Elucider le rôle de VAMP7 dans les remodelages membranaires au cours des phénomènes d'apprentissages et de la mémoire.

Deciphering the role of membrane remodeling in learning and memory

• Auteur / Autrice : Victor Breton
• Direction : Lydia Danglot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et biologie du développement
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation (Paris ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de psychiatrie et neurosciences de Paris (2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Lamaze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydia Danglot, Christophe Lamaze, Stéphane Vassilopoulos, Marianne Renner, Annie Andrieux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Vassilopoulos, Marianne Renner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie cellulaire

Mémoire

Microscopie à super-résolution

Dendrites (cytologie)

Mots clés libres

Trafic intracellulaire

Biologie cellulaire

Vamp7

Snare

Epine dendritiques

Microscopie

Super-Résolution

Storm

Sted

Mémoire

Intracellular Traffic

Cell Biology

Vamp7

Snare

Dendritic spine

Microscopy

Super-Resolution

Storm

Sted

Memory

Résumé

Pour transmettre une information d'un neurone à un autre, les neurones utilisent des jonctions communicantes spécialisées : les synapses. Dans l'hippocampe, une bonne proportion des synapses excitatrices se situent dans de petites protrusions membranaires : les épines dendritiques. La dynamique et la morphologie des épines évoluent au cours du temps de façon dépendante de l'activité synaptique. Les zones synaptiques, pré et post, sont sujettes à un trafic intracellulaire dense et actif. Parmi les protéines qui régulent ce trafic, on trouve les protéines SNAREs (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor Attachment protein REceptor) qui assurent la fusion de vésicules avec la membrane cible et permettent la libération de neurotransmetteurs (pré-synaptique) ou de récepteurs synaptiques (post-synaptique). Les protéines SNAREs se regroupent en deux grandes catégories, les v-SNAREs que l'on trouve à la membrane des vésicules et les t-SNAREs que l'on trouve sur la membrane cible. v- et t-SNAREs interagissent entre elles pour rapprocher les deux membranes et déclencher la fusion membranaire. L'objectif de ma thèse a été de déterminer le rôle du trafic intracellulaire dans le remodelage membranaire des zones synaptiques dendritiques au cours de l'apprentissage et de la mémoire. Mon travail s'est focalisé sur la v-SNARE VAMP7 qui s'exprime dans les neurones, des stades développementaux aux stades matures bien que son rôle reste peu connu dans les dendrites. Précédemment au laboratoire, il a été montré que les souris VAMP7 KO présentent de meilleures performances mnésiques lors de tests comportementaux impliquant la mémoire et l'apprentissage. Dans un premier temps, j'ai montré que VAMP7 se localise préférentiellement dans les dendrites et que les souris VAMP7 KO présentent une augmentation des épines dendritiques matures, confirmant un rôle de VAMP7 dans les phénomènes d'apprentissage et de mémoire. Avec une approche de microscopie, j'ai montré que VAMP7 se localise à une très forte proximité des synapses et que VAMP7 se trouvait dans une grande majorité des épines dendritiques, plus particulièrement dans la tête de celles-ci. Afin de déterminer sa fonction, j'ai évalué la distribution de VAMP7 et de compartiments intracellulaires classiques (endosomes précoces et de recyclage, endolysosomes, etc...) dans les dendrites. Mes résultats indiquent que VAMP7 n'est pas majoritairement localisé dans ces compartiments suggérant l'existence d'un compartiment encore non caractérisé dans les dendrites. Grâce à l'imagerie vivante et super-résolutive, STED et STORM, j'ai montré que VAMP7 se localise dans des extensions golgiennes dans les dendritiques (Golgi sattelite). Finalement, mes résultats montrent que VAMP7 et certains récepteurs au glutamate de type NMDA sont dans les mêmes compartiments dans le tronc et les épines dendritiques. En complément de l'étude du rôle de VAMP7 dans les processus de remodelage membranaire j'ai, en collaboration avec des chimistes spécialisés dans la synthèse de sondes fluorescentes, mis au point l'utilisation de sondes organiques photoconvertibles en microscopie conventionnelle et super-résolutive. Plus précisément, nous avons découvert des propriétés physico-chimiques de sondes fluorescentes photoconvertibles que j'ai utilisées pour reconstruire la membrane plasmique en imagerie STORM sur cellules vivantes. Ceci permettra à l'avenir de suivre la dynamique des épines lors de la plasticité synaptique en imagerie STORM. Mes résultats suggèrent qu'il existerait des compartiments dendritiques VAMP7-positif, encore non caractérisés, qui agirait comme une station de stockage de récepteurs synaptiques. Il serait intéressant d'investiguer si l'activité et le trafic des récepteurs synaptiques se ferait alors sous le contrôle de VAMP7 et dépendrait du niveau d'activité synaptique. Ainsi à l'avenir on pourrait étudier l'exocytose de VAMP7 et comment son activité est modulée pendant la plasticité synaptique (LTD et LTP).

To transmit information from one neuron to another, neuronal cells use specialized communicating junctions called synapses. In the hippocampus, a large proportion of excitatory synapses are located in tiny membrane protrusions called dendritic spines. The dynamics and morphology of the spines change over time, depending on the activity to which the synapse is subjected. The pre- and post-synaptic zones are subject to a dense and active intracellular traffic. Among the proteins that regulate this traffic, we can find SNAREs (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor Attachment protein REceptor) which are mediating membrane fusion. This process allows vesicles to fuse with targeted membrane and enable the release of: neurotransmitters (pre-synaptic) or synaptic receptors (post-synaptic). SNARE proteins are classified into two main categories: v-SNAREs, found on the vesicle membrane, and t-SNAREs, found on targeted membrane. v- and t-SNAREs interact with each other to bring the two membranes together and trigger membrane fusion. The aim of my thesis was to determinate the role of intracellular trafficking in the membrane remodeling during learning and memory. My work focused on the v-SNARE VAMP7, which is expressed in neurons from developmental to mature stages, although little is known about its role in dendrites. Previously in the laboratory, it has been shown that VAMP7 KO mice show improved memory performance in behavioral tests involving learning and memory. First, I showed that VAMP7 is localized preferentially in dendrites. Then, I quantified on electron microscopy that VAMP7 KO mice show an increase in mature dendritic spines, confirming a role for VAMP7 in learning and memory processes. Using microscopy, I showed that VAMP7 is localized in close proximity to synapses and that VAMP7 is found in a large majority of dendritic spines, particularly in the head of these. To determinate its function, I assessed the distribution of VAMP7 and classical intracellular compartments (early and recycling endosomes, endolysosomes, etc.) in dendrites. My results indicate that VAMP7 is not predominantly localized in these compartments, suggesting the existence of an uncharacterized dendritic compartment. Using live imaging and super-resolution imaging, STED and STORM, I show that VAMP7 is localized in dendritic golgi extensions (Golgi sattelite). Finally, my results show that VAMP7 and some type of NMDA receptors are in the same compartments in both dendritic shaft and spines. In addition to studying the role of VAMP7 in membrane remodeling processes, I have, in collaboration with chemists specializing in the synthesis of fluorescent probes, discovered and developed the use of photoconvertible organic probes in conventional and super-resolution microscopy. More specifically, we discovered the physico-chemical properties of photoconvertible fluorescent probes, which I used to reconstruct the plasma membrane in STORM imaging on living cells. In the future, this will make it possible to follow the dynamics of spines during synaptic plasticity in STORM imaging. My results suggest the existence of an uncharacterized VAMP7-positive dendritic compartments, whose function would be to act as a storage station for synaptic proteins and receptors. It would be interesting to investigate whether the activity and trafficking of synaptic receptors would then be under the control of VAMP7 which could also be dependent on the level of synaptic activity. In this way, we could study VAMP7 exocytosis and how its activity is modulated during synaptic plasticity (LTP - LTD).