Les dernières étapes avant la libération des vésicules synaptiques : amarrage dépendant du calcium et implication fonctionnelle de l'organisation des sites d'amarrage

The last steps before synaptic vesicle release : calcium-dependent docking and functional implication of docking site organisation

• Auteur / Autrice : Melissa Silva Medina Weil
• Direction : Thibault Collin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 30/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences Paris Saints-Pères (2019-...)
• Jury : Président / Présidente : Micaela Galante
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Wyart, Igor Delvendahl
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Micaela Galante, Philippe Isope

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terminaisons présynaptiques

Synapses

Calcium

Vésicules synaptiques

Mots clés libres

Sites d'accueil

Sites d'amarrage

Synapses

Modèles

Calcium

Présynaptique

Électrophysiologie

Docking sites

Synapses

Models

Calcium

Presynaptic

Electrophysiology

Résumé

La libération de vésicules synaptiques (SV) est régulée par la concentration de calcium dans la terminaison présynaptique. Avant d'être libérée, une vésicule doit se lier à une structure spécifique au sein de la zone active, appelée site d'accueil. Cette étape est connue sous le nom d'amarrage et des études récentes ont révélé qu'il s'agit d'un processus dépendant du calcium. Il est également apparu que l'occupation des sites d'accueil est un mécanisme important de plasticité à court et à long terme dans les synapses. Les études morphologiques, fonctionnelles et moléculaires ayant conduit à ces conclusions seront révisées. Différents types de modèles d'amarrage ont été proposés pour expliquer le comportement des synapses lors des trains de stimulation. Deux modèles de site similaires, le modèle de site de remplacement/site d'amarrage (RS/DS) et le modèle à état lâche/état serré ('loose state/tight sate: LS/TS'), ont été évalués. Les deux modèles proposent deux étapes de liaison séquentielles avant la libération. Cependant, dans le modèle RS/DS, deux SVs peuvent se lier simultanément tandis que dans le modèle LS/TS, une seule SV peut se lier à chaque site d'accueil. Les prédictions de ces modèles concernant la taille du groupe facilement libérable ('readily releasable pool: RRP') varient en conséquence. Dans le modèle RS/DS, une taille du RRP maximale de 2 SV est prévue, alors que la taille du RRP est limitée à un maximum de 1 SV pour le modèle LS/TS. Nous avons donc estimé la taille maximale du RRP, et nous avons constaté que les sites d'accueil peuvent lier jusqu'à 2 SV. Ce résultat valide le modèle séquentiel RS/DS. Le modèle RS/DS a été utilisé pour expliquer les mécanismes à l'origine des comportements de plasticité tels que la potentiation post-tétanique ('post-tetanic potentiation: PTP'). L'existence d'une voie de recyclage rapide est décrite sur la base des réponses synaptiques lors de trains répétés de stimuli. Cette nouvelle voie permet le recrutement efficace de SVs pendant les périodes de forte demande. La pertinence physiologique de cet effet dans la PTP est démontrée. Récemment, un amarrage transitoire après un potentiel d'action a été décrit sur la base de données de microscopie électronique. L'amarrage est revenu aux niveaux de base quelques dizaines de millisecondes après un stimulus, mais a de nouveau été réduit après un délai d'environ 100 ms. Dans ce travail, une corrélation fonctionnelle de ce phénomène est fournie pour la première fois. Dans les synapses simples, le rapport entre deux réponses à des stimulations répétitives ('paired-pulse ratio: PPR') varie en fonction de la fréquence de stimulation. Aux hautes fréquences, l'incrément d'amarrage provoque une facilitation tandis qu'aux basses fréquences, la réduction d'amarrage produit une dépression. La dépression induite par les basses fréquences ('low frequency depression: LFD') est décrite pour la première fois dans des synapses simples, accompagnée d'une explication opérationnelle. En conclusion, les dernières étapes avant la libération des vésicules synaptiques sont dévoilées. L'importance du calcium dans l'amarrage est examinée en détail et la valeur des enregistrements des synapses simples comme moyen d'évaluer les paramètres synaptiques est présentée. Les prédictions du modèle RS/DS sont évaluées, et les résultats sur la taille maximale du RRP et sur la covariance soutiennent ce modèle séquentiel. Un corrélat fonctionnel pour la description morphologique de l'amarrage transitoire est présenté. Des données expérimentales confirmant le rôle de l'amarrage en tant que point de contrôle important sous-jacent à la plasticité synaptique sont fournies.

The release of synaptic vesicles (SV) is regulated by the calcium concentration in the presynaptic terminal. Before release a vesicle must bind to a specific structure within the active zone, known as a docking site. This step is known as docking and recent evidence has revealed that it is a calcium-dependent process. It has also emerged that the occupation of docking sites is an important mechanism of short and long term plasticity in synapses. The morphological, functional and molecular studies leading to these conclusions will be reviewed. Different kinds of docking models have been proposed to explain the behavior of synapses during trains of stimulation. Two similar site models, the replacement site/docking site (RS/DS) and the loose state/tight state (LS/TS) models were evaluated. Both models propose two sequential binding steps before release. However, in the RS/DS model two SVs can bind simultaneously while in the LS/TS model only one SV can bind to each docking site. The predictions of these models regarding the readily releasable pool (RRP) size vary accordingly. In the RS/DS model a maximum RRP size of 2 SVs is predicted, whereas the RRP size is limited to a maximum of 1 SV for the LS/TS model. The maximal RRP size was estimated, finding that docking sites can bind up to 2 SVs. This result validates the sequential RS/DS model. The RS/DS model has been used to explain the mechanisms behind plasticity behaviors such as post-tetanic potentiation (PTP). The existence of a rapid recycling pathway is described based on synaptic output during repeating trains of stimuli. This novel pathway allows the efficient recruitment of SVs during periods of high demand. The physiological relevance of this effect in PTP is shown. Recently, transient docking after an action potential (AP) was described based on electron microscopy data. Docking recovered to baseline levels tens of milliseconds after a stimulus, but was again reduced within ~100 ms. Here, functional evidence of this phenomenon is provided for the first time. In simple synapses the paired pulse ratio (PPR) varies with the frequency of stimulation. At high frequencies docking enhancement causes facilitation while at low frequencies the docking reduction produces depression. Low-frequency induced depression (LFD) is described for the first time in simple synapses, along with a mechanistic explanation. In conclusion, the last steps before synaptic vesicle release are unveiled. The importance of calcium in docking is thoroughly reviewed, and the value of simple synapse recordings as a way to evaluate synaptic parameters is shown. The RS/DS model predictions are evaluated, finding that the maximal RRP and covariance results support this sequential model. A functional correlate for the morphological description of transient docking is presented. Experimental data supporting the role of docking as an important control point underlying synaptic plasticity is provided.