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Role de l’activité neuronale et des molécules d’adhésion synaptique neurexines et neuroligines dans la différentiation et la spécificité synaptique – SynSpe

Mécanismes moléculaires de la formation de connexions neuronales spécifiques

Nous étudions le rôle de l'activité neuronale et des molécules d'adhésion neurexine et neuroligine dans la formation de connexions spécifiques et fonctionnelles. L'un des enjeux importants est de comprendre l'étiologie de maladies telles que l'autisme ou la schizophrénie, caractérisées par des troubles sévères d'interactions sociables.

Mécanismes de la spécification moléculaire et fonctionnelle des synapses

Comprendre comment les nombreuses connexions neuronales (ou synapses) se forment et se différentient les unes des autres pour traiter des informations complexes dans le cerveau représente un enjeu majeur en neurobiologie. De manière très frappante, des anomalies même subtiles de l’organisation synaptique peuvent conduire à des maladies telles que l’autisme ou la schizophrénie, qui se caractérisent par des déficits importants d’interactions sociales. Ces troubles se développent à des stades tardifs du développement, lorsque les synapses se forment et se stabilisent ; elles n’affectent donc pas l’organisation générale du cerveau et leur diagnostique s’avère généralement difficile. Comprendre l’étiologie de telles maladies nécessite donc une investigation en profondeur des mécanismes du développement synaptique. Les études réalisées jusqu’à présent dans plusieurs laboratoires montrent que les molécules d'adhésions permettant la reconnaissance des partenaires synaptiques, tout comme l’activité, jouent un rôle à la fois subtil et critique dans la formation des circuits synaptiques spécifiques dans le système nerveux central. Bien qu’elles ne soient ni l’une ni l’autre complètement indispensables à la formation de connexions synaptiques, ces études suggèrent qu’elles régulent conjointement les processus de sélection synaptique, de différentiation et de stabilisation synaptique. Leurs rôles respectifs et la façon dont des deux paramètres importants interagissent et s’influencent mutuellement au cours des différentes étapes du développement restent à établir. C’est ce que nous nous proposons de faire dans ce projet de recherche en nous concentrant sur l'adhésion synaptique entre neurexines présynaptiques et neuroligines postsynaptiques, des protéines impliquées dans le développement synaptique et pour lesquelles des mutations liées à l'autisme ou la shcizophrénie ont été trouvées.

Notre approche consiste à manipuler l’activité des neurones ainsi que la fonction/l'expression des molécules d'adhésion, de façon globale ou localisée (dans l’un ou l’autre des partenaires synaptiques), de façon chronique ou aiguë. Nous utilisons pour cela des outils de biologie moléculaire (expression de protéines mutées), optogénétiques (activation par la lumière de connexions neuronales individuelles), pharmacologiques ou chimiques. Nous regardons les conséquences morphologiques, structurales et fonctionnelles de ces manipulations à l’aide de techniques d’électrophysiologie, d’imagerie conventionnelle (visualisation de protéines synaptiques) et d’imagerie super-resolutive (permettant par exemple de suivre des molécules individuelles). Ces expériences sont effectuées dans des modèles de cultures primaires et/ou des tranches organotypiques d’hippocampe.

Nos travaux nous ont permis d'identifier une signalisation post-synaptique affectant les neuroligines et qui pourrait de façon critique déterminer l'identité fonctionnelle (excitatrice ou inhibitrice) des connexions en train de se former. Nos résultats montrent que la phosphorylation d'un unique résidu tyrosine dans le domaine intracellulaire de la neuroligine-1, suffit à déterminer le type de transmission synaptique excitateur ou inhibiteur dans les réseaux de l'hippocampe. Nous montrons que la mutation ponctuelle Nlg1Y782A, qui mime l'effet d'une phosphorylation constitutive en induisant le recrutement d'une protéine d'échafaudage excitatrice, PSD-95, favorise fortement la différenciation glutamatergique. En revanche, la mutation Nlg1Y782F qui favorise le recrutement d'une protéine d'échafaudage inhibitrice, la géphyrine favorise la différentiation inhibitrice. Nous avions précédemment montré que l'adhésion neurexine / neuroligin déclenche la phosphorylation de ce résidu et conduit au recrutement de la PSD-95. Par conséquent, nous proposons que ce mécanisme de phosphorylation contribue au contrôle de l'équilibre entre excitation et inhibition, un paramètre fondamental pour le bon fonctionnement des circuits neuronaux.

Étant donné que neurexines et neuroligines ont été associés à des troubles du développement tels que l'autisme et la schizophrénie, caractérisées par un déséquilbre entre excitation et inhibition, une meilleure compréhension de ce mécanisme de phosphorylation devrait permettre de mieux comprendre leur étiologie et d'envisager de nouvelles stratégies thérapeutiques. Nos efforts actuels visent à identifier la tyrosine kinase (s ) impliquée dans ce mécanisme et à tester le rôle potentiel de l'activité neuronale.

Des résultats de ce travail ont été communiqués au congrès organisé à Montpellier par la Société Françaises des Neurosciences (2015).

CONTEXTE: Les neurones sont des cellules complexes dont les connexions assurent le traitement rapide de l’information dans le cerveau, responsable de l’exécution de commandes motrices, des processus cognitifs mais aussi de l’apprentissage et de la mémoire. Pour assurer ces fonctions cruciales de l’organisme, le cerveau peut compter sur ses dizaines de millions de neurones formant entre eux des milliers de milliards de synapses. La fonction et la spécificité de ces connexions sont affectés dans un grand nombre de maladies neurologiques et leur rôle important est souligné par le fait que même des dysfonctionnements subtils de l’organisation et de la fonction synaptique peuvent conduire à des désordres cognitifs sévères tels que l’autisme ou la schizophrénie, tous deux caractérisés par des signes cliniques complexes associés à de profondes difficultés d’interactions sociales. Dès lors, comprendre l’étiologie de telles maladies requiert une exploration approfondie et fine des mécanismes responsables de la formation de circuits neuronaux spécifiques et fonctionnels. De précédentes études ont montré le rôle fondamental de l’activité neuronale mais aussi des molécules d’adhésion synaptique dans l’émergence et la stabilisation de synapses spécifiques. Cependant, la façon dont ces deux paramètres importants interagissent et s’influencent l'un l'autre pendant le développement pour stabiliser ou déstabiliser les synapses de façon spécifiques demeure obscure. Le projet que je propose ici vise à étudier ce problème en rejoignant l'équipe de recherche dirigée par O. Thoumine (Institut Interdisciplinaire des Neurosciences, Bordeaux) et en prenant avantage de nos compétences et connaissances complémentaires en électrophysiologie (patch-clamp), modèles de réseaux de neurones (tranches d'hippocampe, cultures primaires) et techniques d'imagerie (imagerie calcique, imagerie super-resolutive, etc.).

OBJECTIVES: Dans ce projet, je propose d’étudier le rôle de l’interaction entre adhésion synaptique et activité neuronale dans le contrôle de la spécificité des connexions synaptiques et de leurs fonctions au travers de quelques processus clés intervenant pendant le développement des circuits synaptiques de l’hippocampe :

1/ Comment les neurones choisissent-ils les partenaires avec lesquels ils vont former des synapses? Comment un axone “sait” qu’il doit former une synapse avec le neurone avec lequel il est entré en contact?
Nous étudierons le rôle de l’activité précoce et de l’adhésion trans-cellulaire induite par les neurexines et neuroligines dans le processus de sélection et de reconnaissance des partenaires synaptiques. Nous utiliserons des tranches d’hippocampe en culture dans lesquelles nous décrirons les interactions morphologiques ainsi que les signaux calciques au moyen de techniques d’imagerie hautement résolutives.

2/ Après la phase de reconnaissance et la sélection des contacts appropriés, quels sont les mécanismes permettant leur différentiation en synapses assurant des fonctions spécifiques?
Nous étudierons le rôle des signalisations intracellulaires induites par les molécules d’adhésion neurexines et neuroligines dans le recrutement d’assemblages moléculaires spécifiques impliqués dans la transmission synaptique excitatrice ou inhibitrice.

3/ Quels sont les mécanismes permettant de contrôler individuellement les milliers de synapses formées sur un même neurone ?
Nous tenterons d’apporter des éléments de réponse en (1) étudiant le rôle des micro-RNAs dans la régulation de la traduction locale (synapse-spécifique) de récepteurs glutamatergique (collaboration avec M. Landry) et (2) en explorant le rôle de l’activité synaptique locale et de l’adhésion synaptique dans le contrôle de la compétition entre synapses voisines.

CONCLUSION/OBJECTIFS A LONG-TERME: Ce projet devrait contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de la formation et de la spécification des connexions neuronales pendant le développement du cerveau.

Coordinateur du projet

Institut Interdisciplinaire de NeuroSciences (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Institut Interdisciplinaire de NeuroSciences

Aide de l'ANR 337 400 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2013 - 48 Mois

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