Modélisation biophysique de la dynamique et régulation de taille de synapses inhibitrices – SynapSIZE

Des modifications synaptiques en fonction du développement et de l'activité sont considérées être à la base de l'apprentissage et de la mémoire. Or, les synapses sont des structures microscopiques qui ne contiennent souvent que des dizaines ou des centaines de récepteurs de neurotransmetteurs responsables de la transmission synaptique, et qui sont donc exposées à des fluctuations moléculaires. Comment les synapses peuvent-elles résister à des modifications accidentelles tout en restant sensibles à l'activité neuronale qui entraîne des changements plastiques ? Pour y répondre, il est nécessaire de comprendre les mécanismes biophysiques qui régissent l'accumulation des récepteurs de neurotransmetteurs dans les domaines synaptiques et contrôlent leur taille. Nous nous concentrons ici sur les domaines postsynaptiques inhibiteurs (iPSD), dont la composition moléculaire et la morphologie sont moins complexes que celles des synapses excitatrices, mais qui partagent de nombreux principes d'organisation. Les iPSD glycinergiques de la moelle épinière et du tronc cérébral sont constitués de récepteurs de la glycine (GlyR) qui sont concentrés à la synapse par des interactions avec la géphyrine, la principale protéine d'échafaudage des synapses inhibitrices. Dans le cortex, la transmission inhibitrice repose principalement sur les synapses GABAergiques, qui jouent un rôle important dans le stockage de l'information. Plusieurs neuropathologies ont été liées à un dysfonctionnement de la transmission synaptique GABA- et glycinergique. Des questions restent ouvertes sur les mécanismes biophysiques qui régissent quantitativement la dynamique de la taille des synapses inhibitrices :
(1) Comment la taille des synapses et leur stabilité face aux perturbations sont-elles maintenues et quels sont les paramètres biophysiques pertinents ?
(2) Quels mécanismes régulent l'organisation spatiale des récepteurs synaptiques et extrasynaptiques, et quelles sont les implications pour le « cross-talk » entre synapses voisines ?
(3) Quelles sont les « leviers » biophysiques qui permettent des modifications plastiques des synapses, et comment sont-ils liés aux voies connues de la plasticité inhibitrice ?
Nous aborderons ces questions en combinant la modélisation biophysique détaillée des iPSD et l'imagerie quantitative et dynamique des GlyRs, des GABAARs et de la géphyrine des synapses inhibitrices dans des cultures de moelle épinière et d'hippocampe. Le projet sera structuré en trois parties :
(i) Conception du modèle, basé sur des particules, de la dynamique combinée des récepteurs et des protéines d'échafaudage à la membrane postsynaptique et extrasynaptique,
(ii) Des expériences d'imagerie pour quantifier la diffusion, l’agrégation et la cinétique d'échange des récepteurs et de la géphyrine en utilisant la microscopie conventionnelle (FRAP) et la microscopie de localisation à molécule unique (SMLM), et
(iii) L'application des prédictions du modèle de la composition et de la dynamique perturbées de l'iPSD dans des conditions pharmacologiques et pathologiques. Pour ce faire, nous testerons les effets des stéroïdes neuroactifs utilisés cliniquement pour le traitement des troubles de l'humeur, ainsi que les auto-anticorps du récepteur GABAA qui déclenchent des phénotypes neuropsychiatriques chez les patients.
Notre approche interdisciplinaire nous permettra de concevoir des expériences ciblées basées sur les prédictions du modèle et de fonder notre modélisation sur des données expérimentales. Un modèle quantitatif des iPSD qui tient compte de la dynamique spatio-temporelle couplée des différents sous-types de récepteurs et de la géphyrine nous permettra de développer une compréhension mécaniste des fluctuations du nombre de protéines synaptiques, de leur organisation spatiale subsynaptique, ainsi que des effets des formes physiologiques et pathologique de la plasticité synaptique.