Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques : cycle des vésicules synaptiques
3-4. Amarrage (docking) et amorçage (priming)
Vue d'ensemble

Problèmes de sémantique

1. L'attache (tethering) des vésicules est souvent synonyme de l'amarrage (docking) dans de nombreux articles qui traitent de vésicules, que ce soient des vésicules du système endomembranaire ou des vésicules synaptiques. Toutefois, la différence pourrait résider dans le fait que :

• l'attache (tethering) ne nécessite pas le complexe SNARE et n'est pas influencée par Ca⁺⁺.
• l'amarrage (docking) implique le complexe SNARE et les ions Ca⁺⁺.

2. De même, les différences entre amarrage (docking) et amorçage (priming), tous deux sous la dépendance du Ca⁺⁺ sont souvent floues, car ces processus sont non seulement très dynamiques, mais aussi réversibles, contrairement à ce qu'on pensait auparavant avant l'arrivée de la microscopie STED.

• L'amarrage (docking) pourrait impliquer le complexe SNARE partiellement zippé, stabilisé par la complexine et la synaptotagmine (Syt) qui forme un complexe ternaire, i.e. ce qui définit l'amarrage lâche (LS ou Loose State).
• L'amorçage (priming) impliquerait le complexe SNARE plus fortement zippé, i.e. ce qui définit l'amarrage serré (TS ou Tight State).

Par ailleurs, on parle aussi de :

• LS pour les vésicules dans l'état lâchement amarré et amorcé (LS ou loosely docked and primed state),
• TS, i.e. vésicules dans l'état étroitement amarré et amorcé (TS ou tightly docked and primed).

3-4. Amarrage (docking) et amorçage des VS

Le processus d'amarrage (docking) est le plus souvent employé pour des vésicules synaptiques qui sont situées à moins de 30 à 40 nm de la membrane plasmique de la zone active (ZA), i.e. distance la plus proche entre le bord de la membrane vésiculaire et la membrane plasmique.

Du point de vue structurel, les vésicules amarrées établissent un contact ponctuel avec la membrane plasmique, observé par microscopie électronique ( discussion sur les techniques utilisées et les artefacts).

L'amorçage (priming) de la VS est un processus qui rend les vésicules compétentes pour la fusion et détermine la probabilité pr que sa membrane fusionne avec la membrane présynaptique lors d'une impulsion calcique (Variable priming of a docked synaptic vesicle 2016).

Occupation du site d'amarrage

1. Il est important de différencier P, i.e. probabilité d'obtenir une libération après un potentiel d'action (PA), de pr (probability of of neurotransmitter release), i.e. probabilité de fusion d'une vésicule synaptique (VS) amarrée.

a. Dans un site d'amarrage, P dépend de :

• non seulement de pr,
• mais aussi de δ, l'occupation d'un site proximal (DS ou TS selon les modèles) à partir duquel une VS peut être libérée, i.e. changement de la taille du pool rapidement libérable (RRP) en raison de la variation de la δ (Differentially poised vesicles underlie fast and slow components of release at single synapses 2020).

b. P est régulée dynamiquement par de nombreux facteurs interdépendants (Molecular Machines Regulating the Release Probability of Synaptic Vesicles at the Active Zone 2016) :

• l'homéostasie du calcium présynaptique,
• la taille du pool rapidement libérable (RRP),
• l'hétérogénéité des VS.

2. L'occupation des sites d'amarrage n'est pas complète au repos (libération des neurotransmetteurs et concentration calcique).

3. En outre, les vésicules peuvent être dans un état lâchement amarré et amorcé (LS) ou un état étroitement amarré et amorcé ou TS ( processus engagés dans l'amarrage et l'amorçage).

a. Les probabilités de libération, calculées comme le rapport entre l'amplitude du potentiel postsynaptique excitateur (PPSE) et la taille du pool, seront le produit pA × pTS/(pTS + pLS), où pA est la probabilité d'une VS en TS pour fusionner lors d'un potentiel d'action (PA).

• pTS et pLS sont les probabilités pour qu'une VS sur un site de fusion se trouve respectivement dans le TS ou le LS.
• Ainsi, l’estimation de la probabilité de libération, qui est généralement considérée comme représentant le déclenchement de la fusion de la VS dépendant de Ca⁺⁺ inclut l’équilibre LS-TS, i.e. une étape d’amorçage des VS qui est également régulée par Ca⁺⁺.

b. Dans les synapses glutamatergiques, on suppose même que les VS peuvent être dans un super-amorçage (Superpriming of synaptic vesicles as a common basis for intersynapse variability and modulation of synaptic strength 2016).

3. Les sites d'amarrage se réapprovisionnent après un potentiel d'action (PA) en raison de l'augmentation de Ca⁺⁺ (Calcium-dependent docking of synaptic vesicles 2021).

Le changement d'équilibre qui en résulte, en fonction de l'état initial et du pr d'une synapse, définira l'ampleur de la deuxième réponse.

Protéines impliquées dans l'amarrage et l'amorçage

1. Traditionnellement, du point de vue moléculaire, le complexe SNARE est formé et est dans sa conformation trans, en attendant la fusion et la libération des neurotransmetteurs (Arrest of trans-SNARE zippering uncovers loosely and tightly docked intermediates in membrane fusion 2018 et Tight docking of membranes before fusion represents a metastable state with unique properties 2021).

• Les VS amarrées et amorcées fusionnent grâce à l'arrivée d'un potentiel d'action (PA) en raison de l'augmentation concomitante de la concentration intracellulaire en Ca⁺⁺.
• L'assemblage complexe et la fermeture à glissière SNARE est très exergonique ( vision énergétique) et ce stade est souvent considéré comme statique (Molecular machines governing exocytosis of synaptic vesicles 2015).

2. En outre, la machinerie protéique comprend principalement les composants suivants :

a. les senseurs calciques

• Munc13
• les synaptotagmines 3 et 7
• Doc2
• CAPS

b. les protéines Munc

c. la complexine

Processus engagés dans l'amarrage et l'amorçage

De nombreuses preuves électrophysiologiques soulignent un rechargement extrêmement rapide de pools de vésicules synaptiques (VS) amorcés (priming) au cours d'une activité synaptique à haute fréquence.

1. Traditionnellement, les analyses électrophysiologiques de la libération des neurotransmetteurs au niveau des synapses ont été interprétées en termes de sites de libération au niveau de la zone active (ZA) qui contient les protéines qui se lient aux vésicules synaptiques (VS).

a. Les VS sont amarrées et amorcées, i.e. dans le pool rapidement libérable (RRP), fusionnent avec la membrane présynaptique grâce à l'arrivée d'un potentiel d'action (PA), en raison de l'augmentation concomitante de la concentration intracellulaire en Ca⁺⁺.

L’état amarré et amorcé des VS a généralement été considéré comme statique et irréversible.

b. On pourrait donc s'attendre à ce qu'une population homogène de vésicules soit libérée avec une évolution temporelle exponentielle.

Cependant, les réponses mesurées ne décroissent pas selon une seule exponentielle, mais au contraire, des évolutions temporelles double-exponentielles ou multi-exponentielles ont été observées, indiquant que la population de vésicules amorcées est hétérogène, peut-être en ce qui concerne les états dans lesquels elles se trouvent.

2. Les cellules chromaffines de la médullosurrénale sont le type de cellules sécrétoires sur lequel ces méthodes ont été les plus largement utilisées (Dynamically Primed Synaptic Vesicle States: Key to Understand Synaptic Short-Term Plasticity 2018).

a. Dans ces cellules, le passage de 20-30 μM de Ca⁺⁺ provoque (C2‐domain containing calcium sensors in neuroendocrine secretion 2016) :

• une poussée initiale de fusion de granules de chromaffine qui se désintègre avec une constante de temps de 10-50 ms,
• suivie d'un autre composant de fusion plus lent de plus de 10 fois (Emerging Roles of Presynaptic Proteins in CaÒ-Triggered Exocytosis 2002).

b. Les deux composantes contribuent à peu près également à la fusion totale et ont été initialement interprétées pour refléter deux populations de granules de fusion autonome.

3. Cependant, même au repos, les états amarrés et amorcés des VS peuvent être labiles et très dynamiques et peuvent fluctuer entre (Munc13-1 and Munc18-1 together prevent NSF-dependent de-priming of synaptic vesicles 2017 et Trans-SNARE complex dynamics and number determine nascent fusion pore properties 2018) :

• un état lâchement amarré et amorcé (LS ou loosely docked and primed state) dans lequel les complexes SNARE ne sont que partiellement zippés,
• un état étroitement amarré et amorcé (TS ou tightly docked and primed), dans lequel la fermeture éclair s'est refermée sur une plus grande distance.

Remarque : dans le modèle LS/TS, on a rajouté des vésicules labiles à l'état serré (TSL).

Quid des vésicules qui ne s'amarrent pas ?

Les vésicules mobiles qui ne sont pas capturées par la machinerie de fusion de la zone active (ZA) resteront mobiles et peuvent continuer à se déplacer autour du groupement des autres vésicules.

Finalement, elles se lieront à des molécules telles que la synapsine et perdront leur mobilité pour rejoindre le pool de réserve (RP).

L'inactivité synaptique augmentera la proportion de vésicules immobiles, car le recyclage continu qui nettoie les vésicules de la synapsine ne se produit plus.

5. Fusion membranaire et libération du neurotransmetteur