Impact des bloqueurs de canal ouvert sur la dynamique et l'organisation de surface des récepteurs NMDA

Impact of open channel blockers on the surface dynamics and organization of NMDA receptors

• Auteur / Autrice : Alexandra Fernandes
• Direction : Julien Dupuis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 10/11/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Interdisciplinaire de Neurosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Sans
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Dupuis, Nathalie Sans, Paul De Koninck, Sabine Lévi, Ana Luisa Carvalho
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul De Koninck, Sabine Lévi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maladies neurologiques

Localisation cérébrale

Récepteurs du glutamate

Récepteurs NMDA

Mots clés libres

Dynamique de surface

Nano-Organisation

Récepteurs NMDA

Surface dynamics

Nano-Organization

NMDA receptors

Résumé

Les récepteurs du glutamate N-méthyl-D-aspartate (RNMDA) sont des acteurs clés de la transmission synaptique excitatrice, de la plasticité synaptique et des fonctions cérébrales supérieures telles que la formation de la mémoire et l'apprentissage. En conséquence, les dysfonctionnements NMDAR sont associés à des maladies neuropsychiatriques sévères et des investissements importants ont été réalisés pour développer des modulateurs de l'activité NMDAR en vue d’applications cliniques. Si certains antagonistes des RNMDA comme la kétamine (anesthésique, antidépresseur) ou la mémantine (prescrite dans le traitement de la maladie d'Alzheimer) se sont avérés d'une grande valeur médicale, leur utilisation clinique est souvent limitée par des effets indésirables graves (ex.: états psychotiques induits par la kétamine) et plusieurs questions concernant leur mode d'action - y compris pourquoi certains antagonistes présentent des propriétés psychoactives alors que d'autres non - restent sans réponse. De nombreuses données suggèrent qu'au-delà de leur fonction de canal, la signalisation RNMDA physiologique et pathologique peuvent impliquer des voies non canoniques indépendantes du flux ionique. En utilisant une combinaison d'approches d'épifluorescence, de FRET-FLIM, de biochimie et de microscopie de localisation de molécule unique, nous avons étudié l'impact des antagonistes RNMDA compétitifs (D-AP5, CPP) et non-compétitifs (MK-801, kétamine, mémantine) sur les propriétés, la redistribution et l’organisation nanométrique des RNMDA de surface et de leurs partenaires cytosoliques dans les neurones d'hippocampe. Nous avons constaté que si tous les antagonistes produisent une inhibition comparable de l'activité ionotrope des récepteurs, l'exposition aux bloqueurs psychomimétiques MK-801 et kétamine déclenche sélectivement des changements de conformation des RNMDA. Ces réarrangements conformationnels sont associés à une diminution de la diffusion de surface et à une augmentation du temps de résidence des récepteurs aux synapses, suggérant que le MK-801 et la kétamine accroissent l'ancrage synaptique des RNMDA. Bien que l'exposition aux drogues (1h) ne modifie pas l'abondance globale des récepteurs aux synapses, l'imagerie de super-résolution révèle des réorganisations nanométriques profondes et antagoniste-spécifiques des clusters de RNMDA synaptiques, une exposition à l'antagoniste compétitif D-AP5 entraînant une réduction de la taille et une augmentation de la densité des nanodomaines de récepteurs tandis que l'inhibition par les bloqueurs psychotomimétiques non compétitifs MK-801 et kétamine déclenche un élargissement des nanodomaines récepteurs, et que l'exposition à la mémantine provoque la fragmentation de ces nanodomaines. De plus, nous avons constaté que le MK-801 et la kétamine augmentent de manière sélective la mobilité de la protéine kinase Ca2+/calmoduline-dépendante (CaMKII) dans les épines dendritiques via un mode d'action qui repose sur l'interaction directe entre les deux partenaires, suggérant que les redistributions des récepteurs induites par les antagonistes pourraient avoir un impact sur la dynamique intracellulaire et l'organisation des partenaires de signalisation en aval des RNMDA. Dans l'ensemble, nos résultats montrent qu'en plus de l'inhibition des flux ioniques à travers les récepteurs, les antagonistes compétitifs et non compétitifs ont un impact différent sur la dynamique de surface et l'organisation sous-synaptique des NMDAR, et suggèrent que les bloqueurs psychoactifs MK-801 et kétamine peuvent agir sur la fonction des récepteurs via des réarrangements non-canoniques de l'organisation des complexes de signalisation RNMDA.

N-Methyl-D-Aspartate glutamate receptors (NMDAR) are key actors of excitatory synaptic transmission, synaptic plasticity and higher brain functions such as memory formation and learning. As a consequence, NMDAR dysfunctions are associated to pathological states and high investments have been made to develop modulators of NMDAR activity for clinical applications. While some NMDAR antagonists such as ketamine (anesthetic, antidepressant) or memantine (prescribed as a treatment for Alzheimer’s disease) have proven of great medical value, their clinical use is often limited by severe adverse effects (e.g. psychotic-like states induced by ketamine) and several questions regarding their action mode - including why some antagonists exhibit psychoactive properties when others do not - remain unanswered. Accumulating evidence suggests that beyond their channel function, physiological and pathological NMDAR signaling may involve non-canonical pathways independent from ion flux. Using a combination of epifluorescence, FRET-FLIM, biochemistry and single molecule localization microscopy approaches, we investigated the impact of competitive (D-AP5, CPP) and uncompetitive (MK-801, ketamine, memantine) NMDAR antagonists on the properties, redistribution and subsynaptic organization of surface NMDAR and their cytosolic partners in hippocampal neurons. We found that while all antagonists produce comparable inhibition of NMDAR ionotropic activity, exposure to the psychotomimetic blockers MK-801 and ketamine selectively triggers changes in the conformation of NMDAR. Interestingly, these conformational rearrangements were associated with a decreased surface diffusion and an increased residency time of receptors at synapses, suggesting MK-801 and ketamine binding possibly enhance NMDAR synaptic anchoring. Although drug exposure (1h) did not change the overall receptor abundance at excitatory synapses, super-resolution imaging revealed profound and antagonist-specific nanoscale reorganizations of synaptic NMDAR clusters, with exposure to the competitive antagonist D-AP5 causing a reduction in the size and an increase in the density of receptor nanodomains while inhibition by the uncompetitive psychotomimetic blockers MK-801 and ketamine triggered an enlargement of receptor nanodomains, and exposure to memantine prompted the fragmentation of these nanodomains. Moreover, we found that MK-801 and ketamine selectively enhanced the mobility of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) within dendritic spines through an action mode that relies on the direct interaction between both partners, suggesting that drug-induced receptor redistributions may impact the intracellular dynamics and organization of downstream signaling partners of NMDAR. Altogether, our results provide evidence that besides inhibition of ion fluxes through the receptors, competitive and uncompetitive antagonists have a different impact on NMDAR surface dynamics and subsynaptic organization, and suggest that the psychoactive blockers MK-801 and ketamine may act on receptor function through non-canonical rearrangements in the organization of NMDAR signaling complexes.