Nouveaux mécanismes de régulation de la synapse GABAergique inhibitrice de l’hippocampe : implication de la voie de signalisation WNK et de l’état de conformation des récepteurs GABA-A

Novel regulatory mechanisms of the hippocampal inhibitory GABAergic synapse : involvement of the WNK signaling pathway and the conformational state of GABA-A receptors

• Auteur / Autrice : Zaha Merlaud
• Direction : Sabine Lévi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du Fer à Moulin (Paris ; 2007-2024)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Daumas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Hosy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Barberis, Igor Medyna

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transmission nerveuse

Synapses

Hippocampe (anatomie)

Récepteurs GABA

Mots clés libres

Synapse inhibitrice

Gephyrine

RGABAA

Hippocampe

WNK

Conformation

Inhibitory synapse

Gephyrin

GABAAR

Hippocampus

WNK

Conformation

Résumé

Le récepteur ionotrope de l'acide γ-aminobutyrique (GABAAR), perméable aux ions chlorures, est le principal récepteur neurotransmetteur médiateur de l'inhibition dans le cerveau des mammifères. La transmission GABAergique est soumise à une régulation complexe et multifactorielle. Non seulement façonnée par le cycle d'ouverture du GABAAR, qui dicte le passage entre ses conformations au repos, ouverte et désensibilisée, mais aussi par l'homéostasie des ions chlorure, laquelle détermine la polarité et l'efficacité de la transmission GABAergique, la transmission GABAergique repose aussi fortement sur le nombre de GABAARs présents à la membrane postsynaptique, localisée face aux sites présynaptiques de libération de GABA. Le nombre de ces récepteurs aux synapses est rapidement régulé par un mécanisme de ''diffusion-capture'', dans lequel les GABAARs alternent entre une diffusion rapide à la membrane plasmique extrasynaptique et un ralentissement suivi d'un confinement aux synapses. De fait, ce confinement et cette agrégation synaptique sont médiés par l'interaction entre les GABAARs et leur principale protéine d'échafaudage synaptique, la géphyrine. La régulation de la diffusion latérale des récepteurs est considérée comme le principal mécanisme d'ajustement du nombre de récepteurs aux synapses en réponse à la demande synaptique. De plus, l'activité neuronale régule cette diffusion latérale des GABAARs, notamment en contrôlant la liaison des récepteurs à la géphyrine par la modulation de la phosphorylation des récepteurs et/ou de la géphyrine en aval des cascades de kinases, influençant ainsi la conformation de ces protéines. Au cours de ma thèse, j'ai étudié la régulation dynamique des synapses GABAergiques dans l'hippocampe à travers la phosphorylation de la géphyrine et la conformation des récepteurs, en utilisant notamment des techniques de microscopie optique de pointe, telles que le suivi de particules individuelles (SPT), la microscopie de reconstruction optique stochastique (STORM) et la microscopie de localisation photo-activée (PALM), en recourant à des stratégies pharmacologiques et de mutagenèse dirigée in vitro et in vivo. Plus précisément, mes recherches suggèrent que l'organisation synaptique des GABAARs et de la géphyrine dans l'hippocampe est régulée dynamiquement et est médiée, entre autres, par la phosphorylation de la géphyrine via la voie de signalisation sensible au chlorure WNK/SPAK/OSR1, une cascade de kinases précédemment liée à l'homéostasie des ions chlorures et à la transmission inhibitrice. D'autre part, mes résultats indiquent que l'état de conformation des GABAARs impacte leur régulation dynamique et leur organisation au niveau de la synapse. En somme, mes travaux doctoraux apportent de nouvelles perspectives sur la régulation dynamique de l'organisation et de la fonction des synapses GABAergiques dans l'hippocampe mature des modèles murins.

The chloride ion permeant ionotropic γ-aminobutyric acid receptor (GABAAR) is the principal neurotransmitter receptor mediating inhibition in the mammalian brain. The GABAergic GABAergic transmission is subjected to a complex and multifactorial regulation. Shaped by the gating cycle of GABAAR, which dictates the switch between their resting, open, and desensitized conformation and by chloride homeostasis which dictates the polarity and efficacy of the GABAergic transmission, the GABAergic transmission also relies heavily on the number of GABAARs present in the postsynaptic membrane opposite to presynaptic GABA-releasing sites. The number of GABAARs at synapses is rapidly regulated by a “diffusion-capture” mechanism wherein receptors alternate between rapid diffusion into the extrasynaptic plasma membrane and slowing down and confinement to the synapses. This confinement and synaptic aggregation are mediated by the interaction between GABAARs and their primary scaffolding protein at the synapse, gephyrin. Regulation of receptor lateral diffusion is considered the first mechanism for adjusting the number of receptors at synapses in response to synaptic demand. Neuronal activity regulates the lateral diffusion of GABAARs, particularly by controlling receptor binding to gephyrin through the modulation of receptor and/or gephyrin phosphorylation downstream of kinase cascades, which subsequently influences the conformation of these proteins. During my PhD, I have investigated the dynamic regulation of GABAergic synapses in the hippocampus through the lens of gephyrin phosphorylation and receptor conformation, using state of the art optical microscopy techniques, such as Single Particle Tracking (SPT), STochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM) or Photo-Activated Localization Microscopy (PALM), and relying on pharmacological and directed mutagenesis strategies in vitro and in vivo. More specifically, my research suggests that GABAergic synapses in the hippocampus are dynamically regulated, with modulation of GABAAR and gephyrin synaptic organization mediated by gephyrin phosphorylation through the chloride-sensitive WNK/SPAK/OSR1 signaling pathway, a kinase cascade previously linked to chloride homeostasis and inhibitory transmission. Additionally, my findings indicate that the conformation state of GABAARs impacts their dynamic regulation and organization at the synapse. Overall, my doctoral work provides new insights into the dynamic regulation of GABAergic synapses organization and function in the mature hippocampus of murine models.