Formins, also known as formin homology (FH) proteins, are involved in a wide range of actin-mediated processes. The Diaphanous-related formin Daam1 (Dishevelled-associated activator of morphogenesis) interacts with the PDZ domain protein Dishevelled, and is required to establish planar cell polarity in Xenopus. Through a yeast two-hybrid screen, I characterized a PDZ-mediated interaction between the C-terminus of Daam1 and the PDZ domains 456 of GRIP1. In dissociated rat hippocampal cultures, Daam1 expression was seen throughout the soma and dendrites in a punctate pattern. Furthermore, co-staining with a synaptic marker suggests that Daam1 could be associated with post-synaptic specializations. Dendritic spines are enriched with actin filaments, and based on the subcellular localization of Daam1 and the evidence that formins are involved in regulating actin polymerization, I hypothesized that Daam1 might play a role in dendritic spine morphology. In order to investigate the functional roles for Daam1, viral vectors were developed using the Semliki-Forest defective viral vector to over-express the full-length Daam1 protein and a Daam1 lacking the PDZ-binding motif. The over-expression of the full-length Daam1 in organotypic hippocampal slices showed a punctate distribution throughout the dendritic shaft, with the occasional appearance in spines, resulting in an overall increase in dendritic spine length. This suggests that formins, such as Daam1, could potentially regulate spine morphology.

Dans la cellule, chaque ARNm se doit d’être régulé finement au niveau transcriptionnel, bien entendu, mais également au niveau de sa traduction, de sa dégradation ainsi que de sa localisation intracellulaire, et ce, afin de permettre l’expression de chaque produit protéique au moment et à l’endroit précis où son action est requise. Lorsqu’un mécanisme physiologique est mis de l’avant dans la cellule, il arrive souvent que plusieurs ARNm se doivent d’être régulés simultanément. L’un des moyens permettant d’orchestrer un tel processus est de réguler l’action d’une protéine commune associée à chacun de ces ARNm, via un mécanisme post-traductionnel par exemple. Ainsi l’expression d’un groupe précis d’ARNm peut être régulée finement dans le temps et dans l’espace selon les facteurs protéiques auxquels il est associé. Dans l’optique d’étudier certains de ces complexes ribonucléoprotéiques (mRNP), nous nous sommes intéressés aux isoformes et paralogues de Staufen, une protéine à domaine de liaison à l’ARN double-brin (dsRBD) impliquée dans de nombreux aspects de la régulation post-transcriptionnelle, tels la dégradation, la traduction ou encore la localisation d’ARNm. Chez la drosophile, un seul gène Staufen est exprimé alors que chez les mammifères, il existe deux paralogues de la protéine, soit Stau1 et Stau2, tous deux possédant divers isoformes produits suite à l’épissage alternatif de leur gène. Stau1 et Stau2 sont identiques à 50%. Les deux isoformes de Stau2, Stau259 et Stau262 ne diffèrent qu’en leur extrémité N-terminale. En effet, alors que Stau259 arbore un dsRBD1 tronqué, celui de Stau262 est complet. Ces observations introduisent une problématique très intéressante à laquelle nous nous sommes attaqué : ces différentes protéines, quoique très semblables, font-elles partie de complexes ribonucléoprotéiques distincts ayant des fonctions propres à chacun ou, au contraire, vu cette similarité de séquence, travaillent-elles de concert au sein des mêmes complexes ribonucléoprotéiques? Afin d’adresser cette question, nous avons entrepris d’isoler, à partir de cellules HEK293T, les différents complexes de Stau1 et Stau2 par la technique d’immunoprécipitation. Nous avons isolé les ARNm associés à chaque protéine, les avons identifiés grâce aux micropuces d’ADN et avons confirmé nos résultats par RT-PCR. Malgré la présence d’une population commune d’ARNm associée à Stau1 et Stau2, la majorité des transcrits identifiés furent spécifiques à chaque orthologue. Cependant, nous avons remarqué que les diverses populations d’ARNm participaient aux mêmes mécanismes de régulation, ce qui suggère que ces deux protéines possèdent des rôles complémentaires dans la mise en œuvre de divers phénomènes cellulaires. Au contraire, les transcrits associés à Stau259 et Stau262 sont davantage similaires, indiquant que celles-ci auraient des fonctions plutôt semblables. Ces résultats sont très intéressants, car pour la première fois, nous avons identifié des populations d’ARNm associées aux isoformes Stau155, Stau259 et Stau262. De plus, nous les avons analysées en parallèle afin d’en faire ressortir les populations spécifiques à chacune de ces protéines. Ensuite, connaissant l’importance de Stau2 dans le transport dendritique d’ARNm, nous avons cherché à caractériser les complexes ribonucléoprotéiques neuronaux associés à celle-ci. Dans un premier temps et à l’aide de la technique d’immunoprécipitation, nous avons identifié une population d’ARNm neuronaux associés à Stau2. Plus de 1700 ARNm montraient une présence d’au moins huit fois supérieure dans le précipité obtenu avec l’anticorps anti-Stau2 par rapport à celui obtenu avec le sérum pré-immun. Ces ARNm codent pour des protéines impliquées dans des processus de modifications post-traductionnelles, de traduction, de transport intracellulaire et de métabolisme de l’ARN. De façon intéressante, cette population d’ARNm isolée du cerveau de rat est relativement différente de celle caractérisée des cellules humaines HEK293T. Ceci suggère que la spécificité d’association Stau2-ARNm peut diffèrer d’un tissu à un autre. Dans un deuxième temps, nous avons isolé les protéines présentes dans les complexes ribonucléoprotéiques obtenus de cerveaux de rat et les avons identifiées par analyse en spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons identifié au sein des particules de Stau2 des protéines liant l’ARN (PABPC1, hnRNPH1, YB1, hsc70), des protéines du cytosquelette (α- et β-tubuline), de même que la protéine peu caractérisée RUFY3. En poussant davantage la caractérisation, nous avons établi que YB1 et PABPC1 étaient associées à Stau2 grâce à la présence de l’ARN, alors que la protéine hsc70, au contraire, interagissait directement avec celle-ci. Enfin, cette dernière association semble être modulable par l’action de l’ATP. Ce résultat offre de nombreuses possibilités quant à la régulation de la fonction de Stau2 et/ou de son mRNP. Entre autres, cette étude suggère un mécanisme de régulation de la traduction au sein de ces particules. Pour faire suite à la caractérisation des mRNP de Stau, nous avons voulu déterminer au niveau neurophysiologique l’importance de ceux-ci. Comme l’étude de Stau2 avait déjà été entreprise préalablement par un autre laboratoire, nous avons décidé de concentrer notre étude sur le rôle de Stau1. Ainsi, nous avons démontré que celle-ci était nécessaire à la mise en place d’une forme de plasticité synaptique à long terme, la forme tardive de potentialisation à long terme ou L-LTP, dépendante de la transcription et de l’activité des récepteurs NMDA. La transmission de base, de même que la faculté de ces épines à faire de la E-LTP, la forme précoce de potentialisation à long terme, et la dépression à long terme ou LTD sont conservées. Ceci indique que les épines conservent la capacité d’être modulées. Ainsi, l’inhibition de la L-LTP, suite à la sous-expression de Stau1, n’est pas simplement due à la perte d’éléments fonctionnels, mais réside plutôt dans l’incapacité de ceux-ci à induire les changements synaptiques spécifiquement nécessaires à la mise en place de la L-LTP. De plus, au niveau synaptique, la sous-expression de Stau1 réduit à la fois l’amplitude et la fréquence des mEPSC. Ces résultats concordent avec l’observation que la sous-expression de Stau1 augmente significativement la proportion d’épines allongées et filopodales, des épines formant des synapses dites silencieuses. Par le fait même, elle diminue le nombre d’épines fonctionnelles, de forme dite normale. Ainsi, nous avons été en mesure de démontrer que l’absence, au niveau neuronal, de la protéine Stau1 induisait un déficit probable dans la localisation et/ou la traduction d’ARNm responsable de la restructuration de l’épine et de facteurs nécessaires à la mise en place de la L-LTP. En conclusion, nous avons participé à lever le voile sur la composition et l’importance des complexes ribonucléoprotéiques de Stau1 et Stau2. Nous avons identifié des populations distinctes et communes d’ARNm associées aux différents isoformes de Stau, à partir des mRNP présents au sein des cellules HEK293. De plus, nous avons réussi à mettre à l’avant plan certaines composantes des mRNP neuronaux de Stau2, dont un partenaire protéique direct, hsc70, partenaire dont l’association est modulable par l’action de l’ATP, ainsi qu’une population neuronale de transcrits d’ARNm. Enfin, nous avons mis en lumière l’importance de Stau1 dans la morphologie des épines dendritiques ainsi que dans le phénomène de la plasticité synaptique. / In the cell, the expression of each mRNA is finely tuned transcriptionally, but also, at the level of translation, degradation and intracellular localisation. These mechanisms of regulation are important in order to control the expression of each translational product at the right time and place. When a physiological phenomenon is activated, the expression of multiple functionally-related mRNAs must be simultaneously regulated. To orchestrate the coordinated expression of all the transcripts that respond to specific cell needs, it is advantageous to regulate the function of a common trans-acting factor that associates with them. Such a mechanism permits to control the fate of a sub-population of mRNAs according to the factors to which they are bound. As a means to learn more about the regulation of mRNAs in ribonucleoprotein complexes (mRNP), we decided to focus our study on the characterisation of Staufen-associated mRNPs. In mammalian cells, two Staufen paralogs, Stau1 and Stau2, are expressed and each gene generates different isoforms through differential splicing. Staufen proteins are double-stranded RNA binding proteins implicated in numerous aspects of the post-transcriptional regulation of mRNAs such as degradation, translation and localisation. Stau1 and Stau2 are similar proteins with an overall percentage identity of around 50%. This percentage increases to near 75% when only the functional double-stranded RNA-binding domains (dsRBD3) are compared. Similarly, Stau2 isoforms, Stau259 and Stau262, are perfectly identical except at the N-terminal extremity where the sequence of Stau262 is extended as compared to that of Stau259. Therefore, their RNA-binding domain 3 are perfectly identical. These observations bring in an interesting problematic. Are those almost identical proteins part of the same mRNP, acting in conjunction or, despite their high similarities, are they part of distinct mRNP participating in specific function? In order to address this question, we decided to immunoprecipitated from HEK293 cells, Stau155, Stau259 and Stau262-associated mRNPs and identify bound mRNAs. Resulting mRNAs isolated from each complex were identified by microarray analysis. There is a predominance of mRNAs involved in cell metabolism, transport, transcription and regulation of cell processes. The presence of at least some of these transcripts in specific mRNP was confirmed by RT-PCR. Despite the presence of a common population of mRNA associated with both Stau1 and Stau2, the majority of the transcripts were specific to each paralog. Interestingly, we observed that transcripts associated with either Stau1 or Stau2 were nevertheless involved in the same pathways of cell regulation, suggesting that both proteins have complementary roles in the same cellular processes. On the other hand, mRNAs associated with Stau259 and Stau262 were more similar. This suggests that these two isoforms might have more overlapping functions. Consistent with a model of post-transcriptional gene regulation, our results show that Stau1- and Stau2-mRNPs associate with distinct but overlapping sets of cellular mRNAs and that these mRNAs are nevertheless involved in common pathways. It is consistent with the high degree of sequence similarity between Stau1 and Stau2 that predicts that they may have conserved convergent functions and with the observation that they are distributed in distinct mRNP complexes in neurites. Knowing the importance of Stau2 in the transport of dendritic mRNA and to further understand the molecular mechanisms by which it modulates synaptic function, we decided to characterise Stau2-containing mRNPs in neurons. Using anti-Stau2 antibody to immunoprecipitate the mRNPs, we have identified a population of more than 1700 transcripts associated with Stau2 in embryonic rat brain. These mRNAs code for proteins involved in cellular processes such as post-translational modification, translation, intracellular transport and RNA metabolism. Interestingly, Stau2-associated mRNAs isolated form rat brains are relatively different from those isolated from HEK293 cells. This result suggests that the specificity of Stau2-mRNA association can differ from one tissue to the other. Similarly, we have identified the proteins presents in Stau2-containing complexes isolated from embryonic rat brains by a proteomic approach. We were able to determine the presence of mRNA-binding proteins (PABPC1, hnRNP H1, YB1 and hsc70), proteins of the cytoskeleton (α- and β -tubulin) and RUFY3 a poorly characterized protein. While PABPC1 and YB1 associate with Stau2-containing mRNPs through RNAs, hsc70 is directly bound to Stau2 and this interaction is regulated by ATP. The presence of the RNA-binding proteins YB1 and PABPC1, both involved in translation regulation, suggests that the expression of Stau2-bound mRNAs may be regulated at the level of translation initiation. Finally, it is well known that synaptic plasticity requires mRNA transport in dendrites and their local translation. Since the study of the neurophysiological role of Stau2 was already in progress we decided to concentrate our energy on the function of Stau1. Therefore, we studied the importance of Stau1 protein at the neurophysiological level, especially looking for a role in synaptic plasticity. We were able to demonstrate that Stau1 is required for the late form of long term synaptic potentiation, L-LTP, a plasticity dependent not only on local translation of mRNAs, but also on newly transcribed and transported mRNAs. Using hippocampal slices, we showed that Stau1 down-regulation by RNA interference prevents the development and/or maintenance of L-LTP. However, neurons displayed normal early-LTP, mGluR1/5-mediated long-term depression, or basal evoked synaptic transmission. In addition, at the cellular level, Stau1 down-regulation shifted spine shape from regular to elongated spines, without changes in spine density. The change in spine shape could be rescued by an RNA interference-resistant Stau1 isoform. Therefore, Stau1 is important for processing and/or transporting in dendrites mRNAs that are critical in regulation of synaptic strength and maintenance of functional connectivity changes underlying hippocampus dependent learning and memory. In conclusion we were able to further reveal the composition and the importance of the Stau1 and Stau2 mRNP. First, we have identified distinct and overlapping population of mRNAs associated to the diverse isoform of Stau, form HEK293 cells. Second, we were able to identify a population of neuronal transcript as well as some proteins factors present in the Stau2 particles. One of which, hsc70, is directly bound to Stau2 and its interaction is regulated by the presence of ATP. Finally, we have demonstrated the importance of Stau1 in the morphology of the dendritic spine as well as its fundamental implication in synaptic plasticity.

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Das Gesangssystem der Vögel hat sich als ein hervorragendes Modellsystem erwiesen, um Fragen zu Mechanismen entwicklungsbedingter neuronaler Plastizität von Lernprozessen zu erarbeiten. Bei Singvögeln haben sich im Laufe der Phylogenese neuronale Zentren entwickelt, die sich auf das Gesangslernen und die Gesangsproduktion spezialisiert haben. Zebrafinkenmännchen, wie viele andere Singvögel auch, erlernen ihren Gesang, indem sie von einem Tutor ihr artspezifisches Gesangsmuster schon in früher Jugend im Gedächtnis abspeichern und dann ganz allmählich ihr eigenes Vokalisationsmuster über auditorische Rückkopplung an das im Gehirn abgespeicherte Muster angleichen. Parallel zu diesen Verhaltensänderungen, finden auch auf neuronaler Ebene zahlreiche Veränderungen in den Gesangskernen statt, die in der hier vorliegenden Arbeit detailliert untersucht wurden, indem Zebrafinken zum einen mit einem Gesangstutor aufwuchsen oder ohne ein Gesangsvorbild. Die Folgen dieser unterschiedlichen Aufzuchtsbedingungen wurden dann im Gesang und in den neuronalen Strukturen der Gesangskerne mit einer Vielzahl von Techniken analysiert, einschließlich der Golgi-Technik, Elektronenmikroskopie, Immunhistochemie, verschiedener neuronaler Tracersubstanzen und quantitativer Stereologie, sowie intrazellulärer Ableitungen am in vitro Hirnschnittpräparat. Die Daten zeigen u.a., dass dendritische Spines an der Gedächtnisbildung für Gesang maßgeblich beteiligt sind und zwar in einer Vorderhirnregion, der eine wichtige Rolle bei frühen sensorischen Lernprozessen zukommt, dem lateralen magnocellularen Nucleus des anterioren Nidopalliums (LMAN). Zebrafinkenweibchen singen nicht und haben weitaus kleinere Gesangskerne als die Männchen. Zebrafinkenweibchen, die nie einen artspezifischen Gesang hören, weisen im Vergleich zu denen, die mit einem solchen aufgewachsen sind, signifikante Unterschiede in der neuronalen Struktur im Nucleus robustus arcopallii (RA) auf. Diese Befunde zeigen, dass die Gesangskerne bei Weibchen trotz ihrer kleineren Größe dennoch eine wichtige Rolle bei der Gedächtnisbildung eines artspezifischen Gesangsmusters spielen. Man beachte, dass die Nomenklatur des Vogelgehirns 2004 revidiert wurde (Reiner et al, J Comp Neurol 473:377-414, 2004; http://avianbrain.org/papers/RevisedNomenclature.pdf). / The song system of birds has been used extensively as a model system for studying basic mechanisms of neuronal plasticity and development underlying a learned behavior. Discrete sets of interconnected nuclei in the avian brain have evolved and are a prerequisite for song learning processes and the production of song. Zebra finch males, like many other song birds, learn their song by memorizing a tutor song model early in life and then gradually matching their vocal output by auditory feedback to the stored memory of that tutor song. In parallel to these behavioural changes, various changes in neuronal structures of song system nuclei take place. These structural correlates of song learning processes have been investigated in great detail in the current research by raising zebra finches with and without a song tutor model and then studying the consequences for song and for neuronal structure in the song system by using a variety of techniques including Golgi-technique, electron microscopy, immunohistochemistry, various neuronal tracer and quantitative stereology, intracellular recordings in the in vitro slice preparation and analyzing sonograms at the behavioral approach. There is strong evidence that, among other findings, dendritic spines are very much involved in memory formation of song in the lateral magnocellular nucleus of the anterior nidopallium (LMAN), a forebrain region particularly involved in sensory learning processes early in life. Female zebra finches do not sing and have much smaller song nuclei than males. Rearing females either with being exposed to species-specific song early in life or deprived of hearing song, exhibit significant differences in neuronal structure particularly in nucleus robustus arcopallii (RA). These data give further evidence that, despite their smaller sizes, song system nuclei in female birds do play an important role in memorization of song. Please note that in 2004 the nomenclature of the avian brain has been revised (Reiner et al, J Comp Neurol 473:377-414, 2004; http://avianbrain.org/papers/RevisedNomenclature.pdf).

Une des principales caractéristiques de la maladie d'Alzheimer (MA) est l'accumulation intracérébrale du peptide neurotoxique Amyloïde β (Aβ) sous forme oligomérique et sous forme agrégée en plaques amyloïdes. Ce peptide est le produit du clivage de l'Amyloid Precursor Protein (APP) selon la voie amyloïdogène, voie pathologique suractivée dans la MA. La majorité des recherches, au cours des 25 dernières années, se sont concentrées sur les conséquences pathologiques de cette dérégulation, mettant au second plan la compréhension des fonctions physiologiques de l’APP. Cependant, de nombreuses études montrent que ses fonctions physiologiques pourraient être médiées par ses formes solubles (APPs). Dans la voie de clivage physiologique, la voie non-amyloïdogène, l’APP est clivé par l’α secrétase pour libérer l’APPsα, peptide disposant de propriétés neuroprotectrices et synaptotrophiques, essentielles au bon fonctionnement cérébral. Dans le contexte de la MA, la suractivation de la voie amyloïdogène va aboutir à la production de l’APPsβ au détriment de celle d’APPsα. Les conséquences fonctionnelles associées à la maladie d’Alzheimer pourraient ainsi être dues à la diminution de la production d’APPsα associée à une augmentation de la production d’APPsβ. Mon projet de thèse porta sur les conséquences mnésiques et fonctionnelles de la surexpression de ces deux formes et à leur potentiel thérapeutique dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons tout d’abord surexprimé l’APPsα dans les neurones de l’hippocampe de souris transgéniques APP/PS1ΔE9, modèle de la MA, qui présentent des déficits cognitifs et synaptiques. L’expression continue d’APPsα, à l’aide de vecteurs AAV, permet la restauration des performances mnésiques des souris, de la potentialisation à long terme (LTP) ainsi que du nombre d’épines dendritiques dans l’hippocampe. Ce sauvetage phénotypique s’accompagne de la diminution conjointe des niveaux d’Aβ et des plaques amyloïdes. Ceci serait en partie la conséquence de l’activation de la microglie, type cellulaire ayant la capacité d’internaliser et de dégrader l’Aβ. Mon second axe de recherche a consisté à étudier l’APPsβ dont l’implication dans la MA reste méconnue. Sa surexpression dans le modèle murin APP/PS1ΔE9 n’induit pas de restauration de la LTP ni de la mémoire spatiale. Néanmoins, l’injection d’APPsβ aboutit à la diminution de la concentration en Aβ solubles sans cependant réduire le nombre de plaques amyloïdes. Ce défaut pourrait-être la conséquence de l’absence d’activation microgliale. En résumé, mon travail de thèse montre que, contrairement à l’APPsβ, la surexpression d’APPsα pourrait contrecarrer l’évolution inéluctable de la maladie et en particulier en réduisant l’atteinte synaptique et mnésique caractéristique de la MA. Ces résultats renforcent une nouvelle voie d’action pour lutter contre la progression de la MA. L’utilisation de l’APPsα en tant qu’agent thérapeutique pourrait ainsi s’avérer être un élément important dans l’arsenal clinique de ces prochaines années. / One of the main characteristic of Alzheimer’s Disease (AD) is the intracerebral accumulation of the neurotoxic Amyloid β peptide (Aβ) either as oligomeric or aggregated forms known as the amyloid plaques. This peptide is produced via the Amyloid Precursor Protein (APP) processing following the amyloidogenic pathway, pathological pathway overactivated in AD. Most of the research performed during the last 25 years focused on pathogenic consequences of this dysregulation, deprioritizing the understanding of the APP physiological functions. Nonetheless, numerous studies show that these physiological functions might be mediated via APP soluble forms (APPs). In the physiological APP processing pathway, the non-amyloidogenic pathway, APP is cleaved by the α secretase, releasing the APPsα which display neuroprotective and synaptotrophic properties, essential for brain normal functions. In the context of AD, the amyloidogenic pathway overactivation leads to APPsβ overproduction at the expense of APPsα. Therefore, AD harmful consequences could be due to the decrease of APPsα concentration associated with an increase of APPsβ. My thesis project aimed to characterize mnemonic and functional properties following the overexpression of these two soluble forms of APP and their therapeutic potential in AD. We firstly overexpressed APPsα in hippocampal neurons of APP/PS1ΔE9 mice, animal model of AD, which display cognitive and synaptic deficits. The continual expression of APPsα, mediated via AAV viruses, enabled restoration of spatial memory, long-term potentiation and dendritic spines density in the hippocampus. This phenotypic rescue was accompanied with the decrease of both Aβ levels and amyloid plaques. This might be due to the activation of microglia, cell type able to internalize and degrade Aβ. In a second hand, I studied the involvement of APPsβ in AD, which remains poorly known. Its overexpression in APP/PS1ΔE9 did not induce neither LTP nor spatial memory restoration. However, APPsβ injection lead to the decrease of Aβ levels without reducing amyloid plaques. This default might be due to the lack of microglial activation. In conclusion, my thesis work show that, unlike APPsβ, APPsα overexpression might overcome the AD inevitable evolution by reducing synaptic and memory alterations, typical of AD. These results reinforce a new way of treatment to cope with AD progression. The use of APPsα as therapeutic agent might be an important tool for future AD therapies.

La maladie d’Alzheimer est caractérisée par un déclin progressif des capacités cognitives. Les Aßo induisent des dysfonctionnements de la transmission via une altération des récepteurs au glutamate et une perte de synapses.Nos récents résultats démontrent que le VEGF facilite la plasticité synaptique et la mémoire chez des souris via son action sur son récepteur VEGFR2. Nous avons montré que le VEGF stimule l’insertion synaptique des récepteurs glutamatergiques et la formation de synapses, suggérant ainsi un rôle dans la modulation des altérations synaptiques observées dans la maladie d’Alzheimer.Notre objectif est d’étudier le rôle du VEGF, spécifiquement dans la maladie d’Alzheimer. Tout d’abord, nous avons examiné son expression en relation avec les plaques séniles chez des patients et dans un modèle de la maladie d’Alzheimer. Nos résultats ont démontré une colocalisation entre le VEGF et ces plaques.Afin d’examiner plus finement l’interaction Aß-VEGF, nous avons analysé la liaison entre les Aßo et le VEGF en test ELISA et puces à peptides. Nous avons ainsi démontré un potentiel blocage de l’interaction entre le VEGF et son récepteur, menant à des défauts de son activation.Enfin, nous avons examiné si le VEGF prévient les altérations synaptiques par des approches électrophysiologiques, biochimiques et immunocytochimiques. Nos résultats démontrent que lors d’un traitement aux Aßo, le VEGF restaure la LTP, l’expression des récepteurs au glutamate et limite la perte synaptique.Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent que l’interaction Aß-VEGF altère la voie du VEGF chez les patients. De plus, le VEGF réduit la toxicité induite par les Aßo sur les synapses / Alzheimer disease (AD) is characterized by a progressive decline in cognitive abilities. Amyloid-ß oligomers (Aßo) trigger synapse dysfunction through defects in glutamate receptor function and subsequent dendritic spine loss. These synaptic impairments compromise memory and contribute to cognitive deficits.Our recent findings revealed that VEGF facilitates synaptic plasticity and memory in mice through its VEGFR2 receptor in neurons. We showed that VEGF promotes glutamate receptor synaptic insertion and stimulates dendritic spine formation, suggesting it may be a key candidate for alleviating synapse damage in AD.Our objective is to study the role of VEGF in synapse protection in AD models and unravel the underlying mechanisms.First, we examined the VEGF expression pattern in postmortem brain tissue from AD patients and APPPS1 model of AD. Our results showed a partial colocalization between VEGF and Aß plaques in AD patients and APPPS1 brains.To further investigate the Aß-VEGF interaction, we used Elisa assay and peptide arrays and demonstrated that Aßo binds several domains of VEGF, impedding VEGFR2 activation.Finally, we examined whether VEGF can prevent synapse damage induced by Aßo using electrophysiological, biochemical and 3D modelling approaches. Our results demonstrated that VEGF treatments can restore LTP in Aßo-treated hippocampal slices, glutamate receptor content at synapses and increase dendritic spine density.All together, our results suggest that Aß-VEGF interaction may alter VEGF pathway in AD and that VEGF reduces Aßo-induced toxicity at synapses by modulating glutamate receptor expression and promoting spine formation and/or stabilization

This thesis examines the rapid, non-genomic effects of estrogens on neural plasticity and learning. Estrogens are classically known to affect gene transcription events, however they have more recently been found to also rapidly activate second messenger systems within 1hr of administration. Therefore, we first examined the rapid effects of 17β-estradiol, and an estrogen receptor (ER) α and ERβ agonist on three different learning paradigms: object placement, object recognition, and social recognition. We found that both systemic injections and intrahippocampal delivery of 17β-estradiol and the ERα agonist improved performance on all 3 learning paradigms within 40min of hormone administration. However, the ERβ agonist administered systemically or intrahippocampally, improved performance only on the object placement learning paradigm, while having no effect on object recognition, and impairing social recognition at high doses. To elucidate how estrogens might rapidly affect learning, we examined how estrogens rapidly affect the neural plasticity of CA1 hippocampal neurons. We found that 17β-estradiol and the ERα agonist increased dendritic spine density in CA1 hippocampal neurons within 40min of administration, suggesting that estrogens rapidly increase the density of synapses within this brain region. Conversely, the ERβ agonist did not affect spine density, or decreased spine density. In addition, by using whole-cell patch clamp recordings of CA1 pyramidal neurons, we were able to determine that 17β-estradiol and the ERα agonist rapidly reduced AMPA receptor (but not NMDA receptor) mediated membrane depolarizations after 15min of hormone application. Similar to above, the ERβ agonist had no effect on AMPA or NMDA receptor mediated membrane depolarizations. These data suggest that estrogens rapidly promote the development of immature synapses (which contain low levels of synaptic AMPA receptors) within the CA1 hippocampus. Immature spines provide synaptic sites at which new memories can be stored and are thought of as “learning spines” (Kasai et al, 2003). Therefore, estrogens (through ERα) may rapidly induce the formation of hippocampal immature spines to promote learning. / Funded by NSERC

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Dendritic spines are fundamental units of information processing within the nervous system, responsible for independent modulation of synaptic input to neurons. Filopodia, often morphologically indistinguishable from spines, are involved in formation of synapses during neuronal development. Despite the importance of these structures for neuronal function, no detailed study of their presence on motoneurons has yet been made. Here, the presence of spines on hypoglossal motoneurons (HMs) is described at three developmental stages: at P0–2 and P9–11, spines are present at an average density of ~0.1 spines/micron, but at P19 spine density becomes negligible. In P0–2 and P9–11, spines are nonuniformly distributed, occuring in clusters, and at lower density in the most proximal and distal regions to the soma than at intermediate regions. HM spines coincide with a decrease in cell input resistance, which reduces excitability during development. Thus one may speculate that these spines are involved in the formation of new synapses required to maintain adequate excitatory drive. A major difficulty for the study of spines is their small size, which complicates measurement using optical methods. Here, I present a novel method for reconstructing spine morphology using geometric models based on a priori knowledge of spine structure. Tests of the technique using simulated data indicate that it has a resolving capability of up to 40 nm (limited by noise). The technique has been used to measure dendritic spines on HMs, showing that these structures have necks as small as 0.22 micron. For purely passive modulation of synaptic strength, spine necks need to be <~ 0.15 micron. These data suggest that if modulation of synaptic input occurs, biochemical and/or active electrical processes are needed. The methods developed in this Thesis, which have here been applied to HMs, are generally applicable to the study of spine morphology, and its effect on synaptic processing, in all classes of neurons.