Stochastic models and dynamic measures for the characterization of bistable circuits

During the last few years, a great deal of interest has risen concerning the applications of stochastic methods to several biochemical and biological phenomena. Phenomena like gene expression, cellular memory, bet-hedging strategy in bacterial growth and many others, cannot be described by continuous stochastic models due to their intrinsic discreteness and randomness. In this thesis I have used the Chemical Master Equation (CME) technique to modelize some feedback cycles and analyzing their properties, including experimental data. In the first part of this work, the effect of stochastic stability is discussed on a toy model of the genetic switch that triggers the cellular division, which malfunctioning is known to be one of the hallmarks of cancer. The second system I have worked on is the so-called futile cycle, a closed cycle of two enzymatic reactions that adds and removes a chemical compound, called phosphate group, to a specific substrate. I have thus investigated how adding noise to the enzyme (that is usually in the order of few hundred molecules) modifies the probability of observing a specific number of phosphorylated substrate molecules, and confirmed theoretical predictions with numerical simulations. In the third part the results of the study of a chain of multiple phosphorylation-dephosphorylation cycles will be presented. We will discuss an approximation method for the exact solution in the bidimensional case and the relationship that this method has with the thermodynamic properties of the system, which is an open system far from equilibrium.In the last section the agreement between the theoretical prediction of the total protein quantity in a mouse cells population and the observed quantity will be shown, measured via fluorescence microscopy

Des souris knock-out pour le récepteur métabotrope au glutamate mGluR7 révèlent son rôle dans la cognition et les émotions

Metabotropic glutamate receptors (mGluRs) consist of eight different subtypes and exert their effects on second messengers and ion channels via G-proteins. The function of individual mGluR subtypes in the CNS, however, largely remains to be clarified. To study the role of mGluR7 receptors, we used homologous recombination to generate mice lacking this metabotropic receptor subtype (mGluR7). Immunohistochemical and immunoelectron-microscopic analyses showed that mGluR7 is highly expressed in amygdala and preferentially localized at the presynaptic axon terminals of glutamatergic neurons, suggesting strongly that mGluR7 is involved in neural processes subserving amygdala-dependent averse responses. To examine amygdala-dependent behavior, we examined first the fear response of freezing after electric shock in wild-type and mGluR7 (mGluR7-/-) knockout littermates. Wild-type mice displayed freezing immediately after footshock. In comparison, mGluR7 knockout mice showed significantly reduced levels in both immediate postshock and delayed freezing responses. However, the knockout mice exhibited no abnormalities in pain sensitivity and locomotor activity. Secondly, we performed conditioned taste aversion (CTA) experiments. In wild-type mice, the administration of saccharin followed by intraperitoneal injection of the malaise-inducing agent LiCl resulted in an association between saccharin and LiCl. This association caused strong CTA toward saccharin. In contrast, mGluR7 knockout mice failed to associate between the taste and the negative reinforcer in CTA experiments. Again, the knockout mice showed no abnormalities in taste preference and in the sensitivity to LiCl toxicity. These results indicated that mGluR7 deficiency causes an impairment of two distinct amygdala-dependent behavioral paradigms. Because the amygdale function is essential for these two distinct behavioral paradigms, our results suggest that mGluR7 is critical in amygdale function. The amygdale is a brain region that is known to be critical for the manifestation of anxiolysis and antidepressant action and glutamatergic neurotransmission has been strongly implicated in the pathophysiology of affective disorders. To this end we analyzed the behavioral profiles of mGluR7-/- mice in animal models of depression and anxiety. mGluR7-/- mice were compared to wildtype littermates and showed substantially less behavioural immobility in both the forced swim test and the tail suspension test. Both behavioural paradigms are widely used to predict antidepressant-like activity. Further, mGluR7-/- mice displayed anxiolytic activity in four different behavioural tests namely the light-dark box, the elevated plus maze, the staircase test, and the stress-induced hyperthermia test, while their cognitive performance was normal in the passive avoidance paradigm. [...]L’un des domaines clés de la recherche en neurosciences modernes consiste à comprendre les interactions complexes entre le stress et la génétique qui conduisent à la manifestation de troubles tels que la dépression, l’anxiété et le dysfonctionnement cognitif. Des preuves de plus en plus nombreuses suggèrent que le système glutamatergique peut être une cible thérapeutique pertinente pour de tels troubles. Le glutamate est le neurotransmetteur utilisé par la grande majorité des synapses excitatrices dans le cerveau. Et les sous-types des récepteurs métabotropique au glutamate (mGluR1 – mGluR8) agissent avant tout comme d’importants régulateurs postsynaptiques de la neurotransmission dans le système nerveux central (SNC), en fournissant un mécanisme par lequel les réponses synaptiques rapides à travers des canaux cationiques dépendants du glutamate peuvent être affinées. Ainsi, les récepteurs mGluR participent à une grande variété de fonctions du système nerveux central. Au sein dela famille des récepteurs métabotropiques au glutamate, le récepteur présynaptique mGluR7 montre la conservation évolutive la plus élevée et on pense qu'il agit comme un régulateur de la libération de neurotransmetteurs. Le récepteur mGluR7 est également le plus largement distribué des récepteurs présynaptiques mGluR, présent sur une large gamme de synapses démontrées comme critiques à la fois dans le fonctionnement normal du système nerveux central, mais également dans une large gamme de troubles psychiatriques et neurologiques. De plus, un nombre croissant de preuves expérimentales suggèrent que le récepteur mGluR7 est non seulement un acteur clé dans l’élaboration de réponses synaptiques au niveau des synapses glutamatergiques, mais qu’il est également un régulateur clé de la transmission GABAergique inhibitrice. Le développement d’outils pharmacologiques et génétiques sélectifs a permis le démantèlement de la fonction du récepteur mGluR7 dans une multitude de processus physiologiques et comportementaux. Ainsi les souris knock-out ont mis en évidence un rôle du récepteur mGluR7 dans l’anxiété, le conditionnement de la peur, l’aversion, l’apprentissage et la mémoire spatiale. De plus, ces souris dépourvues du récepteur métabrotrope mGluR7 démontrent une sensibilité accrue aux crises épileptiques suggérant un rôle unique de ce récepteur dans la régulation de l’excitabilité neuronale. De même, une altération de la plasticité synaptique à court terme dans les souris transgéniques dépourvues du récepteur métabotrope au glutamate mGluR7 démontre que l’absence de récepteurs mGluR7 engendre des altérations de la plasticité synaptique à court terme dans l’hippocampe. En outre, la découverte et la caractérisation récente du premier antagoniste allostérique agissant sur le domaine VFTD de l’extrémité N-terminale du récepteur mGluR7 potentialise définitivement les observations effectuées sur les souris mGluR7 knock-out quant à la fonction de ce récepteur dans l’anxiété et la dépression. Ensemble, ces données suggèrent que le récepteur mGluR7 est un important régulateur de la fonction glutamatergique, de la peur, de l’aversion et de la cognition et donc ce récepteur représente une cible thérapeutique innovante pour les troubles liés au stress à l’interface de la cognition et de l’anxiété

Knockout mice for the metabotropic glutamate receptor mGluR7 reveal its role in cognition and emotions

L’un des domaines clés de la recherche en neurosciences modernes consiste à comprendre les interactions complexes entre le stress et la génétique qui conduisent à la manifestation de troubles tels que la dépression, l’anxiété et le dysfonctionnement cognitif. Des preuves de plus en plus nombreuses suggèrent que le système glutamatergique peut être une cible thérapeutique pertinente pour de tels troubles. Le glutamate est le neurotransmetteur utilisé par la grande majorité des synapses excitatrices dans le cerveau. Et les sous-types des récepteurs métabotropique au glutamate (mGluR1 – mGluR8) agissent avant tout comme d’importants régulateurs postsynaptiques de la neurotransmission dans le système nerveux central (SNC), en fournissant un mécanisme par lequel les réponses synaptiques rapides à travers des canaux cationiques dépendants du glutamate peuvent être affinées. Ainsi, les récepteurs mGluR participent à une grande variété de fonctions du système nerveux central. Au sein dela famille des récepteurs métabotropiques au glutamate, le récepteur présynaptique mGluR7 montre la conservation évolutive la plus élevée et on pense qu'il agit comme un régulateur de la libération de neurotransmetteurs. Le récepteur mGluR7 est également le plus largement distribué des récepteurs présynaptiques mGluR, présent sur une large gamme de synapses démontrées comme critiques à la fois dans le fonctionnement normal du système nerveux central, mais également dans une large gamme de troubles psychiatriques et neurologiques. De plus, un nombre croissant de preuves expérimentales suggèrent que le récepteur mGluR7 est non seulement un acteur clé dans l’élaboration de réponses synaptiques au niveau des synapses glutamatergiques, mais qu’il est également un régulateur clé de la transmission GABAergique inhibitrice. Le développement d’outils pharmacologiques et génétiques sélectifs a permis le démantèlement de la fonction du récepteur mGluR7 dans une multitude de processus physiologiques et comportementaux. Ainsi les souris knock-out ont mis en évidence un rôle du récepteur mGluR7 dans l’anxiété, le conditionnement de la peur, l’aversion, l’apprentissage et la mémoire spatiale. De plus, ces souris dépourvues du récepteur métabrotrope mGluR7 démontrent une sensibilité accrue aux crises épileptiques suggérant un rôle unique de ce récepteur dans la régulation de l’excitabilité neuronale. De même, une altération de la plasticité synaptique à court terme dans les souris transgéniques dépourvues du récepteur métabotrope au glutamate mGluR7 démontre que l’absence de récepteurs mGluR7 engendre des altérations de la plasticité synaptique à court terme dans l’hippocampe. En outre, la découverte et la caractérisation récente du premier antagoniste allostérique agissant sur le domaine VFTD de l’extrémité N-terminale du récepteur mGluR7 potentialise définitivement les observations effectuées sur les souris mGluR7 knock-out quant à la fonction de ce récepteur dans l’anxiété et la dépression. Ensemble, ces données suggèrent que le récepteur mGluR7 est un important régulateur de la fonction glutamatergique, de la peur, de l’aversion et de la cognition et donc ce récepteur représente une cible thérapeutique innovante pour les troubles liés au stress à l’interface de la cognition et de l’anxiété.Metabotropic glutamate receptors (mGluRs) consist of eight different subtypes and exert their effects on second messengers and ion channels via G-proteins. The function of individual mGluR subtypes in the CNS, however, largely remains to be clarified. To study the role of mGluR7 receptors, we used homologous recombination to generate mice lacking this metabotropic receptor subtype (mGluR7). Immunohistochemical and immunoelectron-microscopic analyses showed that mGluR7 is highly expressed in amygdala and preferentially localized at the presynaptic axon terminals of glutamatergic neurons, suggesting strongly that mGluR7 is involved in neural processes subserving amygdala-dependent averse responses. To examine amygdala-dependent behavior, we examined first the fear response of freezing after electric shock in wild-type and mGluR7 (mGluR7-/-) knockout littermates. Wild-type mice displayed freezing immediately after footshock. In comparison, mGluR7 knockout mice showed significantly reduced levels in both immediate postshock and delayed freezing responses. However, the knockout mice exhibited no abnormalities in pain sensitivity and locomotor activity. Secondly, we performed conditioned taste aversion (CTA) experiments. In wild-type mice, the administration of saccharin followed by intraperitoneal injection of the malaise-inducing agent LiCl resulted in an association between saccharin and LiCl. This association caused strong CTA toward saccharin. In contrast, mGluR7 knockout mice failed to associate between the taste and the negative reinforcer in CTA experiments. Again, the knockout mice showed no abnormalities in taste preference and in the sensitivity to LiCl toxicity. These results indicated that mGluR7 deficiency causes an impairment of two distinct amygdala-dependent behavioral paradigms. Because the amygdale function is essential for these two distinct behavioral paradigms, our results suggest that mGluR7 is critical in amygdale function. The amygdale is a brain region that is known to be critical for the manifestation of anxiolysis and antidepressant action and glutamatergic neurotransmission has been strongly implicated in the pathophysiology of affective disorders. To this end we analyzed the behavioral profiles of mGluR7-/- mice in animal models of depression and anxiety. mGluR7-/- mice were compared to wildtype littermates and showed substantially less behavioural immobility in both the forced swim test and the tail suspension test. Both behavioural paradigms are widely used to predict antidepressant-like activity. Further, mGluR7-/- mice displayed anxiolytic activity in four different behavioural tests namely the light-dark box, the elevated plus maze, the staircase test, and the stress-induced hyperthermia test, while their cognitive performance was normal in the passive avoidance paradigm. [...

Knockout mice for the metabotropic glutamate receptor mGluR7 reveal its role in cognition and emotions

L’un des domaines clés de la recherche en neurosciences modernes consiste à comprendre les interactions complexes entre le stress et la génétique qui conduisent à la manifestation de troubles tels que la dépression, l’anxiété et le dysfonctionnement cognitif. Des preuves de plus en plus nombreuses suggèrent que le système glutamatergique peut être une cible thérapeutique pertinente pour de tels troubles. Le glutamate est le neurotransmetteur utilisé par la grande majorité des synapses excitatrices dans le cerveau. Et les sous-types des récepteurs métabotropique au glutamate (mGluR1 – mGluR8) agissent avant tout comme d’importants régulateurs postsynaptiques de la neurotransmission dans le système nerveux central (SNC), en fournissant un mécanisme par lequel les réponses synaptiques rapides à travers des canaux cationiques dépendants du glutamate peuvent être affinées. Ainsi, les récepteurs mGluR participent à une grande variété de fonctions du système nerveux central. Au sein dela famille des récepteurs métabotropiques au glutamate, le récepteur présynaptique mGluR7 montre la conservation évolutive la plus élevée et on pense qu'il agit comme un régulateur de la libération de neurotransmetteurs. Le récepteur mGluR7 est également le plus largement distribué des récepteurs présynaptiques mGluR, présent sur une large gamme de synapses démontrées comme critiques à la fois dans le fonctionnement normal du système nerveux central, mais également dans une large gamme de troubles psychiatriques et neurologiques. De plus, un nombre croissant de preuves expérimentales suggèrent que le récepteur mGluR7 est non seulement un acteur clé dans l’élaboration de réponses synaptiques au niveau des synapses glutamatergiques, mais qu’il est également un régulateur clé de la transmission GABAergique inhibitrice. Le développement d’outils pharmacologiques et génétiques sélectifs a permis le démantèlement de la fonction du récepteur mGluR7 dans une multitude de processus physiologiques et comportementaux. Ainsi les souris knock-out ont mis en évidence un rôle du récepteur mGluR7 dans l’anxiété, le conditionnement de la peur, l’aversion, l’apprentissage et la mémoire spatiale. De plus, ces souris dépourvues du récepteur métabrotrope mGluR7 démontrent une sensibilité accrue aux crises épileptiques suggérant un rôle unique de ce récepteur dans la régulation de l’excitabilité neuronale. De même, une altération de la plasticité synaptique à court terme dans les souris transgéniques dépourvues du récepteur métabotrope au glutamate mGluR7 démontre que l’absence de récepteurs mGluR7 engendre des altérations de la plasticité synaptique à court terme dans l’hippocampe. En outre, la découverte et la caractérisation récente du premier antagoniste allostérique agissant sur le domaine VFTD de l’extrémité N-terminale du récepteur mGluR7 potentialise définitivement les observations effectuées sur les souris mGluR7 knock-out quant à la fonction de ce récepteur dans l’anxiété et la dépression. Ensemble, ces données suggèrent que le récepteur mGluR7 est un important régulateur de la fonction glutamatergique, de la peur, de l’aversion et de la cognition et donc ce récepteur représente une cible thérapeutique innovante pour les troubles liés au stress à l’interface de la cognition et de l’anxiété.Metabotropic glutamate receptors (mGluRs) consist of eight different subtypes and exert their effects on second messengers and ion channels via G-proteins. The function of individual mGluR subtypes in the CNS, however, largely remains to be clarified. To study the role of mGluR7 receptors, we used homologous recombination to generate mice lacking this metabotropic receptor subtype (mGluR7). Immunohistochemical and immunoelectron-microscopic analyses showed that mGluR7 is highly expressed in amygdala and preferentially localized at the presynaptic axon terminals of glutamatergic neurons, suggesting strongly that mGluR7 is involved in neural processes subserving amygdala-dependent averse responses. To examine amygdala-dependent behavior, we examined first the fear response of freezing after electric shock in wild-type and mGluR7 (mGluR7-/-) knockout littermates. Wild-type mice displayed freezing immediately after footshock. In comparison, mGluR7 knockout mice showed significantly reduced levels in both immediate postshock and delayed freezing responses. However, the knockout mice exhibited no abnormalities in pain sensitivity and locomotor activity. Secondly, we performed conditioned taste aversion (CTA) experiments. In wild-type mice, the administration of saccharin followed by intraperitoneal injection of the malaise-inducing agent LiCl resulted in an association between saccharin and LiCl. This association caused strong CTA toward saccharin. In contrast, mGluR7 knockout mice failed to associate between the taste and the negative reinforcer in CTA experiments. Again, the knockout mice showed no abnormalities in taste preference and in the sensitivity to LiCl toxicity. These results indicated that mGluR7 deficiency causes an impairment of two distinct amygdala-dependent behavioral paradigms. Because the amygdale function is essential for these two distinct behavioral paradigms, our results suggest that mGluR7 is critical in amygdale function. The amygdale is a brain region that is known to be critical for the manifestation of anxiolysis and antidepressant action and glutamatergic neurotransmission has been strongly implicated in the pathophysiology of affective disorders. To this end we analyzed the behavioral profiles of mGluR7-/- mice in animal models of depression and anxiety. mGluR7-/- mice were compared to wildtype littermates and showed substantially less behavioural immobility in both the forced swim test and the tail suspension test. Both behavioural paradigms are widely used to predict antidepressant-like activity. Further, mGluR7-/- mice displayed anxiolytic activity in four different behavioural tests namely the light-dark box, the elevated plus maze, the staircase test, and the stress-induced hyperthermia test, while their cognitive performance was normal in the passive avoidance paradigm. [...

Altered Short-Term Synaptic Plasticity in Mice Lacking the Metabotropic Glutamate Receptor mGlu7

Eight subtypes of metabotropic glutamate (mGlu) receptors have been identified of which two, mGlu5 and mGlu7, are highly expressed at synapses made between CA3 and CA1 pyramidal neurons in the hippocampus. This input, the Schaffer collateral-commissural pathway, displays robust long-term potentiation (LTP), a process believed to utilise molecular mechanisms that are key processes involved in the synaptic basis of learning and memory. To investigate the possible function in LTP of mGlu7 receptors, a subtype for which no specific antagonists exist, we generated a mouse lacking this receptor, by homologous recombination. We found that LTP could be induced in mGlu7-/- mice and that once the potentiation had reached a stable level there was no difference in the magnitude of LTP between mGlu7-/- mice and their littermate controls. However, the initial decremental phase of LTP, known as short-term potentiation (STP), was greatly attenuated in the mGlu7-/- mouse. In addition, there was less frequency facilitation during, and less post-tetanic potentiation following, a high frequency train in the mGlu7-/- mouse. These results show that the absence of mGlu7 receptors results in alterations in short-term synaptic plasticity in the hippocampus

Genetic and pharmacological evidence of a role for GABA(B) receptors in the modulation of anxiety- and antidepressant-like behavior.

Although there is much evidence for a role of the inhibitory neurotransmitter gamma-aminobutyric acid (GABA) in the pathophysiology of anxiety and depression, the role of GABA(B) receptors in behavioral processes related to these disorders has not yet been fully established. GABA(B) receptors are G-protein-coupled receptors, which act as functional heterodimers made up of GABA(B(1)) and GABA(B(2)) subunits. Using recently generated GABA(B(1)) -/- mice, which lack functional GABA(B) receptors, and pharmacological tools we assessed the role of GABA(B) receptors in anxiety- and antidepressant-related behaviors. In the light-dark box, GABA(B(1)) -/- mice were more anxious than their wild-type littermates (less time spent in the light; reduced number of transitions). GABA(B(1)) -/- mice were also more anxious in the staircase test. Conversely, acute and chronic treatment with GS39783, a novel GABA(B) receptor positive modulator, decreased anxiety in the light-dark box and elevated zero maze tests for anxiety. On the other hand, GABA(B(1)) -/- mice had decreased immobility (antidepressant-like behavior) in the forced swim test (FST). These behavioral effects are unrelated to alterations in locomotor activity. In confirmation of the genetic data, acute and chronic treatment with CGP56433A, a selective GABA(B) receptor antagonist, also decreased immobility in the FST, whereas GS39783 did not alter this behavior. Taken together, these data suggest that positive modulation of the GABA(B) receptor may serve as a novel therapeutic strategy for the development of anxiolytics, whereas GABA(B) receptor antagonism may serve as a basis for the generation of novel antidepressants