Sushi domain proteins during the life of the excitatory synapse in the olivocerebellar network

par Inés González Calvo

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Fekrije Selimi.

Le président du jury était Ann Lohof.

Le jury était composé de Chris I. De Zeeuw, Philippe Isope.

Les rapporteurs étaient Maria Passafaro, Joris de Wit.

  • Titre traduit

    les protéines à domaine sushi au cours de la vie de la synapse excitatrice dans le réseau olivo-cérébelleux


  • Résumé

    Le fonctionnement correct du Système Nerveux Central dépend de l’établissement et de la maturation de synapses fonctionnelles. Un nombre important de molécules sécrétées et membranaires participe au développement, maturation et plasticité des synapses tout au long de la vie de l’organisme. Les protéines à domaine Sushi en synapses sont conservées dans les synapses et des mutations en protéines synaptiques à domaines Sushi sont trouvées chez des patients avec des maladies neurologiques et psychiatriques. J’ai utilisé le système olivocérébelleux comme modèle pour l’étude du rôle potentiel des protéines à domaine Sushi dans la formation et le fonctionnement des synapses excitatrices. A partir des données préliminaires de notre laboratoire, j’ai décidé d’étudier deux gènes codant pour des protéines à domaine Sushi, une codant la protéine membranaire SUSD4 (Sushi domain containing protein 4) et l’autre codant quatre isoformes de Masp1/3 (Mannan-binding lectin serine protease 1/3). D’abord, j’ai identifié que la troisième isoforme de Masp1/3, la protéine MAP44 (Mannose-binding lectin-associated protein of 44 kDa) ne contenant pas le domaine serine protéase, est celle qui s’exprime le plus dans le cervelet et dans l’olive inférieure. Les données obtenues avec l’analyse des souris invalidées pour le gène Masp1/3 suggèrent que l’architecture cellulaire du cervelet et des synapses excitatrices de la cellule de Purkinje n’est pas affectée en absence de Masp1/3. Deuxièmement, j’ai trouvé que Susd4 est aussi exprimée dans le réseau olivocérébelleux pendant le développement postnatal et chez l’adulte. En utilisant des souris invalidées pour le gène Susd4, j’ai trouvé que l’absence de SUSD4 mène à des déficits d’apprentissage moteur, une perte de la dépression à long terme à la synapse fibre parallèle (dépendante de la fibre grimpante) et une facilitation de la potentialisation à long terme de la fibre parallèle. La transmission de la fibre grimpante est augmentée transitoirement pendant la maturation. Un défaut de régulation des récepteurs synaptique de type AMPA est associé à ce phénotype. Des expériences de purification par affinité suivies de spectrométrie de masse ont révélé que les E3 ubiquitine ligases de la famille HECT interagissent avec le domaine cytoplasmique de SUSD4. Finalement, des expériences en cours suggèrent que la dégradation des récepteurs de type AMPA est régulée par le complexe SUSD4/HECT ligase. Bien que les mécanismes moléculaires contrôlant l’incorporation synaptique des récepteurs aux glutamate est bien décrite, le contrôle de leur dégradation reste mal connu. La fonction de SUSD4 pourrait être un mécanisme général permettant le contrôle précis spatio-temporel de la dégradation de protéines spécifiques dans la cellule par les HECT ubiquitine ligases. Ces résultats donnent des nouveaux aperçus du rôle des protéines à domaine Sushi dans les mécanismes moléculaires contrôlant la plasticité et la fonction des synapses dans le Système Nerveux Central.


  • Résumé

    The establishment and maturation of functional synapses underlies the proper function of the Central Nervous System. A large number of secreted and transmembrane molecules are needed to control the mechanisms ensuring synaptic development, maturation and plasticity during the life of the organism. Sushi domain-containing proteins are evolutionary conserved in synapses and mutations in synaptic Sushi domain proteins have been related to neurological and psychiatric disorders in humans. I used the olivocerebellar network as a model to study the potential role of several Sushi domain-containing proteins in excitatory synapse formation and function. Based on previous data from our laboratory, I decided to study two genes, one coding the transmembrane Sushi domain containing protein 4 (SUSD4) and another gene coding four isoforms of Masp1/3 (Mannan-binding lectin serine protease 1/3). First, I identified that the third isoform of Masp1/3, that produces the protein MAP44 (Mannose-binding lectin-associated protein of 44 kDa) lacking the serine protease domain, is the most abundantly expressed isoform in the cerebellum and in the inferior olive. The data obtained by analyzing the Masp1/3 knockout mice suggest that the cytoarchitecture of the cerebellum and excitatory synaptogenesis on cerebellar Purkinje cells is not grossly affected in the absence of Masp1/3. Second, I found that Susd4 is also expressed in the olivocerebellar network during postnatal development and in the adult. Using Susd4 knock-out mice, I found that the absence of SUSD4 leads to deficits in motor learning, lack of climbing fiber-dependent parallel fiber long-term depression and facilitation of parallel fiber long-term potentiation. Climbing fiber transmission is increased transiently during maturation and is associated with misregulation of AMPA receptors content at synapses. Affinity purification followed by mass spectrometry revealed that E3 ubiquitin ligases of the HECT family bind to the cytoplasmic tail of SUSD4. Finally, I provide evidence for a regulation of AMPA receptor degradation by the SUSD4/HECT ligase complex. While molecular mechanisms controlling synaptic incorporation of glutamate receptors are well described, what controls their specific removal from synapses remains to be found. SUSD4 function could be a general mechanism allowing precise spatiotemporal control of the turnover of specific target proteins in cells by HECT ubiquitin ligases. These results provide novel insights into the role of Sushi domain proteins in the molecular mechanisms controlling synaptic plasticity and function in the CNS.


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