Recherche en France

Projet de recherche de l’équipe Choquet sur SynGAP1
au Neurocampus de Bordeaux

Contexte biologique

Les synapses – le site de contact entre neurones – sont plastiques, c’est-à-dire qu’elles peuvent changer l’amplitude de leur réponse en fonction de l’activité des neurones. Ces plasticités (changement durable de l’intensité de la réponse synaptique) sont très probablement à la base des mécanismes de maturation du réseau neuronal ainsi que d’apprentissage et de mémoire. Ces plasticités impliquent des changements dans l’équilibre des différentes protéines synaptiques, entrainant soit un renforcement soit une diminution de la réponse. Même si notre compréhension des mécanismes de fonctionnement des synapses et de leur plasticité a grandement progressé depuis 30 ans, il reste de nombreuses zones d’ombre tant l’organisation moléculaire et les voies de signalisation des synapses sont complexes. Cette complexité est fortement décuplée lorsqu’il s’agit de comprendre comment le fonctionnement des synapses individuelles est intégré au niveau des réseaux neuronaux pour produire nos comportements.

Une découverte importante de ces dernières décades est que de nombreuses pathologies du cerveau, soit neuro-développementales comme le syndrome X fragile, certaines formes d’autisme, synGAP, etc. soit neuro-dégénératives comme Alzheimer, présentent une altération du fonctionnement des synapses et de leurs plasticités. On parle alors de « synaptopathies ». Alors que dans de nombreuses pathologies il est difficile de comprendre la relation causale entre déficit de fonctionnement de la synapses et altération du fonctionnement cérébral, les mutations génétiques de protéines synaptiques, tel SynGap1, présentent une opportunité unique de mieux comprendre les relations entre dysfonctionnements synaptique et cérébral. Nous croyons profondément qu’une meilleure connaissance des mécanismes d’altération du fonctionnement des synapses dans des modèles expérimentaux de mutations génétique sont la clef pour le développement des thérapies tellement nécessaires pour les pathologies associées.

Les avancées scientifiques vont souvent de pair avec l’apparition de nouvelles techniques. Pendant longtemps, en neuroscience, notre compréhension de la transmission synaptique a été limitée par notre capacité de regarder l’agencement des différentes protéines. En effet, la loi physique de la diffraction de la lumière restreint notre précision d’observation à environ la moitié de la taille de la synapse (500 nm), échelle 50 à 100 fois supérieure à celle nécessaire à notre compréhension. En 2006, l’émergence des nouvelles techniques d’imagerie optiques dites de super-résolution (ayant été récompensées par le prix Nobel de chimie en 2014 (Choquet, 2014)) a permis de gagner ce facteur 100 de précision, nous permettant une nouvelle vision du fonctionnement intime des neurones. Notre laboratoire a été pionnier dans le développement et dans l’application aux neurosciences de ces nouvelles techniques (Borgdorff and Choquet, 2002; Tardin et al., 2003). Une série de travaux nous a permis de démontrer à quelle point l’organisation au nanomètre des principaux constituants de la synapse était essentielle pour une transmission synaptique efficace et reproductible (Choquet and Hosy, 2020; Groc and Choquet, 2020). Nous avons, entre autre, démontré qu’une protéine impliquée dans des cas d’autisme (la neuroligine (Jamain et al., 2003)) permet d’aligner les deux constituants de la synapse, le site de libération du neurotransmetteur de la pré-synapse et le groupe de récepteurs aux neurotransmetteurs à la post-synapse (Haas et al., 2018). Des mutations dans cette protéine entraine un désalignement de 100 nm, ce qui peut sembler infime mais qui à l’échelle de la synapse provoque une diminution de 30% environ de la réponse synaptique. Ces nouvelles techniques permettent ainsi de mieux comprendre l’organisation des protéines dans la synapse.

Hypothèse sur le rôle de SynGAP1

Depuis la découverte de SynGap et son rôle dans le fonctionnement de la synapse (Chen et al., 1998; Kim et al., 1998; Rumbaugh et al., 2006), puis l’identification du rôle de SynGAP dans certains cas de déficience mental (Clement et al., 2012; Hamdan et al., 2011; Hamdan et al., 2009; Krepischi et al., 2010), notre compréhension du rôle de SynGAP a notablement progressé. Cependant, à cause de la multiplicité des protéines produites par le gène, et par la fonction multiple de ces protéines, le lien causal entre les mutations dans SynGAP et le phénotype des patients reste difficile à établir. Trois hypothèses majeures et non exclusives ont été avancées.

– SynGAP, via sa fonction GAP (GTPase activating protein) régule la balance entre les voies de signalisation Ras et Rap des neurones, impliquées dans la régulation des plasticités synaptiques. Des mutations pourraient affecter cette régulation et limiter ou supprimer ces plasticités synaptiques.

– SynGAP, via son site d’interaction avec les domaines PDZ, pourrait réguler l’organisation et le nombre des récepteurs aux neurotransmetteurs présents au synapses. Une diminution de l’expression de SynGAP suite à une mutation entrainerait une augmentation du nombre de récepteurs aux neurotransmetteurs à la synapse et pourrait donc altérer les propriétés de la transmission synaptique.

– Une nouvelle voie exploratoire étudie le rôle de SynGAP dans l’organisation des protéines de la synapses en phases liquides (Araki et al., 2015). De manière simplifiée, dans de nombreux domaines de la biologie, il apparait que certaines protéines peuvent se retrouver ensemble via leur affinité entre elles, et former des formes de condensat dans la cellule. SynGAP semblerait être impliqué dans ces séparations de phases. Dans ce cas, une modification de SynGAP entrainerait des changements d’organisation à l’échelle moléculaire de la synapse.

Projet de recherche

Dans notre équipe, nous sommes spécialisés dans l’étude fine de l’effet de l’organisation dynamique des protéines dans la transmission synaptique. Cela provient de la découverte initiale dans notre laboratoire et d’autres (revue dans (Choquet and Hosy, 2020; Groc and Choquet, 2020)) que la synapse n’est pas un système figé, mais que son fonctionnement est lié à des équilibres dynamiques entre plusieurs centaines de protéines. Ceci permettant un fonctionnement cohérent et reproductible de la synapse, mais aussi rapidement adaptable. Nos travaux combinent de nombreuses approches méthodologiques comme la biochimie (pour étudier les interactions protéiques), la chimie afin de développer des outils pour stabiliser ou perturber les équilibres entre protéines, l’imagerie super- résolutive pour observer l’organisation et la dynamique des protéines avec une précision proche de la taille de la protéine, ainsi que de l’électrophysiologie pour enregistrer directement l’activité des synapses ou des réseaux neuronaux.

Actuellement, nous étudions le rôle de SynGAP dans l’organisation à l’échelle nanométrique des récepteurs au glutamate. Nous avons déjà démontré que la suppression de SynGAP entrainait une augmentation du nombre de récepteurs à la synapse et donc à un renforcement de la transmission synaptique. Nous tentons en parallèle de comprendre comment ce « déséquilibre » dans l’organisation de la synapse évolue lors des plasticités synaptiques. Cela nous permettra, entre autre, de savoir si l’effet de la mutation affecte plutôt des synapses à l’état basal ou des synapses étant modifiées par la maturation ou l’activité neuronale. Ce point est un prérequis essentiel pour savoir comment contrecarrer les effets de la mutation. Ces travaux intègrent l’ensemble des compétences/ techniques disponibles au laboratoire car nous couplons imagerie de super-résolution et électrophysiologie (mesure des courants synaptiques), modélisation informatique et biochimie. Nous disposons de 3 modèles cellulaires différents, des neurones en culture ou soit on diminue l’expression de synGAP (modèle 1) soit on supprime complètement son expression (modèle 2), et de souris présentant une délétion dans un des deux gènes SynGAP (haplo-insuffisance, modèle 3). Enfin nous sommes en train d’implémenter au laboratoire un quatrième modèle, les cellules souches humaines redifférenciées en neurones, permettant de partir directement de cellules de patient.

Références

  • Araki, Y., Zeng, M., Zhang, M., and Huganir, R.L. (2015). Rapid dispersion of SynGAP from synaptic spines triggers AMPA receptor insertion and spine enlargement during LTP. Neuron 85, 173-189.
  • Borgdorff, A.J., and Choquet, D. (2002). Regulation of AMPA receptor lateral movements. Nature 417, 649-653.
  • Chen, H.J., Rojas-Soto, M., Oguni, A., and Kennedy, M.B. (1998). A synaptic Ras-GTPase activating protein (p135 SynGAP) inhibited by CaM kinase II. Neuron 20, 895-904.
  • Choquet, D. (2014). The 2014 Nobel Prize in Chemistry: a large-scale prize for achievements on the nanoscale. Neuron 84, 1116-1119.
  • Choquet, D., and Hosy, E. (2020). AMPA receptor nanoscale dynamic organization and synaptic plasticities. Curr Opin Neurobiol 63, 137-145.
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  • Groc, L., and Choquet, D. (2020). Linking glutamate receptor movements and synapse function. Science 368.
  • Haas, K.T., Compans, B., Letellier, M., Bartol, T.M., Grillo-Bosch, D., Sejnowski, T.J., Sainlos, M., Choquet, D., Thoumine, O., and Hosy, E. (2018). Pre-post synaptic alignment through neuroligin-1 tunes synaptic transmission efficiency. Elife 7.
  • Hamdan, F.F., Daoud, H., Piton, A., Gauthier, J., Dobrzeniecka, S., Krebs, M.O., Joober, R., Lacaille, J.C., Nadeau, A., Milunsky, J.M., et al. (2011). De novo SYNGAP1 mutations in nonsyndromic intellectual disability and autism. Biol Psychiatry 69, 898-901.
  • Hamdan, F.F., Gauthier, J., Spiegelman, D., Noreau, A., Yang, Y., Pellerin, S., Dobrzeniecka, S., Cote, M., Perreau-Linck, E., Carmant, L., et al. (2009). Mutations in SYNGAP1 in autosomal nonsyndromic mental retardation. N Engl J Med 360, 599-605.
  • Jamain, S., Quach, H., Betancur, C., Rastam, M., Colineaux, C., Gillberg, I.C., Soderstrom, H., Giros, B., Leboyer, M., Gillberg, C., and Bourgeron, T. (2003). Mutations of the X-linked genes encoding neuroligins NLGN3 and NLGN4 are associated with autism. Nat Genet 34, 27-29.
  • Kim, J.H., Liao, D., Lau, L.F., and Huganir, R.L. (1998). SynGAP: a synaptic RasGAP that associates with the PSD-95/SAP90 protein family. Neuron 20, 683-691.
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  • Tardin, C., Cognet, L., Bats, C., Lounis, B., and Choquet, D. (2003). Direct imaging of lateral movements of AMPA receptors inside synapses. Embo J 22, 4656-4665.