Approche génétique des mécanismes d’exocytose pendant le développement des circuits neuronaux

Contribution of synaptic release mechanisms to the building of sensory maps

¹ Inserm-UMR-S839, Institut du Fer à Moulin, 17 rue du Fer à Moulin, 75005 Paris, France
² Université Pierre et Marie Curie (UPMC), Sorbonne, Paris, France
³ UMR S 968, Institut de la Vision, 17 rue Moreau, 75012 Paris, France
⁴ Évolution des Régulations Endocriniennes, CNRS UMR 7221, Muséum National d’Histoire Naturelle, 57 rue Cuvier, 75005 Paris, France

Auteur correspondant : Patricia Gaspar, patricia.gaspar@inserm.fr

Reçu : 9 Décembre 2014

Résumé

Les neurotransmetteurs ont été impliqués dans de nombreux processus neuro-développementaux. Les neurones en développement expriment les protéines du complexe SNARE, et les cônes de croissance contiennent de nombreuses vésicules suggérant un rôle de la fusion membranaire dans la croissance axonale. Cependant, à mesure que la machinerie moléculaire responsable de la fusion vésiculaire était révélée, les mutants des gènes codant pour ces protéines n’ont pas montré de défaut majeur d’organisation des projections neuronales. Ces protéines sont pourtant essentielles aux fonctions vitales de l’organisme. Pour étudier le rôle de ces gènes à des étapes plus tardives du développement des circuits neuronaux, nous avons analysé les cartes sensorielles tactiles et visuelles dont la construction est modulée par l’activité nerveuse. Les gènes Rim1 et Rim2 sont essentiels au couplage des canaux calciques et des complexes SNARE. La délétion de ces gènes n’abolit pas la libération constitutive de neuromédiateurs, mais empêche la libération synchrone, évoquée, de médiateurs en réponse à l’entrée de calcium. L’ablation spécifique des gènes Rim1/Rim2 a été ciblée dans les neurones de relais thalamiques, le cortex ou les cellules ganglionnaires de la rétine. Quand ces gènes sont délétés dans le thalamus, la différenciation corticale en barils est perturbée : les neurones post-synaptiques ne reçoivent pas les signaux appropriés pour leur différenciation morphologique et l’orientation de leurs dendrites. De manière plus surprenante, les neurones dépourvus d’une transmission synaptique normale sont cependant capables de s’organiser en cartes topographiques normales et forment des synapses matures correctement différenciées. Cependant, ces neurones se révèlent incapables d’établir une compétition appropriée dans les cibles neuronales. Ainsi les outils génétiques ciblant l’exocytose permettent de mieux définir les processus développementaux dépendant ou non de mécanismes synaptiques.

Abstract

Numerous neurotransmitters have been implicated in neurodevelopmental processes. In addition, developing neurons show an abundance of vesicles in the growth cones, and express proteins of the SNARE complex early on. This has led to propose a role for vesicular fusion machinery in axonal growth and synapse formation. However, as the molecular machinery of vesicular fusion started to unveil, and knockouts for the major proteins of this complex were generated, it came as a surprise that none of these proteins was essential for the construction of brain architecture, although they were crucial for vital functions of the organism, leading to early mortality of exocytosis mutants. Because of this early death, conditional ablation of these genes in well-defined neuronal populations was necessary to study their role at later stages of neural circuit development, when activity-dependent mechanisms are best defined. Early studies showed that mutants of Munc18-1, a gene essential for both constitutive and calcium triggered release, were required for target dependent cell survival but not for axon growth or early refinement of topographic targeting, at least in the retinotectal system. Conditional knockout of the Rim1 and Rim2 genes allowed to interrogate more specifically the role of calcium-triggered release. Rims (rab interacting molecules) play a key role in the assembly of calcium channels and their coupling to the SNARE complex alters calcium-triggered release with little effect on constitutive release. When Rim1/Rim2 genes were ablated in the thalamus, layer IV neurons failed to organize into barrel structures, and to form the characteristic asymmetric distribution of their dendrites. More surprisingly, thalamocortical axons still organized in precise topographic maps and formed well differentiated synapses despite considerable reduction of calcium-induced synaptic release. However, this reduction in release probability altered axon targeting in the visual system where axons from both eyes compete for the same target. Thus, genetic tools targeting the exocytosis machinery are allowing to dissect more precisely the contribution of synaptic and non-synaptic mechanisms to activity-dependent circuit wiring.