Co-transmission acétylcholine/glutamate dans le réseau striatal. Hétérogénéité anatomique et fonctionnelle des vésicules synaptiques dans les interneurones cholinergiques

Acetylcholine/Glutamate cotransmission in the striatal network. Anatomical and functional heterogeneity of synaptic vesicles in cholinergic interneurons

• Auteur / Autrice : Mazarine Desplanque
• Direction : Véronique Bernard, Nicolas Pietrancosta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 06/06/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Neurosciences Paris-Seine (2014-2024)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Pin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manon Guille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Vernier, Pierre Trifilieff

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transporteurs vésiculaires du glutamate

Transporteurs vésiculaires de l'acétylcholine

Transport biologique

Interneurones

Vésicules synaptiques

Mots clés libres

Cotransmission

Vésicules synaptiques

Interneurones cholinergiques

VAChT

VGLUT3

Cotransmission

Synaptic vesicles

Cholinergic interneurons

VAChT

VGLUT3

Résumé

Le striatum est une structure majeure du système nerveux central. Il est impliqué dans de nombreux processus physiologiques tels que l'action dirigée vers un but, l'apprentissage ou encore la locomotion mais également dans de nombreuses pathologies telles que la maladie de Parkinson, l'addiction ou encore les troubles du comportement alimentaire.Au sein du striatum on retrouve une population neuronale particulière : les Interneurones Cholinergiques (ICS). Bien que ne représentant qu'un pour-cent des neurones striataux, les interneurones cholinergiques constituent la source principale d'acétylcholine au sein de cette région. De plus, ils présentent la particularité d'exprimer à la fois le transporteur vésiculaire d'acétylcholine (VAChT) et le transporteur vésiculaire de glutamate (VGLUT3), et donc de libérer ces deux neurotransmetteurs. Or l'acétylcholine et le glutamate ont des effets opposés sur la libération de dopamine. Par ailleurs, il a récemment été démontré que l'acétylcholine et le glutamate, libérés par les ICS, ont des implications distinctes dans la régulation du comportement guidé par la récompense et de l'alimentation mal adaptée. En effet, l'absence de signal glutamatergique par les ICS favorise les comportements dirigés vers un but et n'a aucun impact sur le comportement alimentaire. En revanche, l'absence du signal cholinergique facilite les habitudes et l'alimentation mal adaptée. Cette co-transmission acétylcholine/glutamate suggère ainsi un niveau sophistiqué de régulation des fonctions striatales. Pour autant, les caractéristiques morphologiques et fonctionnelles de cette co-transmission ne sont pas encore comprises. La théorie de la synergie vésiculaire plaide en faveur d'une colibération et donc d'une population unique de vésicules exprimant à la fois VAChT et VGLUT3. A l'inverse, des données obtenues dans le noyau interpédonculaire suggèrent une libération différentielle d'acétylcholine et de glutamate depuis l'habénula médiale et donc des populations séparées de vésicules. Dans le cadre de mon travail de thèse, je me suis attachée dans un premier temps à caractériser et distinguer d'un point de vue morphologique les différentes sous-populations de vésicules au sein des interneurones cholinergiques. Nous avons montré grâce à la microscopie de déplétion par émission stimulée (STED) et une analyse des distances avec le voisin le plus proche que 34 % des vésicules synaptiques cholinergiques présentent à la fois VAChT et VGLUT3. De plus, 40 % des vésicules synaptiques des interneurones cholinergiques expriment uniquement VAChT, tandis que 26 % n'expriment que VGLUT3. Ces résultats obtenus ouvrent la voie à de possibles implications fonctionnelles : les ICS pourraient libérer simultanément mais également différentiellement l'acétylcholine et le glutamate. Il est donc nécessaire de pouvoir suivre la libération de glutamate. Afin d'étudier la transmission glutamatergique, j'ai donc poursuivi la caractérisation de Faux Neurotransmetteurs Fluorescents du glutamate. Enfin, il apparait crucial de disposer d'outils permettant non seulement de suivre la libération de glutamate mais également de la moduler afin de mieux comprendre son rôle dans divers systèmes. J'ai donc mis en place à cet effet une stratégie multidisciplinaire d'identification de ligands VGLUT par approche in silico pour identifier un large nombre de molécules candidates, puis criblage sur le modèle drosophile afin d'identifier les meilleurs ligands qui sont ensuite testés sur un modèle murin.

The striatum is a major structure of the central nervous system, involved in various physiological processes such as goal-directed action, learning, locomotion, as well as in numerous pathologies including Parkinson's disease, addiction, and eating disorders.Inside the striatum, there is a specific group of neurons known as Cholinergic Interneurons. Despite representing only one percent of striatal neurons, cholinergic interneurons constitute the primary source of acetylcholine within this region. Furthermore, they express both the vesicular acetylcholine transporter (VAChT) and the vesicular glutamate transporter 3 (VGLUT3), thus releasing both neurotransmitters. Acetylcholine and glutamate have opposing effects on dopamine release. Interestingly, acetylcholine and glutamate, released from CINs, were recently shown to have distinct implication in the regulation of reward-guided behavior and maladaptive eatingIndeed, silencing glutamate signaling by CINs favors goal-directed behaviors and has no impact on eating behavior. In contrast, silencing ACh facilitates habits and maladaptive eating suggesting a sophisticated level of regulation of striatal functions through this acetylcholine/glutamate co-transmission.However, the morphological and functional characteristics of this co-transmission are not yet fully understood. The vesicular synergy theory argues for co-release, indicating a single population of vesicles expressing both VAChT and VGLUT3. Conversely, data from the interpeduncular nucleus suggest a differential release of acetylcholine and glutamate from the medial habenula, indicating separate populations of vesicles. In the context of my thesis work, I first aimed to characterize and distinguish morphologically the different subpopulations of vesicles within cholinergic interneurons. Using Stimulated Emission Depletion (STED) microscopy and nearest neighbor analysis, we showed that 34% of cholinergic synaptic vesicles express both VAChT and VGLUT3. Additionally, 40% of synaptic vesicles of cholinergic interneurons exclusively express VAChT, while 26% express only VGLUT3. These results pave the way for possible functional implications: ICS could simultaneously but also differentially release acetylcholine and glutamate. Thus, to study glutamatergic transmission, I further characterized Fluorescent False Neurotransmitters for glutamate. Lastly, it is crucial to have tools not only to monitor glutamate release but also to modulate it to better understand its role in various systems. Therefore, I implemented a multidisciplinary strategy for identifying VGLUT ligands using an in silico approach to identify a large number of candidate molecules, followed by screening in a Drosophila model to identify the best ligands, which are then tested in a murine model.