<p>Mutations in the gene SHANK2, which encodes a synaptic scaffolding protein, have been shown to cause a spectrum of neuropsychiatric disorders including: intellectual disability, autism spectrum disorders (ASDs), bipolar disorder (BD), and schizophrenia. However, many aspects of SHANK2 including the array of isoforms expressed, the expression pattern of the protein, biochemical and regulatory mechanisms, and in vivo protein function remain elusive. This body of work aims to uncover the function of the SHANK2 gene and its role in neuropsychiatric disorders using in vitro and in vivo experimental systems.</p> <p>Using a molecular genetics approach, I revealed the transcript architecture of the mouse Shank2 gene including characterization of promoters, isoforms and protein domains. I then outlined the temporal and spatial pattern of the Shank2 isoform expression throughout development. To further explore the protein’s function, we sought to identify novel SHANK2 interacting proteins using a yeast-2-hybrid screen and characterized the interacting proteins. Lastly, in order to understand how Shank2 deficiencies alter brain function we generated and characterized both Shank2 conventional (∆e24) and conditional mutant mice (e24floxed) by deleting or floxing exon 24 that encodes the Homer binding site and has nonsense mutations in human patients with neuropsychiatric disorders.</p> <p>Collectively, these studies 1) provide insight into the transcriptional regulation of Shank2 during brain development; 2) support the value of using Shank2 to further dissect the pathophysiology and circuitry mechanism underlying manic and autism like behaviors; 3) offers a novel mechanistic link between ubiquitination-mediated protein modification and SHANK2 function that may elucidate the molecular basis underlying SHANK2-related neuropsychiatric disorders. Ultimately, these findings may lead to the development of new therapeutic interventions for SHANK2-related neuropsychiatric disorders.</p> / Dissertation

Le système endocannabinoïde régule de nombreuses fonctions physiologiques. Dans le cerveau, cette régulation est exercée principalement par l’activation des récepteurs CB1. En effet, ces derniers jouent un rôle clef dans la régulation des neurotransmissions excitatrices et inhibitrices, y compris dans des régions cérébrales impliquées dans la gestion des processus émotionnels. Les données existantes indiquent que les récepteurs CB1 exercent un contrôle tonique sur certaines dimensions de l’émotion (e.g. anxiété, peur), mais le rôle joué par ces récepteurs dans les conséquences émotionnelles de l’exposition répétée à des stimuli attractifs ou aversifs n’a été que peu analysé. L’objectif de nos travaux a donc été d’examiner chez la souris le rôle des récepteurs CB1 (i) dans l’adhérence à un exercice physique volontaire répété, et dans les impacts émotionnels (ii) de l’exercice volontaire répété, et (iii) du stress par défaites sociales répété. Cet examen a été réalisé principalement à l’aide d’outils génétiques (mutants constitutifs et conditionnels du récepteur CB1) mais également à l’aide d’outils pharmacologiques (antagonistes sélectifs des récepteurs CB1). L’utilisation de ces outils nous a permis d’identifier un rôle spécifique des récepteurs CB1 des neurones GABAergiques de l’aire tegmentale ventrale dans le contrôle des performances d’exercice physique volontaire sur roue chez la souris. De plus, les données comportementales obtenues indiquent que les récepteurs CB1 portés par les neurones glutamatergiques corticaux jouent un rôlecrucial dans les profils d’anxiété et d’extinction de peur observés après un exercice physique volontaire répété. Enfin, une dernière série d’études a permis de distinguer les impacts respectifs del’enrichissement de l’hébergement d’une part, et de la pratique de l’exercice d’autre part, dans les conséquences de l’exercice volontaire sur les comportements émotionnels et la neurogenèse hippocampique.Un second volet de recherche a permis de définir les rôles respectifs des récepteurs CB1 portés pardifférentes populations neuronales dans l’impact psychoneuroendocrinien (comportement, métabolisme, réactivité corticotrope) du stress social par défaites répétées. En particulier, ce travail asouligné l’impact majeur des récepteurs CB1 des neurones sérotonergiques dans les modifications depoids corporel et d’appétence pour le sucre induites par le stress répété. De plus, les résultats obtenus chez des animaux contrôles et des animaux stressés ont mis en avant le rôle des récepteursCB1 des neurones glutamatergiques corticaux et des neurones exprimant le facteur Sim1 (i.e. majoritairement hypothalamiques) dans les processus d’extinction de la mémoire de peur conditionnée au son. / The endocannabinoid system regulates a plethora of physiological functions. In the central nervoussystem, such a regulation is mainly achieved through the stimulation of CB1 receptors. Thus, these receptors exert a key control over excitatory and inhibitory transmissions, including in brain areas ubserving emotional processes. The data gathered so far have provided evidence for a tonic controlof several dimensions of emotionality (e.g. anxiety, fear) by CB1 receptors, but the role played by these receptors in the emotional consequences of the repeated exposure to positive or to negative stimuli has been poorly addressed. Thus, the aims of this work were to examine the role of CB1 receptors (i) in voluntary exercise (wheel running) performance, and in several emotional effects of(ii) repeated voluntary exercise and (iii) repeated social stress in mice. This task was mainly achievedthrough the use of genetic (constitutive and conditional CB1 receptor mutants) and, albeit to a lowerextent, pharmacological (CB1 receptor antagonists) tools.The aforementioned tools allowed us to assign to CB1 receptors located on ventral tegmental area GABAergic neurons a tonic stimulatory influence on voluntary running performance. Moreover, behavioural experiments led us to conclude that CB1 receptors located on cortical glutamatergic neurons are involved in the anxiety and fear extinction patterns observed in animals given repeatedaccess to exercise. Lastly, a series of studies allowed us to distinguish between the respective impacts of housing enrichment and exercise in the consequences of wheel running on emotional behaviours and hippocampal neurogenesis.A second set of experiments defined the respective roles played by distinct neuronal CB1 receptor populations in the psychoneuroendocrine effects of repeated social stress. Thus, this work presentedevidence for a tonic role exerted by CB1 receptors located on central serotonergic neurones in stresselicited changes in body weight growth and hedonia for sucrose. Besides, CB1 receptors located on cortical glutamatergic neurons or on Sim1-expressing neurons (which are mainly present in the paraventricular hypothalamus) were found to exert major roles in the extinction of cued fear memory in unstressed and/or stressed animals.

L’utilisation du cannabis peut précipiter la schizophrénie, en particulier chez les individus qui présentent une vulnérabilité génétique aux désordres mentaux. Des recherches humaines et animales indiquent que la neuréguline 1 (Nrg1) est un gène de susceptibilité à la schizophrénie. L’objectif de cette thèse est d’examiner si une modification du gène Nrg1 chez des souris mutante module les effets neuronaux et comportementaux des cannabinoïdes après traitement aiguë et chronique. De plus cette thèse examine les effets d'un pré-traitement au delta9-tétrahydrocannabinol, le principal composant psychotropique du cannabis, sur un modèle de flexibilité cognitive chez la souris. / Cannabis use may precipitate schizophrenia, especially in individuals who have a genetic vulnerability to the disorder. Human and animal researches indicate that neuregulin 1 (Nrg1) is a susceptibility gene for schizophrenia. This thesis aim at investigating if partial deletion of Nrg1 in mutant mice modulate the neuronal and behavioural effects cannabinoids after acute or chronic treatment. In addition, this thesis examine the effects of a pre-treatment with delta9-tetrahydrocannabinol, the main psychoactive constituent of cannabis, in a model of cognitive flexibility in the mice.

Le système endocannabinoïde est un important modulateur des fonctions physiologiques. Dans le cerveau, son contrôle s’exerce essentiellement par les récepteurs cannabinoïdes de type 1 (CB1). Les récepteurs CB1 sont abondamment exprimés sur les neurones excitateurs glutamatergiques et les interneurones inhibiteurs GABAergiques et leur stimulation inhibe la libération du glutamate et du GABA. Récemment, l’activité des récepteurs CB1 sur les astrocytes a été proposée comme facilitant la transmission excitatrice. Par ce contrôle général de la neurotransmission, l’activité des récepteurs CB1 induit différents phénomènes de plasticté synaptique associés aux processus de mémoire. Les récepteurs CB1 jouent un rôle complexe dans les fonctions de mémoire. En particulier, la stimulation exogène des récepteurs CB1 perturbe la mémoire de travail. D’autre part, la signalisation endogène des récepteurs CB1 est nécessaire à l’adaptation des réponses de peur apprises. Cependant, les mécanismes par lesquels les récepteurs CB1 régulent ces processus de mémoire n’ont été que peu analysés. L’objectif de ce travail fut de caractériser les mécanismes cellulaires par lesquels les récepteurs CB1 contrôlent la mémoire de travail et les réponses de peur apprises. Nous avons utilisé les modèles de mutation constitutive et conditionnelle des récepteurs CB1 chez la souris afin d’analyser les conséquences de la délétion de ces récepteurs sur des types cellulaires particuliers. Dans une première étude, nous avons montré que les cannabinoïdes exogènes tels que le Δ9-tetrahydocannabinol (THC, principal composé psychoactif du cannabis) induisent des déficits de mémoire de travail spatiale par la stimulation des récepteurs CB1 exprimés sur les astrocytes. Les cannabinoides induisent une forme de dépression à long-terme dans l’hippocampe dont plusieurs mécanismes cellulaires sont similaires à ceux supportant les déficits de mémoire mis en évidence par l’analyse comportementale. Ces résultats suggèrent que les cannabinoïdes altèrent la mémoire de travail spatiale par une modification de la plasticité synaptique de l’hippocampe induite par la stimulation des récepteurs CB1 astrogliaux. Dans une seconde étude, nous avons mis en évidence que les récepteurs CB1 localisés sur les neurones GABAergiques et glutamatergiques exercent un contrôle opposé sur le type de réponse élicité par un stimulus conditioné aversif. La ré-expression sélective des récepteurs CB1 dans l’amygdale des souris mutantes constitutives a permis de préciser l’implication de cette structure dans la régulation des réponses de peur conditionnées par les récepteurs CB1.L’ensemble de ces travaux indiquent que le système endocannabinoïde contrôle les fonctions de mémoire par une régulation de l’activité de cellules spécifiques dans le cerveau. L’implication des astrocytes dans les effets des cannabinoïdes sur la mémoire souligne l’importance de ces cellules dans les processus cognitifs et suggère que les récepteurs CB1 astrogliaux jouent un rôle dans d’autres fonctions cérébrales. Nos résulats révèlent également l’importance de l’évaluation de différents comportements dans le cadre des modèles expérimentaux d’adaptation à la peur. / The endocannabinoid system is an important regulator of physiological functions. In the brain, this control is mainly exerted through the type-1-cannabinoid (CB1) receptors. CB1 receptors are abundant at excitatory glutamatergic and inhibitory GABAergic neuron terminals where their stimulation inhibits neurotransmitter release. The activity of CB1 receptors on astrocytes has been recently proposed as facilitating excitatory transmission. Through this general control on brain neurotransmission, CB1 receptors mediate distinct forms of synaptic plasticity that are associated with memory processing. Indeed, CB1 receptors control memory functions. In particular, the exogenous stimulation of CB1 receptors impairs working memory. Moreover, the endogenous CB1 receptor signalling ensures the adaptation of learned fear responses. However, the brain mechanisms of this CB1-mediated control of memory functions are poorly characterized. The goals of this research work were to dissect the cellular mechanisms by which CB1 receptors control both working memory and learned fear responses. We used constitutive and conditional mutagenesis in mice to address the roles of CB1 receptors on particular cell types in these functions. We first showed that exogenous cannabinoids, including Δ9-tetrahydocannabinol (THC, the main psychoactive constituent of cannabis), impairs spatial working memory through the stimulation of astroglial CB1 receptors. Cannabinoids also induce a form of in vivo long-term depression in the hippocampus that shares several cellular mechanisms with the cannabinoid-induced working memory impairments. These results suggest that cannabinoids disrupt spatial working memory by altering hippocampal synaptic plasticity through astroglial CB1 receptor stimulation. We then showed that CB1 receptors expressed on GABAergic and glutamatergic neurons oppositely control fear coping strategies in the presence of fear conditioned stimuli. The selective and local re-expression of CB1 receptors in the amygdala of constitutive CB1 mutant mice allowed to precise the involvement of this brain structure in the regulation of conditioned fear responses by CB1 receptors. Altogether, these studies indicate that the endocannabinoid system differentially controls memory functions through its distinct modulation of the activity of specific brain cells. The involvement of astrocytes in the effects of cannabinoids on memory highlights their key roles in cognitive processes and further suggests that astroglial CB1 receptors might play a role in other high order brain functions. Our results also point the importance of performing thorough behavioral analyses in the experimental models of fear adaptation.

Mutations in the X-linked gene encoding Methyl-CpG-binding protein 2 (MECP2) cause the neurodevelopmental disorder Rett syndrome, a common genetic cause of mental retardation in females. Although alterations in performance of MeCP2-deficient mice in specific behavioural tasks have been documented, it remains unclear if, and to what degree, MeCP2 dysfunction affects patterns of periodic behavioural and electroencephalographic activity. To address this, we monitored daily rhythmic patterns of core body temperature, gross motor activity, and cortical delta power from MeCP2-deficient mice and correlated it against regional MeCP2 expression levels. Our results show that normal daily rhythmic behavioural patterning of delta wave activity, body temperature and mobility are disrupted in these mice. Moreover, MeCP2-deficient mice displayed lower average core body temperature and significantly greater body temperature fluctuation than wild-type female mice. Finally, we also found that epileptiform discharge activity in MeCP2-deficient mice is more predominant during times of behavioural activity compared to inactivity.

Mutations in the X-linked gene encoding Methyl-CpG-binding protein 2 (MECP2) cause the neurodevelopmental disorder Rett syndrome, a common genetic cause of mental retardation in females. Although alterations in performance of MeCP2-deficient mice in specific behavioural tasks have been documented, it remains unclear if, and to what degree, MeCP2 dysfunction affects patterns of periodic behavioural and electroencephalographic activity. To address this, we monitored daily rhythmic patterns of core body temperature, gross motor activity, and cortical delta power from MeCP2-deficient mice and correlated it against regional MeCP2 expression levels. Our results show that normal daily rhythmic behavioural patterning of delta wave activity, body temperature and mobility are disrupted in these mice. Moreover, MeCP2-deficient mice displayed lower average core body temperature and significantly greater body temperature fluctuation than wild-type female mice. Finally, we also found that epileptiform discharge activity in MeCP2-deficient mice is more predominant during times of behavioural activity compared to inactivity.

Sensory deprivation in one modality can enhance the development of the remaining modalities via mechanisms of synaptic plasticity. Mice of C3H strain suffers from RD1 retinal degeneration that leads to visual impairment at weaning age. Independently on the retinal degeneration there is also present olivocerebellar degeneration caused by Lurcher mutation. This neurodegenerative disorder causes motor deficits, increased CNS excitability as well as changes in synaptic plasticity. The aim of this study was to evaluate a role of whiskers in compensation of the visual deficit and to assess the influence of the olivocerebellar degeneration on this process. To differentiate contribution of the whiskers from other mechanisms that can take part in the compensation, we investigated the effect of both chronic and acute tactile deprivation. We focused on motor skills (rotarod, beam walking test), gait control (CatWalk system), spontaneous motor activity (open field) and the CNS excitability (audiogenic epilepsy). In the seeing mice without olivocerebellar degeneration, the removal of the whiskers had no effect. In the blind animals without olivocerebellar degeneration, chronic tactile deprivation caused changes in gait and impaired the performance in motor tests. Some other compensatory mechanisms were involved but the...

Alix (ALG-2 Interacting Protein X) est une protéine cytoplasmique impliquée dans divers processus cellulaires allant de l'apoptose à la cytocinèse en passant par le bourgeonnement des virus, la réparation membranaire et la régulation de la voie endosomale. Toutes ces fonctions sont étroitement associées à l'interaction d'Alix avec ses partenaires impliqués dans la déformation des membranes telles que les endophilines A, Tsg-101 et CHMP4B du complexe ESCRT (Endosomal Sorting Complex Required for Transport). Le but de ce projet est de caractériser le phénotype de la souris Alix ko récemment développée au laboratoire, dans l'espoir de mieux comprendre le rôle physiologique d'Alix. Ces souris, viables et fertiles, sont caractérisées par une microcéphalie apparaissant au cours de l'embryogenèse. Ce phénotype est accompagné d'une apoptose massive touchant les progéniteurs neuronaux durant la neurogenèse et d'une altération du développement de l'arborisation dendritique après la naissance. Les souris adultes présentent également des défauts de plasticité synaptique accompagnés d'une altération du recyclage des vésicules synaptiques. L'ensemble de ces processus repose sur la capacité d'Alix à contrôler le remodelage de la membrane plasmique. Au niveau moléculaire, nos travaux sur les neurones en cultures et sur les fibroblastes montrent une régulation de l'endocytose indépendante de la clathrine (CIE) par Alix et les endophilines A qui pourrait être à l'origine du phénotype neuronal de la souris. Cependant, l'association d'Alix avec CHMP4B du complexe ESCRT pourrait également être nécessaire au développement du système nerveux puisque l'interaction Alix-CHMP4B est nécessaire pour le contrôle de la CIE et de la mort neuronale.L'ensemble de ces résultats mets en évidence qu'à travers des mécanismes et des partenaires bien caractérisés, Alix est requise pour de nouvelles fonctions nécessaires au développement et au fonctionnement du système nerveux. / Alix (ALG-2 Interacting Protein X) is a cytoplasmic protein implicated in multiple processes including apoptosis, endosome function, membrane repair, viral budding and cytokinesis. Most of these involve modifications of plasma or endosomal membrane organization. Consistent with this, Alix is known to interact with diverse proteins modulating membrane deformation, such as endophilins or Tsg-101 and CHMP4B of the Endosomal Sorting Complex Required for Transport (ESCRT). By studying the phenotype of Alix ko mice that we recently developed, we aim to better understand the precise role of Alix in vivo. These mice are viable and fertile but develop microcephaly even at embryonic stages. This microcephaly is associated with an increase of apoptosis in neural progenitor cells in embryos and a defect in neurite outgrowth at post-natal stages. Later on, these mice also develop defects in synaptic plasticity related to an alteration of synaptic vesicle recycling. All of these processes are tightly dependent on membrane shaping and remodelling. These features of the phenotype can be related to a new function of Alix with endophilin A in the control of clathrin-independent endocytosis (CIE), as described in Alix ko fibroblasts and cultured neurons. However, these defects might also be related to the well-known Alix partner CHMP4B, since we now know that this interaction is needed for controlling CIE and neuronal cell death.All together, these results shed light on novel functions of Alix in the developing and adult central nervous system, all relying on well-known molecular mechanisms and partners.

Sensory deprivation in one modality can enhance the development of the remaining modalities via mechanisms of synaptic plasticity. Mice of C3H strain suffers from RD1 retinal degeneration that leads to visual impairment at weaning age. Independently on the retinal degeneration there is also present olivocerebellar degeneration caused by Lurcher mutation. This neurodegenerative disorder causes motor deficits, increased CNS excitability as well as changes in synaptic plasticity. The aim of this study was to evaluate a role of whiskers in compensation of the visual deficit and to assess the influence of the olivocerebellar degeneration on this process. To differentiate contribution of the whiskers from other mechanisms that can take part in the compensation, we investigated the effect of both chronic and acute tactile deprivation. We focused on motor skills (rotarod, beam walking test), gait control (CatWalk system), spontaneous motor activity (open field) and the CNS excitability (audiogenic epilepsy). In the seeing mice without olivocerebellar degeneration, the removal of the whiskers had no effect. In the blind animals without olivocerebellar degeneration, chronic tactile deprivation caused changes in gait and impaired the performance in motor tests. Some other compensatory mechanisms were involved but the...

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