SYNAPSES

Structure moléculaire 3D des synapses

La poursuite de la description des synapses au niveau moléculaire implique de déterminer non seulement l’identité des composants mais aussi la manière dont ils sont associés dans l’espace. Cette recherche tira partie de l’observation fortuite qu’il était possible de purifier par centrifugation d’extraits de cortex cérébral, des fragments de synapses, ou « synaptosomes », qui sont des éléments présynaptiques arrachés de la cellule nerveuse. En se servant de telles préparations biologiques, on put caractériser finement l’organisation de leurs contenus et les flux de neurotransmetteurs.

Au cours des décennies suivantes, l’évolution des techniques de la biologie moléculaire et leur miniaturisation, notamment aujourd’hui la protéomique, ont permis de décrire la diversité des protéines spécifiques à la machinerie d’exocytose synaptique. De nouvelles techniques de marquage des protéines synaptiques utilisées dans de nouvelles techniques de microscopie permettent de les examiner dans leur environnement membranaire naturel, au niveau nanométrique, sur les neurones eux-mêmes.

L’étude des organisations multimoléculaires dans les synapses se développe aujourd’hui selon deux directions principales. La première consiste en l’analyse dans le détail des constituants moléculaires des synapses et l’étude de leurs propriétés, comme leurs interactions avec d’autres protéines et leurs propriétés enzymatiques de contrôle de l’activité d’autres protéines. Ces analyses sont réalisées par des techniques de marquage spécifique des diverses protéines présentes dans des coupes histologiques ou à partir de synapses isolées physiquement par microdissection, un peu à la manière des données des atlas Allen pour les cellules du cerveau entier, mais cette fois-ci à l’échelle d’une seule synapse. Elles peuvent être encore miniaturisées en établissant, grâce aux techniques de protéomique, l’inventaire exhaustif des protéines synaptiques à partir des ARN messagers présents dans un microéchantillon, voire une unique terminaison nerveuse. Ces travaux permettent de décrire les architectures protéiques responsables de l’assemblage physique des synapses, de leur fonctionnement, de leurs régulations fonctionnelles, et de leur désassemblage.

Une seconde orientation consiste à développer des marqueurs moléculaires permettant la visualisation à l’échelle moléculaire des mouvements de certains acteurs synaptiques (par exemple, les récepteurs aux neurotransmetteurs), c’est-à-dire leurs mouvements dans le plan de la membrane synaptique. Ces techniques ajoutent une dimension dynamique à la topographie moléculaire définie précédemment. Il est même possible de suivre la mobilité d’un seul quantum dot, c’est-à-dire d’une seule molécule marquée. Ces procédés permettent de définir des regroupements de récepteurs aux neurotransmetteurs, comme les nanodomaines, qui apparaissent comme des ensembles denses et stables de la taille d’une petite centaine de nanomètres. La mise en place de ces nanodomaines s’explique par le regroupement dense et de taille fixe dans le plan de la membrane, de 20 à 25 sites d’accrochage de récepteurs aux neurotransmetteurs, en face d’un site présynaptique d’exocytose (une zone active). On parle alors de nanodomaines synaptiques de récepteurs aux neurotransmetteurs, immobilisés en position fonctionnelle sur des sites saturables.

Ces deux orientations ont tendance à se rapprocher, car il est à présent possible d’utiliser les données sur les protéines synaptiques (issues de la première approche), sur leurs gènes et leurs profils d’expression pour créer des animaux transgéniques exprimant dans leurs synapses des protéines synaptiques recombinées (« optoprobes ») incorporant des sous-unités fluorescentes les rendant détectables en microscopie, ou encore d’autres sous-unités[...]