Regulation of Nav1.7 and Nav1.8 voltage-gated sodium channels by Nedd4-2 and β-subunits and its implication in neuropathic pain

In mammals, the presence of excitable cells in muscles, heart and nervous system is crucial and allows fast conduction of numerous biological information over long distances through the generation of action potentials (AP). Voltage-gated sodium channels (Navs) are key players in the generation and propagation of AP as they are responsible for the rising phase of the AP. Navs are heteromeric proteins composed of a large pore-forming a-subunit (Nav) and smaller ß-auxiliary subunits. There are ten genes encoding for Navl.l to Nav1.9 and NaX channels, each possessing its own specific biophysical properties. The excitable cells express differential combinations of Navs isoforms, generating a distinct electrophysiological signature. Noteworthy, only when anchored at the membrane are Navs functional and are participating in sodium conductance. In addition to the intrinsic properties of Navs, numerous regulatory proteins influence the sodium current. Some proteins will enhance stabilization of membrane Navs while others will favour internalization. Maintaining equilibrium between the two is of crucial importance for controlling cellular excitability. The E3 ubiquitin ligase Nedd4-2 is a well-characterized enzyme that negatively regulates the turnover of many membrane proteins including Navs. On the other hand, ß-subunits are known since long to stabilize Navs membrane anchoring. Peripheral neuropathic pain is a disabling condition resulting from nerve injury. It is characterized by the dysregulation of Navs expressed in dorsal root ganglion (DRG) sensory neurons as highlighted in different animal models of neuropathic pain. Among Navs, Nav1.7 and Nav1.8 are abundantly and specifically expressed in DRG sensory neurons and have been recurrently incriminated in nociception and neuropathic pain development. Using the spared nerve injury (SNI) experimental model of neuropathic pain in mice, I observed a specific reduction of Nedd4-2 in DRG sensory neurons. This decrease subsequently led to an upregulation of Nav1.7 and Nav1.8 protein and current, in the axon and the DRG neurons, respectively, and was sufficient to generate neuropathic pain-associated hyperexcitability. Knocking out Nedd4-2 specifically in nociceptive neurons led to the same increase of Nav1.7 and Nav1.8 concomitantly with an increased thermal sensitivity in mice. Conversely, rescuing Nedd4-2 downregulation using viral vector transfer attenuated neuropathic pain mechanical hypersensitivity. This study demonstrates the significant role of Nedd4-2 in regulating cellular excitability in vivo and its involvement in neuropathic pain development. The role of ß-subunits in neuropathic pain was already demonstrated in our research group. Because of their stabilization role, the increase of ßl, ß2 and ß3 subunits in DRGs after SNI led to increased Navs anchored at the membrane. Here, I report a novel mechanism of regulation of a-subunits by ß- subunits in vitro; ßl and ß3-subunits modulate the glycosylation pattern of Nav1.7, which might account for stabilization of its membrane expression. This opens new perspectives for investigation Navs state of glycosylation in ß-subunits dependent diseases, such as in neuropathic pain. - Chez les mammifères, la présence de cellules excitables dans les muscles, le coeur et le système nerveux est cruciale; elle permet la conduction rapide de nombreuses informations sur de longues distances grâce à la génération de potentiels d'action (PA). Les canaux sodiques voltage-dépendants (Navs) sont des participants importants dans la génération et la propagation des PA car ils sont responsables de la phase initiale de dépolarisation du PA. Les Navs sont des protéines hétéromériques composées d'une grande sous-unité a (formant le pore du canal) et de petites sous-unités ß accompagnatrices. Il existe dix gènes qui codent pour les canaux sodiques, du Nav 1.1 au Nav 1.9 ainsi que NaX, chacun possédant des propriétés biophysiques spécifiques. Les cellules excitables expriment différentes combinaisons des différents isoformes de Navs, qui engendrent une signature électrophysiologique distincte. Les Navs ne sont fonctionnels et ne participent à la conductibilité du Na+, que s'ils sont ancrés à la membrane plasmique. En plus des propriétés intrinsèques des Navs, de nombreuses protéines régulatrices influencent également le courant sodique. Certaines protéines vont favoriser l'ancrage et la stabilisation des Navs exprimés à la membrane, alors que d'autres vont plutôt favoriser leur internalisation. Maintenir l'équilibre des deux processus est crucial pour contrôler l'excitabilité cellulaire. Dans ce contexte, Nedd4-2, de la famille des E3 ubiquitin ligase, est une enzyme bien caractérisée qui régule l'internalisation de nombreuses protéines, notamment celle des Navs. Inversement, les sous-unités ß sont connues depuis longtemps pour stabiliser l'ancrage des Navs à la membrane. La douleur neuropathique périphérique est une condition débilitante résultant d'une atteinte à un nerf. Elle est caractérisée par la dérégulation des Navs exprimés dans les neurones sensoriels du ganglion spinal (DRG). Ceci a été démontré à de multiples occasions dans divers modèles animaux de douleur neuropathique. Parmi les Navs, Nav1.7 et Nav1.8 sont abondamment et spécifiquement exprimés dans les neurones sensoriels des DRG et ont été impliqués de façon récurrente dans le développement de la douleur neuropathique. En utilisant le modèle animal de douleur neuropathique d'épargne du nerf sural (spared nerve injury, SNI) chez la souris, j'ai observé une réduction spécifique des Nedd4-2 dans les neurones sensoriels du DRG. Cette diminution avait pour conséquence l'augmentation de l'expression des protéines et des courants de Nav 1.7 et Nav 1.8, respectivement dans l'axone et les neurones du DRG, et était donc suffisante pour créer l'hyperexcitabilité associée à la douleur neuropathique. L'invalidation pour le gène codant pour Nedd4-2 dans une lignée de souris génétiquement modifiées a conduit à de similaires augmentations de Nav1.7 et Nav1.8, parallèlement à une augmentation à la sensibilité thermique. A l'opposé, rétablir une expression normale de Nedd4-2 en utilisant un vecteur viral a eu pour effet de contrecarrer le développement de l'hypersensibilité mécanique lié à ce modèle de douleur neuropathique. Cette étude démontre le rôle important de Nedd4-2 dans la régulation de l'excitabilité cellulaire in vivo et son implication dans le développement des douleurs neuropathiques. Le rôle des sous-unités ß dans les douleurs neuropathiques a déjà été démontré dans notre groupe de recherche. A cause de leur rôle stabilisateur, l'augmentation des sous-unités ßl, ß2 et ß3 dans les DRG après SNI, conduit à une augmentation des Navs ancrés à la membrane. Dans mon travail de thèse, j'ai observé un nouveau mécanisme de régulation des sous-unités a par les sous-unités ß in vitro. Les sous-unités ßl et ß3 régulent l'état de glycosylation du canal Nav1.7, et stabilisent son expression membranaire. Ceci ouvre de nouvelles perspectives dans l'investigation de l'état de glycosylation des Navs dans des maladies impliquant les sous-unités ß, notamment les douleurs neuropathiques.

Symmetries and fixed point stability of stochastic differential equations modeling self-organized criticality

A stochastic nonlinear partial differential equation is constructed for two different models exhibiting self-organized criticality: the Bak-Tang-Wiesenfeld (BTW) sandpile model [Phys. Rev. Lett. 59, 381 (1987); Phys. Rev. A 38, 364 (1988)] and the Zhang model [Phys. Rev. Lett. 63, 470 (1989)]. The dynamic renormalization group (DRG) enables one to compute the critical exponents. However, the nontrivial stable fixed point of the DRG transformation is unreachable for the original parameters of the models. We introduce an alternative regularization of the step function involved in the threshold condition, which breaks the symmetry of the BTW model. Although the symmetry properties of the two models are different, it is shown that they both belong to the same universality class. In this case the DRG procedure leads to a symmetric behavior for both models, restoring the broken symmetry, and makes accessible the nontrivial fixed point. This technique could also be applied to other problems with threshold dynamics.

Assessing the impact of DRGs on patient care and professional practice in Switzerland (IDoC) : a potential model for monitoring and evaluating healthcare reform.

QUESTIONS UNDER STUDY: The starting point of the interdisciplinary project "Assessing the impact of diagnosis related groups (DRGs) on patient care and professional practice" (IDoC) was the lack of a systematic ethical assessment for the introduction of cost containment measures in healthcare. Our aim was to contribute to the methodological and empirical basis of such an assessment. METHODS: Five sub-groups conducted separate but related research within the fields of biomedical ethics, law, nursing sciences and health services, applying a number of complementary methodological approaches. The individual research projects were framed within an overall ethical matrix. Workshops and bilateral meetings were held to identify and elaborate joint research themes. RESULTS: Four common, ethically relevant themes emerged in the results of the studies across sub-groups: (1.) the quality and safety of patient care, (2.) the state of professional practice of physicians and nurses, (3.) changes in incentives structure, (4.) vulnerable groups and access to healthcare services. Furthermore, much-needed data for future comparative research has been collected and some early insights into the potential impact of DRGs are outlined. CONCLUSIONS: Based on the joint results we developed preliminary recommendations related to conceptual analysis, methodological refinement, monitoring and implementation.

ROLES OF ACID-SENSING ION CHANNELS (ASICS) IN PERIPHERAL NEUROPEPTIDE SECRETION AND PAIN

Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage-gated sodium channels activated by an extracellular acidification. They are widely expressed in neurons of the central and peripheral nervous system. ASICs have a role in learning, the expression of fear, in neuronal death after cerebral ischemia, and in pain sensation. Tissue damage leads to the release of inflammatory mediators. There is a subpopulation of sensory neurons which are able to release the neuropeptides calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP). Neurogenic inflammation refers to the process whereby peripheral release of the neuropeptides CGRP and SP induces vasodilation and extravasation of plasma proteins, respectively. Our laboratory has previously shown that calcium-permeable homomeric ASIC1a channels are present in a majority of CGRP- or SP-expressing small diameter sensory neurons. In the first part of my thesis, we tested the hypothesis that a local acidification can produce an ASIC-mediated calcium-dependant neuropeptide secretion. We have first verified the co-expression of ASICs and CGRP/SP using immunochemistry and in-situ hybridization on dissociated rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. We found that most CGRP/SP-positive neurons also expressed ASIC1a and ASIC3 subunits. Calcium imaging experiments with Fura-2 dye showed that an extracellular acidification can induce an increase of intracellular Ca2+ concentration, which is essential for secretion. This increase of intracellular Ca2+ concentration is, at least in some cells, ASIC-dependent, as it can be prevented by amiloride, an ASIC antagonist, and by Psalmotoxin (PcTx1), a specific ASIC1a antagonist. We identified a sub-population of neurons whose acid-induced Ca2+ entry was completely abolished by amiloride, an amiloride-resistant population which does not express ASICs, but rather another acid-sensing channel, possibly transient receptor potential vanilloïde 1 (TRPV1), and a population expressing both H+-gated channel types. Voltage-gated calcium channels (Cavs) may also mediate Ca2+ entry. Co-application of the Cavs inhibitors (ω-conotoxin MVIIC, Mibefradil and Nifedipine) reduced the Ca2+ increase in neurons expressing ASICs during an acidification to pH 6. This indicates that ASICs can depolarise the neuron and activate Cavs. Homomeric ASIC1a are Ca2+-permeable and allow a direct entry of Ca2+ into the cell; other ASICs mediate an indirect entry of Ca2+ by inducing a membrane depolarisation that activates Cavs. We showed with a secretion assay that CGRP secretion can be induced by extracellular acidification in cultured rat DRG neurons. Amiloride and PcTx1 were not able to inhibit the secretion at acidic pH, but BCTC, a TRPV1 inhibitor was able to decrease the secretion induced by an extracellular acidification in our in vitro secretion assay. In conclusion, these results show that in DRG neurons a mild extracellular acidification can induce a calcium-dependent neuropeptide secretion. Even if our data show that ASICs can mediate an increase of intracellular Ca2+ concentration, this appears not to be sufficient to trigger neuropeptide secretion. TRPV1, a calcium channel whose activation induces a sustained current - in contrary of ASICs - played in our experimental conditions a predominant role in neurosecretion. In the second part of my thesis, we focused on the role of ASICs in neuropathic pain. We used the spared nerve injury (SNI) model which consists in a nerve injury that induces symptoms of neuropathic pain such as mechanical allodynia. We have previously shown that the SNI model modifies ASIC currents in dissociated rat DRG neurons. We hypothesized that ASICs could play a role in the development of mechanical allodynia. The SNI model was performed on ASIC1a, -2, and -3 knock-out mice and wild type littermates. We measured mechanical allodynia on these mice with calibrated von Frey filaments. There were no differences between the wild-type and the ASIC1, or ASIC2 knockout mice. ASIC3 null mice were less sensitive than wild type mice at 21 day after SNI, indicating a role for ASIC3. Finally, to investigate other possible roles of ASICs in the perception of the environment, we measured the baseline heat responses. We used two different models; the tail flick model and the hot plate model. ASIC1a null mice showed increased thermal allodynia behaviour in the hot plate test at three different temperatures (49, 52, 55°C) compared to their wild type littermates. On the contrary, ASIC2 null mice showed reduced thermal allodynia behaviour in the hot plate test compared to their wild type littermates at the three same temperatures. We conclude that ASIC1a and ASIC2 in mice can play a role in temperature sensing. It is currently not understood how ASICs are involved in temperature sensing and what the reason for the opposed effects in the two knockout models is.

Expression of calbindin immunoreactivity by subpopulations of primary sensory neurons in chick embryo dorsal root ganglion cells grown in coculture or conditioned medium.

Primary sensory neurons which innervate neuromuscular spindles in the chicken are calbindin-immunoreactive. The influence exerted by developing skeletal muscle on the expression of calbindin immunoreactivity by subpopulations of dorsal root ganglion (DRG) cells in the chick embryo was tested in vitro in coculture with myoblasts, in conditioned medium (CM) prepared from myoblasts and in control cultures of DRG cells alone. Control cultures of DRG cells grown at the 6th embryonic day (E6) did not show any calbindin-immunostained ganglion cell. In coculture of myoblasts previously grown for 14 days, about 3% of calbindin-immunoreactive ganglion cells were detected while about 1% were observed in some cultures grown in CM. Fibroblasts from various sources were devoid of effect. Skin or kidney cells were more active than myoblasts to initiate calbindin expression by subpopulations of DRG cells in coculture or, to a lesser degree, in CM. The results suggest that cellular factors would rather induce calbindin expression in certain sensory neurons than ensure a selective neuronal survival.

Swiss DRGs : patient heterogeneity and hospital payments

In this paper, we analyze the prospective method of paying hospitals when the within-DRG variance is high. To avoid patients dumping, an outlier payment system is implemented. In the APDRG Swiss System, it consists in a mixture of fully prospective payments for low costs patients and partially cost-based system for high cost patients. We show how the optimal policy depends on the degree to which hospitals take patients' interest into account. A fixed-price policy is optimal when the hospital is sufficiently benevolent. When the hospital is weakly benevolent, a mixed policy solving a trade-off between rent extraction, efficiency and dumping deterrence must be preferred. Following Mougeot and Naegelen (2008), we show how the optimal combination of fixed price and partially costbased payment depends on the degree of benevolence of the hospital, the social cost of public funds and the distribution of patients severity. [Authors]

Carbonic anhydrase activity in primary sensory neurons. II. Influence of environmental factors on the phenotypic expression of the enzyme in dissociated cultures of chicken dorsal root ganglion cells.

Neuronal subpopulations of dorsal root ganglion (DRG) cells in the chicken exhibit carbonic anhydrase (CA) activity. To determine whether CA activity is expressed by DRG cells maintained in in vitro cultures, dissociated DRG cells from 10-day-old chick embryos were cultured on a collagen substrate. The influence exerted by environmental factors on the enzyme expression was tested under various conditions of culture. Neuron-enriched cell cultures and mixed DRG-cell cultures (including numerous non-neuronal cells) were performed either in a defined medium or in a horse serum-supplemented medium. In all the tested conditions, subpopulations of cultured sensory neurons expressed CA activity in their cell bodies, while their neurites were rarely stained; in each case, the percentage of CA-positive neurons declined with the age of the cultures. The number and the persistence of neurons possessing CA activity as well as the intensity of the reaction were enhanced by addition of horse serum. In contrast, the expression of the neuronal CA activity was not affected by the presence of non-neuronal cells or by the rise of CO2 concentration. Thus, the appearance and disappearance of neuronal subpopulations expressing CA activity may be decisively influenced by factors contained in the horse serum. The loss of CA-positive neurons with time could result from a cell selection or from genetic repression. Analysis of the time curves does not support a preferential cell death of CA-positive neurons but suggests that the eventual conversion of CA-positive neurons into CA-negative neurons results from a loss of the enzyme activity. These results indicate that the phenotypic expression of cultured sensory neurons is dependent on defined environmental factors.

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.

Phenotypic and molecular characterization of the onset of neuropathy in rodent models of diabetes mellitus

Abstract : The principal focus of this work was to study the molecular changes leading to the development of diabetic peripheral neuropathy (DPN). DPN is the most common complication associated with both type I and II diabetes mellitus (DM). This pathology is the leading cause of non-traumatic amputations. Even though the pathological and morphological changes underlying DPN are relatively well described, the implicated molecular mechanisms remain poorly understood. The following two approaches were developed to study the development of DPN in a rodent model of DM type I. As a first approach, we studied the implication of lipid metabolism in DPN phenotype, concentrating on Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-lc which is the key regulator of storage lipid metabolism. We showed that SREBP-1c was expressed in peripheral nerves and that its expression profile followed the expression of genes involved in storage lipid metabolism. In addition, the expression of SREBP-1c in the endoneurium of peripheral nerves was dependant upon nutritional status and this expression was also perturbed in type I diabetes. In line with this, we showed that insulin elevated the expression of SREBP-1c in primary cultured Schwann cells by activating the SREBP-1c promoter. Taken together, these findings reveal that SREBP-1c expression in Schwann cells responds to metabolic stimuli including insulin and that this response is affected in type I diabetes mellitus. This suggests that disturbed SREBP-1c regulated lipid metabolism may contribute to the pathophysiology of DPN. As a second approach, we performed a comprehensive analysis of the molecular changes associated with DPN in the Akital~1~+ mouse which is a model of spontaneous early-onset type I diabetes mellitus. This mouse expresses a mutated non-functional isoform of insulin, leading to hypoinsulinemia and hyperglycaemia. To determine the onset of DPN, weight, blood glucose and motor nerve conduction velocity (MNCV) were measured in Akital+/+ mice during the first three months of life. A decrease in MNCV was evident akeady one week after the onset of hyperglycemia. To explore the molecular changes associated with the development of DPN in these mice, we performed gene expression profiling using sciatic nerve endoneurium and dorsal root ganglia (DRG) isolated from early diabetic male Akita+/+ mice and sex-matched littermate controls. No major transcriptional changes were detected either in the DRG or in the sciatic nerve endoneurium. This experiment indicates that the phenotypic changes observed during the development of DPN are not correlated with major transcriptional alterations, but mainly with alterations at the protein level. Résumé Lors ce travail, nous nous sommes intéressés aux changements moléculaires aboutissant aux neuropathies périphériques dues au diabète (NPD). Les NPD sont la complication la plus commune du diabète de type I et de type II. Cette pathologie est une cause majeure d'amputations. Même si les changements pathologiques et morphologiques associés aux NPD sont relativement bien décrits, les mécanismes moléculaires provoquant cette pathologie sont mal connus. Deux approches ont principalement été utilisées pour étudier le développement des NPD dans des modèles murins du diabète de type I. Nous avons d'abord étudié l'impact du métabolisme des lipides sur le développement des NPD en nous concentrant sur Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-1 c qui est un régulateur clé des lipides de stockage. Nous avons montré que SREBP-1 c est exprimé dans les nerfs périphériques et que son profil d'expression suit celui de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de stockage. De plus, l'expression de SREBP-1c dans l'endoneurium des nerfs périphériques est dépendante du statut nutritionnel et est dérégulée lors de diabète de type I. Nous avons également pu montrer que l'insuline augmente l'expression de SREBP-1c dans des cultures primaires de cellules de Schwann en activant le promoteur de SREBP-1c. Ses résultats démontrent que l'expression de SREBP-1c dans les cellules de Schwann est contrôlée par des stimuli métaboliques comme l'insuline et que cette réponse est affectée dans le cas d'un diabète de type I. Ces données suggèrent que la dérégulation de l'expression de SREBP-1c lors du diabète pourrait affecter le métabolisme des lipides et ainsi contribuer à la pathophysiologie des NPD. Comme seconde approche, nous avons réalisé une analyse globale des changements moléculaires associés au développement des NPD chez les souris Akita+/+, un modèle de diabète de type I. Cette souris exprime une forme mutée et non fonctionnelle de l'insuline provoquant une hypoinsulinémie et une hyperglycémie. Afin de déterminer le début du développement de la NPD, le poids, le niveau de glucose sanguin et la vitesse de conduction nerveuse (VCN) ont été mesurés durant les 3 premiers mois de vie. Une diminution de la VCN a été détectée une semaine seulement après le développement de l'hyperglycémie. Pour explorer les changements moléculaires associés avec le développement des NPD, nous avons réalisé un profil d'expression de l'endoneurium du nerf sciatique et des ganglions spinaux isolés à partir de souris Akital+/+ et de souris contrôles Akita+/+. Aucune altération transcriptionnelle majeure n'a été détectée dans nos échantillons. Cette expérience suggère que les changements phénotypiques observés durant le développement des NPD ne sont pas corrélés avec des changements importants au niveau transcriptionnel, mais plutôt avec des altérations au niveau protéique. Résumé : Lors ce travail, nous nous sommes intéressés aux changements moléculaires aboutissant aux neuropathies périphériques dues au diabète (NPD). Les NPD sont la complication la plus commune du diabète de type I et de type II. Cette pathologie est une cause majeure d'amputations. Même si les changements pathologiques et morphologiques associés aux NPD sont relativement bien décrits, les mécanismes moléculaires provoquant cette pathologie sont mal connus. Deux approches ont principalement été utilisées pour étudier le développement des NPD dans des modèles murins du diabète de type I. Nous avons d'abord étudié l'impact du métabolisme des lipides sur le développement des NPD en nous concentrant sur Sterol Response Element Binding Protein (SREBP)-1c qui est un régulateur clé des lipides de stockage. Nous avons montré que SREBP-1 c est exprimé dans les nerfs périphériques et que son profil d'expression suit celui de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de stockage. De plus, l'expression de SREBP-1c dans l'endoneurium des nerfs périphériques est dépendante du statut nutritionnel et est dérégulée lors de diabète de type I. Nous avons également pu montrer que l'insuline augmente l'expression de SREBP-1c dans des cultures primaires de cellules de Schwann en activant le promoteur de SREBP-1c. Ses résultats démontrent que l'expression de SREBP-1c dans les cellules de Schwann est contrôlée par des stimuli métaboliques comme l'insuline et que cette réponse est affectée dans le cas d'un diabète de type I. Ces données suggèrent que la dérégulation de l'expression de SREBP-1c lors du diabète pourrait affecter le métabolisme des lipides et ainsi contribuer à la pathophysiologie des NPD. Comme seconde approche, nous avons réalisé une analyse globale des changements moléculaires associés au développement des NPD chez les souris Akita~~Z~+, un modèle de diabète de type I. Cette souris exprime une forme mutée et non fonctionnelle de l'insuline provoquant une hypoinsulinémie et une hyperglycémie. Afin de déterminer le début du développement de la NPD, le poids, le niveau de glucose sanguin et la vitesse de conduction nerveuse (VCN) ont été mesurés durant les 3 premiers mois de vie. Une diminution de la VCN a été détectée une semaine seulement après le développement de l'hyperglycémie. Pour explorer les changements moléculaires associés avec le développement des NPD, nous avons réalisé un profil d'expression de l'endoneurium du nerf sciatique et des ganglions spinaux isolés à partir de souris Akital+/+ et de souris contrôles Akita+/+. Aucune altération transcriptionnelle majeure n'a été détectée dans nos échantillons. Cette expérience suggère que les changements phénotypiques observés durant le développement des NPD ne sont pas corrélés avec des changements importants au niveau transcriptionnel, mais plutôt avec des altérations au niveau protéique.

Triiodothyronine and nerve growth factor are required to induce cytoplasmic dynein expression in rat dorsal root ganglion cultures.

Beside the several growth factors which play a crucial role in the development and regeneration of the nervous system, thyroid hormones also contribute to the normal development of the central and peripheral nervous system. In our previous work, we demonstrated that triiodothyronine (T3) in physiological concentration enhances neurite outgrowth of primary sensory neurons in cultures. Neurite outgrowth requires microtubules and microtubule associated proteins (MAPs). Therefore the effects of exogenous T3 or/and nerve growth factors (NGF) were tested on the expression of cytoskeletal proteins in primary sensory neurons. Dorsal root ganglia (DRG) from 19 day old rat embryos were cultured under four conditions: (1) control cultures in which explants were grown in the absence of T3 and NGF, (2) cultures grown in the presence of NGF alone, (3) in the presence of T3 alone or (4) in the presence of NGF and T3 together. Analysis of proteins by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis revealed the presence of several proteins in the molecular weight region around 240 kDa. NGF and T3 together induced the expression of one protein, in particular, with a molecular weight above 240 kDa, which was identified by an antibody against MAP1c, a protein also known as cytoplasmic dynein. The immunocytochemical detection confirmed that this protein was expressed only in DRG explants grown in the presence of NGF and T3 together. Neither control explants nor explants treated with either NGF or T3 alone expressed dynein. In conclusion, a combination of nerve growth factor and thyroid hormone is necessary to regulate the expression of cytoplasmic dynein, a protein that is involved in retrograde axonal transport.

Intraneuronal angiotensinergic system in rat and human dorsal root ganglia.

To elucidate the local formation of angiotensin II (Ang II) in the neurons of sensory dorsal root ganglia (DRG), we studied the expression of angiotensinogen (Ang-N)-, renin-, angiotensin converting enzyme (ACE)- and cathepsin D-mRNA, and the presence of protein renin, Ang II, Substance P and calcitonin gene-related peptide (CGRP) in the rat and human thoracic DRG. Quantitative real time PCR (qRT-PCR) studies revealed that rat DRG expressed substantial amounts of Ang-N- and ACE mRNA, while renin mRNA as well as the protein renin were untraceable. Cathepsin D-mRNA and cathepsin D-protein were detected in the rat DRG indicating the possibility of existence of pathways alternative to renin for Ang I formation. Angiotensin peptides were successfully detected with high performance liquid chromatography and radioimmunoassay in human DRG extracts. In situ hybridization in rat DRG confirmed additionally expression of Ang-N mRNA in the cytoplasm of numerous neurons. Intracellular Ang II staining could be shown in number of neurons and their processes in both the rat and human DRG. Interestingly we observed neuronal processes with angiotensinergic synapses en passant, colocalized with synaptophysin, within the DRG. In the DRG, we also identified by qRT-PCR, expression of Ang II receptor AT(1A) and AT(2)-mRNA while AT(1B)-mRNA was not traceable. In some neurons Substance P and CGRP were found colocalized with Ang II. The intracellular localization and colocalization of Ang II with Substance P and CGRP in the DRG neurons may indicate a participation and function of Ang II in the regulation of nociception. In conclusion, these results suggest that Ang II may be produced locally in the neurons of rat and human DRG and act as a neurotransmitter.

Differential expression of 240 kDa ConA-binding glycoprotein in vitro and in vivo detected by immunochemical methods.

The expression of the 240 ConA-binding glycoprotein (240 kDa), a marker of synaptic junctions isolated from the rat cerebellum, was studied by immunocytochemical techniques in forebrain and cerebellum from rat and chicken, and in chick dorsal root ganglia. Parallel studies were carried out either on tissue sections or in dissociated cell cultures. In all cases non neuronal cells were not immunostained. The tissue sections of cerebellum from rat and chick exhibited 240 kDa glycoprotein immunoreactivity, especially in the molecular layer, while the forebrain sections from rat and chick did not show any significant immunostaining. In contrast, in dissociated forebrain cell cultures, all neuronal cells expressed 240 kDa glycoprotein immunoreactivity, while glial cells remained totally unlabelled. In tissue sections of dorsal root ganglion (DRG), sensory neurons expressed the 240 kDa only after the embryonic day (E 10). A large number of small neurons in the dorsomedial part of DRG were immunostained with 240 kDa glycoprotein antiserum, whereas only a small number of neurons in the ventrolateral part of the ganglia displayed 240 kDa immunoreactivity. In dissociated DRG cells cultures (mixed or neuron-enriched DRG cell cultures) all the neuronal perikarya but not their processes were stained. These studies indicate that 240 kDa glycoprotein expression is completely modified in cultures of neurons of CNS or PNS since the antigen becomes synthetized in high amount by all cells independent of synapse formation. This demonstrates that the expression of 240 kDa is controlled by the cell environment.

Inhibition of voltage-gated Na(+) currents in sensory neurones by the sea anemone toxin APETx2.

BACKGROUND AND PURPOSE: APETx2, a toxin from the sea anemone Anthropleura elegantissima, inhibits acid-sensing ion channel 3 (ASIC3)-containing homo- and heterotrimeric channels with IC(50) values < 100 nM and 0.1-2 µM respectively. ASIC3 channels mediate acute acid-induced and inflammatory pain response and APETx2 has been used as a selective pharmacological tool in animal studies. Toxins from sea anemones also modulate voltage-gated Na(+) channel (Na(v) ) function. Here we tested the effects of APETx2 on Na(v) function in sensory neurones.¦EXPERIMENTAL APPROACH: Effects of APETx2 on Na(v) function were studied in rat dorsal root ganglion (DRG) neurones by whole-cell patch clamp.¦KEY RESULTS: APETx2 inhibited the tetrodotoxin (TTX)-resistant Na(v) 1.8 currents of DRG neurones (IC(50) , 2.6 µM). TTX-sensitive currents were less inhibited. The inhibition of Na(v) 1.8 currents was due to a rightward shift in the voltage dependence of activation and a reduction of the maximal macroscopic conductance. The inhibition of Na(v) 1.8 currents by APETx2 was confirmed with cloned channels expressed in Xenopus oocytes. In current-clamp experiments in DRG neurones, the number of action potentials induced by injection of a current ramp was reduced by APETx2.¦CONCLUSIONS AND IMPLICATIONS: APETx2 inhibited Na(v) 1.8 channels, in addition to ASIC3 channels, at concentrations used in in vivo studies. The limited specificity of this toxin should be taken into account when using APETx2 as a pharmacological tool. Its dual action will be an advantage for the use of APETx2 or its derivatives as analgesic drugs.

Changes in nuclear 3,5,3'-triiodothyronine receptor expression in rat dorsal root ganglia and sciatic nerve during development: comparison with regeneration.

The action of the thyroid hormones on responsive cells in the peripheral nervous system requires the presence of nuclear triiodothyronine receptors (NT3R). These nuclear receptors, including both the alpha and beta subtypes of NT3R, were visualized by immunocytochemistry with the specific 2B3 monoclonal antibody. In the dorsal root ganglia (DRG) of rat embryos, NT3R immunoreactivity was first discretely revealed in a few neurons at embryonic day 14 (E14), then strongly expressed by all neurons at E17 and during the first postnatal week; all DRG neurons continued to possess clear NT3R immunostaining, which faded slightly with age. The peripheral glial cells in the DRG displayed a short-lived NT3R immunoreaction, starting at E17 and disappearing from the satellite and Schwann cells by postnatal days 3 and 7 respectively. In the developing sciatic nerve, Schwann cells also exhibited transient NT3R immunoreactivity restricted to a short period ranging from E17 to postnatal day 10; the NT3R immunostaining of the Schwann cells vanished proximodistally along the sciatic nerve, so that the Schwann cells rapidly became free of detectable NT3R immunostaining. However, after the transection or crushing of an adult sciatic nerve, the NT3R immunoreactivity reappeared in the Schwann cells adjacent to the lesion by 2 days, then along the distal segment in which the axons were degenerating, and finally disappeared by 45 days, when the regenerating axons were allowed to re-occupy the distal segment.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.