Département des neurosciences fondamentales

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Axes de recherche

The stress-activated signalling pathways in neuronal death

The MAP kinase pathways include the extracellular signal-regulated kinases (ERKs), the c-Jun amino-terminal kinases (JNKs), and the p38 MAP kinases. Different upstream signals can lead to the activation of different MAPKs. A specific focus of our studies is to understand how MAP kinase signaling pathways modulate neuronal death. In fact many disease states such as Alzheimer, Parkinson, epilepsy, ischemia and brain injury are characterized by strong activation of the stress-activated kinases. The mechanisms underlying the neuronal-death response involve protein kinases, which phosphporylate many substrates including cytosolic and nuclear proteins, culminating in changes in gene expression. A detailed understanding of the molecular processes involved in the control of cell death is required for the design of rational treatments for these diseases. We use cell-penetrating peptides/cationic transporters to prevent neuronal degeneration by inhibiting intracellular key mediators of death signal pathways. We recently show the D-JNKI-1, a cell-permeable peptide designed to inhibit c-Jun-N-terminal kinase action in a very high specific manner, produced astonishing data in in vivo models of neuronal degeneration following ischemia

Signalisation métabolique et interactions neuron-glia

Environ 20% de la consommation corporelle totale de glucose a lieu dans le cerveau. De plus, il existe un lien très étroit entre le niveau d'activité électrique de circuits neuronaux et la consommation locale d'équivalents énergétiques. Un partenaire cellulaire important, l'astrocyte, est depuis peu reconnu comme un partenaire-clé jouant un rôle extrêmement dynamique dans la régulation de ce couplage neuro-métabolique. L'axe principal de notre recherche est précisément celui des interactions entre astrocytes et neurones au niveau du métabolisme énergétique. Pour nous permettre d'étudier les aspects dynamiques de cette communication, nous avons recours aux outils de la microscopie optique, en particulier de la microscopie à fluorescence, la photolyse UV, couplés à l'électrophysiologie. A titre d'exemple (voir la liste de publications récentes ci-dessous), nous avons récemment mesuré en temps réel les changements de concentration intracellulaire de Na+ et d'hydrolyse de l'ATP dans des astrocytes causés par le captage cellulaire du neurotransmetteur glutamate. Nos résultats les plus récents montrent que les astrocytes répondent à différents stimuli en envoyant des signaux intercellulaires de longue portée, non seulement sous la forme de vagues calciques, bien décrites dans la littérature, mais aussi de vagues de Na+. Cette nouvelle forme de communication à l'intérieur du réseau d'astrocytes est accompagnée d'une vague de métabolisme énergétique, qui pourrait permettre aux astrocytes de fournir une réponse concertée à une augmentation locale des besoins énergétiques du cerveau
Une part importante de nos activités est dévolue au développement, à l'amélioration et à l'implémentation d'outils de microscopie optique, y compris dans les domaines associés comme la photolyse UV ou le traitement/analyse d'images. Ces activités se font dans le cadre des unités de développement technologique de la plateforme facultaire Cellular Imaging Facility

Mécanismes moléculaires de la douleur chronique

La douleur neuropathique (ou neurogène, selon la terminologie) est par définition une douleur liée à une lésion ou un dysfonctionnement du système nerveux périphérique ou central. Des douleurs neuropathiques sont par exemple les douleurs fantômes après amputation d'un membre, les douleurs chroniques après un épisode de zona, ou des douleurs survenant après un accident vasculaire cérébral. Les douleurs neuropathiques sont très difficile à traiter, souvent cette douleur n'est pas soulagée par les traitements actuels à disposition, et une banale lésion d'un nerf périphérique peut avoir des conséquences invalidantes : non seulement le patient a une atteinte corporelle, mais la douleur persistante diminue sa qualité de vie, son état psychique, ses compétences socio-professionelles et souvent déteint négativement sur son entourage. Les mécanismes physiopathologiques à l'origine des douleurs neuropathiques sont complexes, avec une modification du système de transmission, d'intégration et de perception de la douleur. Une meilleure compréhension des ces mécanismes peut amener à de nouvelles cibles thérapeutiques et ainsi enrayer le cercle vicieux de la douleur chronique ce qui non seulement apporterait un soulagement individuel, mais réduirait aussi les conséquences sociales de ce type de pathologie chronique

Le but de nos travaux de recherche, en utilisant des modèles expérimentaux de douleur neuropathiques, est d'identifier les changements moléculaires et structurels à l'origine de ces douleurs persistantes. Plusieurs aspects et mécanismes sont investigués, de la contribution des décharges ectopiques à la symptomatologie douloureuse aux modifications d'expression de gènes tels que les canaux sodiques voltage dépendants dans le système somatosensoriel. Une autre facette de notre activité, notre laboratoire faisant partie intégrante du service d'anesthésiologie et du centre d'antalgie du CHUV est de créer un lien entre connaissances actuelles dans le domaine de la douleur et prise en charge des patients douloureux

Exploration des propriétés mécaniques du vivant

Notre travail de recherche concerne la mesure des propriétés mécaniques des cellules et des composants du cytosquelette. Nous travaillons également sur l'étude des forces d'interaction entre les protéines impliquées dans la fusion des vésicules de neurotransmetteurs avec la membrane présynaptique. Ces mesures se font au moyen d'un microscope à force atomique. Le principe de fonctionnement de cet instrument est semblable celui d'un tourne-disque : une fine aiguille fixée l'extrémité d'un levier microscopique balaye l'échantillon et les irrégularités de la surface du spécimen induisent lors du balayage des déplacements verticaux du levier. Ces petits déplacements sont enregistrés et utilisés par un ordinateur pour reconstituer, sur un écran, la topographie de la structure examinée. Pouvant opérer dans des liquides, cet instrument permet l'observation à haute résolution de cellules ou de molécules biologiques dans des conditions proches de leur état naturel. La mesure des propriétés mécaniques se fait en modulant la force avec laquelle la pointe de l'AFM presse sur l'échantillon

Mort neuronale excitotoxique

Notre recherche porte sur l'excitotoxicité, qui est responsable de la mort neuronale dans beaucoup de situations pathologiques y compris les attaques cérébrales et l'asphyxie neonatale. En utilisant différents modèles expérimentaux in vivo et in vitro, nous étudions les mécanismes intracellulaires de ce phénomène, en particulier les rôles de l'autophagie et de l'endocytose, ainsi que le rôle de la voie de la kinase JNK. En inhibant cette voie nous pouvons protéger le cerveau de jeunes rats ou de souris adultes contre les conséquences d'ischémie et nous analysons le potentiel clinique de cette protection

Les mécanismes impliqués dans la dérégulation de la cellule bêta pancréatique observée dans la physiopathologie du diabète

Notre groupe s'intéresse aux mécanismes impliqués dans la dérégulation de la cellule bêta pancréatique observée dans la physiopathologie du diabète. L'approche expérimentale comprend l'étude in vitro ou in vivo des mécanismes de survie de la cellule bêta pancréatique. Nous avons identifié de nouveaux mécanismes de dysfonctionnement de la cellule bêta, de nouveaux gènes candidats au diabète humain et des nouvelles cibles thérapeutiques. Les gènes identifiés furent le NPY, MIF, MAPK8IP1 (IB1/JIP-1) qui sont impliqués dans l'homéostasie glucidique et le diabète chez l'homme. L'étude du «trait neuronal» de la cellule bêta pancréatique est un axe important du laboratoire. Ces nouveaux gènes candidats au diabète humain identifiés au niveau de la cellule bêta sont également exprimés au niveau du SNC Des anomalies génétiques de ces gènes (IB1/JIP-1, BETA2, LRP) sont des facteurs de risque au développement de maladies neurodégénératives (Alzheimer) ou du diabète. En dernier lieu, l'intérêt le plus récent du laboratoire est la contribution des lipoprotéines humaines à la fonction des cellules bêta et de la signalisation cellulaire associée. Nous avons démontré l'impact négatif des particules LDL- ou VLDL-lipoprotéines sur la cellule bêta et le rôle critique de facteur anti-apoptotique comme les particules d'HDL-cholesterol. Des études de l'impact de différentes lipoprotéines humaines sur le profil transcriptomique complet de la cellule bêta (Affymetric) sont actuellement en cours. Le laboratoire est à l'interface entre des recherches clinique et génétique effectuées chez le sujet diabétique ou porteur d'une dyslipidémie et la biologie cellulaire et moléculaire avec des partenaires importants du DNF (Prof R. Regazzi et Prof C. Widmann) ou de l'institut de physiologie (Prof Luc Tappy)

Caractérisation des fonction du clivage de RasGAP et les application thérapeutiques qui peuvent en découler

L'apoptose (ou mort cellulaire programmée) est un phénomène indispensable pour le développement de tout organisme multi-cellulaire. Sans apoptose, le développement du cerveau et du système immunitaire ne pourrait par exemple pas s'effectuer. L'apoptose est déclenchée lorsque des protéases de la famille des caspases sont activées. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires régissant l'apoptose, nous étudions le rôle du clivage de certains substrats de caspases. Nous nous intéressons en particulier à une protéine nommée RasGAP qui est une "GTPase-activating protein" spécifique pour Ras. Nous déterminons actuellement comment les fragments de RasGAP générés par les caspases régulent l'apoptose. Nos données indiquent que le fragment N-terminal de RasGAP (appelé fragment N) est, paradoxalement, un inhibiteur de la mort cellulaire. De récentes évidences montrent que les caspases peuvent être impliquées lors de processus de différenciation cellulaire. Il est donc possible que lors de ces processus de différenciation, le fragment N inhibe l'apoptose qui serait normalement enclenchée afin de permettre aux caspases d'exercer d'autres fonctions que l'induction de l'apoptose. Une partie de nos efforts est maintenant consacrée à la caractérisation moléculaire des mécanismes permettant au fragment N d'exercer ses fonctions de protection de la cellule

Comme une mort inappropriée des cellules bêta dans les ilôts de Langerhans du pancréas conduit au diabète, nous avons postulé que l'expression du fragment N dans ces cellules les rendrait plus résistantes et leur permettrait de survivre plus longtemps. Nous avons récemment vérifié que ce concept était valide dans des systèmes de culture in vitro. Nous allons tester maintenant si le fragment N protège aussi des souris de la survenue de diabète

En parallèle, nous étudions les propriétés d'un autre fragment de RasGAP, appelé N2, qui a la capacité de sensibiliser les cellules cancéreuses, mais pas les cellules saines, aux médicaments anti-tumoraux. Nous avons

Etude de la modulation du développement du cortex cérébral

La capacité de division et de migration des neurones de la couche germinative des ventricules vers les couches externes du cortex cérébral est influencée par la présence de la sérotonine. De même, la sérotonine module la croissance des dendrites de certaines populations de neurones. Finalement, la dopamine régule la croissance des neurones corticaux et stimule la vitesse de maturation morphologique et fonctionnelle des synapses. Ces études sont faites en partie dans des cultures de cellules corticales dissociées ou dans des tranches organotypiques. L'étude du phénotype de l'architecture du cortex cérébral et de l'hippocampe de souris knock-out pour des récepteurs de la sérotonine et d'un récepteur métabotropique du glutamate complète cette recherche pour développer le concept que les neurotransmetteurs ont un rôle particulier de modulateur du développement, distinct du rôle qu'ils remplissent dans la transmission synaptique adulte. Les modèles animaux permettent d'associer des modifications structurelles induites au cours du développement avec des déficits fonctionnels chez l'animal juvénile et adulte

Computer assisted morphometric data acquisition, processing and analysis

1. Quantitative analysis of pathological hallmarks in neurodegenerative diseases
2. Stereological estimations on neuronal populations
3. Object segmentation and modelisation in a multidimensional neurobiological space

Molecular mechanisms of hormone and neurotransmitter release

Our group has identified several proteins that are associated with the membrane of insulin-containing secretory granules or with the plasma membrane of pancreatic ß-cells. Using cell and molecular biology techniques we were able to demonstrate their involvement in the control of exocytosis. Recently, we focused our attention on Rab GTPases, a large family of proteins that plays a key role in governing the transport and fusion of secretory vesicles in eukaryotic cells. Rab3 and Rab27, two members of this family are associated with secretory granules of pancreatic ß-cells and participate in the fine-tuning of insulin release. Our goal is to assess the respective role of these Rab GTPases in the secretory process of pancreatic ß-cells and to clarify the contribution of their binding partners RIM (Rab3 Interacting Molecule), Granuphilin/Slp4, Slac2-c/MyRIP and Noc2. Our studies take advantage of the possibilities offered by RNA interference, a recently discovered process that allows specific silencing of genes. In the diabetic state, long term exposures to elevated glucose and lipid concentrations have deleterious effects on pancreatic b-cells and leads to loss of specific phenotypic traits such as glucose stimulated insulin secretion. We are currently investigating the effect of glucose on the expression of the proteins involved in insulin exocytosis. In addition, we are assessing the role of a newly discovered class of small non coding RNAs called microRNAs in the maintenance of specific phenotypic traits of b-cell such as insulin production and secretion

The function of cytoskeletal proteins during development and aging of neuronal cells

A major interest is to define the function of cytoskeletal proteins during development and aging of neuronal cells, and to identify the means how a structural stability and plasticity between the different cytoskeletal structures is obtained. Specifically, to study nature and function of cytoskeletal proteins, determine their relationship to other cellular components during neuronal differentiation and analyse their relationship to neuronal morphogenesis. To find factors which influence the formation of the cytoskeleton or which are able to modulate single components of the cytoskeleton. To explore changes of cytoskeletal structures in various disease states (Alzheimer's disease)

Résistance à l'insuline

Notre recherche porte sur les mécanismes moléculaires impliqués dans la résistance à l'insuline. En particulier, nous étudions le rôle du monoxyde d'azote (NO) dans l'homéostasie glucidique et le métabolisme des lipides. Pour ce faire nous utilisons des souris invalidées pour la NO synthase endothéliale qui, non seulement sont hypertendues, mais présentent une résistance à l'insuline ainsi qu'une dyslipidémie. Nous avons pu montrer que l'absence de NO synthase endothéliale (qui est aussi exprimée dans les tissus cibles de l'insuline) induit une résistance à l'insuline dans le muscle isolé in vitro indiquant que le NO joue un rôle dans la réponse tissulaire de l'hormone. D'autre part, nous étudions les mécanismes moléculaires pouvant être responsables de la dyslipidémie chez ces souris. Eric LeGouill, doctorant dans le laboratoire a observé que l'expression du RNA messager de transporteurs intracellulaires et mitochondriaux pour les acides gras libres était diminuée chez les souris invalidées pour la NOS endothéliale. D'autre part, il a pu mettre en évidence que ces souris présentent un défaut de la béta-oxydation mitochondriale. L'ensemble de ces données suggèrent que le NO pourrait jouer un rôle important dans la régulation du métabolisme intermédaire, en particulier au niveau mitochondrial

Glia, an active synaptic partner : from physiology to neurodegeneration

Over the past fifteen years, an increasing number of observations have progressively modified the classical view that places glial cells in a subservient position to neurons. Among glial cells of the central nervous system (CNS), oligodendrocytes and microglia are recognized since long time to play unique, specialized functions: myelination and host defence, respectively. In contrast, the role of astrocytes has long remained far more enigmatic. Initially considered as the brain glue, just a scaffold, inert but necessary for neuronal distribution and interactions, astrocytes have first evolved to the status of support cells, necessary to assure optimal neuronal functioning. The developments of the last few years have revealed however new, surprising functions, including the control of synapse formation and function, of adult neurogenesis and of the brain vascular tone. One reason why these active properties of astrocytes have remained so long in the dark is the difference in the excitability mechanisms of these cells with respect to neurons. Until recently the electrical language of neurons was thought to be the only form of information encoding in the brain. Since astrocytes do not generate action potentials they were considered non-excitable and thus unable to communicate. The identification of a non-electrical excitability of the astrocytes has expanded the complexity of brain communication to an integrated network of both synaptic and non-synaptic routes

The recognition that astrocytes are organized in separate territories and possess active properties, notably competence for regulated release of "gliotransmitters", including glutamate, has opened the way to the understanding of the new astrocyte functions. Today astrocytes are envisaged as local communication elements of the brain, able to generate a variety of regulatory signals and to bridge structures (from neuronal to vascular, for instance) and networks otherwise disconnected from each other, playing specific, essential roles both in physiology

L'effet des hormones thyroïdiennes sur la régénération des nerfs périphériques

Dans le but d'améliorer la thérapie des lésions des nerfs périphériques chez l'homme, nous avons étudié l'effet d'un traitement local par des hormones thyroïdiennes (T3) sur la régénération des nerfs sciatiques sectionnés chez des rats adultes. Nos résultats ont montré qu'en utilisant des tubes de silicone, l'application locale de T3 au niveau des nerfs sciatiques sectionnés accélère et améliore significativement la régénération des nerfs. De plus, le T3 sauve les neurones axotomisés des ganglions spinaux de la mort (Schenker et al., 2003). Bien que les tubes de silicone facilitent la régénérescence axonale, ils présentent des désavantages (Merle et al., 1989). Par conséquent, ces tubes ne peuvent ainsi être utilisés chez l'homme. En vue d'une application clinique d'un traitement local de T3 dans des neuropathies traumatiques chez l'homme, nous testons des tubes composés de matériel biodégradable qui devraient faciliter la régénérescence axonale sans être toxiques ou cancirogènes et sans induire de fibrose inflammatoire

Plasticité neuronale dans l’écorce somato-sensorielle de la souris

Dans le contexte de notre intérêt de comprendre la plasticité neuronale chez l’adulte, nous étudions l’organisation morphologique et fonctionnelle de l’écorce somato-sensorielle de la souris. En utilisant un stimulateur de vibrisses mystaciales développé à notre Institut, nous étudions les effets au niveau cortical d’une augmentation d’activité sensorielle. Il y a quelques années, nous avons pu démontrer qu’une augmentation de l’activité sensorielle induit l’expression de neurotrophines dans les neurones de l’écorce cérébrale. Plus récemment, nous avons découvert que cette méthode de stimulation appliquée pour une période de seulement 24 heures augmente de 30% la densité de synapses dans la couche corticale qui reçoit en premier l’information sensorielle afférente. En stimulant des souris qui ont un manque de neurotrophine (hétérozygote pour le null-mutant de Brain Derived Neurotrophic Factor) nous avons pu faire le lien entre ces observations : un taux de ce facteur trophique est nécessaire pour que le circuit cortical s’adapte à la stimulation en faisant de nouveaux synapses. Actuellement nous essayons de répondre aux questions suivantes : 1) est-ce que la formation des nouveaux synapses implique de la croissance axonale; 2) est-ce que l’innervation synaptique du corps cellulaire des neurones corticaux est modifiée par la stimulation, et 3) quelle est la base moléculaire pour la synaptogenèse chez la souris adulte ?

MAPK pathways components and regulators

The general aim of our laboratory is to understand the role of signaling proteins in apoptosis and other cellular responses. The signalling proteins we focus on are involved in the regulation of mitogen activated protein kinase (MAPK) pathways. Three main avenues of investigations are currently being pursued in the laboratory:

1) Role of the cleavage of signalling proteins by caspases during apoptosis
2) Regulation of MAPK expression levels by scaffold proteins
3) Characterization of the intracellular signals induced by lipoproteins

Compétences

Biochimie

Biologie moléculaire

Electrophysiologie sur tranches

Analyse d'images

Microscopie TIRF, optique, confocale, électronique, à force atomique, 2-photons in vitro & in vivo, à onde évanescente

Immunocytochimie

Traçage neuronal

Culture cellulaire et organotypique

Animaux transgéniques

Animations par ordinateur

Microchirurgie

Expression de protéines recombinantes par transfection de vecteurs viraux

Fluorescent biosensors

Etudes comportementales chez le rongeur

Dynamic cellular imaging coupled to electrophysiology

Modèles animaux de pathologies humaines

Dosages spectro-fluorométriques

Patch-champ sur cellules dissociées et en culture

Photolyse "2-photons" de molécules cagées

RT-PCR quantitative, sur cellule unique

Analyse du métabolisme par autoradiographie du 2-désoxyglucose

RIA

Reconstruction 3D

Transfection cellulaire

Isolements d'ilôts pancréatiques