The role of synaptopodin for the diffusion of membrane protein in the dendritic spine neck

par Lili Wang

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Antoine Triller.

Soutenue le 14-09-2015

à Paris, Ecole normale supérieure , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) , en partenariat avec Institut de biologie de l'École normale supérieure (Paris) (laboratoire) et de École normale supérieure (Paris ; 1985-....) (Établissement de préparation de la thèse) .

Le jury était composé de Antoine Triller.

  • Titre traduit

    Le rôle de synaptopodine dans la diffusion des protéines membranaires dans la tige des épines dendritiques


  • Résumé

    Au sein des synapses comme dans les régions extra synaptiques, la diffusion latérale joue un rôle critique dans la densité membranaire des récepteurs. En face des zones actives, l’accumulation de récepteurs détermine en particulier l’efficacité de la transmission synaptique. Il est important de comprendre les paramètres cellulaires qui jouent sur l’accès au compartiment synaptique, qu’ils soient d’origine moléculaires ou morphologiques. Dans les synapses excitatrices, la tige de l’épine dendritique se comporte comme une barrière à la diffusion. Cette barrière pourrait être fonction de la longueur et du diamètre de la tige (paramètre géométrique), ou résider dans la présence d’éléments spécifiques constituant des obstacles à la diffusion. Une sous-population d’épines contient dans sa tige une forme spécialisée de réticulum endoplasmique, appelé appareil épineux et constituée d’un empilement des accules de réticulum. Une protéine liant l’actine, nommée synaptopodine, est associée de façon étroite à l’appareil épineux et participe aux mécanismes de plasticité synaptique. La question centrale de ce travail de thèse était de définir si la présence de synaptopodine influait sur les caractéristiques de la diffusion dans la tige de l’épine, et d’identifier les mécanismes sous-jacents. Afin d’étudier la diffusion membranaire, j’ai utilisé trois protéines recombinantes différentes: une protéine associée au feuillet extérieur de la membrane plasmique (GFP-GPI), une protéine avec un domaine transmembranaire et une courte séquence intracellulaire (TMD-pHluorin), et la sous-unitéGluR5 du récepteur métabotropique (mGluR5) contenant 7 domaines transmembranaires et une séquence intracellulaire volumineuse. Les trois constructions portent une étiquette (GFP ou pHluorin) du côté extracellulaire. Les propriétés diffusives de ces molécules ont été mesurées par un suivi de particules uniques, à base de quantum dots. Ces expériences ont révélé que la diffusion des protéines membranaires est fonction du diamètre de la structure cylindrique considérée, et par conséquent moins rapide dans la tige de l’épine que dans le tronc du dendrite. Mais les propritétés diffusives dépendent aussi de la taille et delà complexité des molécules membranaires considérées. En effet, la diffusion de molécules comportant des domaines transmembranaires est particulièrement faible dans les tiges contenant de la synaptopodine. Cet aspect a été approfondi par l’utilisation de traitements pharmacologiques, qui ont permis de modifier la structure interne de la tige dendritique. Les variations des tailles des domainesoccupés par l’actine-F, et par lesaggrégats de synaptopodine, ont été observées à l’échelle nanoscopique en utilisant l’imagerie PALM/STORM. En conditions contrôle, la synaptopodine occupe la partie centrale de la tige. La dépolymérisation indirecte de l’actine-F par le 4-Aminopyridineentraîne une diminution des zones occupées par ces deux composants, corrélée à une augmentation de la vitesse de diffusion de mGluR5. En revanche, la dépolymérisation par la latrunculin-A (effet direct sur l’actine) induit une augmentation de la taille des clusters de synaptopodine et donc de la surface occupée par ceux-ci dans la tige. Les mesures de la diffusion de la sous-unité mGluR5 réalisées dans ces conditions montrent une accélération de la vitesse de diffusion, indiquant que la mobilité de mGluR5 n’est pas régulée par une interaction directe avec la synaptopodine. En conclusion, je propose un rôle de stabilisation mutuel pourl’actine-F et la synaptopodinedans la tige des épines dendritiques de neurones d’hippocampe en culture. Les épines contenant de la synaptopodine dans leur tige auraient une organisation unique du cytosquelette qui agirait comme une barrière additionnelle pour la diffusion de récepteurs aux neurotransmetteurs.


  • Résumé

    Lateral diffusion in and outside synapses plays a key role in the accumulation of receptors at synapses, which critically determines the efficacy of synaptic neurotransmission. Therefore, to better understand the trapping of neurotransmitter receptors in synapses, it is important to investigate the mechanisms that may affect receptors diffusion and their capacity to reach synapses. The neck of dendritic spine imposes a diffusional barrier that is considered to depend on the length and diameter of the spine neck. The origin of this barrier could be purely geometrical or could be induced by the presence of specific barriers/obstacles for diffusion. A subpopulation of spines contains a specialized form of endoplasmic reticulum in the spine neck called spine apparatus. The actin-binding protein synaptopodin (SP) is tightly associated with the spine apparatus and participates in synaptic plasticity mechanisms. The central question of my research was to assess whether the presence of the SP affects the diffusion of receptors in the spine neck and to characterize the underlying molecular mechanisms. To study membrane diffusion, I have developed three different probes: a construct associated with the outer leaflet of the plasma membrane (GFP-GPI), a construct with one transmembrane domain and a short intracellular sequence (TMD-pHluorin), and a recombinant metabotropic mGluR5 receptor construct containing an extracellular domain tagged with pHluorin, seven transmembrane domains, as well as a large intracellular region. The diffusion properties of these molecules were measured by single particle tracking using quantum dots. My experiments revealed that the diffusion of membrane proteins was slower in the spine neck than in the dendrite as a result of the different diameter of the two compartments. Furthermore, the diffusion properties depended on the molecular size and complexity of the membrane proteins. Interestingly, the diffusion of membrane proteins with transmembrane domains was particular slow in spine necks containing SP. This could be the result of direct molecular interactions between the membrane proteins and SP or due to spatial constraints that are related to the structural organization of spine necks expressing SP. To address these questions further I used pharmacological treatments to change the internal organization of the spine neck, and measured their effect on the diffusion properties of mGluR5. The distribution of SP and F-actin in the spine neck was determined on the nanoscopic scale using PALM/STORM imaging. This showed that under control condition SP occupies only the central region of the spine neck. Activity-dependent depolymerization of F-actin by 4-Aminopyridine led to a simultaneous decrease of the amount of F-actin and SP and enhanced the diffusion of mGluR5 in all analyzed neck regions. Disruption of F-actin by latrunculin A induced the re-distribution of SP and the formation of larger SP clusters, occupying an increased region within the spine neck. The recruitment of SP was accompanied by an acceleration of mGluR5 diffusion in SP-positive spines, demonstrating that the mobility of mGluR5 is not controlled by direct interactions with SP. Instead, the diffusion of mGluR5 is dependent on the organization of the spine cytoskeleton. In conclusion, I propose that SP and the polymerization of actin filaments have a reciprocal effect on the stability of each other in the spine neck of cultured hippocampal neurons. Spine necks bearing SP have a unique F-actin cytoskeletal organization that acts as an additional diffusion barrier for neurotransmitter receptors such as mGluR5.


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