Contribution of the potassium / chloride cotransporter KCC2 to hippocampal rhythmopathy Marie Goutierre To cite this version: Marie Goutierre. Contribution of the potassium / chloride cotransporter KCC2 to hippocampal rhythmopathy. Neurobiology. Sorbonne Université, 2018. English. NNT : 2018SORUS600. tel- 02613734 HAL Id: tel-02613734 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02613734 Submitted on 20 May 2020 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Sorbonne Université Ecole doctorale n°158 - Cerveau Cognition Comportement - Institut du Fer à Moulin Equipe « Plasticité des réseaux corticaux et épilepsie » Contribution of the potassium / chloride cotransporter KCC2 to hippocampal rhythmopathy. Implication du transporteur potassium / chlore KCC2 dans la rythmopathie hippocampique. Par Marie GOUTIERRE Thèse de doctorat de Neurosciences Dirigée par Dr Jean-Christophe PONCER Présentée et soutenue publiquement le 28 juin 2018 Devant un jury composé de : Pr Ann LOHOF Présidente du jury Pr Claudio RIVERA Rapporteur Pr Andrew TREVELYAN Rapporteur Dr Lisa ROUX Examinateur Dr Corentin LE MAGUERESSE Examinateur Dr Jean-Christophe PONCER Directeur de thèse ABSTRACT In the CNS, synaptic release of the neurotransmitter GABA is responsible for fast inhibitory transmission. This is predominatly mediated by chloride flow through GABAA receptors. Hence, tight control of chloride homeostasis is critical for maintaing the efficacy of GABAergic transmission. In mature neurons, this is primarily achieved by the activity of the potassium- chloride cotransporter KCC2, which usually acts to extrude intracellular chloride and potassium ions. Expression of KCC2 however is compromised in numerous neurological disorders including epilepsy, Rett syndrome or neuropathic pain. Subsequent defects in GABA signaling through alteration of transmembrane chloride gradients are thought to underlie the pathological symptoms associated with these conditions. However, KCC2 is also highly expressed in dendritic spines where it plays a major role in controling the efficacy and gating the long-term plasticity of glutamatergic synapses. Remarkably, these functions are independent of chloride transport but instead involve KCC2 interaction with several protein partners. Hence, KCC2 can be classified as a moonlightning protein with multiple functions at excitatory and inhibitory synapses, thereby complicating predictions of the overall effect of its suppression on network activity. During my PhD, I characterized the effects of a chronic downregulation of KCC2 in the rat dentate gyrus at the cellular and synaptic levels as well as on the hippocampal network activity in vivo. Unexpectedly, lack of KCC2 did not impact steady-state GABAergic transmission. In contrast, my work shed light on a novel critical role of KCC2 in controling neuronal excitability through interaction with the leak-potassium channel Task-3 (KCNK9). This in turn alters hippocampal rhythmogenesis independently of GABA signaling. My results thus reveal a novel mechanism through which KCC2 influences neuronal activity separately of its ion transport function. They predict that pathological conditions associated with KCC2 downregulation may be at least partly explained by altered neuronal excitability and point to Task-3 as a new potential therapeutic target in these disorders. i ii RÉSUMÉ Dans le système nerveux central, la transmission inhibitrice est principalement assurée par la libération synaptique du neurotransmetteur GABA. La fixation du GABA aux récepteurs GABAA induit en effet un flux entrant d’ions chlorure, résultant en une hyperpolarisation du neurone. Le maintien d’une faible concentration intraneuronale en chlore est donc essentielle à l’action inhibitrice du GABA. Dans les neurones matures, cette fonction est principalement réalisée par l’activité du cotransporteur potassium-chlore KCC2, qui à l’état basal exporte les ions chlorure et potassium vers le milieu extracellulaire. De nombreuses affections neurologiques, telles que l’épilepsie, le syndrome de Rett ou encore les douleurs neuropathiques, sont associées à une diminution de l’expression de KCC2. Un déficit de transmission GABAergique dû à une altération des gradients transmembranaires d’ions chlorure sont généralement invoqués pour rendre compte des symptômes associés à ces affections. Cependant, KCC2 est également fortement exprimé dans les épines dendritiques des neurones corticaux. Sa présence à proximité de la densité postsynaptique influence l’efficacité mais également la plasticité à long terme des synapses glutamatergiques. Ces fonctions inattendues de KCC2 au niveau des synapses excitatrices ne reposent pas sur sa fonction de transport ionique mais impliquent au contraire des interactions avec divers partenaires protéiques. Ainsi, le transporteur KCC2 possède de multiple fonctions et régule différemment les transmissions excitatrice et inhibitrice. Ceci complique la prédiction de l’effet net d’une suppression de KCC2 sur l’activité d’un réseau neuronal dans la pathologie. Durant ma thèse, j’ai caractérisé les effets d’une suppression chronique de KCC2 dans le gyrus dentelé chez le rat adulte au niveau cellulaire, synaptique et de l’activité du réseau hippocampique in vivo. De façon inattendue, j’ai montré que la suppression de KCC2 n’entraînait pas de modifications majeures de la transmission GABAergique. En revanche, j’ai mis en évidence un nouveau mécanisme indépendant du transport ionique par lequel KCC2 contrôle l’excitabilité neuronale et la rythmogénèse hippocampique à travers son interaction avec le canal potassique de fuite Task-3 (KNCK9). Mes résultats prédisent que les déficits associés à une suppression de KCC2 dans la pathologie pourraient être en partie expliqués par cet effet sur l’excitabilité neuronale. Ils suggèrent également que Task-3 pourrait constituer une nouvelle cible thérapeutique dans le traitement des affections impliquant la suppression de KCC2. iii iv ACKNOWLEDGMENTS First of all, I would like to warmly thank all the members of my jury who agreed to review and evaluate my work : Andrew Trevelyan, Claudio Rivera, Lisa Roux, Ann Lohof and Corentin Le Magueresse. I’m looking forward to discussing it with you on the 28th of June. I also want to thank Clément Léna, Jean-Antoine Girault and Etienne Audinat, who were part of my thesis committee and helped us shape this project through the years. Mes plus profonds et plus sincères remerciements sont évidemment pour toi, Jean- Christophe. Tu me pardonneras, je l’espère, mon caractère têtu, ma susceptibilité face aux remarques, mon côté “dernière minute” qui t’a causé bien des stress et une certaine tendance à faire passer les projets des autres avant les miens… En même temps, tu savais déjà à quoi t’en tenir lorsque tu m’as proposé de faire une thèse avec toi ! Ça fait, en effet, maintenant plus que 8 ans qu’on se connaît, 8 années pendant lesquelles tu m’as fait grandir à la fois scientifiquement et humainement. Merci pour ta disponibilité, ta patience, ta confiance en moi. Ma thèse ne serait pas ce qu’elle est si tu ne m’avais poussé et encouragé comme tu l’as fait ! Au travers de nos (nombreuses) conversations scientifiques, tu m’as appris la rigueur du raisonnement et m’as montré comment on pense et construit un projet de recherche. Au-delà de la science, merci pour ton attention à l’humain et au bien-être de chacun. Combien de fois ne m’as-tu pas dit “fais attention à toi” lorsque tu notais une certaine fatigue ou “est-ce que tout va bien, que puis-je faire pour toi ?” dans des périodes un peu difficiles ! Un merci tout spécial pour ton soutien au cours de ces derniers mois si intenses. Enfin, merci pour toutes ces discussions extra-scientifiques que nous avons pu avoir ensemble : elles ont été source d’enrichissement pour moi, et j’espère que la réciproque est un peu vraie ! Un petit mot également pour la responsable de la partie Nord de l’équipe. Sabine, merci pour ton enthousiasme scientifique et pour ton attention personnelle à chacun de nous. Scientifiquement, nos intérêts sont pour le moins éloignés mais cela ne nous a jamais empêchés d’échanger sur nos projets et je crois que c’est cette diversité qui fait la richesse de l’équipe. Quatre années de thèse, c’est du temps partagé avec de nombreux collègues : pauses déjeuners / thé / bière, discussions autours de nos projets (scientifiques et personnels), autant de moments essentiels dans le quotidien. Un merci particulier pour Quentin : finalement, c’est de ton observation qu’est né tout mon projet donc je te suis sacrément redevable ! Merci aussi à mes premiers voisins de bureau : v Martin (le calme et la sérénité incarné), Emmanuel (pour ton accueil et tes partages de chocolat noir) et Eric (l’expert en électrophysiologie). Merci Ferran et Jessica (la team adénosine) pour votre gentillesse et votre simplicité, et aussi pour avoir su faire découvrir à l’équipe que, non, il n’y a pas que KCC2 dans la vie ! Marion, ma complice des pauses thé, merci pour tous ces temps de partage ensemble. Sana, merci pour