Regulation of energy metabolism associated with the effect of brain-derived neurotrophic factor on the differentiation of cortical neurons

THESIS SUMMARY Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) promotes the survival as well as the biochemical and morphological differentiation of selective populations of neurons during development. Although the physiological effects of BDNF have been well characterized over the last years, little is known regarding the regulation of energy metabolism associated with the promotion of neuronal differentiation by BDNF. In this study, I examined the energy requirements associated with the effects of BDNF on neuronal differentiation. As glucose is the preferred energy substrate in the brain, the effects of BDNF on glucose utilization were investigated in developing cortical neurons. Results revealed that BDNF increases glucose utilization and the expression of the neuronal glucose transporter GLUT3. Stimulation of glucose utilization by BDNF was shown to result from the activation of Na+,K+-ATPase through an increase in Na+ influx caused by the enhancement of Na+- dependent amino acid transport. The increased Na+ dependent amino acid uptake by BDNF was mediated by the amino acid transport System A, the major transport system responsible for the uptake of neutral amino acids. In addition, BDNF was shown to upregulate the expression of SNAT1, the neuronal System A transporter isoform. The increased Na+- dependent amino acid uptake was followed by an enhancement of overall protein synthesis associated with the differentiation of cortical neurons by BDNF. Consistent with this observation, stimulation of System A transport activity was found to be required for increasing the number of dendritic branch points following short tefin exposure of cortical neurons to BDNF. Together, these results demonstrate that BDNF stimulates glucose utilization in response to an enhanced energy demand resulting from increases in amino acid uptake necessary for the rise in protein synthesis associated with the promotion of neuronal differentiation by BDNF. More generally, these data increase our understanding of the cellular and molecular mechanisms by which BDNF regulates neuronal metabolism associated with the differentiation of cortical neurons. RESUME DU TRAVAIL DE THESE Le facteur neurotrophique BDNF (Brain-derived neurotrophic factor) favorise la survie ainsi que la différenciation de certaines populations neuronales au cours du développement. Bien que les effets du BDNF sur la différenciation biochimique et morphologique des neurones corticaux soient bien établis, nos connaissances concernant la régulation du métabolisme énergétique associée à ces effets restent très fragmentaires. Au cours de mon travail de thèse, j'ai donc étudié les changements des besoins énergétiques qui découlent de la stimulation de la différenciation neuronale par le BDNF. Etant donné que le glucose est le substrat énergétique préférentiel du cerveau, j'ai étudié la régulation de l'utilisation du glucose par le BDNF dans des neurones corticaux en culture. Les résultats que j'ai obtenus montrent que le BDNF augmente l'utilisation du glucose et l'expression de GLUT3, qui est l'isoforme neuronale du transporteur au glucose. La stimulation de l'utilisation du glucose par le BDNF résulte de l'activation de la Na, K+- ATPase suite à l'augmentation de l'influx de Na + dans les neurones corticaux. Cette augmentation de l'entrée de Na + provient de la stimulation par le BDNF du co-transport Ne- acides aminés via le Système A, qui est le principal transporteur responsable de la capture d'acides aminés neutres par les cellules. Par ailleurs, le BDNF augmente l'expression de SNAT1, qui est l'isoforme neuronale des transporteurs appartenant au Système A. La stimulation du co-transport Ne-acides aminés par le BDNF est suivie d'une augmentation de la synthèse globale des protéines associée à la différenciation des neurones corticaux. En relation avec cette observation, j'ai pu montrer que la stimulation du transport d'acides aminés par l'intermédiaire du Système A contribue à l'augmentation du nombre de branchements dendritiques des neurones corticaux suite à la stimulation par le BDNF. L'ensemble de ces résultats met en évidence que le BDNF stimule l'utilisation de glucose par les neurones corticaux suite à un besoin énergétique accru provenant de l'augmentation du transport d'acides aminés nécessaire à la synthèse protéique associée à la différenciation des neurones corticaux par le BDNF. De manière plus générale, cette étude améliore notre compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires par lesquels le BDNF régule le métabolisme neuronal au cours de la différenciation des neurones corticaux induite par ce facteur neurotrophique