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109 | 2010
Annuaire du Collège de France 2008-2009
Résumé des cours et travaux 1009e année
Équipes accueillies

Communication jonctionnelle et interactions entre réseaux neuronaux et gliaux

INSERM U 840
Christian Giaume
p. 1086-1090

Texte intégral

1Dans le système nerveux central, les connexines, protéines constituantes des jonctions communicantes (gap junctions) et les hémicanaux sont exprimées en grande quantité dans les cellules gliales, en particulier dans les astrocytes. Les travaux de notre équipe ont porté sur différents aspects des interactions entre neurones et cellules gliales, avec comme objet principal d’étude des propriétés et le rôle des connexines entre astrocytes qui définissent une organisation en réseaux de cellules communicantes. Cette année, nos recherches se sont concentrées sur les points suivants.

1. La régulation des canaux jonctionnels

2(Martine Tencé, Edwige Amigou)

3L’identification des mécanismes moléculaires responsables du contrôle de la communication jonctionnelle dans un modèle de culture primaire d’astrocytes a été poursuivi. Cette étude s’est focalisée sur l’inhibition provoquée en quelques minutes par l’endothéline-1 (ET-1) et la sphingosine-1-phosphate (S1P), deux médiateurs pro-inflammatoires, ainsi que celle induite par une hypoxie métabolique. Dans ces trois traitements, l’inhibition de la communication s’accompagne d’une déphosphorylation de la connexine 43 (Cx43), l’une des deux protéines constitutives des jonctions communicantes, présentent au niveau des plaques jonctionnelles. Cette déphosphorylation est médiée par les phosphatases PP2B et PP1/ PP2A et requiert l’activation de Gi. D’autre part, les astrocytes expriment ZO-1, ZO-2 ainsi que l’occludine, des partenaires putatifs de la Cx43. Dans les conditions basales, ces trois protéines se présentent sous la forme d’anneaux membranaires co-localisés entre eux et associés à l’actine sous-corticale. Ni leur quantité ni leur distribution subcellulaire ne sont modifiées par l’ET-1, la S1P ou l’hypoxie métabolique. Des expériences de co-immunoprécipitation montrent que ZO-1, ZO-2 et l’occludine forment des complexes multiprotéiques et qu’une partie de la Cx43 astrocytaire est associée à ces complexes. En effet, l’anticorps anti-occludine précipite à la fois la Cx43, ZO-1 et ZO-2, l’anti-ZO-1 précipite ZO-2 et la Cx43 et enfin, l’anti-ZO-2 précipite ZO-1 et la Cx43. La quantité de Cx43 présente dans ces complexes est augmentée à la suite d’un traitement par l’ET-1. Ces observations suggèrent que, dans les astrocytes, l’altération de la communication jonctionnelle implique non seulement des modifications de l’état de phosphorylation de la Cx43 mais également des changements dans ses interactions avec des partenaires moléculaires.

2. Interactions entre compartiments neuronaux et réseaux astrocytaires dans les glomérules olfactifs

4(Lisa Roux)

5Les propriétés de communication entre astrocytes ainsi que l’expression des connexines astrocytaires Cx43 et Cx30 ont été étudiées dans des tranches aiguës contenant les glomérules du bulbe olfactif de souris. Cette région du cerveau a été choisie car les glomérules olfactifs sont caractérisés par une forte compartimentation anatomo-fonctionnelle des neurones qui les composent. Nous avons cherché à définir comment s’organisent les réseaux astrocytaires dans ces compartiments neuronaux. Par une approche immunohistochimique, nous avons observé que les Cx30 et Cx43 n’ont pas les mêmes patrons d’expression dans la couche glomérulaire : la Cx43 étant exprimée majoritairement en périphérie du glomérule alors que la Cx30 est exprimée de manière homogène dans le glomérule. Des injections de traceur intercellulaire nous ont permis de démontrer l’existence d’une communication privilégiée (mais non exclusive) entre les astrocytes d’un même glomérule, formant des réseaux « intraglomérulaires ». D’autre part, des injections en dehors des glomérules ont mis en évidence l’existence d’un réseau « extraglomérulaire ». L’utilisation de la TTX a établit que seuls les réseaux « intraglomérulaires » sont sensibles à une inhibition de l’activité neuronale spontanée. Ces trois propriétés nous ont conduits à conclure que seule la Cx30, de par sa localisation au sein du glomérule, pourrait être régulée par l’activité neuronale. Cette hypothèse a été testée en utilisant des souris transgèniques (KO) dont les gènes codant pour chacune des deux connexines astrocytaires ont été invalidé. Nous avons observé qu’une inhibition de l’activité neuronale à court terme (TTX) ou à long terme (occlusions nasales) n’avait aucun effet dans le KO Cx30, alors qu’elle conduit à une diminution importante du couplage entre astrocytes glomérulaires chez la souris sauvage et le KO Cx43. Par conséquent, la distribution différentielle des connexines astrocytaires et leur régulation distincte en fonction de l’activité neuronale pourraient contribuer à la définition d’un glomérule olfactif comme unité fonctionnelle.

3. Réseaux astrocytaires et neurotransmission

6(Nathalie Rouach, Mickael Demangeon, Ulrike Pannasch, Jérémie Sibille)

7Les astrocytes régulent la neurotransmission mais les mécanismes moléculaires sous-jacents ne sont pas encore bien élucidés. Étant donné qu’une de leurs caractéristiques est leur organisation en réseau sous-tendue par de nombreuses jonctions communicantes formées par les Cx43 et Cx30 nous avons développé deux axes de recherche. D’une part, l’étude du rôle des jonctions communicantes astrocytaires à l’interface gliovasculaire. Les astrocytes établissent un lien avec les vaisseaux sanguins grâce à leurs pieds périvasculaires enrichis en Cx43 et Cx30. Cependant le rôle de ces connexines périvasculaires dans la physiopathologie du système nerveux central n’est pas connu. Dans ce cadre nous avons montré que 1) le réseau astrocytaire sous-tendu par les jonctions communicantes est une voie de trafic intercellulaire de substrats énergétiques, 2) ce trafic est régulé par l’activité neuronale glutamatergique et 3) il soutient la transmission synaptique glutamatergique dans l’hippocampe. Ces résultats montrent que les connexines jouent un rôle clé dans la fonction métabolique des astrocytes en fournissant une voie intercellulaire activité-dépendante de trafic du glucose des vaisseaux sanguins aux neurones distaux. D’autre part, nous avons étudié le rôle de la Cx30 dans la transmission et plasticité synaptique de l’hippocampe. Il a été rapporté que chez des animaux élevés dans un environnement enrichi, l’expression de la Cx30 est augmentée. Cependant le rôle de cette connexine astrocytaire dans la physiologie neuronale n’est pas connu. Nous avons montré chez les souris KO Cx30 que la transmission synaptique glutamatergique ainsi que la plasticité à court- et long-terme des cellules pyramidales de l’hippocampe sont altérées. Cet effet est la conséquence d’une diminution de la concentration synaptique de glutamate, due à une augmentation du transport au glutamate par les astrocytes suite à une plus grande couverture astrocytaire des neurones. Ces résultats indiquent que la Cx30 astrocytaire module l’efficacité synaptique en contrôlant l’homéostasie du glutamate.

4. Bases moléculaires des fonctions des connexines astrocytaires dans le système nerveux central

8(Martine Cohen-Salmon, Pascal Ezan, Edwige Amigou)

9L’apport continu en oxygène et en substrats énergétiques par le sang ainsi que le maintien d’une barrière étanche entre le sang et le cerveau (barrière hémato-encéphalique) sont indispensables à l’activité nerveuse. Leur dérégulation et la rupture de la barrière sont impliquées dans de nombreuses pathologies cérébrales, dont la maladie d’Alzheimer. Des travaux récents ont montré que les astrocytes sont directement impliqués dans la régulation du flux sanguin en fonction de l’activité synaptique (hyperémie fonctionnelle). Ces cellules jouent également un rôle primordial dans le développement et le fonctionnement de la barrière hématoencéphalique. Nous avons montré que les connexines astrocytaires sont remarquablement concentrées au niveau d’extensions périvasculaires (pieds astrocytaires) qui sont le lieu du transfert de métabolites énergétiques du sang vers les neurones. Ces propriétés nous ammenées à questionner le rôle des Cx30 et Cx43 à l’interface gliovasculaire, en particulier dans la physiologie de la barrière hémato-encéphalique. Des expériences de perfusion de peroxidase (horse raddish peroxidase, PM 40000 kDa) chez des souris contrôles, ou délétées en Cx30 et/ou Cx43 nous ont permis de montré que chez ces dernières, la barrière hématoencéphalique est endommagée. Nous formulons donc l’hypothèse que les Cx30 et Cx43 seraient nécessaires au maintien de cette barrière. D’autre part, afin de déchiffrer les bases moléculaires des fonctions des connexines astrocytaires (transmission glutamatergique, métabolisme cérébral, maintien de la barrière hémato-encéphalique) nous avons développé une approche d’analyse des transcriptomes des cerveaux de souris sauvages et délétées en connexines astrocytaires. Ainsi nous avons comparé le transcriptome de l’hippocampe de souris sauvages et délétées en Cx30 (Cx30 KO). Cette étude a démontré de grandes variations transcriptionnelles chez les souris mutantes, notamment pour des gènes encore non caractérisés. En particulier, nous avons déterminé que l’un d’entre eux, surexprimé environ 30 fois plus dans l’hippocampe des souris Cx30 KO, code pour une nouvelle du système nerveux central protéine associée aux microtubules.

5. Étude de l’expression des connexines astrocytaires dans un modèle murin de la maladie d’Alzheimer, la souris APP/PS1

10(Annette Koulakoff, Xin Mei, Pascal Ezan)

11Dans la maladie d’Alzheimer, des dépôts de peptide β-amyloide (Aβ) s’accumulent dans le cerveau où ils forment des plaques séniles, lésions histopathologiques typiques de cette pathologie. Des lésions semblables se développent chez des souris transgéniques où ont été introduites des mutations responsables de MA héréditaires dans le gène codant pour le précurseur du peptide amyloide (APP) et dans le gène de la préséniline-1 (PS1), protéine du complexe γ-secrétase qui clive l’APP pour produire l’Aβ. Au niveau de ces plaques, caractérisées par des dystrophies neuritiques, on observe un recrutement de cellules microgliales activées et un changement du phénotype des astrocytes qui deviennent réactifs. L’activation des astrocytes est un phénomène commun à diverses situations pathologiques qui se traduit par des modifications de leur morphologie et de leurs propriétés. Ainsi des changements d’expression des Cx30 et Cx43 ont été décrits, avec des différences liées au type de lésion et au temps post-lésionnel. Peu de choses étant connu dans le cas de la MA, nous avons abordé cette question dans deux modèles de souris APP/PS1. Nous avons montré que l’expression des Cx30 et Cx43 était sélectivement modifiée au niveau des dépôts d’Aβ. Une augmentation de l’immunoréactivité de chaque Cx a été mise en évidence dans les astrocytes réactifs associés à ≥ 75 % de plaques, avec un enrichissement particulièrement remarquable dans les prolongements qui infiltrent ces plaques. De plus, il existe une minorité de plaques (⋍10 %) où l’expression des Cxs est fortement diminuée dans les astrocytes réactifs. Des analyses sont en cours pour comprendre l’origine de ces variations différentielles : « âge » et/ou taille de la plaque, statut inflammatoire local… Enfin, l’étude des conséquences fonctionnelles de ces modifications d’expression des Cx43 et Cx30 sur l’étendue du réseau astrocytaire et/ou l’activation locale d’hémicanaux, susceptibles d’interférer avec la survie neuronale dans cette pathologie, a été initiée. Nous avons mis au point un test permettant d’évaluer le degré d’activation des hémicanaux de connexines astrocytaires dans des tranches de cerveau de souris adultes maintenues en survie dans un tampon physiologique. Il s’agit d’un test de capture de bromure d’éthidium qui pénètre dans les cellules via les hémicanaux, s’ils sont activés, puis se fixe dans leurs noyaux. Les premières données obtenues indiquent que la capture de bromure d’éthidium est plus élevée dans les astrocytes réactifs des souris APP/PS1 que dans les astrocytes de souris contrôle, suggérant un degré d’activation plus élevée des hémicanaux dans ce modèle murin de la maladie d’Alzheimer.

Publications 2008-2009

12Giaume C., Maravall M., Welker E., Bonvento G., « The Barrel Cortex as a Model to Study Dynamic Neuroglial Interaction », Neuroscientist, 15, 2009, 351-66.

Contrepas A., Walker J., Koulakoff A., Franek K.J., Qadri F., Giaume C.B., Corvol P., Schwartz C.E., Nguyen G., « A role of the (pro) renin receptor in neuronal cell differentiation », American Journal of Physiology : Regul Integr Comp Physiol., 297, 2009, R250-7.

Meme W., Vandecasteele M., Giaume C., Venance L., « Electrical coupling between hippocampal astrocytes in rat brain slices », Neuroscience Research, 63, 2009, 236-43.

Orellana J.A., Sáez P.J., Shoji K.F., Schalper K.A., Palacios-Prado N., Velarde V., Giaume C., Bennett M.V., Sáez J.C., « Modulation of brain hemichannels and gap junction channels by pro-inflammatory agents and their possible role in neurodegeneration », Antioxidant Redox Signalling, 11, 2009, 369-99.

Herrero-González S., Valle-Casuso J.C., Sánchez-Alvarez R., Giaume C., Medina J.M., Tabernero A., « Connexin43 is involved in the effect of endothelin-1 on astrocyte proliferation and glucose uptake », Glia, 57, 2009, 222-33.

Rouach N., Koulakoff A., Abudara V., Willecke K., Giaume C., « Astroglial metabolic networks sustain hippocampal synaptic transmission », Science, 322, 2008, 1551‑5.

Li D., Ropert N., Koulakoff A., Giaume C., Oheim M., « Lysosomes are the major vesicular compartment undergoing Ca2+-regulated exocytosis from cortical astrocytes », Journal of Neuroscience, 28, 2008, 7648-58.

Koulakoff A., Ezan P., Giaume C., « Neurons control the expression of connexin 30 and connexin 43 in mouse cortical astrocytes », Glia, 56, 2008, 1299-311.

Houades V., Koulakoff A., Ezan P., Seif I., Giaume C., « Gap junction-mediated astrocytic networks in the mouse barrel cortex », Journal of Neuroscience, 28, 2008, 5207‑17.

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Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 109e année, Collège de France, Paris, mars 2010, p. 1086-1090. ISBN 978-2-7226-0083-6

Référence électronique

Christian Giaume, « Communication jonctionnelle et interactions entre réseaux neuronaux et gliaux », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 109 | 2010, mis en ligne le 25 juin 2010, consulté le 02 août 2014. URL : http://annuaire-cdf.revues.org/458

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Auteur

Christian Giaume

Directeur de l’équipe « Communication jonctionnelle et interactions entre réseaux neuronaux et gliaux » (Inserm U 840), accueillie au Collège de France.

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