hypotheses have still to be tested, we concluded by saying that we are a long way from understanding the evolution and dynamics of colour polymorphism in natural D. sambucina populations. Beside the debated question of colour polymorphism maintenance, one question remained to be tested: what are the consequences of polymorphism per se. We experimentally addressed this question using artificial populations of D. sambucina, and found no relationship between population phenotypic diversity and orchid pollination success. This finding suggest that polymorphism itself was not an advantage for deceptive species such D sambucina, contrarily to the expectations. Finally, we suggest potential research perspectives that could allow a better understanding of the evolutionary ecology of this species. Résumé Le polymorphisme phénotypique est un système biologique idéal pour étudier l'action de la sélection en populations naturelles, grâce à la possibilité de suivre les changements génétiques de la population en étudiant les phénotypes des individus. De très nombreuses études ont montré du polymorphisme phénotypique chez les animaux, par exemple la latéralité chez l'Homme, la coloration des escargots ou des oiseaux. Dans le règne végétal, le polymorphisme est souvent associé à des traits du système de reproduction. Cette thèse est centrée sur une espèce d'orchidée Européenne qui ne produit pas de nectar, Dactylorhiza sambucina. Cette espèce présente des individus à fleurs jaunes et des individus à fleurs rouge, généralement présents en mélange dans les populations naturelles. Plusieurs études ont investigué l'écologie évolutive de cette espèce depuis 25 ans, avec comme thème central l'évolution et le maintien de ce polymorphisme. La principale force sélective proposée pour maintenir ce polymorphisme de couleur est la sélection fréquence-dépendante, exercée par le comportement des pollinisateurs. Chacun des deux variants de couleur est favorisé quand il est rare, et défavorisé quand il devient commun. Bien que ce mécanisme semble agir, certains auteurs doutent de son importance, et ont proposé que les variations temporelles ou spatiales des forces de sélection puisse maintenir le polymorphisme de couleur chez D. sambucina. Dans cette thèse, nous avons voulu résumer et synthétiser les résultats de ces différentes études, et aussi présenter des données nouvelles concernant la reproduction de cette espèce. À la vue de ces résultats, il apparait que de nombreux points nécessitent des expériences complémentaires, et que la compréhension de ce système biologique est encore fragmentaire. Nous nous sommes également intéressés à une question laissée en suspens dans la littérature: le polymorphisme de couleur en soit confère-t-il un avantage à l'espèce, comme proposé par certains auteurs? En construisant des populations artificielles de D. sambucina, nous avons pu montrer que le polymorphisme de couleur n'augmente pas le succès reproducteur de l'espèce. Nous terminons ce travail de recherche en proposant plusieurs axes de recherche pouvant conduire à une meilleure compréhension de l'écologie et de l'évolution de cette espèce.

Long-term changes in synaptic transmission of the lateral amygdala induced by strong "in vitro" activation

Résumé : L'amygdale latérale (AL) joue un .rôle essentiel dans la plasticité synaptique à la base du conditionnement de la peur. Malgré le faite que la majorité des cellules de l'AL reçoivent les afférentes nécessaires, une potentialisation dans seulement une partie d'entre elles est obligatoire afin que l'apprentissage de la peur ait lieu. Il a été montré que ces cellules expriment la forme active de CREB, et celui-ci a été associé aux cellules dites de type 'nonaccomrnodating' (nAC). Très récemment, une étude a impliqué les circuits récurrents de l'AL dans le conditionnement de la peur. Un lien entre ces deux observations n'a toutefois jamais été établi. t Nous avons utilisé un protocole in vitro de forte activation de l'AL, résultant dans l'induction de 'bursts' provenant de l'hippocampe et se propageant jusqu'à l'AL. Dans l'AL ces 'bursts' atteignent toutes les cellules et se propagent à travers plusieurs chemins. Utilisant ce protocole, nous avons, pour la première fois pu associer dans l'AL, des cellules connectées de manière récurrente avec des cellules de type nAC. Aussi bien dans ces dernières que dans les cellules de type 'accommodating' (AC), une diminution dans la transmission inhibitrice, à la fois exprimée de manière pré synaptique mais également indépendant de la synthèse de protéine a pu être observé. Au contraire, une potentialisation induite et exprimée au niveau pré synaptique ainsi que dépendante de la synthèse de protéine a pu être trouvé uniquement dans les cellules de type nAC. De plus, une hyperexcitabilité, dépendante des récepteurs NMDA a pu être observé, avec une sélection préférentielle des cellules du type nAC dans la génération de bursts. Nous avons également pu démontrer que la transformation d'un certain nombre de cellules de type AC en cellules dites nAC accompagnait cette augmentation générale de l'excitabilité de l'AL. Du faite da la grande quantité d'indices suggérant une connexion entre le système noradrénergique et les états de peur/d'anxiété, les effets d'une forte activation de l'AL sur ce dernier ont été investigués et ont révélés une perte de sa capacité de modulation du 'spiking pattern'. Finalement, des changements au niveau de l'expression d'un certain nombre de gènes, incluant celui codant pour le BDNF, a pu être trouvé à la suite d'une forte activation de l'AL. En raison du lien récemment décrit entre l'expression de la forme active de CREB et des cellules de type nAC ainsi que celui de l'implication des cellules de l'AL connectés de manière récurrente dans l'apprentissage de la peur, nos résultats nous permettent de suggérer un modèle expliquant comment la potentialisation des connections récurrentes entre cellules de type nAC pourrait être à la base de leur recrutement sélectif pendant le conditionnement de la peur. De plus, ils peuvent offrir des indices par rapport aux mécanismes à travers lesquels une sous population de neurones peut être réactivée par une stimulation externe précédemment inefficace, et induire ainsi un signal suffisamment fort pour qu'il soit transmit aux structures efférentes de l'AL. Abstract : The lateral nucleus of the amygdala (LA) is critically involved in the plasticity underlying fear-conditioned learning (Sah et al., 2008). Even though the majority of cells in the LA receive the necessary sensory inputs, potentiation in only a subset is required for fear learning to occur (Repa et al., 2001; Rumpel et al., 2005). These cells express active CREB (CAMP-responsive element-binding protein) (Han et al., 200, and this was related to the non-accommodating (nAC) spiking phenotype (Viosca et al., 2009; Zhou et al., 2009). In addition, a very recent study implicated recurrently connected cells of the LA in fear conditioned learning (Johnson et al., 2008). A link between the two observations has however never been made. In rats, we used an in vitro protocol of strong activation of the LA, resulting in bursting activity, which spread from the hippocampus to the LA. Within the LA, this activity reached all cells and spread via a multitude of pathways. Using this model, we were able to link, for the first time, recurrently connected cells in the LA with cells of the nAC phenotype. While we found a presynaptically expressed, protein synthesis independent decrease in inhibitory synaptic transmission in both nAC and accommodating (AC) cells, only nAC cells underwent a presynaptically induced and expressed, protein synthesis dependent potentiation. Moreover we observed an NMDA dependent hyperexcitability of the LA, with a preferential selection of nAC cells into burst generation. The transformation of a subset of AC cells into nAC cells accompanied this general increase in LA excitability. Given the considerable evidence suggesting a relationship between the central noradrenergic (NA) system and fear/anxiety states (Itoi, 2008), the effects of strong activation of the LA on the noradrenergic system were investigated, which revealed a loss of its modulatory actions on cell spiking patterns. Finally, we found changes in the expression levels of a number of genes; among which the one coding for $DNF, to be induced by strong activation of the LA. In view of the recently described link between nAC cells and expression of pCREB (phosphorylated cAMP-responsive element-binding protein) as well as the involvement of recurrently connected cells of the LA in fear-conditioned learning, our findings may provide a model of how potentiation of recurrent connections between nAC neurons underlies their recruitment into the fear memory trace. Additionally, they may offer clues as to the mechanisms through which a selected subset of neurons can be reactivated by smaller, previously ineffective external stimulations to respond with a sufficiently strong signal, which can be transmitted to downstream targets of the LA.

Ultrastructural analysis of neuronal plasticity in the adult mouse

ABSTRACT Adult neuronal plasticity is a term that corresponds to a set of biological mechanisms allowing a neuronal circuit to respond and adapt to modifications of the received inputs. Mystacial whiskers of the mouse are the starting point of a major sensory pathway that provides the animal with information from its immediate environment. Through whisking, information is gathered that allows the animal to orientate itself and to recognize objects. This sensory system is crucial for nocturnal behaviour during which vision is not of much use. Sensory information of the whiskers are sent via brainstem and thalamus to the primary somatosensory area (S1) of the cerebral cortex in a strictly topological manner. Cell bodies in the layer N of S 1 are arranged in ring forming structures called barrels. As such, each barrel corresponds to the cortical representation in layer IV of a single whisker follicle. This histological feature allows to identify with uttermost precision the part of the cortex devoted to a given whisker and to study modifications induced by different experimental conditions. The condition used in the studies of my thesis is the passive stimulation of one whisker in the adult mouse for a period of 24 hours. It is performed by glueing a piece of metal on one whisker and placing the awake animal in a cage surrounded by an electromagnetic coil that generates magnetic field burst inducing whisker movement at a given frequency during 24 hours. I analysed the ultrastructure of the barrel corresponding the stimulated whisker using serial sections electron microscopy and computer-based three-dimensional reconstructions; analysis of neighbouring, unstimulated barrels as well as those from unstimulated mice served as control. The following elements were structurally analyzed: the spiny dendrites, the axons of excitatory as well as inhibitory cells, their connections via synapses and the astrocytic processes. The density of synapses and spines is upregulated in a barrel corresponding to a stimulated whisker. This upregulation is absent in the BDNF heterozygote mice, indicating that a certain level of activity-dependent released BDNF is required for synaptogenesis in the adult cerebral cortex. Synpaptogenesis is correlated with a modification of the astrocytes that place themselves in closer vicinity of the excitatory synapses on spines. Biochemical analysis revealed that the astrocytes upregulate the expression of transporters by which they internalise glutamate, the neurotransmitter responsible for the excitatory response of cortical neurons. In the final part of my thesis, I show that synaptogenesis in the stimulated barrel is due to the increase in the size of excitatory axonal boutons that become more frequently multisynaptic, whereas the inhibitory axons do not change their morphology but form more synapses with spines apposed to them. Taken together, my thesis demonstrates that all the cellular elements present in the neuronal tissue of the adult brain contribute to activity-dependent cortical plasticity and form part of a mechanism by which the animal responds to a modified sensory experience. Throughout life, the neuronal circuit keeps the faculty to adapt its function. These adaptations are partially transitory but some aspects remain and could be the structural basis of a memory trace in the cortical circuit. RESUME La plasticité neuronale chez l'adulte désigne un ensemble de mécanismes biologiques qui permettent aux circuits neuronaux de répondre et de s'adapter aux modifications des stimulations reçues. Les vibrisses des souris sont un système crucial fournissant des informations sensorielles au sujet de l'environnement de l'animal. L'information sensorielle collectée par les vibrisses est envoyée via le tronc cérébral et le thalamus à l'aire sensorielle primaire (S 1) du cortex cérébral en respectant strictement la somatotopie. Les corps cellulaires dans la couche IV de S 1 sont organisés en anneaux délimitant des structures nommées tonneaux. Chaque tonneau reçoit l'information d'une seule vibrisse et l'arrangement des tonneaux dans le cortex correspond à l'arrangement des vibrisses sur le museau de la souris. Cette particularité histologique permet de sélectionner avec certitude la partie du cortex dévolue à une vibrisse et de l'étudier dans diverses conditions. Le paradigme expérimental utilisé dans cette thèse est la stimulation passive d'une seule vibrisse durant 24 heures. Pour ce faire, un petit morceau de métal est collé sur une vibrisse et la souris est placée dans une cage entourée d'une bobine électromagnétique générant un champ qui fait vibrer le morceau de métal durant 24 heures. Nous analysons l'ultrastructure du cortex cérébral à l'aide de la microscopie électronique et des coupes sériées permettant la reconstruction tridimensionnelle à l'aide de logiciels informatiques. Nous observons les modifications des structures présentes : les dendrites épineuses, les axones des cellules excitatrices et inhibitrices, leurs connections par des synapses et les astrocytes. Le nombre de synapses et d'épines est augmenté dans un tonneau correspondant à une vibrisse stimulée 24 heures. Basé sur cela, nous montrons dans ces travaux que cette réponse n'est pas observée dans des souris hétérozygotes BDNF+/-. Cette neurotrophine sécrétée en fonction de l'activité neuronale est donc nécessaire pour la synaptogenèse. La synaptogenèse est accompagnée d'une modification des astrocytes qui se rapprochent des synapses excitatrices au niveau des épines dendritiques. Ils expriment également plus de transporteurs chargés d'internaliser le glutamate, le neurotransmetteur responsable de la réponse excitatrice des neurones. Nous montrons aussi que les axones excitateurs deviennent plus larges et forment plus de boutons multi-synaptiques à la suite de la stimulation tandis que les axones inhibiteurs ne changent pas de morphologie mais forment plus de synapses avec des épines apposées à leur membrane. Tous les éléments analysés dans le cerveau adulte ont maintenu la capacité de réagir aux modifications de l'activité neuronale et répondent aux modifications de l'activité permettant une constante adaptation à de nouveaux environnements durant la vie. Les circuits neuronaux gardent la capacité de créer de nouvelles synapses. Ces adaptations peuvent être des réponses transitoires aux stimuli mais peuvent aussi laisser une trace mnésique dans les circuits.