Organisation et fonction de nanodomaines subcellulaires révélés par l'analyse statistique de trajectoires de particules uniques

Statistical analysis of single particle trajectories reveals sub-cellular nanodomain organisation and function

• Auteur / Autrice : Pierre Parutto
• Direction : David Holcman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 12/11/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie de l'École normale supérieure (Paris ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Dmitri Rusakov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Holcman, Dmitri Rusakov, Charles Kervrann, Denis Grebenkov, Pierre Sens, Christian L. Vestergaard, Martin Heine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Kervrann, Denis Grebenkov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neurosciences

Mots clés libres

Neurosciences

Analyse de données

Modélisation

Trajectoires de molécules uniques

Microscopie superrésolution

Neurosciences

Data analysis

Modelling

Single particle trajectories

Super-resolution microscopy

Résumé

Les trajectoires de molécules individuelles obtenues par microscopie super-résolution permettent de suivre des protéines avec une précision nanométrique dans des cellules vivantes. Dans cette thèse, j’ai étudié les régions de hautes densités présentes dans ces trajectoires, dont un modèle possible est celui des puits de potentiel. Pour les caractériser à partir de trajectoires, j’ai développé une nouvelle méthode hybride basée sur la densité de points et le champ de force local puis je l’ai comparé aux méthodes d’état de l’art. Ensuite, j’ai utilisé celle-ci pour caractériser les puits maintenant les canaux calciques Cav au niveau des zones actives des terminaux présynaptiques ce qui a permis de mieux comprendre le rôle des variantes d’épissage de ces canaux dans la transmission synaptique. Dans une autre étude, j’ai analysé des trajectoires de protéines résidant dans le lumen du Réticulum Endoplasmique (RE). J’ai créé une méthode pour reconstruire le réseau du RE à partir des trajectoires que j’ai utilisé pour caractériser le mouvement de ces molécules par un modèle de saut-diffusion qui a pour conséquence une meilleure redistribution du contenu luminal par rapport à un mouvement diffusif. Enfin, je discute d’autres analyses de trajectoires pour les intéractions lysosome-ER, les canaux Cav à la jonction neuro-musculaire de la drosophile et les protéines composant le complexe NuRD.

Single-Particle Trajectories (SPTs) obtained from super-resolution microscopy allow to track proteins with nanometer precision in living cells and are used in neuroscience and cellular biology. In this thesis, I was interested in the high-density nanodomains found in these trajectories that can be modeled as potential wells. To characterize them, I developed a new hybrid method based on the point density and local drift field and compared it to the other state-of-the-art methods. Then, I used it to identify transient potential wells in SPTs of voltage-gated calcium channels (CaV) contributing to a better understanding of the role of the different CaV splice variants in synaptic transmission. In another study, I looked at SPTs from Endoplasmic Reticulum (ER) luminal resident proteins where I developed a method to reconstruct the network from trajectories and used it to characterize the luminal motion as a jump-diffusion process, which allows for a better redistribution of the luminal content than the previously assumed diffusive model. Finally, I discuss other analyses of motions for lysosome-ER interactions, CaV2.1 channels at drosophila’s neuromuscular junctions and the description of the motion of the constituent proteins of the NuRD chromatin remodeling complex.