Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques : cycle vésiculaire
Recyclage vésiculaire : système endolysosomal
Endosomes précoces et de recyclage

Recyclage des VS et système endolysosomal

Le recyclage des vésicules synaptiques implique les pools de vésicules synaptiques (VS) qui peuvent être divisés en fonction ( pools vésiculaires) :

• de leur déplacement par rapport à la membrane selon la classification canonique,
• leur relation temporelle entre la libération des vésicules et l'arrivée des potentiels d'action présynaptiques, cette dernière classification étant controversée.

Le système endolysosomal est présent dans tous les types cellulaires ,dans lesquels il joue une série de rôles essentiels, i.e. trafic et tri du cargo membranaire, signalisation intracellulaire, contrôle du métabolisme et dégradation.

1. Le système endolysosomal a été étudié de manière approfondie dans des cellules non neuronales cependant, dans les neurones, ses caractéristiques restent relativement ambiguës et mal définies (Autophagy and the endolysosomal system in presynaptic function 2020 et Neuronal Autophagy Regulates Presynaptic Neurotransmission by Controlling the Axonal Endoplasmic Reticulum 2021).

• Le recyclage localisé des VS et leur organisation en pools fonctionnels sont largement considérés comme un mécanisme discret, qui ne se croise qu'avec le système endolysosomal à des points spécifiques.
• Cependant, les preuves apparaissent que les molécules essentielles à la fonction endolysosomale ont également des rôles clés dans le cycle des VS, suggérant qu'elles forment un continuum plutôt que d'être des processus isolés.

2. La majorité des études actuelles se concentrent sur le recyclage des VS en tant que processus isolé.

• Notre compréhension dont le cycle des VS s'intègre dans le système endolysosomal général des neurones, et les implications fonctionnelles de sa communication avec d'autres voies de trafic membranaire, reste limitée.
• La biogenèse et le maintien des pools de VS tout au long de la durée de vie du neurone est encore obscur.

3. En outre, les questions fondamentales concernant les mécanismes impliqués dans le turnover des composants des VS restent également sans réponse.

• Ces questions ne peuvent être traitées de manière adéquate que si des études sont développées pour une compréhension plus globale du cycle des VS et de sa place dans le système endomembranaire général.
• Or, il n'y a que quelques marqueurs moléculaires distinctifs qui définissent les endosomes précoces (EE) et les endosomes de recyclage (RE), i.e. leur localisation cellulaire et leur fonction sont délicates à interpréter.
• Ainsi, la définition des EE et des RE, leurs fonctions dans les cellules neuronales, et en particulier dans les terminaux synaptiques, s'est avérée être une tâche ardue, en partie en raison de l'approche réductionniste du recyclage des VS.

4. Enfin, les deux endocytoses principales du recyclage synaptique utilisent des endosomes :

• l'endocytose de masse dépendante de l'activité (ADBE ou activity-dependent bulk endocytosis),
• l'endocytose ultrarapide (UFE).

a. Dans l'ADBE et l'UFE, les " bulk endosomes ", formés directement à partir de la membrane plasmique, sont considérés, comme leur nom l'indique, comme des endosomes.

• La formation d'endosomes peut se produire à différentes échelles de temps, i.e. dizaines de millisecondes pour l'UFE, à des dizaines de secondes, en fonction de la force de l'apport de stimulus.
• L'assemblage relativement lent de la couche de clathrine signifie que le bourgeonnement est finalisé sur l'endosome plutôt qu'à la membrane, en raison de l'invagination rapide de ces structures.

b. Plusieurs autres formes d'endocytose ont été proposées pour opérer à la présynapse, mais possèdent le même processus de récupération de la membrane ( autres formes d'endocytose).

Composants des endosomes précoces (EE) et recyclage des VS

1. La plupart des Rab des endosomes précoces (EE), présents au niveau de la terminaison présynaptique, modulent le cycle des vésicules synaptiques (VS).

L'une des classes les plus abondantes de molécules dans les vésicules synaptiques (VS) sont les petites GTPases Rab, au moins au nombre de 15 jusqu'à 25 selon les études ( tableau).

a. Rab5 est présent dans une sous-population de VS dans le compartiment présynaptique.

• La surexpression de Rab5 a réduit la taille du pool de recyclage des VS dans les neurones de l'hippocampe de 50 % (Real-time imaging of Rab3a and Rab5a reveals differential roles in presynaptic function 2005).
• La diminution de Rab5 a altéré le recyclage des VS (LRRK2 regulates synaptic vesicle endocytosis 2008).

b. Rab4 régule les trafics bidirectionnels à l'intérieur de l'axone et s'enrichit aux synapses, avec une réduction de son trafic antérograde entraînant une morphologie synaptique aberrante (Excess Rab4 rescues synaptic and behavioral dysfunction caused by defective HTT-Rab4 axonal transport in Huntington’s disease 2020).

Remarque : on trouve aussi Rab10, Rab14, Rab21 et Rab22…

2. Un autre élément essentiel est la concentration élevée de PI(3)P dans la membrane endosomale, générée par la PI3K de classe III, i.e. VPS34.

a. L'activité PI3K présynaptique est couplée à la dépolarisation membranaire, à l'influx calcique et au recyclage des VS (Phosphatidylinositol 3-Kinase Couples Localised Calcium Influx to Activation of Akt in Central Nerve Terminals 2016).

• Dans les boutons présynaptiques matures, l'activité PI3K soutient le rémodelage de l'actine et une cascade de signalisation liée à l'ADBE.
• L'inhibition de l'activité de la PI3K allonge la durée du recyclage des VS et entraîne l'apparition de nombreuses citernes dans les terminaux synaptiques.

b. L'activité PI3K serait également associée à la synapsine et pourrait être nécessaire à la reconstitution optimale du pool rapidement libérable (RRP) à partir du pool de réserve (RP).

Par contre, ce serait le fait d'une PI3K de classe I.

3. Le rétromère et les protéines EHD sont exprimés ubiquitairement dans le système nerveux, et ils sont tous deux enrichis dans le compartiment présynaptique.

Si le rôle des EHD a été précisé ( dynamine et/ou EHD), celui du rétromère n'est pas clair.

Composants des endosomes de recyclage (RE) et recyclage des VS

Les Rab des endosomes de recyclage sont présentes :

• Rab 11 et Rab8,
• Arf6 et Rab35.

Rab11

Rab11 est associé aux endosomes de recyclage (RE) et au recyclage des VS, principalement dans le déclenchement de l'endocytose de masse dépendante de l'activité ou ADBE (Activity-dependent bulk endocytosis proteome reveals a key presynaptic role for the monomeric GTPase Rab11 2018).

Le rôle de Rab11 dans le système endomembranaire est étudié dans un chapitre spécial.

1. Rab11 augmente le nombre de terminaux nerveux qui réalisent l'ADBE, en augmentant le trafic des RE dans la présynapse au cours d'une activité neuronale intense.

• Le KO de Rab11 chez C. elegans a entraîné des défauts d'endocytose des VS (A Systematic RNAi Screen Reveals a Novel Role of a Spindle Assembly Checkpoint Protein BuGZ in Synaptic Transmission in C. elegans 2017)
• Son expression dans un modèle de drosophile de la maladie de Huntington ou des mouches KO pour VPS35 du rétromère a rétabli la taille des VS aux niveaux de contrôle.
• Dans les neurones de mammifères, la surexpression de mutants Rab11 constitutivement actifs a facilité l'endocytose des VS (Synaptic Vesicle Generation from Central Nerve Terminal Endosomes 2018).

2. Cet effet n'est pas dû à une augmentation de l'exocytose des VS, puisque Rab11 n'a pas d'impact sur ce processus.

VAMP4-pHluorin influe également sur la proportion de terminaisons nerveuses effectuant l'ADBE mais, la réponse de fluorescence des terminaux nerveux individuels est un composé :

• d'acidification en cours de l'endosome,
• de libération asynchrone.

3. L'augmentation de la localisation présynaptique de Rab11 actif pourrait recruter d'autres facteurs que VAMP4 pour déclencher l'ADBE.

• Par exemple, la protéine endosomale EHD-1 peut être recrutée par Rab11 via le Rab11FIP2 intermédiaire pour fournir un lien entre les " bulk endosomes " et les endosomes tubulaires de recyclage (Rab11 and phosphoinositides: A synergy of signal transducers in the control of vesicular trafficking 2016).
• EHD-1 et son partenaire d'interaction, la syndapine, sont toutes deux présentes dans le protéome ADBE et sont situées sur des endosomes tubulaires de recyclage (The Phospho-Dependent Dynamin–Syndapin Interaction Triggers Activity-Dependent Bulk Endocytosis of Synaptic Vesicles 2009).

3. L'augmentation apparente de l'ADBE pourrait être due à une mobilité accrue des " bulk endosomes " entre les terminaisons nerveuses.

KIF13A (KInesin Family member 13A) peut s'associer directement à Rab11a et favoriser la formation de tubules dans les endosomes précoces et de recyclage.

Arf6/Rab35

1. Arf6 réprime le trafic via les voies de recyclage endosomal des vésicules synaptiques, alors que Rab35 favorise le recyclage endosomal.

2. En outre, le système Rab35/Arf6 contrôle la dégradation de certains cargos des VS.

• Par exemple, l'augmentation du flux endosomal via la GAP Rab35, skywalker de la drosophile, TBC1D24 de l'homme, augmente la taille fonctionnelle du pool rapidement libérable (RRP), en raison du rafraîchissement et des cargos spécifiques (Loss of Skywalker Reveals Synaptic Endosomes as Sorting Stations for Synaptic Vesicle Proteins 2011).
• En outre, l'interférence avec cette route de tri endosomal a restauré la taille de la RRP (Reduced synaptic vesicle protein degradation at lysosomes curbs TBC1D24/sky-induced neurodegeneration, 2014).

Endosomes tardifs (LE), lysosomes, autophagie
et recyclage des VS