La cellule de Purkinje (PC) est l'élément central du réseau neuronal du cortex cérébelleux et possède un arbre dendritique très développé qui se développe au cours des trois premières semaines post-natales chez la souris. Cette arborisation nécessite de nombreux réarrangement du cytosquelette, un processus contrôlé par les GTPases et leurs régulateurs, les GEFs et les GAPs, dans de nombreux types cellulaires. Au cours de ma thèse, j'ai étudié l'implication de la signalisation des RhoGTPases dans le développement post-natal du cervelet, et plus particulièrement des PCs chez la souris. Afin d'identifier de nouveaux acteurs de la signalisation des RhoGTPases impliqués dans la différenciation des PCs, nous avons établi le profil d'expression de toutes les GTPases et des GEFs de la famille DOCK à différents stades de développement de ces cellules (P3, P7, P15, P20) par Q-PCR en temps réel. Cette approche globale nous a permis d'identifier une GTPase, RhoQ, et un GEF, DOCK10, dont l'expression est très fortement augmentée au cours du développement des PCs. Nous avons montré que l'extinction de leur expression par infection lentivirale dans un modèle de coupes organotypiques de cervelet ou dans des neurones d'hippocampe entraine une très forte diminution du nombre d'épines dendritiques, révélant un rôle crucial de ces protéines dans la différenciation des PCs. / Purkinje cell (PC) occupy a central and integrative position in the synaptic network of the cerebellum and have the most elaborate dendritic tree among CNS neurons, which develops remarkably in the first three postnatal weeks in mice. This arborization requires intensive actin cytoskeleton remodeling, a process known in many cell types to be controlled by Rho GTPases and their regulators, GEFs and GAPs. During my thesis, I investigated the importance of Rho signaling during postnatal mouse cerebellar development, focusing on PC differentiation.In order to identify novel regulators of PC differentiation among members of the Rho signaling pathway, I undertook a global approach, comparing gene expression profiles of all mammalian Rho GTPases and all GEFs of the DOCK family at various stages of postnatal PC differentiation (P3, P7, P15 and P20) using real-time quantitative PCR. My global approach has allowed the identification of two Rho signaling actors, the GTPase RhoQ and the RhoGEF DOCK10, whose expressions increase dramatically during cerebellar development. Lentiviral shRNA-mediated knock down of their expression in organotypic cerebellar cultures and in hippocampal neurons showed strong dendritic spine defects, revealing an essential role for these proteins in PC differentiation.

Engrailed (En) est un facteur de transcription important pour la mise en place de la segmentation de l’embryon et du plan d’organisation antéro-postérieur. Comme d’autres membres de la famille des homéoprotéines, Engrailed peut aussi agir comme une molécule de signalisation extracellulaire, internalisable grâce à son domaine « pénétratine » et stimulant dans la cellule cible la transcription ou la traduction des ARNm. De cette façon, Engrailed guide les axones en modifiant la traduction dans le cône de croissance axonal et l’infusion cérébrale d’Engrailed protège les neurones dopaminergiques dans un modèle de la maladie de Parkinson en augmentant la traduction de protéines mitochondriales. Des troubles cognitifs et un déficit des interactions sociales ont été observés chez les souris En1+/- et les souris En2-/-. Une augmentation de l’expression d’En2 a aussi été observée chez des patients atteints de troubles du spectre autistique. Néanmoins, le lien entre les modifications de l’expression d’Engrailed et l’autisme ne sont pas compris. L’objectif de cette thèse a été d’étendre notre connaissance des fonctions d’Engrailed dans une région télencéphalique où elle est a priori peu exprimée (l’hippocampe). Nos résultats confirment l’expression d’En1 et En2 dans l’hippocampe mature et décrivent les variations de l’expression de ces gènes au cours du développement de cette structure. En1 et En2 présentent des patrons d’expression différents pendant la première semaine postnatale et chez l’adulte suggérant que des variations du dosage génique d’Engrailed sont liées à certaines phases du développement, en particulier au début de la synaptogenèse. Nous avons également découvert que dans les cultures de cellules d’hippocampe Engrailed est exprimé dans les neurones et que son expression est plus forte dans les neurones GABA-ergiques, notamment dans leurs prolongements dendritiques et axonaux. Nous avons constaté qu’un excès d’Engrailed (décrit dans certains cas de TSA) augmente la complexité dendritique ainsi que la densité des épines dendritiques plastiques mais sans augmenter parallèlement la formation de synapses matures excitatrices. Nous avons observé des variations de densité des épines dendritiques chez les souris En2-/- et les souris En1+/-, ce qui confirme l’implication d’Engrailed dans leur formation ou leur stabilisation. Si dans nos conditions expérimentales l’excès d’Engrailed ne modifie pas la densité des synapses, un mutant d’Engrailed qui présente une interaction réduite avec eIF4E est moins efficace qu’Engrailed pour augmenter la densité des épines et diminue la densité des boutons présynaptiques et le synaptic matching. Ces résultats indiquent que l’interaction avec eIF4E régule au moins en partie les effets d’Engrailed sur la spinogenèse et suggèrent également une implication d’Engrailed dans la formation ou la stabilisation des boutons présynaptiques. Le rôle clef d’eIF4E dans la traduction permet de postuler que certains effets d’Engrailed observés dans notre étude pourraient dépendre de la synthèse protéique. Nos résultats montrent à cet égard qu’Engrailed augmente la synthèse protéique dans les neurones d’hippocampe. Cette traduction est différente de celle induite par la LTP chimique (LTPc) car insensible à l’action des oligomères synthétiques d’AβO, responsables sous leur forme naturelle de synaptopathies dans le contexte de la maladie d’Alzheimer. Engrailed permet également de restaurer la traduction défaillante de neurones issus de souris TG2576, modèles de la maladie d’Alzheimer. Dans leur ensemble, nos résultats identifient Engrailed comme un nouvel acteur de la plasticité dendritique. Ils révèlent qu’un excès d’Engrailed au cours de la synaptogenèse modifie les caractéristiques des dendrites, une situation susceptible d’altérer les caractéristiques fonctionnelles du réseau dendritique dans une situation de surexpression pathologique de la protéine. (...) / Engrailed (En) is an important transcription factor in embryo’s segmentation and anterior-posterior axis establishment during early embryogenesis. As several homeoproteins, Engrailed can act as an extracellular signalling molecule which can be internalized by target cells thanks to its penetratin domain and act through transcriptional and/or translation dependent mechanisms. Engrailed has for instance, translation-dependent effects on axonal guidance and cerebral infusion of Engrailed protects dopaminergic neurons in a Parkinson disease model by increasing mitochondrial protein translation. Also, cognitive defects were observed in En1+/+ and En2-/- and En2 expression is increased in ASD patients. This work consisted in extending the knowledge of Engrailed expression and functions. We explored the links with a telencephalic structure where it is a priori fewly expressed (hippocampus). Our results confirm En1 and En2 expression in the mature hippocampus and describe their respective expression along the development of this structure. En1 and En2 have different expression patterns during the first post-natal week as well as in the adulthood suggesting a genetic dosage of Engrailed during the development, specifically with the beginning of synaptogenesis. We also reveal that Engrailed, expressed in hippocampal neurons, is more expressed in GABA-ergic neurons, notably in their dendritic and axonal neurites. We observe that an excess of Engrailed (described in some ASD cases) increases dendritic complexity as well as plastic dendritic spine density, without affecting mature excitatory synapses. We show that En2-/- and heterozygote En1 mice have variations in dendritic spine density, which confirms that Engrailed is involved either in their formation or stabilization. Even though our experiments show no modification of synapse density with an excess of Engrailed, a mutant showing a decreased eIF4E interaction and less efficient than wild type Engrailed to increase dendritic spine density, decreases presynaptic button density and synaptic matching. Those results indicate that eIF4E interaction with Engrailed is, at least in part, responsible for its effects on spinogenesis and suggest a role of Engrailed in presynaptic button formation/stabilization. Key-role of eIF4E in translation allow to hypothesize that some of Engrailed effects we report could be translation dependent. In this sense, our results show that Engrailed is able to increase proteic synthesis in hippocampal neurons. This translation is different from the one induced by chemical LTP (LTPc): it is not altered by synthetic AβO, which are the main toxic agent when produced at abnormally high levels in Alzheimer disease. Engrailed is also able to restore defaulting translation in neurons from Alzheimer disease mice model (TG2576). As a whole, our results identify Engrailed as a novel actor in dendritic plasticity. They reveal that an excess of Engrailed during synaptogenesis can modify dendrite characteristics. This can lead to dendritic network dysfunction in a context of pathologic surexpression of Engrailed. Our observations open to new perspectives contributing to a better understanding of the relationship between Engrailed and ASD. Finally, this work lays the foundation to potentially fruitful links between Engrailed and AβOligomers signalling pathways, where modulation of protein synthesis could be a therapeutic lever in physiopathologic conditions.

Thesis (Ph. D.)--University of Alabama at Birmingham, 2008. / Title from first page of PDF file (viewed Sept. 16, 2008). Includes bibliographical references.

Thesis (Ph.D. in Pharmacology) -- University of Colorado Denver, 2008. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 135-162). Free to UCD affiliates. Online version available via ProQuest Digital Dissertations;

abstract: One explanation for membrane accommodation in response to a slowly rising current, and the phenomenon underlying the dynamics of elliptic bursting in nerves, is the mathematical problem of dynamic Hopf bifurcation. This problem has been studied extensively for linear (deterministic and stochastic) current ramps, nonlinear ramps, and elliptic bursting. These studies primarily investigated dynamic Hopf bifurcation in space-clamped excitable cells. In this study we introduce a new phenomenon associated with dynamic Hopf bifurcation. We show that for excitable spiny cables injected at one end with a slow current ramp, the generation of oscillations may occur an order one distance away from the current injection site. The phenomenon is significant since in the model the geometric and electrical parameters, as well as the ion channels, are uniformly distributed. In addition to demonstrating the phenomenon computationally, we analyze the problem using a singular perturbation method that provides a way to predict when and where the onset will occur in response to the input stimulus. We do not see this phenomenon for excitable cables in which the ion channels are embedded in the cable membrane itself, suggesting that it is essential for the channels to be isolated in the spines. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Applied Mathematics 2012

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Les événements vécus peuvent laisser une trace durable au niveau des réseaux cérébraux. Ces réseaux sont constitués de neurones connectés par des synapses, dont l'efficacité de transmission est régulée sur le plan fonctionnel et structural. Les drogues d'abus détournent les circuits neuronaux impliqués dans l'apprentissage régulé par la récompense, induisant une plasticité des neurones striataux de projection (SPN) du noyau Accumbens (NAc), notamment via l'activation de la voie de signalisation Extracellular Regulated Kinase (ERK) et l'augmentation de la densité en épines dendritiques -qui sont les protrusions portant l'élément post-synaptique glutamatergique-. L'objectif de ma thèse était d'étudier l'impact de l'exposition répétée ou unique à la cocaïne sur le mode formation des synapses des SPN du NAc et d'élucider les rôles précis de la voie ERK dans ce phénomène. J'ai pu montrer qu'une ou plusieurs injections de cocaïne chez la souris induisaient la formation de synapses glutamatergiques persistantes au sein des SPN in vivo. Par des expériences d'imagerie en temps-réel sur tranches striatales, j'ai dissocié les phases de pousse et de stabilisation de nouvelles épines dendritiques. J'ai pu mettre en évidence que la voie ERK joue un rôle prépondérant dans ces deux phases via des processus moléculaires distincts. Ainsi, la phase de pousse des épines est directement régulée par ERK, tandis que le maintien est régulé par MNK-1, une kinase cytoplasmique en aval de ERK, et par la synthèse protéique. Ce travail apporte des données nouvelles sur le mode de formation de ces synapses et les mécanismes moléculaires associés. / Brief life occurrences can leave durable changes at the level of neuronal networks. These networks consist of neurons connected by synapses, which transmission efficacy is regulated at the functional and structural levels. Drugs of abuse highjack neuronal circuits involved in reward-driven learning by activating the Extracellular Regulated Kinase (ERK) pathway and induce an increase in the dendritic spines density –protrusions which host the glutamatergic pre-synaptic element- of SPN. The goal of my thesis work was to study the consequences of acute and chronic cocaine exposures on the mode of synapse formation in SPN from the NAc and to decipher the precise roles of ERK pathway in this phenomenon. I demonstrated that acute and chronic cocaine treatments induced the formation of persisting glutamatergic synapses in SPN in vivo. Time-lapse imaging using two-photon microscopy in acute striatal slices allowed me to dissociate the phases of growth and stabilization of the new dendritic spines. I could indeed demonstrate a key role for ERK in those two phases, although through distinct molecular mechanisms. Firstly, the growth phase is dependent on ERK. Secondly, the stabilization of newly grown spines is controlled by MNK-1, a cytosolic kinase downstream ERK, and by protein synthesis. This work brings new results on the mode of synapse formation as well as on the associated molecular mechanisms.

Dendritic spines are the major sites for receiving excitatory synaptic inputs and play important roles in neuronal signal transduction, memory storage and neuronal circuit organization. Structural plasticity of dendritic spines is correlated with functional plasticity, and is critical for learning and memory. Visualization of the changes of dendritic spines at the ultrastructural level that specifically correlated with their function changes in high throughput would shed light on detailed mechanisms of synaptic plasticity. Here we developed a correlative light and electron microscopy workflow which combines two-photon MNI-glutamate uncaging, pre-embedding immunolabeling, Automatic Tape-collecting Ultramicrotome sectioning and scanning electron microscopy imaging. This method bridges two different visualization platforms, directly linking ultrastructure and function at the level of individual synapses. With this method, we successfully relocated single dendritic spines that underwent long-term potentiation (LTP) induced by two-photon MNI-glutamate uncaging, and visualized their ultrastructures and AMPA receptors distribution at different phases of LTP in high throughput. / Includes bibliography. / Dissertation (Ph.D.)--Florida Atlantic University, 2020. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

Schizophrenia postmortem brain is characterized by γ aminobutyric acid downregulation and by decreased dendritic spine density in frontal cortex. Protracted L-methionine treatment exacerbates schizophrenia symptoms, and our earlier work (Tremolizzo et al. and Dong et al.) has shown that L-methionine decreases reelin and GAD67 transcription in mice which is prevented by co-administration of valproate. In this study, we observed a decrease in spine density following L-methionine treatment, which was prevented by co-administration of valproate. Together with our earlier findings conducted under the same experimental conditions, we suggest that downregulation of spine density in L-methionine-treated mice may be because of the decreased expression of reelin and that valproate may prevent spine downregulation by inhibiting the methylation induced decrease in reelin.

Les neurones établissent entre eux de nombreux contacts synaptiques, et l'on estime qu’en moyenne un neurone peut avoir dix mille contacts avec les neurones de son voisinage. L'une des synapses les plus importantes et les plus étudiées, dont les dysfonctionnements conduisent à des pathologies du cerveau, est la synapse excitatrice glutamatergique. Dans l’hippocampe, les synapses excitatrices présentent une structure postsynaptique particulière, sous la forme d’un renflement de la dendrite appelé épine dendritique. Cette épine possède un domaine particulier, la densité postsynaptique, concentrant de nombreux récepteurs aux glutamates, des protéines d’adhésion ainsi que des protéines d’échafaudage faisant le lien avec les cascades moléculaires intracellulaires et le cytosquelette d’actine. La morphologie de l’épine dendritique ainsi que le nombre de récepteurs présents dans la PSD sont des éléments clés dans la transmission synaptique et les phénomènes de potentiation et de dépression à long terme (LTP & LTD). Lors de ma thèse, j’ai identifié Scribble1 comme une nouvelle protéine régulant le trafic des récepteurs NMDA. Scribble1 est surtout connue pour son implication dans des processus de polarité, division et migration cellulaire. En modulant le taux de Scribble1, j’ai montré que je pouvais affecter le nombre et la morphologie des épines des neurones hippocampaux, ainsi que la polymérisation de l’actine. Ensuite, j’ai démontré que Scribble1 interagissait directement avec les récepteurs NMDA et permettait leur recyclage à la membrane. Enfin, chez le neurone immature, Scribble1 est impliqué dans la migration du cône axonal. Chez un animal mutant, qui n’exprime que 50% de la protéine (circletail) les performances mnésiques et sociales de l’animal sont perturbées, validant le rôle de la protéine au niveau du système nerveux. / One of the most studied and more important synapse is the glutamatergic excitatory synapse, which dysfunctions lead to brain pathologies. In the hippocampus, the most represented synapses are glutamatergic synapses using glutamate as neurotransmitter. Postsynaptic structures, such as dendritic spines, concentrate many glutamate receptors, adhesion proteins and scaffold proteins bridging receptors to molecular cascades and intracellular actin cytoskeleton. The morphology of the dendritic spine and the number of glutamate receptors at the surface of the spine are key-elements in synaptic transmission, such as of long-term potentiation (LTP). In this study, I identify Scribble1 as an important regulator of NMDA receptors trafficking. Scribble1 is well known for its roles in cell polarity, division and migration processes. First, I show that Scribble1 gain- and loss-of-function affect the number and morphology of spines, as well as the actin polymerization. Next, I showed that Scribble1 interacts directly with the NMDA receptor and stimulates its recycling to the membrane. Finally, in immature neuron, Scribble1 is involved in axon growth cone migration. In a Scribble1 mutant animal model, circletail, we observed disruption of synaptic transmission and memory and social performance defects, compatible with a role of the protein in central nervous system function.