L'asthme est une pathologie inflammatoire de type TH2 caractérisée par une éosinophilie sanguine et bronchique, toutefois le rôle précis de l'éosinophile reste à définir. Premièrement, nous avons démontré que les éosinophiles sanguins expriment de façon transitoire le Fc?RIII (CD16), un récepteur d'IgG, lors de la crise asthmatique. Nous avons observé que l'IL-2 et les complexes immuns IgG favorisent l'expression de surface du CD16. Nous avons également trouvé que le rapport des IgG spécifiques pour les allergènes sur les IgE totaux corrèle avec l'expression du CD16 lors d'une crise d'asthme et que les éosinophiles sanguins CD16+ présentent un plus faible niveau d'IL-12 intracellulaire. Finalement, nous avons démontré que lL-12 est une cytokine régulatrice pour l'éosinophile, elle réduit sa capacité de migration et de dégranulation mais n'affecte pas sa viabilité. Ces études démontrent que des facteurs normalement associés à la réponse de type TH1 jouent un rôle dans l'activité biologique de l'éosinophile dans un contexte d'asthme.

Des études cliniques concluent que les oestrogènes induisent des effets modulateurs dans le cerveau et des études expérimentales faites par notre laboratoire démontrent que le 17β-oestradiol a des effets bénéfiques dans des modèles animaux du Parkinson. La recherche est en cours pour trouver des nouveaux composés oestrogéniques comme agents neuroprotecteurs au cerveau pour prévenir ou combattre la maladie de Parkinson. Une perte de la dopamine (DA) striatale observée suite a une lésion avec la neurotoxine l-méthyl-4-phényl-l, 2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP) chez la souris, le 17β-oestradiol prévient cette perte et cet effet neuroprotecteur peut impliquer les récepteurs oestrogéniques alpha et beta (ERα et ERβ). Les mécanismes impliqués devraient être davantage étudiés et font l'objet de cette thèse. Les résultats de cette recherche montrent que l'absence des ERs induit des changements dans les niveaux des stéroïdes sanguins, des transporteurs dopaminergiques et par conséquence la susceptibilité des neurones au MPTP. La réponse au traitement avec le 17β-oestradiol, montre une spécificité dans diverses régions du cerveau. Les souris invalidées pour le ERα (ERKOα) avaient des niveaux élevés d'androgènes et le MPTP cause une diminution de la tyrosine hydroxylase chez les deux groupes ERKOs, les souris ERKOα sont plus sensibles au MPTP que les souris invalidées pour le ERβ (ERKOβ) comparativement aux souris sauvages. Donc, un rôle important des ERα et plus modéré des ERβ est observé au cerveau des souris mâles suite à une lésion au MPTP. Ceci se manifeste sur les concentrations de la DA et aussi sur les transporteurs (DAT et VMAT2) comme marqueurs de l'intégrité des terminaisons dopaminergiques nigro-striatales pré-synaptiques. De plus, les ERs induisent des effets neuroprotecteurs dans le cortex, le striatum et l'hippocampe en modulant les niveaux des récepteurs glutamatergiques NMDA NR1/NR2B et les récepteurs dopaminergiques DI et D2. Par conséquent, une répercussion se manifeste au niveau post-synaptique dans les voies de signalisation PDK/Akt et MAPK/ERK où seulement les souris ERKOβ avaient une augmentation de la signalisation Akt/GSK3β, ERK1/ERK2 avec la lésion au MPTP. Ces résultats démontrent que ces deux récepteurs oestrogéniques sont impliqués dans l'effet neuroprotecteur des oestrogènes.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la forme de démence la plus commune. Cette maladie neurodegenerative reliée à l'âge est caractérisée par des pertes de mémoire ainsi qu'une diminution des facultés de planification et de pensée. À ce jour, aucun traitement efficace n'est disponible pour ralentir ou arrêter l'évolution de la maladie. Selon la théorie de la cascade amyloïde, cette maladie, d'apparition héréditaire ou spontanée, serait causée par une accumulation de protéines bêta-amyloïde (Aβ) dans le cerveau des patients. La présence d'oligomères Aβ solubles serait hautement associée à l'accumulation d'enchevêtrements neurofîbrillaires ainsi qu'à une réaction inflammatoire importante. Les microglies sont reconnues comme les cellules immunitaires du cerveau. Pendant la MA, ces cellules sont reconnues pour produire des cytokines pro-inflammatoires et des molécules nocives pour les neurones. Ces cellules seraient cependant très importantes pour l'élimination de l'Aβ par phagocytose et pourrait alors être bénéfiques en empêchant l'évolution de la MA. Une meilleure compréhension des molécules impliquées dans l'activation des cellules microgliales contre les protéines Ap pourrait permettre le développement de nouveaux traitements contre la MA. Nous avons donc démontré que les cellules microgliales exprimaient le Toll-like receptor 2 (TLR2) en réponse à l'Aβ. De plus, plusieurs évidences démontrent aussi que ces récepteurs seraient très importants pour l'élimination de l'Aβ. Nous avons ici utilisé un modèle murin de MA pour démontrer l'importance du récepteur TLR2 ainsi que de la voie de signalisation intracellulaire dépendante de la protéine adaptatrice MyD88 dans l'évolution de la MA. L'importance de l'expression de ces protéines dans les cellules microgliales infiltrant le cerveau chez l'adulte a aussi été démontrée par la production de souris chimériques et par les techniques de thérapie génique, c'est-à-dire par la transduction de cellules de la moelle osseuse par un vecteur lentiviral. Ces résultats ont été obtenus dans le but de connaître davantage l'activation microgliale et l'élimination de l'Aβ du cerveau. Dans un avenir rapproché, ces connaissances nous permettront de moduler le système immunitaire des patients atteints de cette maladie dans le but d'arrêter ou du moins de ralentir sa progression.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2007-2008. / La sérine/thréonine kinase mTOR (mammalian target of rapamycin) participe à un rétrocontrôle négatif envers la voie IRS-1/PI3K/Akt. Dans les adipocytes et les myocytes, l'inhibition aiguë de la voie mTORCl/S6Kl augmente la signalisation de l'insuline par la voie IRS-1/PI3K/Akt et le transport du glucose en empêchant la phosphorylation négative d'IRS-1 sur serine. Dans cette étude, l'utilisation de l'interférence à l'ARN dans les adipocytes 3T3-L1 a confirmé le rôle des protéines mTOR, raptor et S6K1 dans le rétrocontrôle négatif sur la signalisation métabolique de l'insuline. Cependant, l'inhibition chronique de la voie mTORCl/S6Kl mène également à une réduction de l'action de l'insuline sur le transport du glucose. Cette dichotomie entre l'activation de la PI3K et le transport du glucose est attribuable à une diminution imprévue de l'activation d'Akt2 et de l'expression de GLUT4. Ainsi, l'inhibition chronique de la voie mTORCl/S6Kl pourrait ne pas être une approche efficace pour rétablir la sensibilité à l'insuline.

Le réglage fin du programme de transcription nécessite l'interaction de plusieurs protéines et éléments d'ADN dans un environnement bien organisé. Nous avons proposé l'existence d'un équilibre de l'écosystème transcriptionnel, un modèle où les facteurs de transcription (TF) déclenchés par des stimuli contrôlent l'expression de cibles spécifiques, avec des conséquences pour l'environnement local. Pour nos études, nous nous sommes concentrés sur le cancer du sein (BRCA) positif au récepteur des œstrogènes (ER), où le maître TF ER alpha (ERα) est déclenché par les œstrogènes et contrôle la croissance, en tant que moteur clé de la progression du BRCA. En conséquence, les thérapies anti-œstrogènes limitent temporairement l'action des œstrogènes, mais une résistance survient invariablement, soulevant des questions sur les mécanismes potentiels impliqués dans la résistance aux anti-œstrogènes. Dans mon premier chapitre, j'ai montré que la surexpression du maître TF de la réponse au stress Heat shock Factor 1 (HSF1) est associée à la résistance aux anti-œstrogènes, à la dégradation de l'ERα et à la répression du programme transcriptionnel de l'ERα dans les cellules cancéreuses du sein. Fait intéressant, la réduction des niveaux de HSF1 rétablit l'expression de l'ERα et la réponse aux anti-œstrogènes, soutenant une anticorrélation entre les deux programmes transcriptionnels, une tendance également observée chez les patients BRCA. Dans mon deuxième chapitre, j'ai caractérisé un mécanisme pour expliquer le crosstalk entre HSF1 et ERα : la disponibilité cellulaire du chaperon moléculaire HSP70. HSP70 est un chaperon responsable du repliement des protéines et associé à la stabilité de HSF1 et ERα. De plus, il a été récemment confirmé que HSP70 agit comme un régulateur négatif de l'activité HSF1 au niveau de la chromatine. En conséquence, j'ai démontré que l'activation de l'ERα augmente le recrutement de HSP70 sur les promoteurs de gènes activés par HSF1, désengageant la transcription et induisant la formation de foyers HSF1, un marqueur de HSF1 inactif. Fait intéressant, l'inhibition de HSP70 bloque l'impact négatif de la voie des œstrogènes sur la réponse au stress. Collectivement, nos résultats soutiennent la relation intrinsèque de la diaphonie entre HSF1 et ERα, avec des conséquences sur la façon dont une cellule répondra aux stimuli environnementaux. / Fine tuning of the transcriptional program requires the interaction of multiple proteins and DNA elements in a well-organized environment. We proposed the existence of a transcriptional ecosystem equilibrium, a model where stimuli-triggered transcription factors (TFs) control the expression of specific targets, with consequences for the local environment. For our studies, we focused on Estrogen Receptor (ER)-positive breast cancer (BRCA), where the master TF ER alpha (ERα) is triggered by estrogens and controls growth, as a key driver for BRCA progression. Accordingly, antiestrogen therapies temporarily limit the action of estrogens, but resistance invariably arise, raising questions about potential mechanisms involved in antiestrogen resistance. In my first chapter, I showed that overexpression of the stress-response master TF Heat shock Factor 1 (HSF1) is associated with antiestrogen resistance, ERα degradation and repression of the ERα-transcriptional program in breast cancer cells. Interestingly, reduction of the HSF1 levels reinstates expression of the ERα and response to antiestrogens, supporting an anticorrelation between both transcriptional programs, a trend also seen in BRCA patients. In my second chapter, I characterized a mechanism to explain the crosstalk between HSF1 and ERα : the cellular availability of the molecular chaperone HSP70. HSP70 is a chaperone responsible for protein folding and associated with HSF1 and ERα stability. Also, it was recently confirmed that HSP70 acts as a negative regulator of HSF1 activity at the chromatin level. Accordingly, I demonstrated that activation of the ERα increases the recruitment of HSP70 on HSF1-activated gene promoters, disengaging transcription and inducing formation of HSF1 foci, a marker of inactive HSF1. Interestingly, inhibition of HSP70 blocks the negative impact of the estrogen pathway on the stress response. Collectively, our results support the intrinsic relation of the crosstalk between HSF1 and ERα, with consequences for how a cell will respond to environmental stimuli.

"Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l'Université Laval comme exigence partielle du programme de maîtrise en médecine expérimentale offert à l'Université du Québec à Chicoutimi en vertu d'un protocole d'entente avec l'Université Laval pour l'obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.)" / Les gènes ayant une activité biologique en lien avec le gène du récepteur de type 2 de l’interleukine 1 (IL1R2) sont des déterminants génétiques de l’asthme allergique L’asthme est une maladie chronique des voies respiratoires qui se traduit par une hyperactivité, une obstruction bronchique et un remodelage. Plusieurs facteurs génétiques et environnementaux sous-tendent le développement de cette maladie. En effet, plus de 300 gènes ont été jusqu’à présent associés à l’asthme. Dans ce mémoire, il sera question de certains de ces gènes associés avec les phénotypes reliés à l’asthme et qui sont en lien avec les activités du gène du récepteur de type 2 de l’interleukine 1 (IL1R2). Le gène IL1R2 est différemment exprimé dans les biopsies bronchiques de sujets asthmatiques allergiques comparativement aux sujets témoins et a également été associé avec l'atopie. Un criblage pangénomique (GWAS) a été réalisé sur cinq études d ’asthme indépendantes (SLSJ, EGEA, CAPPS, SAGE et BUSSELTON) afin d ’identifier des polymorphismes associés aux différents phénotypes reliés à l’asthme. Sept gènes ont été associés: beta-site APPcleaving enzyme-1 (BACE1) et la métalloprotéinase 2 (MMP2) avec l’asthme et l’asthme allergique, spleen focus form ing virus proviral integration oncogene (S P Il) avec l’atopie et l’asthme atopique, endoplasmic reticulum aminopeptidase (ERAP1) avec l’asthme allergique, interleukin 1 receptor accessory protein (IL1RAP) et interleukin 1 alpha (ILIA) avec l ’atopie, et le gène interleukin 1 receptor type 1 (IL1R1) avec l ’asthme, l’atopie et l’asthme allergique. Ces résultats soulignent l’importance du rôle &IL1R2 dans l’asthme et suggèrent qu’il serait pertinent de mieux caractériser sa voie biologique à l’aide d ’études génétiques fonctionnelles afin d’avoir une meilleure connaissance du rôle &IL1R2 dans la physiopathologie de l’asthme.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'expression des récepteurs hormonaux, incluant les récepteurs d'œstrogènes (ER) et de progestérone (PR), sont des facteurs importants pour prédire la réponse à la thérapie hormonale adjuvante (THA) chez les patients atteints de cancer du sein (BC). Ces récepteurs jouent un rôle clé dans la régulation de la croissance cellulaire et de la réplication dans les tumeurs positives aux récepteurs hormonaux (HR). La présence ou l'absence de ces récepteurs peuvent avoir un impact significatif sur la réponse THA. Malgré l'importance de leur expression, une réponse insuffisante peut survenir en raison d'un faible pourcentage de cellules ER positives dans les tumeurs. Les études précédentes ont accordé peu d'attention à aux tumeurs faiblement ER positives (1-9% de cellules positives) et au bénéfice de la THA chez les patients ayant ce type de tumeurs. Par conséquent, l'objectif de ce mémoire de maîtrise est de comparer les caractéristiques et les résultats cliniques des patientes ayant des tumeurs avec une expression ER négative, faiblement positive et fortement positive en fonction de la réception de THA. Nous avons réalisé une étude de cohorte rétrospective incluant 5879 patientes diagnostiquées et suivies au Centre des maladies du sein (CMS) du CHU de Québec-Université Laval. Le CMS maintient un registre local des patients suivis par les cliniciens du centre depuis 1975. Les patientes de l'étude ont été diagnostiquées et traitées entre janvier 1995 et janvier 2011 et suivies jusqu'en décembre 2011. Les résultats des modèles de régression de Cox ont montré que les taux de survie par cancer du sein et de survie globale à 15 ans étaient significativement plus faibles chez les patientes ayant des tumeurs avec une expression ER négative et faiblement positive comparativement aux patients ayant des tumeurs avec une expression fortement positive. Les patients ayant des tumeurs avec une expression ER fortement positive tirent avantage de la THA, tandis que les patients ayant des tumeurs avec une expression ER négative ou faiblement positive n'en tirent aucun bénéfice en terme de survie. Ces résultats suggèrent donc que la THA n'a pas d'impact significatif sur la survie des patients ayant des tumeurs avec une expression négative ou faiblement positive. Compte tenu des effets secondaires potentiels de la THA, le seuil actuellement recommandé pour la positivité ER pourrait être reconsidéré. Ces résultats peuvent aider les cliniciens à mieux personnaliser les traitements de leurs patientes atteintes de cancer du sein avec différents sous-types moléculaires. / The expression of hormone receptors, including estrogen (ER) and progesterone (PR) receptors, are important factors in predicting the response to adjuvant endocrine therapy (AET) in patients with breast cancer (BC). These receptors play a key role in regulating cell growth and replication in hormone receptor (HR) positive tumors. The presence or absence of these receptors can have a significant impact on the AET response. Despite the importance of their expression, insufficient response may occur due to a low percentage of ER-positive cells in tumors. Previous studies have paid little attention to weakly ER-positive tumors (1-9% positive cells) and the benefit of AET in patients with this type of tumor. Therefore, the objective of this master's thesis is to compare clinical characteristics and outcomes of patients with tumors with ER-negative, weakly ER-positive, and strongly ER-positive as a function of AET reception status. We carried out a retrospective cohort study including 5,879 patients diagnosed and followed at the Center des Maladies du Sein (CMS) of the CHU de Québec-Université Laval. CMS maintains a local registry of all patients followed by clinicians at the center since 1975. Patients in the study were diagnosed and treated between January 1995 and January 2011 and followed until the end of December 2011. Results from Cox regression models showed that 15-year breast cancer-specific and overall survival rates were significantly lower in patients with ER-negative and weakly ER-positive tumors when compared to patients with tumors with strongly ER-positive tumors. Patients with strongly ER-positive tumors benefit clearly from AET, while those with negative or weakly ER-positive tumors do not benefit from it in terms of survival. These results, therefore, suggest that AET has no significant impact on the survival of patients with ER-negative or weakly ER-positive tumors. Given the potential side effects of AET, the currently recommended threshold for ER positivity might be reconsidered. These findings may help clinicians better personalize treatments for their patients with different molecular BC subtypes.

FXR est un récepteur nucléaire qui s’est démontré avoir des effets ambivalents dans le contexte de différents cancers. Son effet dans le cancer de la prostate (PCa) est peu documenté. Nous avons observé une répression des enzymes UGT2B15 et 2B17, les enzymes d’élimination des hormones androgènes; ces dernières ont un rôle prépondérant dans la croissance du PCa, suggérant que l’activation de FXR pourrait avoir un effet pro-prolifératif dans le PCa. Ce projet vise à évaluer le potentiel de trois agonistes (6-ECDCA, CDCA, GW4064) dans des lignées de PCa androgéno-dépendantes (LNCaP, LAPC-4) et androgéno-indépendantes (DU-145, VCaP et LN95). À l’opposé des résultats attendus, un effet antiprolifératif fut observé caractérisé par un arrêt du cycle cellulaire et une induction de l’apoptose. Une inhibition transcriptionelle du récepteur aux androgènes fut obtenue, exposant un avantage de FXR sur les traitements actuels du PCa. Les résultats recueillis ici proposent FXR comme nouvelle cible thérapeutique pour le PCa. / FXR is a nuclear receptor that exerts ambivalent effects in multiple cancers. FXR signaling in prostate cancer (PCa) is not yet defined, but recent observations indicate that its activation represses two major androgen-metabolizing enzymes, namely UGT2B15 and 2B17. Based on this observation, we proposed that FXR acts as a pro-carcinogenic agent that may promote the development of androgen-dependent PCa tumors. The aim of this project is to evaluate the potential of three FXR agonist’s (6-ECDCA, CDCA, GW4064) in androgen-dependent (LNCaP, LAPC-4) and androgen-independent (DU-145, VCaP, LN95) PCa cell lines. Unexpectedly, anti-proliferative effects were observed, characterized by a cell cycle blockade and an induction of apotosis. Furthermore, a negative transcriptional regulation of the androgen receptor was observed, exposing an advantage of FXR over the actual PCa treatment. Results collected here propose FXR as a new target to medicate PCa.

Une des principales limitations du positionnement GPS est que la composante verticale est généralement 2 à 3 fois moins précise que la composante horizontale. Pour des applications de haute précision, il est possible d'atteindre, par méthode GPS en mode relatif, des précisions de l'ordre de quelques millimètres en composante horizontale mais non pas en composante verticale. Cependant, plusieurs applications, telles que l'auscultation de structures d'ingénierie, exigent une précision similaire tant en horizontal qu'en vertical. Par simulations, il a été démontré par (Santerre & Beutler, 1993), qu'il est possible d'améliorer la précision du positionnement vertical en utilisant un récepteur à antennes multiples et un calibrage précis du délai de propagation relatif dans les câbles et circuits électroniques séparant les antennes du récepteur. Cependant, aucune implementation n'avait été faite à ce jour pour prouver le concept. L'objectif principal de ce travail de recherche a donc été de concevoir et d'implémenter un tel système et de démontrer qu'il permet une nette amélioration dans la précision du positionnement vertical. Pour ce faire, le défi principal a été de développer un système permettant simultanément le transport des signaux GPS sur fibres optiques et le calibrage précis du délai de propagation relatif entre ces mêmes fibres en temps réel. Une fois le premier prototype complété et testé, des expériences réalisées sur une poutrelle de calibrage utilisée comme ligne de base de référence démontrent qu'avec le prototype et le système de traitement des données proposé, une nette amélioration dans la précision du positionnement vertical a été observée. Tel que prévu par la théorie et les simulations, une amélioration d'un facteur 2 à 3 a été atteint, permettant ainsi d'obtenir la même précision dans la composante verticale que dans la composante horizontale. Ces résultats, qui représentent une percée importante dans le positionnement GPS de haute précision, permettent ainsi d'envisager le déploiement de ce type de systèmes dans des applications réelles où la même précision dans toutes les composantes tridimensionnelles est essentielle mais n'avait pas pu être atteinte auparavant par positionnement relatif GPS.

Dans les processus d'apprentissage corticaux complexes, divers mécanismes inhibiteurs GABAergiques jouent un rôle crucial, avec le récepteur GABA$\sf{_A}$ contenant la sous-unité alpha5 (α5-GABA$\sf{_A}$R) occupant le devant de la scène. Ce récepteur est situé de manière proéminente dans le domaine extrasynaptique des cellules pyramidales hippocampiques CA1 et néocorticales de la couche 5, où il orchestre la conductance inhibitrice tonique, influençant potentiellement la plasticité synaptique et différents types d'apprentissage. Malgré son importance, l'expression synaptique et la fonction spécifique de l'α5-GABA$\sf{_A}$R restent inconnues. Pour répondre à ces questions, nous avons d'abord mené une étude approfondie dans le stratum oriens/alveus (O/A) de la région hippocampique CA1 en utilisant l'immunohistochimie, des enregistrements patch-clamp de cellules entières et une stimulation optogénétique dans des tranches d'hippocampe de souris. Nos résultats ont révélé une expression préférentielle de l'α5-GABA$\sf{_A}$R dans les synapses inhibitrices formées par les terminaisons positives au peptide intestinal vasoactif (VIP+) et la calrétinine (CR) sur les dendrites des interneurones exprimant la somatostatine (SOM). À l'inverse, les synapses formées par les entrées inhibitrices positives de la parvalbumine (PV) présentaient une expression minime ou inexistante de l'α5-GABA$\sf{_A}$R. En approfondissant les implications fonctionnelles, nous avons exploré le rôle spécifique de l'α5-GABA$\sf{_A}$R dans l'apprentissage spatial et le comportement lié à l'anxiété à l'aide de tests comportementaux et de manipulations chimiogénétiques. Notamment, l'inhibition de l'α5-GABA$\sf{_A}$R chez les souris contrôles a amélioré l'apprentissage spatial mais a induit un comportement anxieux. Par contre, chez les souris avec les interneurones VIP inactivées, l'amélioration de l'apprentissage spatial a été maintenue sans l'anxiété associée, mettant l'accent sur le rôle de l'α5-GABA$\sf{_A}$R localisé au niveau des synapses VIP+ dans l'anxiété. Deuxièmement, en nous concentrant sur les circuits corticaux, nous avons étudié l'équilibre délicat entre l'excitation et l'inhibition dans le cortex moteur en relation avec les troubles neurologiques génétiques. Notre étude a révélé une hyperexcitabilité du circuit chez des souris femelles asymptomatiques portant l'expansion répétée du cadre de lecture ouvert 72 (C9orf72) du chromosome 9 associée à la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et au trouble de dégénérescence lobaire fronto-temporale (DLFT). Malgré l'absence de symptômes du SLA manifestes, ces souris présentaient une anomalie du cortex moteur, caractérisée par une réduction du nombre de neurones pyramidaux de la couche 5 du cortex moteur primaire (M1). Les neurones survivants présentaient une fonction préservée de l'α5-GABA$\sf{_A}$R mais une diminution de l'inhibition, ce qui entraînait une activation accrue de M1 lors de la locomotion animale à grande vitesse. Collectivement, cette double exploration de la fonction α5-GABA$\sf{_A}$R dans les circuits hippocampiques et néocorticaux fait non seulement progresser notre compréhension des mécanismes inhibiteurs aux niveaux moléculaires et synaptiques, mais contribue également à une vision globale du paysage complexe des troubles neurologiques génétiques et de leurs mécanismes sous-jacents. / In the intricate landscape of cortical learning processes, diverse GABAergic inhibitory mechanisms play a crucial role, with the alpha5 subunit-containing GABA$\sf{_A}$ receptor (α5-GABA$\sf{_A}$R) taking center stage. This receptor is prominently situated in the extrasynaptic domain of CA1 hippocampal and layer 5 neocortical pyramidal cells, where it orchestrates tonic inhibitory conductance, potentially influencing synaptic plasticity and different types of learning. Despite its significance, the synaptic expression and site-specific function of α5-GABA$\sf{_A}$R remain elusive. To unravel this mystery, we, first, conducted a comprehensive investigation in the CA1 stratum oriens/alveus (O/A) utilizing immunohistochemistry, whole-cell patch-clamp recordings, and optogenetic stimulation in mouse hippocampal slices. Our findings revealed a preferential targeting of α5-GABA$\sf{_A}$R to inhibitory synapses formed by vasoactive intestinal peptide (VIP)- and calretinin (CR)-positive terminals onto dendrites of somatostatin-expressing interneurons. Conversely, synapses established by parvalbumin-positive (PV+) inhibitory inputs showed minimal or no presence of α5-GABA$\sf{_A}$R. Delving deeper into the functional implications, we explored the input-specific role of α5-GABA$\sf{_A}$R in spatial learning and anxiety-related behavior using behavioral testing and chemogenetic manipulations. Intriguingly, inhibiting α5-GABA$\sf{_A}$R in control mice enhanced spatial learning but induced anxiety-like behavior. Remarkably, in mice with inactivated CA1 VIP input, spatial learning improvement was maintained without the associated anxiety, emphasizing the role of α5-GABA$\sf{_A}$R in phasic inhibition via VIP input to interneurons regulating anxiety. Second, shifting our focus to cortical circuits, we investigated the delicate balance between excitation and inhibition in the motor cortex in relation to genetic neurological disorders. Our study uncovered circuit hyperexcitability in asymptomatic female mice carrying the chromosome 9 open reading frame 72 (C9orf72) repeat expansion associated with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD) spectrum disorder. Despite lacking overt symptoms, these mice exhibited abnormal motor cortex output, characterized by a reduction in the number of primary motor cortex (M1) layer 5 pyramidal neurons. Surviving neurons displayed preserved function of the α5-GABA$\sf{_A}$R but decreased inhibitory drive, resulting in heightened M1 output during high-speed animal locomotion. Collectively, this dual exploration of the α5-GABA$\sf{_A}$R function in hippocampal and neocortical circuits not only advances our understanding of molecular and synaptic inhibitory mechanisms but also contributes to a comprehensive insight into the intricate landscape of genetic neurological disorders and their underlying mechanisms.