Un atlas de la morphologie et de l’organisation nanométrique des synapses par microscopie de super-résolution computationnelle – NANO-SYNATLAS

Les synapses sont des structures micrométriques permettant la communication neuronale et composées d’une multitude de protéines. Leurs changements de structure et de composition moléculaire sous-tendent les fonctions essentielles du cerveau. De par sa position au sein de la synapse, la protéine d'adhésion neuroligine-1 interagit aussi bien avec les partenaires pré- que post-synaptiques. Sa modulation est connue pour perturber des interactions protéine-protéine spécifiques. Identifier les changements résultant de perturbations physiologiques au sein de la morphologie des synapses, et les corréler avec ceux subis par la distribution nanométrique des protéines, est essentiel afin d’acquérir une meilleure compréhension du fonctionnement de la synapse.

Nous avons récemment mis au point une plateforme innovante de nanoscopie corrélative permettant, sur le même échantillon biologique vivant, d’imager séquentiellement en microscopie à localisation de molécules uniques (SMLM) et en microscopie de super-résolution dans l'espace extracellulaire (SUSHI-STED). La SMLM permet de localiser les protéines avec une résolution spatiale allant jusqu'à quelques nanomètres, tandis que le SUSHI-STED est une technique volumétrique adaptée pour imager la morphologie cellulaire à l'échelle nanométrique. Cette approche corrélative permet de cartographier l'organisation et la dynamique des protéines directement dans la morphologie des compartiments pré- et post-synaptiques. Cependant, plusieurs défis restent à relever : i) acquérir 2 couleurs en SMLM est actuellement limité, ii) les images SUSHI-STED sont difficiles à segmenter et iii) la corrélation, l'intégration et l'analyse des données quantitatives de SMLM et SUSHI-STED nécessitent de nombreuses interactions manuelles.

NANO-SYNATLAS vise à répondre à ces insuffisances en combinant i- notre plate-forme de nanoscopie corrélative avec ii- des marquages multicolores novateurs des protéines synaptiques ; iii- des manipulations génétiques, optiques ou pharmacologiques des composants synaptiques ; et iv- des méthodes de segmentation et d’analyse quantitative avancées.

Pour garantir un marquage efficace des protéines peuplant la fente synaptique, nous utiliserons une version monomère de la streptavidine qui affiche une petite taille (3 nm) et est compatible avec la microscopie à super-résolution en 2 couleurs. Trois stratégies induisant des modifications physiologiques au sein des synapses seront utilisées : i) des manipulations génétiques et ii) un contrôle optogenetique de la NLG1 ; et iii) des protocoles chimiques induisant une potentialisation ou une dépression à long terme. Notre plateforme corrélative permettra d’acquérir la morphologie des synapses combinées aux données de (co)organisation et de dynamique des protéines synaptiques clés (adhésion, échafaudage, cytosquelette), et ce pour toutes les conditions biologiques proposées. L'apprentissage profond, le traitement de la géométrie et la paramétrisation permettront la segmentation et la classification automatiques des synapses à partir des images SUSHI-STED. En parallèle, les agrégats et trajectoires des molécules seront extraits des données SMLM. Pour chaque condition, un modèle analytique unique de la synapse sera créé en projetant toutes les synapses SUSHI-STED segmentées et les quantifications SMLM. Chaque modèle représentera un atlas catégorisant les divers états de la synapse en termes de morphologie et de structure interne. Leur comparaison permettra de mieux comprendre comment les interactions protéine-protéine spécifiques régulent la dynamique et l'organisation des synapses.

Le consortium est composé des équipes "Imagerie quantitative de la cellule" (F. Levet/JB. Sibarita) et "Molécules d'adhérence cellulaire dans l'assemblage synaptique " (O. Thoumine) et offre une stratégie unique visant à intégrer nos compétences combinées pour le développement d’une nouvelle génération d'outils quantitatifs pour la biologie des synapses.