Faculté des sciences

Identification of genes differentially expressed upon cocaine treatment and of new rat semaphorins

Brenz Verca-Kouznetsova, Maria ; Dreyer, Jean-Luc (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg : 2000 ; no 1329.

Au niveau comportmental la dépendance est définie comme un désir compulsif de prendre de la drogue avec perte de controle d’actes apparemment volontaires comme la recherche et la consommation de stupéfiants. Au niveau neuronal les stupéfiants provoquent deux types de réponses: des adaptations neuronales, c'est-à-dire des réponses homeostatiques à une stimulation excessive, et la... Plus

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    Résumé
    Au niveau comportmental la dépendance est définie comme un désir compulsif de prendre de la drogue avec perte de controle d’actes apparemment volontaires comme la recherche et la consommation de stupéfiants. Au niveau neuronal les stupéfiants provoquent deux types de réponses: des adaptations neuronales, c'est-à-dire des réponses homeostatiques à une stimulation excessive, et la plasticité synaptique. Au niveau moleculaire ces deux effets sont liés à des changements simultanés du mode d'expression de gènes dans le système dopaminergique mésolimbique. Les gènes différentiellement exprimés après traitement aux drogues, comprennent des facteurs de la transcription, des neurotransmetteurs, et des molecules de guidance axonale. Une image détaillée des changements d'expression genique est nécessaire pour disséquer le rôle des différentes molécules dans le développement des diverses phases temporelles et fonctionnelles associées à la dépendance. C'est pourquoi, dans l'étude présente, on a effectué la recherche des gènes différentiellement exprimés après traitement aigu à la cocaine et après retrait, dans trois régions du cerveau: le striatum, le tegmentum et l'hippocampe. Deux modifications de la méthode de display différentiel de mARN ont été introduites, permettant, premièrement, d'augmenter la reproductibilité et de faciliter le maniement de la méthode, et deuxièmement, d'effectuer une recherche spécifique de sémaphorines, une famille des molécules de guidance axonale. Les gènes exprimés différentiellement representent une large palette de candidats aux charactéristiques fonctionnelles diverses, illustrant la complexité et la variabilité des changements neuroplastiques induits par un traitement à un psychostimulant dans le cerveau. En particulier, nous avouns trouvé que le CD81, une tetraspanine, est surexprimé dans le noyau accumbens après treatment à la cocaine. Une étude par hybridisation in situ a permis de localizer le mARN de CD81 dans des régions du cerveau fonctionnellement liées à la régulation de la fonction cardiovasculaire et de l'homéostase des fluides. La plupart de ces régions expriment aussi le neuropeptide galanine. En plus, les souris déficientes pour le gène du CD81, démontraient des changements de la sensibilité à la cocaine, variables selon le sexe, ainsi que des modifications du métabolisme de la dopamine. En outre, nous avons montré qu’une proteine, liée aux processus neurodegeneratifs dans le cerveau, la g-synucleine, était sur-exprimée dans le tegmentum après traitement à la cocaine, ce qui suggère un lien entre les changements neuroplastiques liées à la neurodégénérescence et la dépendance. Finalement, un nouveau membre de la famille des sémaphorines de vertebrés et cinq orthologues de sémaphorines des classes 3,4 et 7 chez le rat, ont été identifiés, alors que l'application de la nouvelle méthode du Display Différentiel Enrichi que nous avons developpé a permis de démontrer la régulation différentielle des sémaphorines dans diverses régions du cerveau après traitement à la cocaine.
    Summary
    At the behavioral level drug addiction is defined as compulsion to take a drug with loss of control over apparently voluntary acts of drug seeking and drug taking. At the neuronal level drugs elicit two types of responses: neuronal adaptations, i.e. homeostatic responses to excessive stimulation, and synaptic plasticity. At the molecular level both processes are paralleled by changes in gene expression pattern in the mesolimbic dopaminergic system. The genes differentially expressed upon drug treatment include transcription factors, neurotransmitter and axon guidance cues. The detailed picture of gene expression changes is necessary in order to dissect the role of different molecules in the development of the distinct temporal and functional phases of drug addiction. Therefore, in the present study the screening for differentially expressed genes upon acute cocaine withdrawal was performed in three brain regions: the striatum, the tegmentum and the hippocampus. Two modifications of differential display of mRNA were introduced allowing first for increased reproducibility and easy handling of the method, and second for a gene-specific screening for the semaphorins, a family of axon guidance cues. The differentially expressed candidates displayed a high range of functional characteristics, illustrating the complexity and the variability of neuroplastic changes induced in the brain by psychostimulant treatment. In particular, CD81, a tetraspanin, was found to be overexpressed in the nucleus accumbens upon cocaine treatment. In situ hybridization studies allowed for localization of CD81 mRNA in the brain regions functionally related to the regulation of cardiovascular function and fluid homeostasis, most of them also expressing the neuropeptide galanin. In addition, CD81-deficient mice exhibited sex-dependent altered sensitivity to cocaine, as well as modified dopamine metabolism. One protein related to neurodegenerative processes in the brain, g-synuclein, was found to be overexpressed in the tegmentum upon cocaine treatment, suggesting a link between the neuroplasticity changes related to neural degeneration and drug addiction. Finally, one new vertebrate member of the semaphorin family and five novel rat orthologues of class 3, 4 and 7 semaphorins have been identified, whereas the application of newly developed method of Enriched Differential Display allowed for finding of semaphorin differential regulation in various brain regions upon cocaine treatment.