Eq. 1 - Protéinopathies

Processus pathologiques précoces dans les axones et les terminaux présynaptiques dans le contexte de la démence à corps de Lewy

La protéine alpha-synucléine est largement exprimée dans le système nerveux central (SNC). Localisée dans le bouton présynaptique, elle serait impliquée dans la modulation de la transmission des signaux électriques entre les neurones, bien que sa fonction exacte ne soit pas encore totalement élucidée. Dans des conditions pathologiques, l’alpha-synucléine se replie de manière anormale et forme des dépôts intracellulaires appelés neurites de Lewy (LN) et corps de Lewy (CL), caractéristiques de la maladie de Parkinson (MP) et d’autres synucléinopathies comme la démence à corps de Lewy (DCL) et l’atrophie multisystématisée (AMS). Les fibrilles d’alpha-synucléine, libérées par les neurones endommagés, se propagent de manière similaire à un prion dans l’ensemble du SNC. On suppose que les oligomères toxiques et les formes fibrillaires de l’α-synucléine déclenchent des modifications pathologiques précoces au niveau des synapses, antérieures à la formation de la pathologie de Lewy.

Malgré une caractérisation histologique détaillée et des analyses biochimiques in vitro, il n’existe aucune preuve expérimentale directe des premières étapes de la dysrégulation de l’α-synucléine dans les neurones à l’origine des synucléinopathies. Nous utilisons l’imagerie super-résolution à molécule unique pour étudier les mécanismes d’agrégation de l’α-synucléine au niveau des synapses et dans les axones. La microscopie de localisation de molécules uniques (SMLM) est particulièrement adaptée à l’observation de ces processus, grâce à sa haute précision spatiale et sa sensibilité (Specht, 2021, Frontiers in Synaptic Neuroscience).

L’hypothèse centrale de nos recherches est que la dynamique moléculaire et la liaison de l’α-synucléine au niveau des synapses ne sont pas seulement essentielles à sa fonction physiologique, mais qu’elles permettent également de comprendre les toutes premières modifications moléculaires, pouvant survenir de nombreuses années avant l’apparition des symptômes cliniques.

Plasticité moléculaire des interactions récepteur-échafaudage au niveau des synapses inhibitrices

Les modifications plastiques de la transmission synaptique sont nécessairement associées à des changements moléculaires, notamment dans le nombre de copies des protéines synaptiques, leurs modifications post-traductionnelles ainsi que leur localisation précise au sein de la structure synaptique. Au niveau des synapses inhibitrices, la protéine d’échafaudage principale, la géphyrine, forme un réseau bidimensionnel sous la membrane synaptique, offrant des sites de liaison pour deux types de canaux chlorure à ligand inhibiteur : les récepteurs de la glycine (GlyRs) et les récepteurs GABAA (GABAARs). Les variations de la liaison récepteur-géphyrine contrôlent l’agglomération des récepteurs dans la membrane postsynaptique, ce qui régule à son tour leur nombre et l’intensité de la transmission synaptique.

Grâce à la haute résolution spatiale de la microscopie de localisation de molécules uniques (SMLM), notre équipe étudie l’organisation interne et la dynamique des synapses inhibitrices en réponse à des formes physiologiques et inadaptées de plasticité synaptique. Par exemple, en utilisant l’expression recombinante de protéines rapporteuses fluorescentes et des modèles de souris knock-in, nous avons déterminé la distribution sous-synaptique des GlyRs, des GABAARs et de la géphyrine, et mesuré le nombre de copies de récepteurs et de molécules d’échafaudage au niveau des synapses de la moelle épinière. Nous avons pu démontrer que les GlyRs s’agglomèrent selon une densité constante d’environ 2 000 complexes GlyR/µm² dans les synapses de la plupart des couches de la moelle épinière dorsale et ventrale. Cette organisation stéréotypée est conservée dans un modèle de souris hypomorphe (oscillator) de la maladie de l’homme effrayé (startle disease), montrant que les déficits de la neurotransmission inhibitrice sont la conséquence d’une réduction de la taille du domaine postsynaptique inhibiteur, et non d’une modification de l’empilement des GlyRs (Maynard et al., eLife 2021).

Technologie – Nanoscopie à molécule unique

La visualisation de l’organisation interne des synapses nécessite des techniques d’imagerie super-résolution, comme la microscopie de localisation de molécules uniques (SMLM). Celle-ci permet de contourner la limite de diffraction de la microscopie de fluorescence conventionnelle en détectant des protéines fluorescentes photoactivables ou des colorants organiques dont le spectre d’émission est modifié de manière contrôlée. Ainsi, les détections de fluorophores individuels sont résolues temporellement, et leurs positions sont déterminées avec une précision de l’ordre du nanomètre, produisant une image super-résolution de type pointilliste.

La puissance de la SMLM a été démontrée, par exemple, par l’étude de l’ultrastructure et de la dynamique du cytosquelette d’actine dans les épines dendritiques (Izeddin et al., 2011, PLoS One). Notre équipe a mis en œuvre une SMLM quantitative, dynamique et tridimensionnelle grâce à notre plateforme d’imagerie avancée, afin d’étudier la plasticité moléculaire des synapses en réponse à des mécanismes de signalisation ainsi que lors de processus pathologiques.