Micropatterning subcellulaire pour étudier la connectivité neuronale

Subcellular micropatterning to study neuronal connectivity

• Auteur / Autrice : Nathalie Piette
• Direction : Vincent Studer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 18/03/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Interdisciplinaire de Neurosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Théry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianne Renner, Sylvain Gabriele, Caterina Tomba
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marianne Renner, Sylvain Gabriele

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux cérébraux

Synapses

Spectroscopie de fluorescence

Microscopie électronique

Imagerie

Cellules

Impression 3D

Protéines

Mots clés libres

Impression protéique

Synapses

Hémi-synapses

Protéines d’adhésion synaptique

Diffusion-piégeage

Imagerie cellulaire

Imagerie de Fluorescence

Suivi de Molécules Individuelles (SPT)

Retour de Fluorescence après Photoblanchiment (FRAP)

Microscopie électronique

Protein micropatterning

Synapses

Hemisynapses

Synaptic adhesion proteins

Diffusion- Trapping

Cellular Imaging

Fluorescence Imaging

Single Particle Tracking (SPT

Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP)

Electron microscopy

Résumé

L'impression protéique a initialement été utilisée pour reproduire et comprendre l’influence de la matrice extracellulaire sur les cellules et certains de leurs composants. Au cours de la dernière décennie, l'impression subcellulaire s’est développée, permettant d’étudier les interactions protéiques et leur rôle dans les voies de signalisation ainsi que dans la formation de synapses, immunologiques ou neuronales.La connexion synaptique est médiée par les protéines d’adhésion synaptique présentes de chaque côté de la synapse. En raison de la complexité de l’environnement synaptique mais également du manque de modèle in vitro permettant d’étudier la connexion synaptique dans un environnement biomimétique et contrôlé, les rôles exacts de ces protéines dans la synaptogénèse restent encore incertains. L’impression protéique subcellulaire est une solution potentielle pour combler ce manque. Pour cela, nous avons développé deux modèles biomimétiques basés sur l’impression protéique : un premier, utilisant des cellules hétérologues, permettant d’obtenir des informations sur la cinétique d’interaction des couples protéiques et ainsi de lier cela à leur fonction potentielle. Et un deuxième, utilisant des neurones primaires hippocampique, permettant de former des synapses artificielles pour étudier la nano-organisation de la synapse au cours du développement.Le système d’impression protéique PRIMO, commercialisé par Alvéole, qui co-finance cette thèse, est peu utilisé par les neuroscientifiques. En plus des objectifs biologiques, l'objectif industriel de cette thèse est de développer des méthodologies et des preuves de concept afin de démontrer les avantages et la faisabilité de la technologie PRIMO en neuroscience.En couplant notre premier modèle avec des techniques d’imagerie sur cellules vivantes (sptPALM et FRAP), nous avons pu différencier des cinétiques d’interaction entre différents couples de protéines d’adhésion synaptique mais également pour des interactions avec des protéines d’échafaudage. Une interaction labile pour SynCAM1, qui est connue pour son rôle dans la morphologie synaptique. Une forte et stable interaction pour Neuroligine1- Neurexine1β, due à la dimérisation de Neuroligine1, qui est indispensable pour la fonctionnalité de la synapse.Avec le second modèle, nous avons démontré, en présence de LRRTM2, la formation spécifique de synapses artificielles. Ces hémi-synapses présentent des caractéristiques morphologiques et fonctionnelles proches de synapses natives, avec la présence de vésicules et d’une activité calcique spontanée. Cependant, nous n’avons pas réussi à former de postsynapses artificielles avec Neurexine1β. Basés sur nos observations et une analyse bibliographique, nous avons formulé l’hypothèse que la postsynapse pourrait être le compartiment initiateur de la synaptogenèse.En conclusion, cette étude démontre : (1) que l’impression subcellulaire est un excellent modèle pour étudier la connectivité synaptique et l’adhésion de manière générale, aussi bien d’un point de vue fonctionnel qu’organisationnel. (2) Que les modèles d’hémi-synapses utilisant l’impression protéique sont plus spécifiques que les anciens modèles. (3) Que le système PRIMO ouvre de nombreuses perspectives en neurosciences via ses capacités d’impressions quantitatives.

Micropatterning was initially employed to replicate and understand the influence of the extracellular matrix on cells and some of their components. Over the past decade, subcellular printing has emerged, enabling the study of protein interactions and their role in signaling pathways as well as in the formation of synaptic, immunological, or neuronal pathways.The synaptic connection is mediated by synaptic adhesion proteins present on each side of the synapse. Due to the complexity of the synaptic environment and the lack of in vitro models to study synaptic connection in a biomimetic and controlled environment, the exact roles of these proteins in synaptogenesis remain uncertain. Subcellular protein printing presents a potential solution to address this gap. For this purpose, we have developed two biomimetic models based on protein printing: a first one using heterologous cells, providing insights into the interaction kinetics of protein pairs and linking them to their potential function. And a second one using primary neurons, allowing the formation of artificial synapses to study synaptic nano-organization during development.The protein printing system PRIMO, commercialized by Alvéole, which is co-funding this thesis, is underutilized by neuroscientists. Besides these biological objectives, the industrial aim of this thesis is to develop methodologies and proofs of concept to demonstrate the advantages and feasibility of the PRIMO technology in neuroscience.By coupling our first model, based on heterologous cells, with live-cell imaging techniques (sptPALM and FRAP), we differentiated interaction kinetics among various synaptic adhesion protein pairs and also for interactions with scaffold proteins. A labile interaction was observed for SynCAM1, known for its role in synaptic morphology. A strong and stable interaction was evident for Neuroligin1/Neurexine1β due to Neuroligin1's dimerization, which is essential for synaptic functionality.With the second model using primary hippocampal neurons, we demonstrated, in the presence of LRRTM2, the specific formation of artificial synapses. These hemi-synapses exhibited morphological and functional characteristics close to native synapses, including the presence of vesicles and spontaneous calcium activity. However, we were unable to form artificial postsynapses with Neurexine1β. Based on our observations and bibliographic analysis, we hypothesize that the postsynapse could be the initiating compartment for synaptogenesis.In conclusion, this study demonstrates: (1) that subcellular printing is an excellent model to study synaptic connectivity and adhesion from both a functional and organizational perspective. (2) That models of hemi-synapses using micropatterning are more specific than previous models. (3) That the PRIMO system opens numerous perspectives in neuroscience through its quantitative printing capabilities.