Organisation spatiale et fonctionnelle des synapses excitatrices à l'échelle nanométrique – NanoDom

L'organisation spatiale et temporelle des récepteurs des neurotransmetteurs dans la membrane post-synaptique est un élément fondamental de la transmission synaptique et donc du traitement de l'information par le cerveau. Les vésicules pré-synaptique contiennent un nombre limité de molécules de glutamate, dont la libération crée un gradient de local glutamate important qui s'estompe rapidement. Comme les récepteurs AMPA (AMPAR) ont une faible affinité pour le glutamate (EC50 dans la gamme du mM), seule une fraction des récepteurs synaptiques sont activées par ce gradient. Bien que la superficie exacte sur laquelle les récepteurs sont activés n'ai jamais été expérimentalement mesuré, des études de modélisation ont estimées que les AMPAR sont activés uniquement à une distance latérale de moins de 100 nm du site de libération de glutamate, soit sur une surface environ 3 à 5 fois plus petite que celle d'une densité post-synaptique complète. Ceci implique que la localisation précise des récepteurs à l'égard des sites de libération du glutamate dans le terminal pré-synaptique est cruciale pour régler la transmission synaptique.
Les récepteurs ne sont pas statiques dans des synapses, mais se déplacent constamment par mouvement Brownien. Plus de la moitié des AMPAR sont mobiles, à des vitesses instantanées supérieures à 0,1 µm/s. Nous avons proposé que ces mouvements rapides servent non seulement à modifier leur nombre, mais permettent aussi le remplacement des récepteurs désensibilisés par des récepteurs naïfs, contribuant ainsi à accélérer la récupération de la dépression après une stimulation à haute fréquence. Des changements physiologiques dans la mobilité des récepteurs contrôlent la réponse en fréquence de la transmission glutamatergique, une propriété qui a été largement ignorée des modèles précédents de la transmission synaptique rapide.
Ces observations justifient ce projet qui vise à comprendre l'arrangement dynamique précis des AMPAR vis-à-vis des sites de libération du glutamate avec une résolution spatio-temporelle de niveau nanométrique et à la milliseconde. Nos résultats préliminaires à l'aide de l'imagerie Super-résolution indiquent que les récepteurs sont concentrés dans des petites nanoagrégats, de moins de 100 nm de diamètre. Nous postulons que ces nanoagrégats de récepteurs post-synaptique peuvent être disposés en regard des sites de fusion de vésicules présynaptiques. La relation physique entre les côtés pré et postsynaptiques d'une synapse impliquent des molécules d'adhésion trans-synaptiques. Les couples d'adhérence neurexin/neuroligin ou neurexin/LRRTM sont de bons candidats pour cette fonction car d'une part, la neurexin interagit avec CASK et ELKS, respectivement impliqués dans la stabilisation des canaux calciques liés aux sites de libération et la machinerie de libération, et d'autre part les neuroligin et LRRTM se lient à la protéine d'échafaudage PSD95 qui est le principal stabilisateur de récepteurs à la post-synapses.
Ce projet associe le groupe Choquet, expert dans le trafic de récepteurs et l'imagerie de Super-résolution, avec le groupe Thoumine, expert en neurexin/neuroligin aux synapses. Les deux groupes ont un excellent bilan individuel et aussi une histoire éprouvée de collaborations productives. Ensemble, ces groupes utiliseront les méthodes d'imagerie Super-résolutive les plus sophistiquées, couplés aux approches d'électrophysiologie et de biologie cellulaire, pour: 1) obtenir une image de l'organisation spatiale et dynamique des éléments clés de la nanomachine de transmission aux synapses glutamatergique, 2) déterminer les interactions moléculaires impliquées dans l'assemblée de nanodomains synaptique et 3) démêler les interactions dynamique entre l'organisation et le fonctionnement des AMPARs. Nos groupes sont dans une position unique pour s'attaquer à ces questions qui auront des répercussions importantes sur notre compréhension de la neurotransmission rapide excitatrice.