Les récepteurs du glutamate de type kaïnate (KAR) jouent une grande variété de rôles dans la régulation de l’activité des réseaux neuronaux. Les KARs sont localisés à la fois dans les domaines pré- et postsynaptiques et sont impliqués dans différents rôles physiologiques tels que la libération de neurotransmetteur, le contrôle de l’excitabilité neuronale. ainsi que l’intégration et la plasticité synaptique (Pinheiro et Mulle 2006). Mon sujet de thèse a consisté à étudier les mécanismes impliqués dans le trafic subcellulaire et de l'expression polarisée des récepteurs de type kaïnate contenant la sous-unité GluK3. J’ai d’abord essayé de trouver des protéines associées, cytoplasmiques, qui pourraient intervenir dans le trafic de ces récepteurs. Les approches de protéomique que j’ai utilisées n’ont pas donné de résultat. J’ai ensuite tenté de produire des anticorps dans le but de visualiser ces récepteurs dans le cerveau. Malheureusement, je n’ai pas obtenus d’anticorps suffisamment affins pour réaliser ce projet. Par des approches de mutagénése dirigée et d’expression des récepteurs recombinants dans des systèmes hétérologues ou dans des neurones d’hippocampe en culture, j’ai pu mettre en évidence que la sous-unité GluK3 est endocytée par la voie dépendante de la clathrine via un motif di-leucine cytoplasmique. L'endocytose des récepteurs est régulé par l'application d'acide kaïnique et permet une expression polarisée de GluK3b dans les dendrites. Nous avons ensuite développé un projet d'étude du trafic des récepteurs de type kaïnate hétéromériques composés des isoformes GluK3a et GluK3b. Ce projet est actuellement en cours, mais des données préliminaires semblent impliquer la sous-unité GluK3a dans le processus d'exocytose des récepteurs. Il est donc possible que l’association des deux isoformes serait nécessaire au contrôle de l'expression membranaire du récepteur (via GluK3a) et à l'adressage polarisé dans les neurones (via GluK3b). Cette hypothèse doit cependant être encore validée. / Glutamate is the principal excitatory neurotransmitter in the brain. Glutamatergic synaptic transmission is mediated by three types of ionotropic receptors that have been classified according to their preferential affinity for the agonists NMDARs (N- methyl-D-aspartate receptors), AMPARs (a-amino-3-hydroxy- 5-methylisoazol-4- propionate receptors) and KARs (kainate receptors). Kainate receptors (KARs) are widely expressed in the brain and are present both at pre- and postsynaptic sites and are involved in several physiological functions. There are five subunits of KAR (GluR5-7, KA1 and KA2 or GluK1-5). One of the main project of my laboratory is to understand the function, the traffic and the regulation of GluK3 subunit, that has been involved in different neuronal desorders such as schizophrenia and depression. GluK3(GluR7)-containing KARs are thought to compose pre-synaptic autoreceptors that facilitate hippocampal mossy fiber synaptic transmission. There are two splice variants of GluK3, named GluK3a and GluK3b . GluK3a shares the same export motif as GluK2a in its C-terminal cytoplasmic domain which allows high expression at the plasma membrane in heterologous cell systems and in primary cultured neurons. In contrast, GluK3b seems to be retained in the endoplasmic reticulum (ER) and is only detected at the plasma membrane in substantial amounts when co-expressed with GluK3a. In my thesis, I have been interested in the mechanisms of polarized trafficking of GluK3 with a main focus on GluK3b. I have been able to identify molecular mechanisms that underlie the polarized trafficking of KARs composed of the GluK3b splice variant. Endocytosis followed by degradation is driven by a di-leucine motif on the cytoplasmic C-terminal domain of GluK3b both in heterologous cells and in cultured hippocampal neurons. The internalization of GluK3b is clathrin and Dynamin2 dependent. Moreover, endocytosis of GluK3b in neurons is regulated by bath application of the KAR agonist kainate. Interestingly, the preferential subcellular localization of GluK3b in dendrites or axons depends on the endocytotic process. We submitted a paper to J. of Neurosciences that show that the subcellular localization of GluK3b depends on the dynamic regulation of an endocytic process that could control the polarized trafficking of KARs in neurons in an activity- dependent manner. I also developped a second project focus on the traffic of KARs expressed as heteromers (GluK3b assembled with GluK3a). I am actually working on this project in my lab in order to send a second paper in the next months.

Le processus d'épileptogenèse, qui conduit à la production de décharges électro-encéphalographiques spontanées caractéristiques de la maladie épileptique, implique des mécanismes inconnus pour la plupart et probablement divers. Des études récentes soulignent le rôle potentiel de l'inflammation cérébrale dans les mécanismes précoces de l'épileptogenèse. Le syndrome d'épilepsie de la face mésiale du lobe temporal (EMLT) est souvent associé à une perte neuronale unilatérale et sélective dans l'hippocampe, suggérant que cette structure est particulièrement sensible. Notre travail a donc été consacré à l'étude de l'épileptogenèse faisant suite à l'injection intrahippocampique de toxiques chimiques capables d'entraîner des modifications tissulaires et cellulaires locales chez la souris C57BL/6. Le rôle potentiel de la neuro-inflammation a été plus particulièrement recherché. Dans notre premier modèle, un déséquilibre cholinergique est induit par l'injection de soman, un puissant inhibiteur des cholinestérases. Il est capable d'induire un processus d'épileptogenèse sans état de mal initial, associé à un déficit de la réponse émotionnelle conditionnée contextuelle mais en l'absence de remaniements tissulaires majeurs (neurodégénérescence, œdème et neuro-inflammation). En revanche, dans le modèle d'EMLT obtenu par l'injection de kaïnate, une forte activation microgliale est détectée précocement dans les zones de neurodégénérescence. Une astrogliose est également observée. Grâce à la technique quantitative de transcription inverse suivie de polymérisation en chaîne (RT-qPCR), nous avons également pu mettre en évidence que certains médiateurs moléculaires de l'inflammation sont également liés dans le temps et dans l'espace (particulièrement la transcription d'IL-1β) aux événements neurodégénératifs. Pour s'assurer de la fiabilité des données analytiques de RT-qPCR dans les régions cérébrales touchées par ces modifications, le choix des gènes de référence doit faire l'objet d'études spécifiques. Nous avons pu montrer qu'un ensemble de cinq gènes (Hprt1, Ppia, Tbp, Actb et Arbp) avait une forte stabilité dans la structure hippocampique dans ce modèle murin d'EMLT et pouvait être utilisé pour normaliser les données brutes de RT-qPCR dans ce modèle. Nos résultats indiquent que, chez la souris, des altérations neurochimiques sont capables d'initier l'épileptogenèse même en l'absence de lésions tissulaires notables et qu'une réponse neuro-inflammatoire massive n'est pas une condition sine qua non. Déterminer le caractère bénéfique ou délétère de la neuro-inflammation reste un enjeu majeur pour la découverte de nouvelles thérapeutiques anti-épileptogènes.

Le kaïnate, est une puissante neurotoxine connue pour induire des convulsions qui rappellent celles trouvées chez les patients atteints d'épilepsie du lobe temporal (ELT). Cependant, le rôle des récepteurs kaïnate activés par le glutamate endogène dans l'ELT n'est pas encore connu. Chez les patients atteints d'ELT et dans les modèles animaux, le tissu neuronal subit une réorganisation majeure. Ce phénomène est particulièrement bien documenté dans le gyrus denté où les axones des cellules granulaires, bourgeonnent pour former un circuit récurrent excitateur aberrant. L'équipe a montré que ces synapses récurrentes moussues nouvellement formées sont aberrantes dans leurs modes de fonctionnement. En effet, en plus des synapses opérant via des récepteurs glutamatergiques de type AMPA présentes en conditions physiologiques, la moitié des synapses aberrantes fonctionnent via des récepteurs de type kaïnate. Les évènements générés par les récepteurs kaïnate ont une cinétique lente, leur permettant de s'intégrer dans une fenêtre temporelle anormalement étendue engendrant un taux de décharge soutenu et fortement rythmique des cellules du gyrus denté de rats épileptiques. L'objectif de mon travail de thèse a été d'étudier l'implication des récepteurs kaïnate dans les activités épileptiques de l'hippocampe. En utilisant différents modèles d'ELT nous avons pu observer que l'absence de ces récepteurs induit une forte diminution de la fréquence des activités épileptiformes dans le gyrus denté in vitro mais également in vivo. Cette étude démontre que les récepteurs kaïnate contenant la sous-unité GluK2 contribuent à la genèse des crises. / Kainate is a potent neurotoxin known to induce acute seizures. However, whether kainate receptors play any role in the pathophysiology of temporal lobe epilepsy (TLE) is not yet known. In animal models of chronic epilepsy, as in human TLE, the hippocampus displays major network reorganization. In particular, sprouting of hippocampal mossy fibers leads to the formation of powerful recurrent excitatory circuits among dentate granule cells, which partly accounts for the enhanced ability of the hippocampus to generate epileptiform activity in human patients and animal models of TLE. At the aberrant recurrent excitatory synapses, mossy fiber inputs impinging on dentate granule cells operate mostly via ectopic kainate receptors and drive synaptic events with abnormal long lasting kinetics not present in naïve conditions. The goal of this work was to explore the pathophysiological implications of kainate receptors in generation of recurrent seizure in TLE through the use of kainate receptors subunit deficient mice and selected pharmacological agents. In an animal model of TLE, we observed a strong reduction of both interictal and ictal activities in the dentate gyrus in vitro and in vivo, in mice lacking the GluK2 subunit, and through the application of a pharmacological agent inhibiting GluK2/GluK5 receptors. Therefore, we demonstrate that aberrant GluK2-containing kainate receptors contribute to chronic seizures in TLE, urging for the development of antiepileptic strategies targeting these receptors.

Les synapses se forment selon plusieurs étapes comprenant la stabilisation des contacts nouvellement formés et leur maturation. Ces différentes étapes dépendent d’une mise en place coordonnée entre la terminaison pré- et postsynaptique. Les protéines composant la présynapse et les récepteurs ionotropiques du glutamate ont des rôles clés dans ces processus. Lors de ma thèse, je me suis intéressé à l’implication de la protéine présynaptique Bassoon lors de la maturation des synapses glutamatergiques entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3 dans l’hippocampe. Cette synapse constitue un modèle attractif pour l’étude de la maturation synaptique car elle suit des étapes de maturation morphologique et fonctionnelle bien définies. Bassoon est une des premières protéines se mettant en place au niveau des contacts synaptiques nouvellement formés. Par des approches électrophysiologiques, nous avons montré que la protéine Bassoon était importante pour l’organisation du site de libération de neurotransmetteur durant les deux premières semaines de vie post-natale chez la souris.Les récepteurs kaïnate jouent un rôle important dans la régulation de l’activité de réseau au cours du développement post-natal. Cependant l’impact de l’activation de ces récepteurs sur la maturation synaptique est peu connu. J’ai pu mettre en évidence un délai dans la maturation fonctionnelle de la synapse fibre moussue/cellule pyramidale de CA3 chez les souris déficientes pour la sous-unité GluK2 des récepteurs kaïnate (GluK2-/-). Afin de comprendre si ce délai de maturation fonctionnelle est corrélé à un retard dans la maturation morphologique de cette synapse, nous avons mis en place des infections de lentivirus codant pour une protéine membranaire fluorescente (YFP) chez le souriceau nouveau-né (P1-P2). A l’aide de microscopie confocale et de reconstruction en 3D, nous avons ainsi pu décrire la maturation morphologique de la synapse fibre moussue/cellule pyramidale de CA3. Cela m’a également permis de corréler la maturation fonctionnelle à la maturation morphologique et mes résultats montrent également un retard dans la mise en place des synapses chez les souris GluK2-/-. L’ensemble de cette étude révèle l’importance de l’activité synaptique et de la coordination entre mise en place de la pré- et de la postsynapse au cours de la maturation synaptique. / The formation of synapses follows different steps including synaptogenesis and maturation. These different steps depend on coordinated pre- and post-synaptic assembly. Pre-synaptic proteins and ionotropic glutamate receptors play a central role in these processes. During my thesis, I have been interested in the implication of the presynaptic protein Bassoon in the maturation of the hippocampal mossy fiber to CA3 pyramidal cell glutamatergic synapses. This synapse constitutes an attractive model for the study of synaptic maturation because it follows several steps of defined morphological and functional maturation. Bassoon in one of the first protein present at newly formed synaptic contacts. By electrophysiological approaches, we showed that Bassoon is important for the organization of the active zone during the first two postnatal weeks.Kainate receptors play an important role in the regulation of network activity during postnatal development. However, the impact of kainate receptors activation on synaptic maturation is less known. I showed a delay in functional maturation of mossy fiber synapses in mice deficient for the GluK2 subunit of kainate receptors (GluK2-/-). To know if this delay is correlated to morphological alterations of this synapse, we setup in vivo lentiviral infections of membrane fluorescent protein (YFP) in mouse pups (P1-P2). Using confocal microscopy and 3D reconstruction, we described the morphological maturation of mossy fiber synapses. We were able to correlate functional and morphological maturation and our results also showed an impairment in the formation of mossy fiber synapses in GluK2-/-. Together, these data reveal the importance of synaptic activity and of the coordination of pre- and post-synaptic assembly during synaptic maturation.

Les récepteurs de type kaïnate (rKA) appartiennent, avec les récepteurs de type NMDA (rNMDA) et les recepteurs de type AMPA (rAMPA), à la famille des récepteurs canaux glutamatergiques (iGluR). Les propriétés fonctionelles des rKA contenant la sous-unité GluK3 en font des récepteurs tout à fait singuliers. Une étude réalisée dans le laboratoire a montré que la faible sensibilité de ces récepteurs au glutamate est liée à une entrée très rapide dans l’état désensibilisé et que la fonction de ces récepteurs pourrait être amplifiée par des modulateurs endogènes.Parmi les modulateurs potentiels de la fonction des rKA pré-synaptiques, nous avons choisi d’étudier le zinc, en raison de sa concentration importante dans les vésicules des terminaisons des axones des cellules granulaires du gyrus denté (fibres moussues). En dépit du rôle proposé des rKA contenant la sous unité GluK3 dans la régulation pré-synaptique aux synapses MF-CA3, la modulation de ces récepteurs par le zinc n’a jamais été étudiée.Grâce à l’enregistrement électrophysiologique des courants GluK3 exprimés dans les cellules HEK-293, nous avons montré que le zinc facilite les courants des récepteurs contenant la sous-unité GluK3, activés par le glutamate. L’analyse des cinétiques, ainsi que la modélisation, montrent que l’effet facilitateur du zinc est dû à la réduction de l’entrée dans l’état désensibilisé des récepteurs GluK3. Grâce à la mutagénèse dirigée et l’étude cristallographique, nous avons pu déterminer le site de liaison du zinc, constitué de l’aspartate 759, de l’histidine 762 et de l’aspartate 730, et localisé dans l’interface de dimérisation du domaine de liaison de l’agoniste (LBD).Cette étude décrit pour la première fois un nouveau site de modulation positive de la fonction des rKA. / Glutamate released at excitatory synapses acts on ligand-gated ionotropic receptors which fall into three classes: NMDA, AMPA and kainate receptors.At hippocampal mossy fiber synapses onto CA3 pyramidal cells, KARs are present both at the pre- and postsynaptic levels. Postsynaptic KARs are composed of the GluK2, GluK4 and GluK5 subunits, whereas presynaptic KARs are thought to comprise the GluK2 and GluK3 subunits. The functional properties of GluK3 (and GluK2/GluK3) receptors set it apart from the other ionotropic glutamate receptors. In particular, its sensitivity to glutamate is the lowest of all known ionotropic glutamate receptors, due in large part to fast desensitization of receptors with one or two bound glutamate molecules. The low agonist sensitivity of this receptor raises questions about its relevance for synaptic function. Therefore, it is possible that endogenous modulators may potentiate its function.Among potential endogenous modulators of KAR function, we chose to address the role of zinc, because of the large amounts contained in mossy fiber terminals. Zinc is thought to be accumulated into synaptic vesicles, and is co-released with glutamate in the extracellular milieu during neuronal activity. Zinc has been reported to inhibit most of native and recombinant KARs. Despite the proposed role of at hippocampal mossy fiber synapses, although modulation of GluK3-containing KARs by zinc has not yet been addressed.In this study, we show that zinc greatly potentiates recombinant GluK3 receptor currents evoked by glutamate. Zinc markedly slows receptor desensitization and increases apparent affinity for glutamate. Crystallographic studies and analysis of chimeric GluK2/GluK3 KARs and of GluK3 bearing selected point mutations, allowed us to identify the zinc binding domain defined by D759, H762, Q756 and D730, and localized in a region forming the interface between two GluK3 subunits in an LBD dimer assembly. Based on these structure-function studies and on modeling of KAR activity, we show that zinc plays a very distinct role on GluK3-KARs by stabilizing the interaction between dimers of LBD thereby reducing desensitization.Given the proposed localization of GluK3 close to zinc containing synaptic vesicles, zinc may be an endogenous allosteric modulator for native GluK3-KARs, and its binding site a new pharmacological target.

Le gyrus denté occupe une position clé au sein du lobe temporal des mammifères en constituant le point de contrôle entre le système néocortical et le système hippocampique. Considéré comme la porte de l'hippocampe, le gyrus denté filtre les activités excitatrices en provenance du cortex entorhinal grâce à la décharge éparse des cellules granulaires. Ce type de codage neuronal lui confère également un rôle déterminant dans les mécanismes de l'apprentissage et de la mémoire lors de la distinction d'évènements similaires mais différents, en permettant la décorrélation des patrons d'activité corticale. Grâce à un ensemble de propriétés structurales et fonctionnelles, les cellules granulaires du gyrus denté génèrent des évènements synaptiques extrêmement rapides restreignant leur fenêtre temporelle d'intégration et leur permettant de jouer le rôle de détecteurs de coïncidence. Au cours d'une épilepsie du lobe temporal (ELT), l'hippocampe présente d'importantes altérations de codage neuronal qui pourraient participer aux troubles cognitifs décrits chez les patients et les modèles animaux. Dans ces conditions pathologiques, les axones des cellules granulaires du gyrus denté (les fibres moussues) bourgeonnent et établissent des synapses aberrantes au niveau d'autres cellules granulaires, créant ainsi un puissant réseau excitateur récurrent. Ces fibres moussues récurrentes convertissent la nature de la transmission glutamatergique car elles opèrent via des récepteurs kaïnate générant des potentiels post-synaptiques à cinétique lente, absents en condition contrôle. / The dentate gyrus plays a major role at the gate of the hippocampus, filtering incoming information from the entorhinal cortex. A fundamental coding property of dentate granule cells (DGCs) is their sparse firing. Indeed, they behave as a coincidence detector due to the fast kinetics of excitatory synaptic events restricting integration of afferent inputs to a narrow time window. In temporal lobe epilepsy (TLE), the hippocampus displays important coding alterations that may play a role in cognitive impairments described in patients and animal models. However, the cellular mechanisms remain poorly understood. In animal models of TLE and human patients, neuronal tissue undergoes major reorganization; some neurons die whereas others, which are severed in their inputs or outputs, sprout and form novel aberrant connections. This phenomenon, called reactive plasticity, is well documented in the dentate gyrus where DGC axons (the mossy fibres) sprout and create a powerful excitatory network between DGCs. We recently showed that in addition to the axonal rewiring, recurrent mossy fibres convert the nature of glutamatergic transmission in the dentate gyrus because they operate via long-lasting kainate receptor (KAR)-mediated EPSPs (EPSPKA) not present in the naive condition.

Les récepteurs ionotropiques du glutamate peuvent être compartimentés de manière très spécifique au niveau des différentes afférences synaptiques d’un neurone. Dans les neurones pyramidaux de CA3, les récepteurs de type kaïnate (rKA) post-synaptiques sont localisés à la synapse formée entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3 (synapse FM-CA3) mais ils sont totalement absents des autres afférences glutamatergiques sur ce même neurone. Nous avons cherché à comprendre les mécanismes moléculaires de cette compartimentation subcellulaire. En réalisant une cartographie fonctionnelle des récepteurs du glutamate par décageage focalisé de glutamate dans les cellules pyramidales de CA3, nous avons montré que les rKA présentent une localisation subcellulaire strictement confinée dans les excroissances épineuses, éléments post-synaptiques des synapses FM-CA3, et sont exclus des compartiments somato-dendritiques, contrairement aux récepteurs AMPA. Nous avons identifié une séquence du domaine C-terminal de GluK2a nécessaire pour la stabilisation des rKA. Cette séquence est responsable d’une interaction avec la protéine d’adhérence N-cadhérine. L’altération de la fonction de la N-cadhérine dans les cellules pyramidales de CA3 entraine une déstabilisation des rKA à la synapse FM-CA3. Ces travaux suggèrent que plusieurs mécanismes participent à la compartimentation des rKA à la synapse FMCA3 impliquant le recrutement et la stabilisation des rKA par les N-cadhérines. / Distinct subtypes of ionotropic glutamate receptors can be segregate to specific synaptic inputs in a given neuron. In CA3 pyramidal cells (PCs), kainate receptors (KARs) are present at mossy fiber (mf) synapses and absent from other glutamatergic inputs. The mechanisms for such a constrained subcellular segregation is not known. We have investigated the molecular determinants responsible for the subcellular segregation of KARs at mf-CA3 synapses. Using functional mapping of glutamate receptors by focal glutamate uncaging we show that KARs display a strictly confined expression on thorny excrescences, the postsynaptic elements of mf-CA3 synapses, being excluded from extrasynaptic somatodendritic compartments, at variance with AMPA receptors. We have identified a sequence in the GluK2a C-terminal domain necessary for restricted expression of KARs which is responsible for GluK2a interaction with N-Cadherin. Targeted deletion of N-Cadherin or overexpression of a dominant negative N-Cadherin in CA3 PCs greatly induce a destabilization of KARs at the mf-CA3 synapses. Our findings suggest that multiple mechanisms combine to control the compartmentalization of KARs at mf-CA3 synapses, including a stringent control of the amount of GluK2 subunit in CA3 PCs, a limited number of slots for KARs, and the recruitment/stabilization of KARs by N-Cadherins.