ENS - Départment de biologie

Chris Bowler, lauréat de l'appel d'offre ERC Advanced Grant en 2011

Marie Embs — 2015-02-25T10:40:20Z

Plus d'informations sur le site de l'ERC

Emergent Growth Cone Responses to Combinations of Slit1 and Netrin 1 in Thalamocortical Axon Topography

Marie Embs — 2015-02-25T10:38:13Z

Brain connectivity relies on axonal responses to combinations of guidance cues

A joint collaboration from IBENS researchers and the INA (Alicante, Spain) has found a key mechanism that ensures the development of a major axonal connection in the brain.

The functioning of the nervous system relies on the establishment of axonal tracts that follow complex trajectories. However, how guidance cues are integrated during the formation of these axonal tracts remains largely unknown. Thalamocortical axons, which convey sensory and motor information to the neocortex, have a rostrocaudal topographic organization initially established within the ventral telencephalon. In this study the authors show that this topography is set in a small hub, the corridor, which contains gradients guidance cues such as Slit1 and Netrin 1. Using in vitro and in vivo experiments, these authors found that Slit1 is a rostral repellent that positions intermediate thalamocortical axons. For rostral axons, while Slit1 is also repulsive and Netrin 1 has no chemotactic activity, the two factors combined generate attraction. These results show that Slit1 has a dual context-dependent role in thalamocortical pathfinding and furthermore reveals that a combination of cues produces an emergent activity that neither of them has alone. This study thus provides a novel framework to explain how a limited set of guidance cues can generate a vast diversity of axonal responses necessary for proper wiring of the nervous system.

Curr Biol. 2011 Oct 25 ;21(20):1748-55.

Regulation of glycine receptor diffusion properties and gephyrin interactions by protein kinase C

Marie Embs — 2015-02-25T10:37:04Z

Glycine receptors (GlyRs) can dynamically exchange between synaptic and extrasynaptic locations through lateral diffusion within the plasma membrane. Their accumulation at inhibitory synapses depends on the interaction of the b-subunit of the GlyR with the synaptic scaffold protein gephyrin. An alteration of receptor–gephyrin binding could thus shift the equilibrium between
synaptic and extrasynaptic GlyRs and modulate the strength of inhibitory neurotransmission. Using a combination of dynamic imaging and biochemical approaches, we have characterised the molecular mechanism that links the GlyR–gephyrin interaction with GlyR diffusion and synaptic localisation. We have identified a protein kinase C (PKC) phosphorylation site within the cytoplasmic domain of the b-subunit of the GlyR (residue S403) that causes a reduction of the binding affinity between the receptor and gephyrin. In consequence, the receptor's diffusion in the plasma membrane is accelerated and GlyRs accumulate less strongly at synapses. We propose that the regulation of GlyR dynamics by PKC thus contributes to the plasticity of inhibitory synapses and may be involved in maladaptive forms of synaptic plasticity.

EMBO J. 2011 Aug 9 ;30(18):3842-53

Late Emergence of the Vibrissa Direction Selectivity Map in the Rat Barrel Cortex

Marie Embs — 2015-02-25T10:36:06Z

In the neocortex, neuronal selectivities for multiple sensorimotor modalities are often distributed in topographical maps thought to emerge during a restricted period in early postnatal development. Rodent barrel cortex contains a somatotopic map for vibrissa identity, but the existence of maps representing other tactile features has not been clearly demonstrated. We addressed the issue of the existence in the rat cortex of an intrabarrel map for vibrissa movement direction using in vivo two-photon imaging. We discovered that the emergence of a direction map in rat barrel cortex occurs long after all known critical periods in the somatosensory system. This map is remarkably specific, taking a pinwheel-like form centered near the barrel center and aligned to the barrel cortex somatotopy. We suggest that this map may arise from intracortical mechanisms and demonstrate by simulation that the combination of spike-timing-dependent plasticity at synapses between layer 4 and layer 2/3 and realistic pad stimulation is sufficient to produce such a map. Its late emergence long after other classical maps suggests that experience-dependent map formation and refinement continue throughout adult life.

J Neurosci. 2011 Jul 20 ;31(29):10689-700.

Zinc alleviates pain through high-affinity binding to the NMDA receptor NR2A subunit

Marie Embs — 2015-02-25T10:33:18Z

Zinc is abundant in the central nervous system and regulates pain, but the underlying mechanisms are unknown. In vitro studies have shown that extracellular zinc modulates a plethora of signaling membrane proteins, including NMDA receptors containing the NR2A subunit, which display exquisite zinc sensitivity. We created NR2A-H128S knock-in mice to investigate whether Zn2+-NR2A interaction influences pain control. In these mice, high-affinity (nanomolar) zinc inhibition of NMDA currents was lost in the hippocampus and spinal cord. Knock-in mice showed hypersensitivity to radiant heat and capsaicin, and developed enhanced allodynia in inflammatory and neuropathic pain models. Furthermore, zinc-induced analgesia was completely abolished under both acute and chronic pain conditions. Our data establish that zinc is an endogenous modulator of excitatory neurotransmission in vivo and identify a new mechanism in pain processing that relies on NR2A NMDA receptors. The study also provides a molecular basis for the pain-relieving effects of dietary zinc supplementation.

Nat Neurosci. 2011 Jul 3 ;14(8):1017-22.

Molecular basis of positive allosteric modulation of GluN2B NMDA receptors by polyamines

Marie Embs — 2015-02-25T10:32:23Z

NMDA receptors (NMDARs) form glutamate-gated ion channels that play central roles in neuronal communication and plasticity throughout the brain. Dysfunctions of NMDARs are involved in several CNS disorders, including stroke, chronic pain and schizophrenia. One hallmark of NMDARs is that their activity can be allosterically regulated by a variety of extracellular small ligands. While much has been learned recently regarding allosteric inhibition of NMDARs, the structural determinants underlying positive allosteric modulation of these receptors remain poorly defined. Here we show that polyamines, naturally occurring polycations that selectively enhance NMDARs containing the GluN2B subunit, bind at a dimer interface between GluN1 and GluN2B subunit N-terminal domains (NTDs). Polyamines act by shielding negative charges present on GluN1 and GluN2B NTD lower lobes, allowing their close apposition, an effect that in turn prevents NTD clamshell closure. Our work reveals the mechanistic basis for positive allosteric modulation of NMDARs. It provides the first example of an intersubunit binding site in this class of receptors, a discovery that holds promise for future drug interventions.

EMBO J. 2011 Jun 17 ;30(15):3134-46.

Targeting and imaging single biomolecules in living cells by complementation-activated light microscopy with split-fluorescent proteins

Marie Embs — 2015-02-25T10:31:23Z

Single-molecule (SM) microscopy allows outstanding insight into biomolecular mechanisms in cells. However, selective detection of single biomolecules in their native environment remains particu- larly challenging. Here, we introduce an easy methodology that combines specific targeting and nanometer accuracy imaging of individual biomolecules in living cells. In this method, named com- plementation-activated light microscopy (CALM), proteins are fused to dark split-fluorescent proteins (split-FPs), which are acti- vated into bright FPs by complementation with synthetic peptides. Using CALM, the diffusion dynamics of a controlled subset of ex- tracellular and intracellular proteins are imaged with nanometer precision, and SM tracking can additionally be performed with fluorophores and quantum dots. In cells, site-specific labeling of these probes is verified by coincidence SM detection with the complemented split-FP fusion proteins or intramolecular single- pair Förster resonance energy transfer. CALM is simple and com- bines advantages from genetically encoded and synthetic fluores- cent probes to allow high-accuracy imaging of single biomolecules in living cells, independently of their expression level and at very high probe concentrations.

http://www.pnas.org/content/108/24/E201.abstract?etoc

Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Jun 14 ;108(24):E201-10.

Formation and Stability of Synaptic Receptor Domains

Marie Embs — 2015-02-25T10:30:12Z

Neurotransmitter receptor molecules, concentrated in postsynaptic domains along with scaffold and a number of other molecules, are key regulators of signal transmission across synapses. Combining experiment and theory, we develop a quantitative description of synaptic receptor domains in terms of a reaction-diffusion model. We show that interactions between only receptors and scaffolds, together with the rapid diffusion of receptors on the cell membrane, are sufficient for the formation and stable characteristic size of synaptic receptor domains. Our work reconciles long-term stability of synaptic receptor domains with rapid turnover and diffusion of individual receptors, and suggests novel mechanisms for a form of short-term, postsynaptic plasticity.

Phys Rev Lett. 2011 Jun 10 ;106(23):238104.

Integrative epigenomic mapping defines four main chromatin states in Arabidopsis

Marie Embs — 2015-02-25T10:29:11Z

Post-translational modification of histones and DNA methylation are important components of chromatin- level control of genome activity in eukaryotes. However, principles governing the combinatorial association of chromatin marks along the genome remain poorly understood. Here, we have generated epigenomic maps for eight histone modifications (H3K4me2 and 3, H3K27me1 and 2, H3K36me3, H3K56ac, H4K20me1 and H2Bub) in the model plant Arabidopsis and we have combined these maps with others, produced under identical conditions, for H3K9me2, H3K9me3, H3K27me3 and DNA methyla- tion. Integrative analysis indicates that these 12 chromatin marks, which collectively cover 90% of the genome, are present at any given position in a very limited number of combinations. Moreover, we show that the distribution of the 12 marks along the genomic sequence defines four main chromatin states, which preferentially index active genes, repressed genes, silent repeat elements and intergenic regions. Given the compact nature of the Arabidopsis genome, these four indexing states typically translate into short chromatin domains interspersed with each other. This first combinatorial view of the Arabidopsis epigenome points to simple principles of organization as in metazoans and provides a framework for further studies of chromatin-based regulatory mechanisms in plants.

PubMed PMID : 21487388

EMBO J. 2011 May 18 ;30(10):1928-38.

Des chercheurs de l'Institut de Biologie de l'Ecole Normale Supérieure, avec une équipe internationale, ont révélé de nouveaux aspects sur l'évolution des diatomées

Marie Embs — 2015-02-25T10:28:01Z

PARIS, FRANCE-12 mai 2011-chercheurs de l'Institut de Biologie de l'Ecole Normale Supérieure (IBENS) avec une équipe internationale de chercheurs ont publié leurs travaux au sujet d'une nouvelle découverte sur les diatomées marines montrant qu'elles utilisent le cycle de l'urée qui leur permet de métaboliser efficacement le carbone et l'azote présents dans leur environnement. Le papier paraitra le 12 mai dans la prestigieuse revue scientifique Nature. PARIS, FRANCE-12 mai 2011-chercheurs de l'Institut de Biologie de l'Ecole Normale Supérieure (IBENS) avec une équipe internationale de chercheurs ont publié leurs travaux au sujet d'une nouvelle découverte sur les diatomées marines montrant qu'elles utilisent le cycle de l'urée qui leur permet de métaboliser efficacement le carbone et l'azote présents dans leur environnement. Le papier paraitra le 12 mai dans la prestigieuse revue scientifique Nature.

L'équipe de recherche dirigée par un membre de l'EMBO et médaillé d'argent du CNRS en 2010 Chris Bowler de l'IBENS, et le co-auteur Andrew Allen, de l'institut J. Craig Venter à San Diego (JCVI) suggèrent que cela expliquerait la domination des diatomées dans les océans, en particulier après les événements d'upwelling (le mouvement de remontée des eaux profondes riches en éléments nutritifs à la surface). En réponse à ce mouvement océanique, les diatomées sont capables de récupérer plus rapidement de longues périodes de carence en nutriments et de proliférer.

Les diatomées sont des eucaryotes qui ont une carapèce unique à base de silice. Ce sont des organismes clés pour la compréhension des écosystèmes marins et sont en grande partie responsables de la production de carbone et d'oxygène dans l'océan. Plus précisément, la photosynthèse des diatomées est responsable d'environ un cinquième de l'oxygène que nous respirons.

En 2008 Bowler et ses collègues ont séquencé le génome de la première diatomée fusiforme Phaeodactylum tricornutum. Dans ce document, Bowler et ses collaborateurs ont développé de nouvelles méthodes pour déterminer les origines des gènes de diatomées et ont constaté que des centaines de gènes ont une origine bactérienne. L'équipe a également commencé à explorer le métabolisme des nutriments chez les diatomées notamment celui du fer.

S'appuyant sur ce travail, la nouvelle publication par Allen et al continue d'explorer l'histoire évolutive des diatomées, en particulier P. tricornutum, et les mécanismes cellulaires permettant l'utilisation des nutriments dans l'environnement. Cela a conduit à de nouvelles données présentées dans ce document montrant que les diatomées ont un cycle de l'urée fonctionnelle. Ce fut une découverte étonnante car auparavant on pensait que le cycle de l'urée est apparu avec les métazoaires (animaux) où il a joué un rôle important en facilitant un large éventail d'innovations physiologiques chez les vertébrés. Par exemple, la synthèse de l'urée permet une osmorégulation rapide (contrôle des minéraux et des sels dans le sang) chez les animaux comme les requins, les raies et les poissons osseux, et la désintoxication d'ammoniac associée à une rétention d'eau chez les amphibiens et les mammifères. Ce dernier a probablement été une condition préalable pour la vie sur terre et par la suite a donné lieu aux voies biochimiques nécessaires pour un régime riche en protéines. Allen et al ont montré que le cycle de l'urée est en fait apparu des centaines de millions d'années avant l'apparition des métazoaires. L'équipe a utilisé des techniques de l'ARN interférent pour réprimer en partie une enzyme clé du cycle de l'urée chez les diatomées. Alisdair Fernie, co-auteur de l'Institut Max-Planck de physiologie moléculaire des plantes en Allemagne, a analysé le profil des métabolites de diatomées avec et sans un cycle de l'urée défectueux et a trouvé que les métabolites du cycle de l'urée sont essentiels pour le recyclage cellulaires du carbone et de l'azote et facilitent une croissance exponentielle associée à une récupération rapide après une carence nutritionnelle.

Bowler a résumé en disant, "Il semble que le cycle de l'urée des animaux qui est essentiel pour l'exportation cellulaire des déchets de carbone et de l'azote, a été emprunté à un mécanisme ancestral qui a initialement évolué comme mécanisme de recyclage de l'azote et du carbone. C'est une découverte très intéressante et inattendue qui bouleverse notre manière de percevoir les diatomées par rapport aux animaux et aux plantes. Nous devrions peut être les appeler plantimals ! "

Ce travail suggère également que les diatomées ont suivi une voie fondamentalement différente de l'évolution des plantes (des producteurs d'oxygène dominants dans les milieux terrestres), des algues vertes, et d'autres organismes étroitement apparentés. Avant l'acquisition de la capacité à faire de la photosynthèse, les ancêtres des diatomées ont été peut-être plus étroitement liés aux ancêtres des animaux que ceux des plantes. Cette parenté a entraîné chez les diatomées et les animaux le partage de certaines voies biochimiques similaires tel que le cycle de l'urée. Malgré l'utilisation du cycle de l'urée à des fins différentes, les diatomées et les animaux sont liés sur le plan évolutif d'une manière que les animaux et les plantes ne sont pas.

Avec Bowler et Allen et d'autres collègues de l'Ecole Normale Supérieure et JCVI, des chercheurs du Centre de biologie de l'ASCR, l'Institut de parasitologie et de l'Université de Bohême du Sud, République tchèque, l'Institut Max-Planck de physiologie moléculaire des plantes en l'Allemagne, l'Université fédérale de Viçosa, au Brésil et l'Institut d'hydrobiologie de l'Académie chinoise des sciences, ont contribué à ce travail. La recherche a été financée par le projet de la Commission européenne ‘Diatomics', l'Agence Nationale de la Recherche en France, la National Science Foundation aux Etats-Unis, et la République Tchèque Science Foundation.