Une étude a été effectuée a la jonction neuro- musculaire de grenouille pour vérifier l'existence du phénomène d'exocytose, c'est-à-dire la fusion des membranes vésiculaires avec la membrane plasmique lors de la libération de neurotransmetteur. Certaines jonctions neuromusculaires intactes, préalablement incubées avec des collagénases, sont incubées avec du Black Widow Spider Venom (BWSV) afin de provoquer une libération massive de neurotransmetteur et une exocytose des vésicules. Les jonctions sont immédiatement fixées après ce traitement. D'autres jonctions ne sont pas incubées avec le BWSV et servent de contrôle. La présence des membranes vésiculaires dans la membrane plasmique est révélée a l'aide d'un sérum antivésiculaire. La membrane plasmique intacte de la jonction empêche la diffusion des immunoglobulines a l'intérieur de celle-ci. La seule possibilité d'obtenir du marquage sur ces jonctions est donc d'incorporer les membranes vésiculaires a la membrane plasmique pour qu'elles soient exposées à l'extérieur de la terminaison. La position des anticorps est révélée à l'aide de la réaction peroxydase-DAB. Les observations sont effectuées a l'aide d'un microscope avec optique de Nomarski. Les tissus sont ensuite préparés pour les observations en microscopie électronique. Les observations en microscopie optique montrent que la plupart des jonctions marquées se retrouvent sur les muscles incubés avec le BWSV et le sérum antivésiculaire sauf quelques unes qui sont présentes sur les muscles non- incubés avec le BWSV mais incubés avec le sérum antivésiculaire. Aucune jonction marquée n'est observée sur les muscles non-incubés avec le sérum antivésiculaire. Les observations en microscopie électronique révélent du marquage sur la membrane présynaptique des profils de jonctions incubées avec le BWSV et le sérum antivésiculaire. Au contraire, la membrane présynaptique des jonctions non-incubées avec le BWSV est rarement marquée. On observe également sur des coupes transverses de jonctions neuromusculaires (l'intérieur accessible aux immunoglobulines) que le sérum antivésiculaire marque les différents organites impliqués par Heuser et Reese (1973) dans un recyclage local des membranes vésiculaires. Cette étude nous permet de conclure qu'il y a incorporation d'antigènes vésiculaires dans la membrane plasmique lors de l'exocytose massive de neurotransmetteur produite par le BWSV. Cette étude permet également de conclure que l'endocytose est spécifique aux membranes vésiculaires et que ces membranes semblent se disperser dans la membrane plasmique lors de l'exocytose massive produite par le BWSV. / Montréal Trigonix inc. 2018

De par leur excellente résolution spatiale et leurs propriétés particulières, les ultramicroélectrodes (UME) constituent des outils de choix pour l'étude de mécanismes biologiques de sécrétion à l'échelle de la cellule unique. En configuration " synapse semi-artificielle ", du fait de la faible distance qui sépare la cellule émettrice de l'UME, les molécules sont libérées dans un faible volume, induisant alors des concentrations suffisamment élevées pour être détectables par électrochimie. Ainsi, les UME offrent la possibiIité de mesurer des flux, même infimes, de molécules électroactives en temps réel. Cette technique analytique a été utilisée, complétée ou adaptée afin d'étudier deux phénomènes biologiques : l'exocytose vésiculaire et le stress oxydant cellulaire. L'analyse ampérométrique de l'exocytose, mécanisme impliqué dans la communication cellulaire, permet l'étude quantitative de la cinétique de libération des molécules intravésiculaires libérées dans le milieu extracellulaire. L'UME, placée dans le milieu extérieur, n'apporte pas d'information quant au statut des vésicules avant la fusion. Pour compléter ces informations, nous avons développé, par des techniques de microfabrication, un microsystème constitué d'électrodes conductrices et transparentes d'ITO permettant un couplage des détections ampérométrique et optique (microscopie TIRF) pour l'étude de la sécrétion des cellules BON BC21. L'ampérométrie à quatre potentiels constants, utilisée au laboratoire pour la détection des ROS/RNS libérées par les macrophages, cellules du système immunitaire, nécessite un grand nombre d'expériences pour s'affranchir de la variabilité cellulaire et des différences de sensibilité des UME. Afin de réduire considérablement le temps d'expérience, nous avons développé un microsystème constitué de quatre chambres de mesure, chacune contenant un jeu de trois électrodes. Ces quatre chambres permettront, à terme, le suivi et la détection simultanée en temps réel des variations de production de H2O2, ONOO-, NO* et NO2- libérées par une cellule.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Aux synapses Fibres Parallèles - Cellules de Purkinje, le récepteur mGluR4 est le seul mGluR du groupe III à moduler la neurotransmission en inhibant les influx calciques qui régulent la libération de glutamate. Dans des systèmes hétérologues, il a été montré que mGluR4 était lié à des protéines G de type Gi/o couplées négativement à l'adénylate cyclase (AC). Afin de rester au plus proche des interactions physiologiques, nous avons débuté notre étude par la définition du réceptosome des récepteurs mGluR4 natifs dans le cervelet de rat. Nous avons identifié 184 partenaires putatifs du récepteur. Afin de confirmer ces interactions, mais aussi de recenser d'autres interacteurs éventuels, nous avons réalisé une approche complémentaire et indépendante de chromatographie d'affinité. Nombre de protéines ont été retrouvées par cette deuxième approche, en particulier des protéines appartenant aux familles de l'exocytose et du trafic cellulaire. Nos résultats suggèrent que le contrôle de la neurotransmission par mGluR4 pourrait s'effectuer, au moins partiellement, par une interaction avec ce type de protéines. D'autre part, nos approches biochimiques n'ont pas mis en évidence de protéines de la voie AC, mais au contraire plusieurs protéines identifiées appartiennent à la voie Phospholipase C/ Protein Kinase C (PLC/PKC). Ces résultats biochimiques corroborent certains résultats fonctionnels du laboratoire et ouvrent de nouvelles pistes quant à la modulation négative de la neurotransmission par les récepteurs mGluR4 natifs dans le cervelet / At Purkinje Cell - Parallel Fiber synapses, mGluR4 receptors are the only glutamatergic metabotropic receptors of group III to modulate glutamatergic transmission by inhibiting calcium presynaptic influx controlling glutamate release. In heterologous systems, mGluR4 has been shown to activate G proteins of type Gi/o that would be negatively linked to adenylate cyclase (AC). In order to conserve most of physiological interactions, we first studied the receptosome of native mGluR4 in rat cerebellum. We identified 184 putative partners of the receptor. Moreover, in order to confirm these interactions, but also to find other partners, we decided to perform an independent and complementary approach of chromatography affinity. Numerous proteins have been found by this method, particularly proteins belonging to exocytosis and cellular trafficking families. Our results suggest that a partial control of neurotransmission could be due to interaction of mGluR4 with these kinds of proteins. On the other hand, biochemical approaches did not reveal interactions of mGluR4 with some proteins belonging to AC pathway, but with proteins of PLC/PKC pathway. These results are consistent with some functional studies of our lab and gave the way for elucidating the native molecular mechanisms of the cerebellar neurotransmission modulation by mGluR4.

De récentes études ont montré dans les cellules chromaffines que la libération des granules de sécrétion est temporellement et spatialement couplée au processus d’endocytose. Nous avons proposé l’hypothèse que la membrane du granule préserve son intégrité au sein de la membrane plasmique durant l’exocytose avant d’être internalisée ainsi avec ses composants. Cependant, les mécanismes moléculaires de ce processus d’endocytose compensatrice sont encore inconnus. Ainsi, mon projet de thèse vise a répondre à la question suivante : Quels sont les différents mécanismes déclenchant et régulant l’exocytose et l’endocytose compensatrice? Les propriétés physiques des lipides jouent des rôles fondamentaux dans le trafic membranaire. Ils servent de système d’échafaudage pour maintenir la machinerie spécifique à des endroits précis de la membrane plasmique. Par exemple, la formation de microdomaines de gangliosides et de PIP2 au niveau des sites d’exocytose ou encore le mélange de lipides au sein de la bicouche lipidique représentent des processus attractifs pour permettre cette fonction au cours des événements d’exo-endocytose dans les cellules neuroendocrines. De plus, en raison de leur implication importante dans les processus d’exo-endocytose ou dans le remodelage des lipides, l’annexine A2, la synaptotagmine 1, l’oligophrénine1 et la scramblase 1 doivent être considérées comme des signaux potentiels pour le déclenchement de l’endocytose de la membrane granulaire. Au cours de mon doctorat, je me suis intéressée à étudier comment l’exocytose et l’endocytose compensatrice sont régulées par la scramblase1 et l’oligophrénine1 dans les cellules chromaffines de la glande surrénale. / Recent studies in neuroendocrine chromaffin cells have suggested that the secretory granule release is temporally and spatially coupled to a compensatory endocytic process. Hence, we hypothesized that the secretory granule membrane would preserve its integrity within the plasma membrane after exocytosis before being retrieved as such along with its components. However, the underlying molecular mechanisms of this compensatory endocytic process are largely unknown today. Therefore my thesis project is aiming to address the following specific question: What are the different mechanisms triggering and regulating exocytosis and the compensatory endocytosis? Physical properties of lipids play fundamental roles in membrane trafficking. They act as a scaffolding system to maintain specific machinery at restricted site of the plasma membrane. For example, the formation of ganglioside- and PIP2-enriched microdomains at the exocytic sites or the phospholipid scrambling across the bilayer plasma membrane, represent attractive processes to fulfill this function during exo- endocytosis events in neuroendocrine cells. Moreover, in view to their important implication in exo-endocytotic processes or lipid remodeling, annexin-A2, synaptotagmin- 1, oligophrenin-1 and phospholipid scramblase-1 have to be considered as potential signal-triggers of the granule endocytosis. During my PhD, I focused in investigating how exocytosis and compensatory endocytosis are regulated by PLSCR-1 and OPHN1 in adrenal chrommaffin cells.

L’exocytose vésiculaire est une voie physiologique majeure de la communication intercellulaire. Dans ce contexte, le TIRFM (microscopie de fluorescence par réflexion totale interne) et l’ampérométrie sont aujourd'hui les deux méthodes analytiques les plus fréquemment utilisées dans l’étude de l’exocytose. En raison de la complémentarité de ces deux techniques d’analyse pour le suivi de la sécrétion exocytotique, leur combinaison pour suivre la sécrétion exocytotique a d'abord été réalisée par notre groupe en 2011. Ce couplage a permis un enregistrement simultané des signaux fluorescents et ampérométriques avec une bonne résolution spatiale et temporelle. L'inconvénient majeur de ce travail reste le chargement indépendant des sondes optique et électrochimique dans les vésicules de sécrétion, ce qui entraîne la détection d’évènements « orphelins » ampérométriques ou optiques ainsi que la faible efficacité de détection des évènements couplés. Par conséquent, dans cette thèse, nous avons tenté de mettre à profit une sonde unique à la fois fluorescente et électroactive pour suivre l’exocytose par la méthodologie couplée TIRFM/ampérométrie. Ainsi, un analogue de neurotransmetteurs monoamine primaire, la 4-(2-amino-éthyl)-6-chloro-7-hydroxy-2H-1-benzopyran-2-one (nommé 1 dans ce travail), a été synthétisé.1 présente une fluorescence forte, stable et pH-dépendante. Lorsque cette entité est excitée à 405 nm, son intensité de fluorescence est presque doublée de pH 5 (valeur intra-vésiculaire) à 7 (valeur milieu extracellulaire). De plus, des études en voltammétrie ont pu mettre en évidence que 1 est oxydable sur électrode de carbone vitreux, microélectrode à fibre de carbone et ITO (oxyde d’indium dopé à l’étain), montrant ainsi une bonne électroactivité. La pénétration cellulaire dans les vésicules de cellules BON N13 a également été démontrée, prouvant la spécificité de l’interaction entre 1 et ces vésicules équipées d’un transporteur de monoamines primaires (VMAT). L’utilisation de 1 comme sonde unique optique et électrochimique pour le suivi de l'exocytose a ensuite été validée séparément dans des cellules BON N13 par TIRFM et ampérométrie. L’enregistrement simultané par fluorescence et électrochimie en utilisant 1 comme sonde double a ensuite été réalisé dans un microdispositif constitué d’électrodes ITO conductrice et transparente. Nos résultats basés sur la sonde unique 1 montrent qu’elle semble plus adaptée que toutes les stratégies antérieures impliquant deux sondes indépendantes. Les résolutions spatiale et temporelle de cette méthode combinée ont permis d'analyser des sécrétions d’exocytose de cellules marquées par 1. Une analyse ultérieure de ces signaux couplés optique et électrochimique sera à même d’étudier la corrélation entre le comportement du pore de fusion (dynamique d'ouverture/de fermeture, stabilité..) détecté par ampérométrie et le mouvement d'une vésicule en trois dimensions (ancrage, amarrage, fusion puis retrait dans le cytoplasme) détecté par TIRFM. / Vesicular exocytosis is a ubiquitous way for intercellular communications. TIRFM (total internal reflection fluorescence microscopy) and amperometry are nowadays the two most frequently used analytical methods with complementary features for its investigation. The combination of these two analytical techniques to track exocytotic secretions was firstly achieved by our group in 2011 and this new technique was demonstrated to show both high temporal and spatial resolutions by simultaneously recording the fluorescent and amperometric signals. The major disadvantage of this former work was the independent loading of optical and electrochemical probes to the secretory vesicles, which resulted in 'sightless' amperometric or optical signals as well as low coupling efficiency. Therefore, in this thesis, we attempted to develop a unique probe with dual fluorescent/electrochemical characteristics to track exocytotic process by TIRFM/amperometry coupling technique. This is why an analog of biogenic monoamine neurotransmitters, 4-(2-aminoethyl)-6-chloro-7-hydroxy-2H-1-benzopyran-2-one hydrochloride (named as 1 in this work) was synthesized. 1 exhibited bright, stable, pH-dependent fluorescence. When excited at 405 nm, its fluorescence intensity was almost doubled with the increase of pH values from 5 (similar to that in the vesicular lumen) to 7 (similar to the extracellular medium). Furthermore, in voltammetry, 1 was demonstrated to be easily electrooxidized on GCE (glassy carbon electrode), CFE (carbon fiber electrode) and ITO (indium tin oxide) electrodes surfaces, showing good electroactivity. 1 was also shown to penetrate easily into the vesicles of BON N13 cells within 1 hour incubation, testifying its specific affinity with these VMAT-equipped (vesicular monoamine transporter) vesicles. The applications of 1 as optical and electrochemical probes for exocytosis monitoring were then separately validated in BON N13 cells by TIRFM and amperometry measurements, respectively. Simultaneous recording of fluorescent and amperometric information by using 1 dual probes loaded cells was subsequently acquired in a microfabricated device constituted by conductive and transparent ITO electrodes. Our results based on the unique probe 1 for electrochemical and fluorescent detection of exocytotic release seemed more adapted than all the previous works involving independent probes. The high spatial and temporal resolutions of this combined method also allowed analyzing consecutive exocytotic secretions as well as overlapped events in 1-stained cells. Further analysis of these two signals with complementary information will shed more light on the correlation of the fusion pore behavior (opening/closure dynamics, stability…) measured by amperometry and the motion of a secretory vesicle in three dimensions (tethering, docking, fusion and retrieval) detected by TIRFM.

Les bases moléculaires de la sécrétion hormonale et de la libération de neurotransmetteurs dépendantes du calcium sont très semblables. Durant ma thèse, je me suis intéressé à divers aspects du cycle des granules de sécrétion dans des modèles cellulaires neuroendocriniens. J'ai en particulier étudié la contribution des transporteurs plasmiques de neuromédiateurs à la taille du quantum de sécrétion. Nous avons démontré que la surexpression de SERT (le transporteur plasmique de recapture de la sérotonine) au sein de la lignée neuroendocrine PC12 induit une augmentation de la taille des quanta sécrétés, et que le contrôle du remplissage vésiculaire était cinétique plutôt que thermodynamique. Ces observations ont permis de développer une méthode de mesure de l'activité sécrétrice d'une sous-population transfectée des cellules PC12. Cette technique permet de quantifier l'effet d'une protéine co-transfectée avec SERT sur l'activité sécrétrice.<br /><br />Une autre partie de mon travail concerne les petites GTPases Rab. Ces protéines régulent de nombreuses étapes du trafic cellulaire. Rab3 joue un rôle dans le contrôle d'étapes tardives de la neurotransmission/sécrétion d'hormones. Nos résultats, basés sur des analyses électrochimiques et biochimiques, suggèrent que Rab3 contrôlerait l'étape d'amorçage de la fusion.<br /><br />Plus récemment, notre attention s'est portée sur Rab27, une Rab proche de la famille Rab3, ainsi que sur MyRIP (Myosin and Rab Interacting Protein). Nous avons montré que MyRIP est un ligand de Rab27 et que ces deux protéines sont associées aux granules de sécrétion. MyRIP interagit aussi avec les myosines 7a/5a et avec l'actine. Ainsi, Rab27 et MyRIP lient les granules au cytosquelette d'actine et contrôlent leur mobilité au voisinage de la membrane plasmique.<br /><br />Nos études sur Rab3 et Rab27 ont permis de mieux comprendre les mécanismes moléculaires des processus impliquant ces GTPases, et illustrent la diversité des modes d'action de ces protéines.

Les astrocytes sont capables de sécréter des gliotransmetteurs en réponse à une stimulation qui engendre l'augmentation de la concentration calcique intra-cellulaire. Différents mécanismes de sécrétion ont été proposés, parmi lesquels l'exocytose régulée. Mais les expériences menées dans le but d'observer la fusion d'organelles individuels dans des astrocytes en culture ont conduit à des résultats contradictoires, notamment en terme d'identité des vésicules libérables. Nos expériences préliminaires nous ont convaincus que les conflits sur l'identité des organelles libérables sont dus à de fausses colocalisations à cause du recouvrement spectral des marqueurs fluorescents utilisés et de la présence d'autofluorescence dans les astrocytes en culture. Nous avons donc adapté la décomposition spectrale à l'identification rigoureuse d'organelles individuels et au suivi de leur exocytose. La décomposition spectrale permet la séparation de sources de fluorescence mal séparées et ainsi l'étude de l'expression et de la colocalisation de protéines fluorescentes, même en présence d'autofluorescence. Nous avons à cette occasion introduit un intervalle de confiance du résultat de l'estimation des quantités de colorants. Appliquée au marquage des organelles astrocytaires avec la EGFP et l'acridine orange, cette méthode a montré que l'apparente colocalisation entre ces marqueurs reflète en fait la présence d'acridine orange plus intense que la EGFP et coexistant dans les mêmes organelles sous deux formes verte et rouge. A l'aide de la décomposition spectrale et de la microscopie à onde évanescente, nous avons ensuite montré que les organelles autofluorescents dans les astrocytes sont en majorité des lysosomes capables de fusionner lors d'une stimu\-lation qui engendre l'augmentation du calcium intra-cellulaire. Ces lysosomes sont peut-être les organelles majoritairement responsables de l'exocytose dans les astrocytes en culture.

Avec une prévalence de 1% dans la population générale, le trouble bipolaire (TB) est une maladie psychiatrique commune, chronique et sévère. Les études familiales réalisées pour cette affection ont montré une contribution génétique forte dans la prédisposition au TB, plus particulièrement pour les formes à début précoce de la maladie (TBDP). Malgré tout, les mécanismes moléculaires à l'origine de la maladie restent mal connus. Ainsi, suivant une étude de liaison génétique, nous avons pu identifier des variations rares dans un gène codant la protéine activatrice de l'exocytose dépendante du calcium (CADPS for Calcium- dependant activator protein for secretion) chez des patients avec un TBDP. CADPS est une protéine essentielle pour la régulation de l'exocytose et du chargement vésiculaire des monoamines dans les cellules neuronales et neuroendocrines. Nous avons étudié l'impact de ces mutations sur la fonction de ce gène, et montré que plusieurs d'entre elles altéraient son expression ainsi que ses fonctions. D'autre part, nous nous sommes intéressés au modèle murin privé d'un allèle de Caps (Caps1+/-) et montré que celles-ci décrivaient des comportements hyperactifs ainsi qu'une réponse au stress variable comparée aux souris sauvages.L'ensemble de nos résultats suggèrent pour la première fois que ce gène pourrait jouer un rôle dans les formes à début précoce de trouble bipolaire et ouvrent de nouvelles voies de recherche pour comprendre les mécanismes moléculaires qui sont altérés chez les sujets atteints. / Summary not transmitted