Ectonucleotidases, adenosine and synaptic transmission
Ectonucléotidases, adénosine et transmission synaptique
Résumé
The functions of Tissue Nonspecific Alkaline Phosphatase (TNAP) in the brain are not clearly identified. The localization and expression of TNAP at the neuronal level, however, suggests that it plays a prominent role in the development and the function in the brain. This is supported by the presence of severe epileptic seizures in humans carrying TNAP mutation. These epileptic seizures are lethal in TNAP KO mice. Studies in mice show that TNAP could regulate GABA-mediated postsynaptic inhibition and may be involved in presynaptic inhibition mediated by adenosine. Adenosine is, partly, synthesized via the successive dephosphorylation of ATP to ADP and then to AMP by ectonucleotidases. Among them TNAP and ecto-5'-nucleotidase (NT5E) are able to hydrolyze AMP into adenosine. Adenosine acts mainly at the presynaptic level via A1 receptors activation. Adenosine has an influence on synaptic transmission and thus on synaptic plasticity. This could partly explain the epileptic seizures observed in TNAP knock-out mice. The two main purposes of my thesis were: (1) to evaluate the contribution of TNAP in adenosine production in the brain; (2) to study the influence of adenosine on synaptic plasticity. Firstly, the study of the contribution of TNAP in adenosine production in the brain was carried out using two complementary approaches. A metabolomic approach (proton NMR spectroscopy) on whole brains of TNAP KO mice showed that TNAP in involved in adenosine synthesis in the brain. In a second approach, in vitro electrophysiological recordings on mouse brain slices allowed us to examine the consequences of the inhibition of the ectonucleotidases involved in adenosine synthesis. This revealed that inhibition of ectonucleotidases (TNAP and NT5E) did not suppress the inhibitory effect of AMP mediated by A1 receptors. Secondly, we studied the influence of adenosine on short-term synaptic plasticity. Field potentials were recorded in response to electrical stimulations (3.125 to 100 Hz) applied with frequencies encompassing the range of physiological oscillation. Our results show that, with high adenosine concentrations, the facilitation is emphasized compared to that observed in the control situation. This effect is observed for frequencies greater than or equal to 25 Hz. In addition, the higher the frequency, the greater the facilitation. Finally, by blocking the action of endogenous adenosine, the opposite effect was observed: a deficient facilitation with respect to the control, whose defect was increasing with stimulation frequency. All these results converge towards the hypothesis that TNAP deficiency, expressed by absence of adenosine, could contribute to the maintenance of the epileptic processes generated by an imbalance of the neuronal inhibition and the excitation due to a decrease of GABA. AMP inhibitory effect mediated by A1 receptors, would not be sufficient to counteract epileptic seizures observed in hypophosphatasic patients and TNAP KO mice.
Dans le cerveau, les fonctions de la phosphatase alcaline non spécifique des tissus (TNAP) ne sont pas clairement identifiées. La localisation et l'expression de cette enzyme au niveau neuronal suggère cependant, qu'elle joue un rôle important dans le développement et le fonctionnement du cerveau. Cela est supporté par la présence de graves crises d'épilepsie chez les humains porteurs d'une mutation de la TNAP. Ces crises d'épilepsie sont létales chez les souris KO pour la TNAP. Des études chez la souris montrent que la TNAP pourrait réguler l'inhibition postsynaptique médiée par le GABA et elle pourrait être impliquée dans l'inhibition présynaptique médiée par l'adénosine. L'adénosine est, en partie, synthétisée via la déphosphorylation successive de l'ATP en ADP puis en AMP par des ectonucléotidases. Parmi elles, la TNAP et l'ecto- 5'-nucléotidase (NT5E) catalysent l'hydrolyse de l'AMP en adénosine dans le cortex cérébral. L'adénosine agit principalement au niveau présynaptique par l'intermédiaire des récepteurs A1. Ainsi l'adénosine a une influence sur la transmission synaptique et sur la plasticité synaptique. Ceci pourrait expliquer, en partie, les crises d'épilepsie observées chez les souris KO pour la TNAP. Les deux objectifs principaux de ma thèse ont été : (1) évaluer la contribution de la TNAP dans la production d'adénosine dans le cerveau ; (2) étudier l'influence de l'adénosine sur la plasticité synaptique. Premièrement, l'étude de la contribution de la TNAP dans la production d'adénosine dans le cerveau a été réalisée au moyen de deux approches complémentaires. Une approche métabolomique (spectroscopie RMN du proton) sur des cerveaux entiers de souris KO pour la TNAP a permis de montrer que la TNAP participe, entre autre, à la synthèse d'adénosine dans le cerveau. Une deuxième approche, électrophysiologique sur tranches de cerveaux de souris in vitro, nous permet d'examiner les conséquences de l'inhibition des ectonucléotidases intervenant dans la synthèse de l'adénosine. Elle a révélé que l'inhibition des ectonucléotidases (TNAP et NT5E) ne supprime pas l'effet inhibiteur de l'AMP médiée par les récepteurs A1. Deuxièmement, nous avons étudié l'influence de l'adénosine sur la plasticité synaptique à courte terme. Nous avons enregistré des potentiels de champs dans la couche Ia du cortex piriforme en réponse à des stimulations électriques (3,125 à 100 Hz) présentée avec des fréquences recouvrant la gamme d'oscillations physiologiques. Nos résultats montrent qu'avec de fortes concentrations d'adénosine, la facilitation est accentuée par rapport à celle observée en situation contrôle. Cet effet est observé pour des fréquences supérieures ou égales à 25 Hz. De plus, cette accentuation est d'autant plus grande que la fréquence est élevée (maximum atteint à 100 Hz pour 100 µM). En bloquant l'action de l'adénosine endogène, l'effet contraire est observé : une facilitation déficitaire par rapport au contrôle et dont le défaut est croissant avec la fréquence de stimulation. Tous ces résultats convergent vers l'hypothèse qu'une déficience en TNAP, traduite par une absence d'adénosine, pourrait contribuer au maintien des processus épileptiques générés par un déséquilibre de l'inhibition et de l'excitation dû à une diminution de GABA. L'effet inhibiteur de l'AMP médié par les récepteurs A1 ne serait pas suffisant pour contrecarrer les crises d'épilepsie observées chez les sujets hypophosphatasiques et les souris KO pour la TNAP.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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