La polarité et l'efficacité de la transmission GABAergique dépendent de la concentration intra-neuronale en chlore. Dans les neurones matures, le co-transporteur K+/Cl- KCC2 maintient la concentration intracellulaire en chlore à un niveau bas, permettant ainsi une réponse inhibitrice du GABA. En plus de son rôle dans la transmission GABAergique, KCC2 régule aussi l'efficacité de la transmission glutamatergique en contrôlant la spinogenèse, l'exocytose et la dynamique membranaire des récepteurs AMPA. Du fait de son importance aux synapses excitatrices et inhibitrices, il est crucial de comprendre les mécanismes qui régulent l'expression membranaire et la fonction de KCC2. La régulation de KCC2 par l'activité glutamatergique excitatrice ayant été bien caractérisée, il reste à déterminer si l'expression et la fonction de KCC2 sont régulées par l'activité inhibitrice GABAergique. Pendant ma thèse, j'ai montré que KCC2 est en effet directement régulé par la transmission GABAergique. J'ai trouvé que l'activation aigue des RGABAA confine KCC2 dans la membrane alors que le blocage des RGABAA augmente la dynamique membranaire et l'internalisation du transporteur. Les mécanismes moléculaires impliquent le chlore comme messager secondaire, la kinase WNK1 et la phosphorylation de KCC2 sur des résidus thréonines clés. J'ai ensuite pu montrer que cette régulation à un impact aux synapses inhibitrice et excitatrice. Mon travail propose un mécanisme nouveau de la régulation de l'homéostasie du chlore par l'inhibition GABAergique. Ainsi les neurones peuvent compenser une augmentation ou une diminution en chlore neuronale par une adaptation rapide de KCC2 à la surface cellulaire. / The polarity and efficacy of GABAergic neurotransmission depends on the intraneuronal chloride concentration. In mature neurons chloride extrusion by the K+/Cl- co-transporter KCC2 permits an inhibitory influx upon activation of GABAA receptors. In addition to its role in GABAergic transmission, KCC2 regulates also glutamatergic transmission in an ion-independent manner by controlling spinogenesis and AMPAR exocytosis and membrane diffusion in dendritic spines. Knowing its pivotal role at central synapses, it is of particular importance to understand the cellular and molecular mechanisms underlying its regulation. While regulation of KCC2 by neuronal excitation is well documented, it is still unknown whether neuronal inhibition itself can regulate the transporter’s membrane expression and/or activity. During my PhD I was able to demonstrate a direct regulation of KCC2 membrane diffusion and stability by GABAA receptor-mediated inhibition and I characterized the underlying signaling cascade. I found that activation of GABAAR decreased KCC2 lateral diffusion while GABAAR blockade led to increased membrane dynamics and internalization of the transporter. I could show that KCC2 regulation by neuronal inhibition requires chloride as second intracellular messenger and chloride-sensing WNK1 kinase that directly phosphorylate KCC2 on key Threonine residues. This regulation has a functional impact at both excitatory and inhibitory synapses. My work reports a novel and rapid mechanism of control of chloride homeostasis by GABAA receptor-mediated inhibition that allows maintaining the polarity and activity of GABAA receptors constant.

Le traumatisme cérébral (TC) touche des millions de personnes chaque année dans le monde. Les premières conséquences peuvent être une perte de conscience, des hémorragies et l’apparition d’un œdème cérébral. Cependant les personnes qui subissent un TC peuvent présenter des séquelles importantes à plus long terme. Ainsi le traitement préventif des pathologies post-traumatiques est devenu un réel problème de santé publique. La dépression représente la pathologie post-traumatique dont l’occurrence est la plus fréquente. Les origines connues de son apparition s’orientent vers une altération de la neurogenèse adulte hippocampique ainsi que des changements dans la neurotransmission GABAergique, qui est dépendante de l’homéostasie des ions chlorures. Mon travail de thèse suggère que la phase critique, responsable de l’apparition des pathologies post-traumatiques, survient au cours de la première semaine suivant le TC. Pendant cette période, mes résultats montrent que l’hyperexcitabilité des réseaux neuronaux hippocampiques est due à une perturbation des transporteurs des ions chlorure entraînant notamment, une diminution de l’inhibition neuronale. J’ai aussi pu mettre en évidence une altération de la neurogenèse adulte hippocampique liée à la perte d’interneurones dans le gyrus denté. Consécutivement à ces changements, vont s’installer des troubles dépressifs majeurs. Mes travaux indiquent également que la restauration précoce, de l’homéostasie des ions chlorure par un agent pharmacologique, prévient la mort des interneurones ainsi que les changements dans la neurogenèse et permet sur le long terme de réduire très fortement les troubles dépressifs majeurs. / Traumatic brain injury (TBI) affects annually millions of people over the world. The first major consequences include loss of consciousness, haemorrhage and the appearance of cerebral edema. However, people who experience TBI may have significant long-term sequelae and in the majority of cases develop major depressive disorders. In addition, debilitating effects of TBI substantially impair health-related quality of life and are associated with high health care costs. Hence, preventive treatment against posttraumatic pathologies has become a real public health concern. Increasing evidence points to an association between depressive disorders and changes in GABAergic neurotransmission as well as alteration of adult hippocampal neurogenesis.My thesis suggests that the critical phase of posttraumatic pathology occurs over the first week following the trauma. During this period, my results show that hippocampal network hyperexcitability is induced by a disruption of the chloride ion transporters, leading notably to a decrease in neuronal inhibition. Then my work highlighted an alteration of hippocampal neurogenesis related to the loss of interneurons in the dentate gyrus. After some latency, these changes will trigger major depressive disorders. My work also indicates that the early restoration, during this first post-traumatic week, of chloride ion homeostasis by a pharmacological agent, prevents cell death of interneurons as well as changes in neurogenesis and allows significant long-term reduction of major depressive disorders. This therefore suggests the possibility of developing new therapeutic strategies to prevent the emergence of posttraumatic pathologies.

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