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.

Cette thèse a pour objectif spécifique d’explorer les événements précoces pouvant être à l’origine du bourgeonnement aberrant des fibres moussues (FM) du gyrus denté, une réorganisation majeure dans l’Epilepsie du Lobe Tempora (ELT). Nous avons utilisé le modèle pilocarpine d’ELT chez le rat afin de montrer que la transmission GABAergique jouait un rôle prépondérant dans la formation des FM aberrantes au cours de l’épileptogenèse. Ceci étant due à une altération de l’homéostasie chlore, suite à une augmentation de l’expression du co-transporteur NKCC1 et une diminution du co-transporteur KCC2. Nos résultats ont démontré que le récepteur aux neurotrophines p75NTR était un médiateur de l’action trophique de la réponse GABAergique dépolarisante sur le bourgeonnement aberrant des FM. Le blocage de l’action dépolarisante de la transmission GABAergique via l’utilisation de la bumétanide, a permis de réduire le bourgeonnement aberrant des MF en réduisant l’expression de p75NTR. Enfin, l’application transitoire de la bumétanide au cours de l’épileptogenèse a abouti à la réduction du nombre de crises récurrentes et spontanées au cours de la phase chronique d’ELT chez le rat. Ce travail a permis de dévoiler les mécanismes moléculaires sous-jacents de la réorganisation du réseau neuronal glutamatergique consécutif à une crise inaugurale dans un modèle d’ELT. Dans l'ensemble, cette thèse apporte un éclairage nouveau sur l’importance de l’interaction de la signalisation GABAergique avec les neurotrophines afin d’orchestrer la plasticité réactive au sein de l’hippocampe dans TLE. / The present dissertation undertakes to investigate the early triggering events of the mossy fiber sprouting (MFS) in the dentate gyrus, a hallmark of hippocampal reactive plasticity in Temporal Lobe Epilepsy (TLE). We used the rat pilocarpine model of TLE to show that altered GABAA receptor-mediated transmission play a key role in the formation of early ectopic MFS during epileptogenesis. This is likely due to a compromised chloride homeostasis, as a result of increased expression of chloride loader NKCC1 and downregulation of the neuronal chloride extruder KCC2. We next addressed the mechanistic action of depolarizing GABAAR responses with regard to neurotrophin signaling. Our findings uncovered that the pan neurotrophin receptor p75 (p75NTR) mediated the sculpting action of depolarizing GABAAR responses on the ectopic MFS. Blockade of depolarizing GABAAR responses using the loop diuretic bumetanide reduced abnormal p75NTR subsequently decreased the ectopic MFS. Finally, transitory application of bumetanide during epileptogenesis resulted in reduction of spontaneous and recurrent seizures during the chronic phase of TLE. The rationale of this work is that unveiling the molecular mechanisms underlying the hippocampal post-seizure glutamatergic network rewiring will help to drive future novel therapeutic avenues involving chloride homeostasis and neurotrophin interplay. Overall, this dissertation shed a new light on how GABAergic transmission and neurotrophin signaling crosstalk can orchestrate reactive hippocampal plasticity in TLE.