L’éthanol, molécule tératogène, affecte le développement et la maturation du système nerveux central qui s’étendent depuis la vie fœtale jusqu’à la fin de l’adolescence. L’exposition à l’alcool pendant la vie fœtale entraîne des déficits d’apprentissages irréversibles et à l’adolescence, les alcoolisations de type Binge Drinking induisent également des pertes de mémoire. Cependant les mécanismes cellulaires dans ces deux cas d’expositions sont encore mal connus. L’hippocampe, une structure cérébrale, est impliqué dans la mémoire et les apprentissages par le biais des phénomènes de plasticité synaptique entre les neurones. Ici, nous avons étudié les effets de l’éthanol i) pendant la vie fœtale et ii) à l’adolescence sur la plasticité synaptique dans l’hippocampe de rat adolescent à l’aide de techniques d’électrophysiologie, de pharmacologie et de biochimie. Nous montrons que le glutamate et le GABA sont fortement impliqués dans la perturbation à long terme de la plasticité synaptique après alcoolisation fœtale. A l’adolescence, seul le glutamate est perturbé après un binge drinking, entraînant l’abolition rapide et prolongée de la plasticité synaptique ainsi que des déficits d’apprentissages. De manière intéressante, un diurétique, la bumétanide, restaure les perturbations après alcoolisation fœtale. L’éthanol pendant le développement cérébral perturbe les apprentissages en induisant un déséquilibre entre excitation et inhibition au sein du réseau neuronal de l’hippocampe / Ethanol, a teratogenic molecule, affects the development and the maturation of the central nervous system from fetal life until the end of adolescence. Exposure to alcohol during fetal life causes irreversible deficits in learning. During adolescence, Binge Drinking alcohol abuse also induces memory loss. However, the cellular mechanisms in these two contexts are still unclear. The hippocampus, a brain structure, is involved in memory and learning through synaptic plasticity phenomena between neurons. Here, we investigated the effects of ethanol i) during fetal life and ii) in adolescence on synaptic plasticity in teenage rat hippocampus using electrophysiological techniques, pharmacology and biochemistry. We show that glutamate and GABA are strongly involved in the long-term disruption of synaptic plasticity after fetal alcohol. During adolescence, only the glutamate is disrupted after a binge drinking episode, resulting in rapid and prolonged abolition of synaptic plasticity and learning deficits. Interestingly, bumetanide, a diuretic, restores disturbances after fetal alcohol. Ethanol during brain development disrupts learning by inducing an imbalance between excitation and inhibition in the neural network of the hippocampus

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

Les micro-ARNs (miRNAs) sont de petits ARNs (20-25 nt) qui ont un rôle important dans les mécanismes d'interférence ARN. Les miRNAs sont des inhibiteurs de l'expression génique qui interviennent au niveau post-traductionnel en s'hybridant à des sites spécifiques de leurs ARNm cibles. Ce mécanisme induit la dégradation de l'ARNm ou l'inhibition de sa traduction. Puisque l'hybridation partielle du miRNA est suffisante pour induire une inhibition, chaque miRNA peut avoir des centaines de cibles. Les miRNAs sont impliqués dans de nombreuses fonctions biologiques et en particulier dans processus neuronaux. Plus de la moitié des miRNAs connus sont exprimés dans le cerveau de mammifère avec une distribution spécifique du miRNA considéré. A l'échelle sub-cellulaire il y a également une distribution hétérogène des miRNAs. De plus, il a été montré récemment une implication des miRNAs dans la régulation de la traduction locale dans les neurones. En effet, des miRNAs et des protyeines impliquées dans la biogenèse et la fonction des miRNAs ont été retrouvés dans le soma, les dendrites et les axones. Il a été montré que la dérégulation des miRNAs été impliquée dans de nombreux mécanismes pathologiques. Cette thèse a pour objectif de révéler le rôle des miRNAs dans la plasticité synaptique. Nous avons étudié l'implication des miRNAs dans les mécanismes de la plasticité synaptique homéostatique et dans la plasticité dysfonctionnelle rencontrée en condition de douleur cancéreuse.Notre hypothèse était que la régulation de la traduction locale des récepteurs AMPA dans les dendrites en condition d'homéostasie synaptique implique les miRNAs. Par bio-informatique, qRT-PCR et test luciférase, nous avons identifié le miRNA miR-92a comme régulateur de la traduction de l'ARNm de GluA1. Des immunomarquages des récepteurs AMPA et des enregistrements des courants miniatures AMPA montrent que miR-92a régule spécifiquement l'incorporation synaptique de nouveau récepteurs AMPA contenant GluA1 en réponse à un blocage de l'activité synaptique. La douleur est un symptôme très fréquemment associé au cancer et constitue un challenge pour les médecins puisque aucun traitement spécifique et efficace n'existe. C'est sans doute le résultat d'un manque de connaissances des mécanismes moléculaires responsables de la douleur cancéreuse. En combinant les screening des miRNA et des ARNm, nous avons mis en évidence une voie de régulation impliquant miR-124, un miRNA enrichi dans le système nerveux. Ainsi, dans un modèle de douleur cancéreuse chez la souris, la diminution de miR-124 est associée à une augmentation de ces cibles : calpain 1, synaptopodine et tropomyosine 4. Toutes ces protéines ont précédemment été identifiées comme des molécules clef de la fonction et de la plasticité synaptique. Des experiences in vitro ont confirmé que miR-124 exercait une inhibition multiple de calpain 1, synaptopodine et tropomyosine 4. La pertinence clinique de cette découverte a été vérifiée par le screening du liquide cérébro-spinal de patients souffrant de douleur cancéreuse qui montre également une diminution de miR-124. Ce résultat suggère un fort potentiel thérapeutique du ciblage de miR-124 dans les douleurs cancéreuses. Enfin, l'injection intrathécale de miR-124 dans des souris cancéreuses a permis de normaliser l'expression de la synaptopodine et de stopper la douleur cancéreuse lors de la phase initiale de la maladie. / MicroRNAs (miRNAs) are a type of small RNA molecules (21-25nt), with a central role in RNA silencing and interference. MiRNAs function as negative regulators of gene expression at the post-transcriptional level, by binding to specific sites on their targeted mRNAs. A process results in mRNA degradation or repression of productive translation. Because partial binding to target mRNA is enough to induce silencing, each miRNA has up to hundreds of targets. miRNAs have been shown to be involved in most, if not all, fundamental biological processes. Some of the most interesting examples of miRNA activity regulation are coming from neurons. Almost 50% of all identified miRNAs are expressed in the mammalian brain. Furthermore, miRNAs appear to be differentially distributed in distinct brain regions and neuron types. Importantly, miRNAs are reported to be differentially distributed at the sub-cellular level. Recently, miRNAs have been suggested to be involved in the local translation of neuronal compartments. This has been derived from the observations reporting the presence of miRNAs and the protein complexes involved in miRNA biogenesis and function in neuronal soma, dendrites, and axons. Deregulation of miRNAs has been shown to be implicated in pathological conditions. The present thesis aimed at deciphering the role of miRNA regulation in neuronal plasticity. Here we investigated the involvement of miRNA in synaptic plasticity, specifically in homeostatic synaptic plasticity mode. In addition, we investigated the involvement of miRNAs in the maladaptive nervous system state, specifically, in bone cancer pain condition.We hypothesized that local regulation of AMPA receptor translation in dendrites upon homeostatic synaptic scaling may involve miRNAs. Using bioinformatics, qRT-PCR and luciferase reporter assays, we identified several brain-specific miRNAs including miR-92a, targeting the 3’UTR of GluA1 mRNA. Immunostaining of AMPA receptors and recordings of miniature AMPA currents in primary neurons showed that miR-92a selectively regulates the synaptic incorporation of new GluA1-containing AMPA receptors during activity blockade.Pain is a very common symptom associated with cancer and is still a challenge for clinicians due to the lack of specific and effective treatments. This reflects the crucial lack of knowledge regarding the molecular mechanisms responsible for cancer-related pain. Combining miRNA and mRNA screenings we were able to identify a regulatory pathway involving the nervous system-enriched miRNA, miR-124. Thus, miR-124 downregulation was associated with an upregulation of its predicted targets, Calpain 1, Synaptopodin and Tropomyosin 4 in a cancer-pain model in mice. All these targets have been previously identified as key proteins for the synapse function and plasticity. Clinical pertinence of this finding was assessed by the screening of cerebrospinal fluid from cancer patient suffering from pain who presented also a downregulation of miR-124, strongly suggesting miR-124 as a therapeutic target. In vitro experiments confirmed that miR-124 exerts a multi-target inhibition on Calpain 1, Synaptopodin and Tropomyosin 4. In addition, intrathecal injection of miR-124 was able to normalize the Synaptopodin expression and to alleviate the initial phase of cancer pain in mice.

Les astrocytes sont les cellules les plus abondantes dans le cerveau où ils sontimpliquées dans une myriade de fonctions telles que la neurogénèse, l’homéostasieionique, le soutien métabolique, l’élimination des substances toxiques et dans laréponse aux lésions cérébrales. Des altérations fonctionnelles des astrocytes ont étéassociées avec des pathologies telles que l’épilepsie, la depression et laschizophrénie. A ce titre, l’étude de la contribution astrocytaire aux fonctionssynaptiques revêt un intérêt clinique et sociétal assez conséquent. Dans cette thèse,j’ai évalué le potentiel de plusieurs préparations permettant l’analyse des protéinesastrocytaires impliquées dans la plasticité synaptique et j’ai utilisé celle qui se prêtaitle mieux à la quantification des niveaux de protéines astrocytaires qui se trouventêtre régulées dans différent modèles de plasticité synaptique. J’ai caractériséplusieurs préparations qui peuvent être utilisées pour évaluer la contribution desastrocytes à la plasticité synaptique et j’ai identifié de nombreuses protéinesastrocytaires régulées par la plasticité synaptique et qui sont susceptibles d’êtreciblées lors de prochaines études destinées à identifier les mécanismes d’action desastrocytes dans un contexte physiologique et pathologique. / Astrocytes are the most abundant cell type in the brain and mediate a myriad offunctions, including neurogenesis, ion homeostasis, metabolic support, clearance oftoxic substances and responses to brain injuries. Alterations in astrocyte functionhave been linked with neurological disorders such as epilepsy, depression, dementiaand schizophrenia, and thus the continued study of astrocytic contributions tosynaptic function are of clinical and societal relevance. In this thesis I have evaluatedthe potential utility of several preparations for the assessment of astrocyte proteinsinvolved in the regulation of synaptic plasticity, and employed the most suitable ofthese preparations to measure regulation in astrocyte protein levels in models ofsynaptic plasticity. I have characterized several preparations that can be used toevaluate astrocyte contributions to synaptic plasticity and identified numerousastrocyte-enriched proteins regulated by synaptic plasticity that can be targeted infuture studies to elaborate upon the mechanisms of action of astrocytes in bothphysiological and pathological contexts.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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

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

Introduction: L'injection ip de lipopolysaccharide (LPS) d'E.coli à la rate gestante aboutit à un phénotype cognitivo-comportemental de pathologies neuropsychiatriques chez la progéniture mâle. L'objectif principal était de vérifier l'hypothèse d'une atteinte structurelle et d'un déséquilibre entre excitation et inhibition dans l'hippocampe. L'objectif secondaire était de dégager des stratégies thérapeutiques ciblées.Méthodes: 500 μg/kg de LPS d'E.coli de sérotype O55:B5 ou 2 ml/kg de sérum physiologique étaient injectés ip à la rate au 19e jour de gestation. La progéniture mâle était étudiée à différents stades du développement. L'étude structurelle reposait sur de l'immunohistochimie, l'étude fonctionnelle sur des enregistrements électro-physiologiques de l'activité des cellules pyramidales de l'aire CA1. L'effet protecteur de la N-acétylcystéine (NAC) donnée po à la rate gestante après l'injection de LPS était testé. Résultats: Les animaux soumis à un stress prénatal par le LPS présentaient une désorganisation durable de la couche pyramidale de l'aire CA3, un déficit transitoire de neurones exprimant la reeline, une altération de la dépression à long terme des synapses glutamatergiques (LTDe) liée à un déficit des récepteurs NMDA et du système GABAergique. Un inhibiteur de la recapture du GABA parvenait à corriger les anomalies de la LTDe. La NAC prévenait les anomalies cyto-architecturales.Conclusion: Cette thèse confirme l'impact d'un stress immuno-inflammatoire maternel sur la structure et la fonction hippocampique. Elle démontre l'intérêt d'un traitement prénatal par la NAC et de la modulation du tonus GABAergique pour corriger les troubles cognitifs associés. / Introduction: A late gestational exposure to lipopolysaccharide (LPS) leads to a behavioral and cognitive phenotype of neuropsychiatric disorders in male offspring. The main goal was to test the hypothesis of structural damage and imbalance between excitation and inhibition in the hippocampus. The secondary goal was to identify targeted therapeutic strategies.Methods: Pregnant rats were ip injected with either 500 μg/kg LPS from E.coli O55:B5 or 2 ml/kg saline vehicle on gestational day 19. Male offspring were studied at different developmental stages. The structural study was based on immunohistochemistry, the functional study on electrophysiological recordings of the activity of pyramidal cells in the CA1 area. The protective effect of N-acetylcysteine (NAC) given to pregnant rats after LPS injection was tested.Results: In male offspring, LPS induced late gestational immune challenge led to sustainable disarray of the pyramidal layer in the CA3 area, transient deficit of reelin expressing neurons, impaired long term depression of glutamatergic synapses (LTDe), due to NMDA receptor and GABAergic system dysfunction. An inhibitor of GABA reuptake completely restored plasticity lost after prenatal stress. NAC prevented cyto-architectural abnormalities.Conclusion: This thesis confirms the impact of a late prenatal immune challenge on hippocampal structure and function. It demonstrates that prenatal treatment with NAC and GABAergic tone modulation are valuable therapeutic strategies for the cognitive impairment associated with prenatal immune challenge.

Les protéines capables de lier des ARNs sont essentielles pour les différentes étapes de maturation de l'ARN messager (ARNm), en dirigeant leur localisation et leur devenir dans la cellule, et en formant avec les ARNs des particules ribonucléoprotéiques (mRNPs). Les mRNPS peuvent former des structures cellulaires dynamiques qui sont adressées vers des fonctions spécifiques. Ces granules, tels que les granules de stress formés suite à un stress cellulaire, contiennent des ARNm dont la traduction est inhibée et qui sont stockés transitoirement. Ma thèse a consisté en la caractérisation fonctionnelle de G3BP (RasGAP SH3 binding protein), une RBP exprimée de façon ubiquitaire chez l'homme et la souris, et impliquée dans l'assemblage des granules de stress. Par recombinaison homologue classique, des souris knock-out pour G3BP ont été générées. Ces souris ont une espérance de vie faible et des défauts du comportement associés au Système Nerveux Central, en particulier un phénotype de type ataxie. Des expériences d'électrophysiologie ont aussi montré une altération de la plasticité synaptique dans l'hippocampe des souris KO. J'ai donc réalisé des expériences d'immunoprécipitation après cross-link (Cross-Linking and Immunoprecipitation, CLIP) pour purifier à partir de cerveau de souris un complexe stable contenant G3BP, et les ARNs associés ont été identifiés par séquençage haut débit (High-Throughput Sequencing, HITS-CLIP). De façon surprenante, la plupart des cibles de G3BP correspondent à des transcrits codants mais qui contiennent des séquences introniques, et des ARNs non codants. De plus, mes résultats ont montré que l'absence de G3BP1 affecte la stabilité de ces transcrits pré-matures spécifiquement dans le cervelet, ce qui peut être corrélé au phénotype d'ataxie des souris KO G3BP1. Cela suggère un nouveau mécanisme de régulation qui passe par la stabilisation de transcrits pré-matures, qui pourraient être convertis en transcrits matures par exemple lors d'un stress et de la séquestration de G3BP dans les granules. / RNA binding proteins (RBPs) are essential in the different steps of processing of the messenger RNAs (mRNAs), directing their localization and fate within the cell, and forming with them the ribonucleoprotein particles (mRNPs). mRNPs can assemble into dynamic cellular structures in which they are routed towards specific functions. RNA granules such as stress granules (SGs) contain translationally silenced mRNPs storing transiently repressed mRNAs.My thesis work consisted in the functional characterization of G3BP (RasGAP SH3 binding protein), an RBP that is expressed ubiquitously in both humans and mice and is involved in the assembly of SGs. Using classical homozygous recombination, viable G3BP1 knock out mice were generated that demonstrated short lifespan.and behavioral defects linked to the Central Nervous System (CNS), notably an ataxia phenotype. Electrophysiology experiments showed an alteration of synaptic plasticity in the hippocampus of KO mice. Therefore, I used Cross-Linking and Immunoprecipitation (CLIP) to purify from mouse brain a stable complex containing G3BP, and performed High-Throughput Sequencing (HITS-CLIP) to identify associated RNAs. Strikingly, most of the G3BP targets correspond to intron sequence-retaining transcripts and non-coding RNAs. My results also showed that G3BP1 depletion influences the stability of these premature transcripts in the cerebellum, which can be correlated to the ataxia phenotype of the G3BP1 KO mice. This comprehensive analysis suggests a new mechanism of gene regulation based on stabilization of silenced premature transcripts which might be converted to mature transcripts under stress condition and sequestration of G3BP in SGs.

La formation de la mémoire spatiale est un mécanisme complexe qui transforme les informations récemment acquises en traces mnésique robustes à long terme. D’un point de vue moléculaire, ces phénomènes sont dépendants de l’expression de deux formes opposées de plasticité synaptique ; la potentialisation à long terme (LTP) et la dépression à long terme (LTD). L’induction de la LTP/LTD dépend de la fine régulation entre des kinases et des phosphatases sensibles au Ca2+ qui vont activer respectivement la LTP et la LTD dans la densité postsynaptique (PSD). Cette régulation met également en jeu des interactions en avale entre les récepteurs et des protéines d’échafaudages spécialisées au sein de la PSD. Scribble1 (Scrib1) est une de ces protéines d’échafaudage appartenant à la famille des LAP (leucine-rich repeats & PDZ domains) avec 16 répétitions riches en leucine et 4 domaines PDZ (PSD-95/Dlg/ZO-1). Lors de cette étude, nous avons développé de souris « knock-out » conditionnelles avec une délétion complète de la Scrib1 dans les principaux neurones de l’encéphale antérieur, dont les neurones excitateurs de l’hippocampe, grâce au système Cre-lox (Scrib1f/f,CaMKII-cre). Les souris Scrib1f/f,CaMKII-cre présentent une altération de la morphologie des dendrites apicales sans modification de la morphologie ni de la densité des épines dans la région CA1 de l’hippocampe. Sur le plan fonctionnel, les neurones du CA1 des souris Scrib1f/f,CaMKII-cre présentent une augmentation du nombre de synapses silencieuses (non-fonctionnelles). Ceci réduit le nombre de synapses actives et entraine une diminution globale de la transmission basale des synapses CA3-CA1 comparée aux synapses Scrib1f/f. Les souris Scrib1f/f,CaMKII-cre montrent une augmentation de la LTP mais sont incapables d’exprimer une LTD ni la depotentiation à long terme. De plus, des protocoles de LTD induisent une LTP chez ces souris. Au niveau moléculaire, nous avons mis en évidence une interaction directe au sein des synapses entre Scrib1 et la phosphatase PP2A impliquée dans la LTD. De plus, l’absence de Scrib1 entraine une réduction des niveaux de PP2A dans la PSD chez les souris Scrib1f/f,CaMKII-cre. Ceci implique une diminution de l’activation de la voie de signalisation de la LTD via PP2A au profit de celle de la CAMKII et la LTP, ce qui pourrait expliquer l’induction d’une LTP à la place d’une LTD chez les souris Scrib1f/f,CaMKII-cre. Sur le plan cognitif, les souris Scrib1f/f,CaMKII-cre présentent des déficits dans la flexibilité de l’apprentissage spatial comparées aux souris Scrib1f/f. Chez les souris Scrib1f/f,CaMKII-cre, la la mémoire spatiale à court terme n’était pas altérée tandis que la mémoire à long terme était déficiente. Ainsi, ces données révèlent un rôle majeur de Srib1 dans consolidation de la mémoire spatiale. Lors de cette étude, nous avons montré un rôle pour Scrib1 dans les connections et la morphologie des neurones CA1, ainsi que la conversion fonctionnelle des synapses silencieuses en synapses actives. D’une manière importante, Scrib1 permet l’expression de la plasticité synaptique bidirectionnelle à travers une interaction avec PP2A et module la formation de la mémoire spatiale à long terme. / Spatial memory formation is a complex process that transforms newly-acquired information into long-lasting and solid memories. Molecularly, these phenomena rely on the expression of two opposite forms of synaptic plasticity; long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD). LTP/LTD induction relies on a fine balance between Ca2+-sensitive kinases and phosphatases that activate specific pathways of either LTP or LTD, respectively. This regulation also involves downstream interactions between receptors and highly specialized scaffold proteins, at the PSD. Scribble1 (Scrib1) is a scaffold protein that belongs to the LAP (leucine-rich repeats and PDZ domains) protein family, with 16 leucine rich repeats and 4 PDZ (PSD-95/Dlg/ZO-1) domains. Here, we developed conditional knock-out mice with a complete loss of Scrib1 expression in the major neurons of the postnatal forebrain, including hippocampal excitatory neurons, using the Cre-Lox system (Scrib1f/f,CaMKII-cre). Scrib1f/f,CaMKII-cre presented altered morphology of apical dendrites but intact spine density and spine morphology in the CA1 region. Functionally, we found increased number of silent (non-functional) synapses that decreases the number of active synapses in Scrib1f/f,CaMKII-cre CA1 neurons leading to a global decrease in basal glutamatergic synaptic transmission at CA3-CA1 synapses compared to Scrib1f/f synapses. Scrib1f/f,CaMKII-cre synapses displayed enhanced LTP but were unable to express LTD or long-term depotentiation. More strikingly, LTD-inducing protocols generated LTP in Scrib1f/f,CaMKII-cre synapses. Molecularly, we revealed a direct interaction between Scrib1 and the phosphatase PP2A that signals LTD at the synapse. Moreover, we found that the absence of Scrib1 results in a reduction of synaptic PP2A levels in Scrib1f/f,CaMKII-cre mice. This probably leads to a decrease in PP2A signaling pathway activation which favors the competing pathway downstream CaMKII resulting in LTP induction instead of LTD in Scrib1f/f,CaMKII-cre mice. On the cognitive level, we found that spatial learning was slower and inflexible in Scrib1f/f,CaMKII-cre compared to Scrib1f/f mice. Short-term spatial memory was intact while long-term memory was impaired. These results argue for an important role of Scrib1 in spatial memory consolidation. We here report that Scrib1 is important for appropriate neuronal shaping and wiring of CA1 neurons as well as functional conversion of silent synapses into active ones. Importantly, it allows bidirectional synaptic plasticity through interaction with PP2A and modulates long-term spatial memory formation