Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques : cycle vésiculaire
Recyclage vésiculaire
8. Regroupement (clustering) des vésicules

Les vésicules synaptiques (VS) forment des amas serrés au niveau des synapses.

Ces groupes ou clusters agissent comme un réservoir à partir duquel les VS sont extraites pour l'exocytose lors d'une activité soutenue.

Vue d'ensemble du regroupement (clustering) des VS

Des centaines de VS se regroupent, i.e. clustering, dans des régions tridimensionnelles spécifiques, le pool de réserve ou de recyclage selon les auteurs ( discussion), au sein de boutons synaptiques le long des axones (Quantitative analysis of the native presynaptic cytomatrix by cryoelectron tomography 2010).

Le volume d'un axone est beaucoup plus grand que le volume d'un bouton, ce qui implique qu'il faut un mécanisme permettant aux VS de s'accumuler et de rester aux synapses.

Au cours d'une stimulation prolongée, les vésicules sont mobilisées à partir de ces clusters pour assurer la poursuite de la libération des neurotransmetteurs, ce qui implique que la mobilité des VS semble en contradiction avec leur localisation (A comparative analysis of the mobility of 45 proteins in the synaptic bouton 2020).

Molécules impliquées

Les principaux composants du regroupement des vésicules sont les synapsines (Synapsin condensation controls synaptic vesicle sequestering and dynamics 2024).

1. Les synapsines sont localisées dans l'amas distal des VS, i.e. correspondant au pool de réserve (RP), et deviennent moins abondantes près de la zone active (ZA), où se trouve le pool rapidement libérable (RRP).

• La concentration des synapsines est plusieurs fois supérieure à celle de toute autre protéine localisée dans cette matrice.
• Les anticorps contre la synapsine éliminent le regroupement des vésicules.

a. Les synapsines possèdent un domaine intrinsèquement désordonné (IDR) qui est essentiel pour la condensation et la liaison, en particulier au domaine SH3 de nombreuses protéines.

b. La phosphorylation des synapsines provoque la dissociation des VS dans le cytosol, i.e. VS qui peuvent être exocytées ( phosphorylation de la synapsine dans le cycle vésiculaire).

2. L'interaction intersectine/synapsine provoque la formation de gouttelettes qui croissent progressivement ou en fusionnant les unes avec les autres, révélant un état liquide, montrant que l'intersectine est un acteur actif dans la formation du condensat liquide.

Modèles du regroupement

Le modèle de la séparation de phase liquide-liquide (LLPS) est le plus en vogue actuellement, mais les modèles n'expliquent pas tous les rôles des synapsines.

Modèle original d'échafaudage par l'actine

1. Le modèle original propose que la liaison des synapsines à la fois à l'actine et aux VS sert à maintenir les VS dans le RP.

a. Dans ce modèle, les synapsines ramènent les VS au cytosquelette d'actine, rassemblant les VS sur des filaments d'actine et formant ainsi l'amas de VS.

Ce modèle est cohérent avec les observations expérimentales selon lesquelles les synapsines peuvent se lier à la fois aux VS et aux filaments d'actine, et peuvent même favoriser la polymérisation de l'actine.

b. Cependant, l'actine ne contribue pas à l'entretien du RP pour plusieurs raisons, dont la principale est la localisation dans la zone péri-active et sa pénurie dans le RP.

2. Toutefois, l'actine peut affecter indirectement le RP :

• en concentrant les synapsines au sein du terminal présynaptique (Actin has a molecular scaffolding, not propulsive, role in presynaptic function 2003),
• en contribuant ainsi à attirer les VS vers le RRP (Short-Term Plasticity at Hippocampal Mossy Fiber Synapses Is Induced by Natural Activity Patterns and Associated with Vesicle Pool Engram Formation 2020).

Modèle par réticulation des vésicules synaptiques

1. Un deuxième modèle propose que les synapsines maintiennent le pool de réserve en réticulant les VS.

a. On trouve des attaches courtes qui connectent les VS voisines, i.e. la longueur de ces attaches étant similaire à celle des synapsines.

b. Ce modèle repose sur la liaison des synapsines (Functional Role of ATP Binding to Synapsin I In Synaptic Vesicle Trafficking and Release Dynamics 2014) :

• non seulement aux VS,
• mais aussi les unes aux autres pour permettre la réticulation des VS par la formation des dimères et des tétramères.

2. Bien que des recherches plus approfondies soient nécessaires pour identifier définitivement le rôle des synapsines dans les liens inter-VS, à l'heure actuelle, aucune preuve expérimentale n'exclut définitivement l'hypothèse de la réticulation du VS.

Cependant, les synapsines aideraient à stabiliser les attaches plutôt qu'à les former (Sparse force-bearing bridges between neighboring synaptic vesicles 2021).

3. L'α-synucléine pourrait jouer aussi un rôle dans ce regroupement par deux mécanismes.

a. L'excès d'α-synucléine perturbe la cinétique de formation des condensats synapsine/VS, ce qui indique que le rapport molaire entre la synapsine et l'α-synucléine est important dans leur assemblage (interaction synapsine/α-synucléine).

b. L'α-synucléine, par sa liaison avec Vamp2, pourrait être impliquée dans le regroupement des VS, car elles peuvent ( interaction α-synucléine/Vamp2) :

• se lier à la membrane vésiculaire, mais ne pas être impliquées dans la formation du complexe SNARE,
• se trouver dans les pools de VS ?

Modèle par séparation de phase liquide-liquide (LLPS)

La condensation des synapsines suffit à induire la formation de micro-domaines des VS au sein du bouton synaptique, peut regrouper les vésicules lipidiques via la séparation de phase liquide-liquide, i.e. LLPS ou liquid-liquid phase separation (A Liquid Phase of Synapsin and Lipid Vesicles 2018).

1. La LLPS n'exclut pas le rôle supplémentaire des interactions protéine-protéine comme avec l'intersectine ou l'α-synucléine.

a. En fait, ces protéines semblent essentielles pour :

• échanger les VS entre les synapses voisines (A proline-rich motif on VGLUT1 reduces synaptic vesicle super-pool and spontaneous release frequency 2019),
• réintégrer les vésicules nouvellement endocytées (Liquid-like protein interactions catalyze assembly of endocytic vesicles 2021).

b. La taille du maillage couplé à la dynamique interne des protéines au sein d'un condensat fournit une couche supplémentaire de spécificité et permet aux condensats de VS d'agir comme tampons de protéines et d'enzymes.

2. L'enrichissement des VS dans les boutons synaptiques par la LLPS a des conséquences évidentes sur la transmission neuronale.

a. Grâce à elle, les VS maintiennent leur motilité dans les boutons synaptiques, bien qu'ils soient confinés de manière dépendante de la synapsine.

Cette motilité permet de phosphoryler rapidement les molécules de synapsine par les kinases par l'activité neuronale à l'interface des condensats sans qu'il soit nécessaire que les enzymes y pénètrent plus profondément.

b. La libération des VS peut se produire à un large éventail de fréquences de stimulation différentes.

• Au cours de la faible activité, les VS amarrées (dockées) et les VS à l'interface seraient recrutées pour la fusion.
• Pendant une activité prolongée, le condensat entraîné par la synapsine 1 fournira un réservoir de VS.

3. La forte concentration locale de synapsines suggère qu'elles sont plus que de simples réticulateurs des VS, mais qu'elles piègent les VS dans une phase liquide (Vesicle Clustering in a Living Synapse Depends on a Synapsin Region that Mediates Phase Separation 2020). .

a. Les synapsines agissent comme un milieu cohésif, i.e. qui unit, maintenant les vésicules ensemble en grappe tout en permettant leur motilité élevée.

• Le comportement diffusif des VS est complètement perturbé dans les neurones synapsine-KO, i.e. les VS étant plus mobiles et moins confinées.
• La région intrinsèquement désordonnée (IDR) de la synapsine est suffisante pour restaurer à la fois le motif de diffusion et l'accumulation des VS au niveau des boutons.

Le domaine E, bien conservé dans les isoformes des synapsines, dont les derniers acides permettraient la séparation de phase et les interactions spécifiques, pourrait coupler le regroupement des VS à la libération de neurotransmetteur.

b. Une combinaison de ce modèle avec le modèle par réticulation est possible car ils ne s'excluent mutuellement.

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