Involvement of the K/Cl cotransporter KCC2 in glutamatergic transmission and regulation of its surface expression by excitatory transmisssion

• Auteur / Autrice : Ingrid Chamma
• Direction : Jean-Christophe Poncer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurones

Système nerveux central

Neurosciences

Résumé

Dans les neurones matures du système nerveux central, la polarité et l’efficacité de la transmission inhibitrice GABAAR-dépendante repose sur la concentration intracellulaire de chlore, principalement régulée par le cotransporteur KCC2. Dans des pathologies telles l’épilepsie, où la balance excitation-inhibition est altérée, l’expression et la fonction de KCC2 sont fortement réduites, entrainant une perte d’inhibition. Cependant, KCC2 est enrichi au niveau des synapses excitatrices, ce qui pose la question de sa fonction à cet endroit. Nos résultats révèlent un rôle inattendu du transporteur qui, de par son interaction avec le cytosquelette d’actine, contraint la diffusion latérale de protéines transmembranaires dans les épines dendritiques. Nos résultats démontrent également que KCC2 est nécessaire au maintient de l’efficacité de la transmission excitatrice. Le suivi de particule unique révèle que la diffusion de KCC2 est contrainte par son interaction avec le cytosquelette via la protéine d’ancrage 4. 1N aux synapses excitatrices, et représente la première caractérisation de la diffusion latérale d’un transporteur ionique dans des neurones. Nous montrons également qu’une augmentation de la transmission excitatrice déstabilise rapidement les agrégats membranaires de KCC2 en augmentant sa diffusion via l’activation des récepteurs NMDA et la signalisation calcique; et se traduit par une perte de transport de chlore. Ces résultats suggèrent que KCC2 pourrait participer au cross-talk entre synapses excitatrices et inhibitrices, et que la régulation de sa diffusion par l’activité neuronale sont des mécanismes clés permettant le contrôle rapide de l’homéostasie du chlore.

In mature neurons of the central nervous system, the polarity and efficacy of GABAAR-mediated inhibition is determined by intra-neuronal chloride concentrations, which are mainly regulated by the potassium chloride co-transporter, KCC2. Pathological conditions such as epilepsy, where inhibitory to excitatory balance is impaired, are associated with a dramatic downregulation of KCC2 expression and function leading to a loss of inhibition. However, KCC2 is enriched in the vicinity of excitatory synapses raising the question of its function at this particular location. Our results revealed an unsuspected role for this transporter in hindering lateral diffusion of transmembrane proteins in dendritic spines through structural interactions with the actin cytoskeleton, and demonstrate that KCC2 is required for the maintenance of glutamatergic efficacy in mature neurons. Single particle tracking of KCC2 further revealed constrained diffusion via actin tethering of the transporter at/near excitatory synapses, by the adaptor protein 4. 1N, and provides the first characterization of an ion transporter’s lateral diffusion in neurons. Sustained glutamatergic activity induced a rapid NMDAR- and Ca2+- dependent destabilization of KCC2 membrane clusters, through increased diffusion, and resulted in altered chloride transport. These results thus demonstrate that KCC2 is particularly positioned to mediate a cross-talk between excitatory and inhibitory synapses. Activity-dependent regulation of KCC2 by lateral diffusion and clustering appears as a key mechanism to control chloride homeostasis, and might as well influence excitatory synaptic strength through structural interactions.