Rôle des β spectrines dans la nano-organisation et la fonction des épines dendritiques

Role of β spectrins in dendritic spines nano-organization and function

• Auteur / Autrice : Léa Sarzynski
• Direction : Anna Brachet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Contrôle spatio-temporel et mécanique des structures mobiles

Mots clés

Mots clés libres

Épine dendritique

Cytosquelette

Plasticité synaptique

Mécanobiologie

Dendritic spine

Cytoskeleton

Synaptic plasticity

Mechanobiology

Résumé

Les épines dendritiques sont des structures composées d'une tête et d'un cou étroit émergeant de la dendrite. En terme de physiologie, cette structure est cruciale car c'est là que se situe le compartiment postsynaptique de la plupart des synapses excitatrices. Les épines sont très plastiques, elles peuvent croître ou diminuer pendant la potentiation ou la dépression synaptique, respectivement. À l'intérieur de ces compartiments, les états biochimiques et les interactions protéine-protéine sont modulés de manière dynamique par l'activité synaptique. Malgré l'importance de la morphologie de ces épines sur la fonction et la plasticité synaptique, les mécanismes façonnant ces structures ne sont pas encore clairs. Les spectrines fonctionnent généralement comme des hétérotétramères alpha/ beta; et elles possèdent des domaines de liaison à l'actine à leurs extrémités et divers sites d'interaction avec la membrane sur leur longueur. Les fonctions des spectrines sont bien caractérisées dans les érythrocytes, où le réseau 2D d'actine-spectrine lié à la membrane maintient la forme biconcave de ces cellules et fournit un support mécanique. Les spectrines sont également présentes dans d'autres cellules et sont particulièrement importantes pour le système nerveux. De fait, plusieurs variants pathogènes de la beta spectrine ont récemment été décrits dans différents contextes pathologiques du système nerveux central tels que les retards de développement et les troubles autistiques. L'émergence de la microscopie de super-résolution a révélé l'organisation particulière adoptée par le réseau d'actine-spectrine dans les neurones, une structure périodique (180–190 nm) en forme d'anneau est présente dans les axones de tous les types de cellules neuronales. Fait intéressant, la beta spectrine présente des propriétés élastiques, ce qui a conduit à l'hypothèse selon laquelle le réseau d'actine-spectrine pourrait avoir un rôle mécano-protecteur. Des études récentes suggèrent que la spectrine pourrait même jouer un rôle dans la mécano-transduction. Une organisation en anneaux périodiques similaire a été décrite dans les dendrites et dans les épines. L'équipe étudie actuellement en détail cette organisation. Par ailleurs, nous avons montré que l'absence de beta spectrine conduit à une réduction drastique du nombre d'épines et inhibe les changements de forme des épines normalement observés au cours de la plasticité. Malgré ces nouveaux résultats très enthousiasmants, il n'existe aucune donnée précise quant à l'implication des beta spectrines dans la transmission synaptique, la nano-organisation des épines dendritiques ou dans des mécanismes de mécanoprotection et/ou de mécanotransduction dans ces compartiments. Le projet de thèse proposé ici vise à mieux caractériser le rôle des spectrine dans ces phénomènes. Pour répondre à ces questions, le doctorant utilisera des méthodes d'imagerie de pointe, des outils moléculaires et de l'électrophysiologie. En particulier, les relations entre la nano-organisation de la spectrine, des récepteurs au glutamate (AMPA et NMDA) et des molécules de la densité postsynaptique (PSD95, SynGAP principalement) en condition basale et pendant la plasticité synaptique seront analysées par microscopie de super-résolution (les approches de STORM sont très résolutives et disponibles au sein de l'équipe de Daniel Choquet). Concernant les Mots clés - Keywords propriétés mécaniques, nous avons déjà adapté des modules capteurs de tension basés sur l'imagerie FRET pour suivre l'état de tension de la spectrine dans les épines dendritiques. La mesure de la tension sera effectuée par microscopie confocale FRET/FLIM sur cultures organotypiques de tranches d'hippocampe en conditions basales et pendant la plasticité synaptique (sur la plateforme Bordeaux Imaging Center). De plus, en collaboration avec l'équipe de Grégory Giannone, l'étudiant utilisera différentes méthodes pour déformer les épines en appliquant des forces mécaniques externes sur ces dernières. L'impact de ces stimuli mécaniques sur la forme des épines, la spectrine et la transmission synaptique sera analysé par des techniques d'électrophysiologie et d'imagerie (toutes disponibles au sein de l'équipe de Daniel Choquet). Plusieurs mutants des beta spectrines pour leur interaction avec des partenaires moléculaires (phosphoinositides, actine, ankyrine) et des constructions permettant l'élimination des spectrines (CRISP/CAS9) ont déjà été générés et caractérisés. L'impact de ces perturbations sera étudié.

The dendritic spine is a small protrusive structure that is made of a head and a narrow neck emerging from the dendritic shaft. In term of physiology, this structure is crucial as it is where the postsynaptic compartment of most excitatory synapses is localized. Spines are very plastic. Their head and neck sizes correlate almost perfectly with synaptic strength and spines grow or shrink during synaptic potentiation or depression, respectively. Inside these small dendritic compartments, biochemical states and protein-protein interactions are compartmentalized and dynamically modulated by synaptic activity. Despite the importance of spine organization and morphology on synaptic function and plasticity, the mechanisms according to which these structures are shaped are not yet clear. Spectrins typically function as alpha/beta heterotetramers, alpha and beta spectrins have actin-binding domains at their ends and various membrane- interacting sites along the length. Spectrin's functions are best characterized in erythrocytes, where the 2D membrane-bound actin-spectrin network maintains the biconcave cell shape and provides mechanical support. Spectrins are also present in other cells and are especially important for the nervous system. In fact, several pathogenic variants of spectrins have been recently described in central nervous system diseases including congenital hypotonia, developmental delay and autistic features. The emergence of super-resolution microscopy in the past years uncovered the peculiar organization adopted by actin and beta spectrins in neurons at the nanoscopic level. A ring-like actin- spectrin network structure appears in axons with 180–190nm periodicity and has been found in both vertebrate and invertebrate species, in all types of neuronal cells. A similar periodic pattern in patches of dendrites and in spines has been described and is under detailed characterization in the team. Interestingly, beta spectrins exhibit elastic properties, leading to the hypothesis that the ring-like actin-spectrin network may have a mechanoprotective or even a mechanotransduction role. The team already demonstrated that removing spectrin leads to a drastic reduction of dendritic spine number and prevents dendritic spine shape changes during synaptic plasticity. Despite these exciting new results, we still lack a precise understanding on beta spectrins implication in dendritic spine nano-organization, mechanotransduction and synaptic transmission. The PhD project proposed here aims at better characterize spectrins role in these mechanisms. To tackle these questions, the PhD student will use state of the art imaging methods, molecular tools and electrophysiology. In particular, the relationship between the nano-organization of spectrin, glutamate receptors (NMDA and AMPA) and postsynaptic density molecules (PSD95 and SynGAP mainly) in baseline and during synaptic plasticity will be achieved using super-resolution microscopy on dissociated hippocampal neuron cultures (STORM, a very resolutive method is available within Daniel Choquet's team). Regarding mechanical properties, we already adapted and validated tension sensor modules based on FRET imaging to monitor tension status of beta spectrins in dendritic spines. Measurement of tension will be done by confocal FRET/FLIM (at the Bordeaux Imaging Center facility) on hippocampal organotypic slices during baseline and during synaptic plasticity. Moreover, in collaboration with the group of Gregory Giannone, different methods to deform spines by applying external mechanical forces will be used. Their impacts on spine shape, spectrin and synaptic transmission will be studied by electrophysiology and imaging technics (all available in Daniel Choquet's team). Several beta spectrins mutants for their interaction with molecular partners (phosphoinositides, actin, ankyrin) and CRISPR/CAS9 methods to generate KO neurons have been generated and characterized. The impact of these perturbations will be investigated.