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Thèse Julien Dine

"Rôle de ERK dans l'activation des osmorecepteurs hypothalamiques"

Le 27 novembre 2009

Résumé

La vasopressine (VP), hormone anti-diurétique, joue un rôle fondamental dans l’homéostasie des compartiments liquidiens de l’organisme. Ainsi, la concentration de VP libérée dans la circulation sanguine est proportionnelle à l’osmolalité plasmatique. Or, la libération de la VP est étroitement dépendante de l’activité électrique des neurones magnocellulaires hypothalamiques (MNCs) qui la synthétisent. L’activité électrique des MNCs est donc régulée lors de variations de l’osmolalité plasmatique. Cette régulation implique la modulation concertée de propriétés intrinsèques dépendant de l’expression de canaux ioniques mécanosensibles, mais aussi d’entrées synaptiques excitatrices provenant de structures cérébrales osmosensibles.
Les Extracellular signal-regulated kinases (ERK 1 et 2) sont des protéines de la voie des MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinases) qui convertissent des stimulus extracellulaires en réponses intracellulaires transcriptionnelles et post-traductionnelles. Elles contribuent en particulier à la plasticité des propriétés membranaires intrinsèques et des synapses excitatrices glutamatergiques dans le système nerveux central. Elles sont exprimées par les MNCs de l’hypothalamus. L’objet de ce travail de thèse a été l’étude du rôle de ERK dans l’activation des osmorécepteurs hypothalamiques.
Les expériences d’immunohistochimie montrent qu’en réponse à une stimulation systémique hypertonique, la voie ERK 1/2 est activée rapidement, de façon transitoire et sélectivement dans des structures osmoréceptrices de l’encéphale ou directement impliquées dans l’osmorégulation : noyaux supraoptiques (NSO) et paraventriculaires (NPV), organe subfornical, noyau préoptique médian et OVLT. ERK est aussi activée dans la portion parvicellulaire du NPV, mais pas dans une structure témoin qui ne participe pas à l’osmorégulation, la strie médullaire thalamique. De plus, il existe un codage de l’intensité de la stimulation osmotique par le nombre de neurones exprimant phosphoERK dans l’encéphale. Les Western Blot indiquent qu’il existe également un codage de l’intensité du stimulus hypertonique par le degré d’expression de la protéine phosphoERK dans le NSO. Nous montrons aussi qu’il existe une activation plus importante de ERK dans les neurones à VP que dans les neurones à ocytocine. L’ensemble de ces résultats suggère que phosphoERK pourrait contribuer aux mécanismes de l’osmorégulation.
Cette hypothèse a été testée en mesurant les effets de l’inhibition de la phosphorylation de ERK sur l’activation des centres osmorégulateurs. Effectivement, l’administration intracérébroventriculaire d’un inhibiteur sélectif de MEK 1/2, l’U 0126, inhibe la phosphorylation de ERK et l’activation neuronale (mesurée par l’expression de Fos) résultant de l’application d’un stimulus hypertonique. La phosphorylation de ERK joue donc un rôle majeur dans l’activation des centres osmorégulateurs de l’encéphale.
En accord avec ces données, les enregistrements électrophysiologiques sur tranches d’hypothalamus montrent que ERK est impliqué dans la réponse cellulaire des neurones magnocellulaires à une stimulation osmotique : l’inhibition de la phosphorylation de ERK réduit la dépolarisation membranaire et diminue l’augmentation de la fréquence de décharge des potentiels d’action ainsi que l’augmentation de l’amplitude des potentiels synaptiques spontanés induits par un stimulus hypertonique. Les données obtenues sur les neurones supraoptiques isolés montrent qu’une partie au moins des effets de l’activation de ERK implique une modulation de la conductance membranaire qu’on sait responsable de l’osmotransduction dans ces neurones. En résumé, l’activation de ERK est nécessaire à la réponse normale des neurones magnocellulaires à une stimulation osmotique.


Abstract

The release of the anti-diuretic hormone vasopressin into the general circulation varies as a function of plasma osmolality and therefore plays a major role in systemic osmoregulation. It is primarily determined by the firing rate of the hypothalamic magnocellular neurons (MNCs). The regulation of MNC firing rate during changes in systemic osmolality involves the concerted modulation of intrinsic mechanosensitive ion channels in these neurons, as well as excitatory glutamatergic inputs derived from osmosensitive forebrain regions.
Extracellular signal-Regulated protein Kinases (ERK) are mitogen-activated protein kinases that transduce extracellular stimuli into intracellular post-translational and transcriptional responses, which include changes in intrinsic neuronal properties and synaptic function. In the present work, we investigated whether ERK activation (i.e. phosphorylation) plays a role in the functioning of osmoregulatory networks.
First, we found that within 10 minutes of intraperitoneal injections of hypertonic saline (3M, 6M), many phosphoERK-immunopositive neurons were observed within osmosensitive forebrain regions including suparoptic and paraventricular nuclei, subfornical organ, median preoptic nucleus and Organum vasculosum lamina terminalis (OVLT), but not in a control region such as the thalamic stria medullaris. This staining was intensity dependent and was reduced 30 minutes after the stimulus. In the supraoptic nucleus, it predominated in vasopressin neurons compared to oxytocin neurons. Western blotting experiments confirmed that ERK phosphorylation in the supraoptic nucleus was intensity dependent.
Inhibition of ERK phosphorylation by a MEK inhibitor reduced both the numbers of phosphoERK-immunopositive neurons and Fos expressing neurons, a measure of neuronal activation after hypertonic stimuli.
Inhibition of ERK phosphorylation also decreased the membrane depolarization, the increase in firing frequency and the increase in excitatory and inhibitory synaptic potential amplitude that were osmotically-induced in both oxytocin and vasopressin supraoptic neurons recorded from adult acute hypothalamic slices. It also reduced the increase in mechanically-gated membrane cation conductance evoked by hypertonic stimuli in isolated MNC neurons.
Altogether, these findings strongly suggest that ERK phosphorylation is a key step in the transduction and integration of osmotic stimuli into activity changes in osmosensitive hypothalamic neurons.

Equipe de Stéphane Oliet

 

Discipline
ciences de la Vie et de la Santé

Spécialité
Neurosciences et Pharmacologie

Mots clés
ERK, vasopressine, osmotransduction, osmorécepteur, hypothalamus

Adresse du laboratoire
Neurocentre Magendie INSERM U 862, 146, rue Léo Saignat 33077 Bordeaux cedex. Equipe de Stéphane Oliet "Relations glie-neurone" Rattachée à l'unité : Physiopathologie de la plasticité neuronale - Pier Vincenzo Piazza
     
 

Focus


Julien Dine a préparé sa thèse sous la direction de Daniel Voisin.
 

Jury

Abdelhamid Benazzouz , Président
Charles W. Bourque , Rapporteur
Vincent Prévot , Rapporteur
Marc Landry, Examinateur
Yves Tillet, Examinateur
Daniel Voisin, Directeur de thèse