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Distribution subcellulaire des récepteurs du glutamate de type kaïnate

Auteur : Dr. Frédéric JASKOLSKI
Adresse actuelle : MRC Centre for Synaptic Plasticity - Department of Anatomy - University of Bristol - UK.


Introduction

I - La synapse

II - Les récepteurs du glutamate de type kaïnate :

1 - Acide kaïnique, découverte

2 - Physiopathologie des récepteurs kaïnate

3 - Clonage et structure des sous-unités des récepteurs kaïnate



4 - Physiologie des récepteurs kaïnate


5 - Distribution subcellulaire des récepteurs kaïnate :
La fonction des récepteurs du glutamate est conditionnée par leurs localisations dans le complexe synaptique, soit en pré-synapse où ils peuvent moduler la libération de neurotransmetteur, soit dans la densité post-synaptique où ils transduisent la transmission glutamatergique. Les récepteurs peuvent aussi être extra-synaptiques et activés soit par débordement de glutamate hors de la fente synaptique, soit par la libération de glutamate par les cellules gliales. Cette diversité de fonctions et de localisations est une caractéristique des récepteurs kaïnate. Une question centrale de la physiologie des récepteurs kaïnate est de connaître la distribution subcellulaire des récepteurs kaïnate.

Ce chapitre a fait l'objet d'une publication de revue bibliographique :
" Subcellular localization and trafficking of kainate receptors "
Jaskolski, F ; Coussen, F ; Mulle, C
Trends in Pharmacological Sciences, sous presse.

5a - Distribution fonctionnelle :
Alors que les récepteurs de type AMPA sont les principaux médiateurs de la transmission synaptique glutamatergique, les récepteurs kaïnate semble être impliqués dans la régulation de l'activité des réseaux neuronaux. Les récepteurs kaïnate peuvent moduler la libération de neurotransmetteur en agissant comme auto-récepteurs pré-synaptiques, ils contribuent à la réponse post-synaptique et régulent l'excitabilité neuronale. La principale technique ayant permis d'étudier la distribution subcellulaire des récepteurs kaïnate est l'électrophysiologie combinée à l'utilisation d'outils pharmacologiques et à l'analyse de souris déficientes pour chacune des sous-unités des récepteurs kaïnate.
Récepteurs kaïnate somato-dendritiques

Le fait qu'une seule stimulation des fibres moussues évoque un courant post-synaptique rapide imputable aux récepteurs kaïnate permet de supposer que ces récepteurs se trouvent en face du site de libération du glutamate, comme les récepteurs de type AMPA et NMDA. D'après la mesure des cinétiques d'ouverture et de fermeture des récepteurs recombinants, Li et al proposent que la différence entre les composantes kaïnate et AMPA de l'EPSC repose sur les propriétés biophysiques des deux types de récepteurs (Li et al., 2003a; Li et al., 2003b). Cependant l'hypothèse proposée par Li et al est difficilement conciliable avec les propriétés des récepteurs natifs, probablement car cette hypothèse repose sur l'étude de récepteurs recombinants homomériques. La composante des EPSCs imputable aux récepteurs kaïnate se somme pour des stimulations répétées, il a donc été émis l'hypothèse que les récepteurs kaïnate étaient activés par de faibles concentrations de glutamate extra-synaptiques. Le corrélat de cette hypothèse est que les récepteurs kaïnate doivent se trouver hors de la densité post synaptique, soit en péri-synapse, soit hors de la synapse où ils sont activés par le glutamate extra-synaptique. La cinétique lente de la contribution des récepteurs kaïnate aux EPSCs reflèterait dans ces conditions la présence de glutamate dans le milieu extracellulaire plusieurs dizaines de millisecondes après la libération synaptique. Cependant, la cinétique des EPSCs imputables aux récepteurs kaïnate n'est pas sensible au blocage de la recapture du glutamate (Bureau et al., 2000; Kidd and Isaac, 2001) et la libération d'une vésicule de glutamate suffit pour activer les récepteurs kaïnate dans les cellules pyramidales de CA3 (Cossart et al., 2002). Ces différentes approches indiquent que les récepteurs kaïnate post-synaptiques sont proches du site de libération du glutamate, notamment aux synapses entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3 (fig 19). Il a récemment été mis en évidence un rôle des récepteurs kaïnate dans la maturation synaptique entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3 (Marchal and Mulle, 2004). Enfin, dans les cellules pyramidales de CA3, l'application locale de kaïnate le long des dendrites des cellules pyramidales montre la présence de récepteurs kaïnate seulement dans le stratum lucidum, territoire dans lequel se forment les synapses entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3 (Castillo et al., 1997)(fig 19). Ce résultat suggère qu'il existe des mécanismes qui restreignent la distribution des récepteurs kaïnate dans le segment proximal de l'arborisation dendritique des cellules pyramidale de CA3, ces mécanismes sont encore inconnus.

Dans de nombreuses populations de neurones exprimant des sous-unités des récepteurs kaïnate, comme les cellules pyramidales de CA1 ou les neurones épineux du striatum et du noyau accumbens, les récepteurs kaïnate ne participent pas directement à la transmission synaptique glutamatergique (Bureau et al., 1999; Chergui et al., 2000; Casassus and Mulle, 2002). Pourtant, dans ces cellules, les récepteurs kaïnate peuvent être activés pharmacologiquement dans le compartiment somato-dendritique suggérant une localisation extra-synaptique. Récemment, Eder et al ont utilisé le décageage de glutamate par rayonnement ultraviolet pour montrer que les récepteurs kaïnate se distribuent le long des dendrites des neurones de la couche V du néocortex (Eder et al., 2003). Dans ces cellules, les récepteurs kaïnate sont exprimés dans tout le compartiment somato-dendritique et sont principalement extra-synaptiques. Ces résultats soulèvent le problème de l'origine du glutamate qui pourrait activer ces récepteurs extra-synaptiques. Liu et al ont récemment mis en évidence que la libération de glutamate par les astrocytes active les récepteurs kaïnate exprimés par les interneurones adjacents (Liu et al., 2004). Il serait judicieux d'examiner si les récepteurs kaïnate extra-synaptiques sont localisés dans les zones de contacts entre les astrocytes et les neurones (Ventura and Harris, 1999). L'ensemble de ces données indique que la distribution des récepteurs kaïnate dans le compartiment somato-dendritique est très variable selon les structures et les populations cellulaires où ils s'expriment.

Les récepteurs kaïnate pré-synaptiques et axonaux :
Aux synapses entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3, les récepteurs kaïnate agissent comme autorécepteurs activés par la libération synaptique de glutamate, facilitant la transmission synaptique et contribuant ainsi à la plasticité à court terme de ces synapses (Contractor et al., 2001; Lauri et al., 2001; Schmitz et al., 2001b). Une simple stimulation des fibres moussues suffit pour activer les récepteurs kaïnate pré-synaptiques, ce qui laisse penser que ces récepteurs se trouvent proches du site de libération (fig 19). Les récepteurs kaïnate pourraient se trouver aussi le long de l'axone des fibres moussues où ils régulent l'excitabilité axonale (Kamiya and Ozawa, 2000; Schmitz et al., 2001b).
Les récepteurs kaïnate pré-synaptiques aux synapses entre les collatérales de Schaffer et les cellules pyramidales de CA1 inhibent la libération de glutamate en réduisant l'accumulation de calcium via un mécanisme dépendant des protéines G (Frerking et al., 2001)(fig 19). Les conditions physiologiques d'activation des récepteurs kaïnate pré-synaptiques à cette synapse ne sont pas connues à ce jour.
Dans l'hippocampe, les récepteurs kaïnate sont présents sur le soma et les dendrites des interneurones GABAergiques ainsi que sur les terminaisons qui libèrent le GABA (Rodriguez-Moreno et al., 2000). La libération de glutamate par les collatérales de Schaffer inhibe la transmission synaptique GABAergique en activant les récepteurs kaïnate (Min et al., 1999). De plus, les récepteurs kaïnate sont présents sur les terminaisons GABAergiques des interneurones dans la région CA1 où leur activation augmente la libération de GABA (Mulle et al., 2000; Cossart et al., 2001). Un effet pré-synaptique des récepteurs kaïnate sur les terminaisons GABAergiques a aussi été enregistré dans les neurones du néocortex (Ali et al., 2001).
Ainsi, le rôle des récepteurs kaïnate sur la libération de neurotransmetteur peut-être attribuable à des récepteurs axonaux ou localisés sur la terminaison synaptique.

5b - Distribution des sous-unité des récepteurs kaïnate :
La distribution subcellulaire des récepteurs kaïnate étudiée par microscopie électronique avec des anticorps reconnaissant GluR6/7, KA1 et KA2 n'est que peu documentée. Dans la rétine, les sous-unités GluR6/7 et KA2 forment des récepteurs post-synaptiques dans la couche plexiforme en face des terminaisons des photorécepteurs (Brandstatter et al., 1997). Aux synapses entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3, les sous-unités KA1 et KA2 sont exprimées sur la membrane plasmique du bouton pré-synaptique et dans des structures vésiculaires qui pourrait être des compartiment de trafic (Darstein et al., 2003). Le marquage de ces sous-unités est parfois proche de la zone active ce qui est compatible avec une réponse rapide des auto-récepteurs kaïnate pré-synaptiques. Enfin la sous-unité KA2 est détectée principalement dans la post-synapse sur les cellules pyramidales de CA3 (Petralia et al., 1994; Darstein et al., 2003).
L'utilisation de souris invalidées pour les gènes codant les sous-unités des récepteurs kaïnate a permis d'étudier la distribution de ces sous-unités. Aux synapses entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3, les sous-unités GluR6 et KA2 composent les récepteurs kaïnate pré et post-synaptiques (Mulle et al., 1998; Contractor et al., 2001; Contractor et al., 2003)(fig 19). Les sous-unités GluR5 et GluR6 forment les récepteurs kaïnate dans les interneurones de l'hippocampe (Mulle et al., 2000). Dans le noyau accumbens, les neurones épineux de taille moyenne expriment des récepteurs kaïnate composés au moins de la sous-unité GluR6 (Casassus and Mulle, 2002).
Chez le rat, les récepteurs kaïnate pré-synaptiques sur les terminaisons des fibres moussues sont sensibles au LY382884 (acide (3S, 4aR, 6S, 8aR)-6-((4-carboxyphenyl)methyl-1,2,3,4,4a,5,6,7,8,8a-decahydro)isoquinoline-3-carboxylique), un antagoniste des récepteurs composés de le sous-unité GluR5 (Lauri et al., 2001). Cependant, les ARNm codant pour la sous-unité GluR5 ne sont pas détectés dans les cellules granulaires du gyrus dentatus. Ces données suggèrent néanmoins une composition différente entre les récepteurs pré-et post-synaptiques aux synapses entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3, et le rôle de la sous-unité GluR7 est actuellement étudié au laboratoire.
En conclusion, la composition en sous-unités ne permet pas de prédire la localisation pré ou post-synaptique des récepteurs kaïnate (fig 19). Les souris déficientes pour les sous-unités des récepteurs kaïnate ne sont pas spécifiques de chaque variant d'épissage et ne permettent donc pas d'étudier la contribution spécifique de chaque isoforme dans la distribution subcellulaire des récepteurs kaïnate. L'utilisation de sous-unités recombinantes étiquetées ou l'obtention d'anticorps spécifiques de chaque isoforme devrait permettre d'élucider la question du trafic polarisé et synaptique des récepteurs kaïnate.

5c - Interactions protéiques :
Le domaine C-terminal des sous-unités des récepteurs kaïnate est cytosolique, il constitue donc le site privilégié d'interaction avec des partenaires protéiques. Les sous-unités GluR6a, GluR5b et GluR5c possèdent dans leurs domaines C-terminaux un motif de liaison aux protéines à domaine PDZ. La délétion du domaine PDZ de GluR6a et de GluR5b n'affecte pas le trafic de ces sous-unités vers la membrane plasmique dans les cellules hétérologues ou les neurones d'hippocampe en culture (Coussen et al., 2002; Ren et al., 2003a; Ren et al., 2003b). Perturber l'interaction entre les protéines à domaines PDZ et les récepteurs kaïnate diminue la contribution de ces récepteurs aux EPSC aux synapses entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3 (Hirbec et al., 2003). De plus la liaison entre les domaines C-terminaux de GluR6a et GluR5b et la protéine à domaine PDZ GRIP est dépendante de la phosphorylation des sous-unités par la protéine kinase C (PKC)(Hirbec et al., 2003). Ainsi, la phosphorylation par la PKC et l'interaction avec la protéine GRIP sont deux paramètres importants pour la stabilisation des récepteurs kaïnate dans la densité post-synaptique.
Les récepteurs kaïnate composés de la sous-unité GluR6a interagissent avec les protéines à domaine PDZ PSD-95 et CASK (Calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase), et le complexe de protéines d'adhésion cadhérine/caténine (Garcia et al., 1998; Coussen et al., 2002). Ces interactions ne sont pas nécessaires pour l'adressage des récepteurs vers la membrane plasmique mais l'interaction avec le complexe cadhérine/caténine provoque le recrutement latéral des récepteurs kaïnate contenant la sous-unité GluR6a. Le complexe protéique d'adhésion cadhérine/caténines est présent dans les jonctions synaptiques, en particulier dans la zone péri-synaptique, l'interaction entre ce complexe et les récepteurs kaïnate pourrait être un des mécanismes de l'adressage synaptique des récepteurs kaïnate.
Le sous-unité KA2 interagit avec le motif SH3 (Src homology 3) de la protéine PSD-95, cette liaison permet une agrégation des récepteurs.
Il est probable que de nombreuses autres protéines interagissent avec les différents domaines C-terminaux des variants d'épissage des sous-unités GluR5, GluR6 et GluR7, et des sous-unités KA1 et KA2. De plus, il existe de nombreux sites possibles de phosphorylation dans les domaines C-terminaux des sous-unités des récepteurs kaïnate. Le domaine cytosolique des sous-unités des récepteurs kaïnate constitue une cible potentielle pour la régulation de la transmission glutamatergique médiée par les récepteurs kaïnate.

5d - Trafic dans la voie de biosynthèse :
Le contrôle du nombre de récepteurs exprimés à la surface des cellules est un facteur qui détermine l'efficacité de la transmission synaptique (Barry and Ziff, 2002). La biosynthèse des récepteurs canaux de type kaïnate et AMPA repose sur l'assemblage de dimères de sous-unités puis de tétramères, cet assemblage a lieu dans le réticulum endoplasmique (RE)(Ayalon and Stern-Bach, 2001). La sortie du réticulum endoplasmique de récepteurs néo-formés est donc une étape critique dans le trafic vers la membrane plasmique. De récents travaux ont permis de caractériser en partie les déterminants moléculaires de l'adressage des récepteurs kaïnate depuis le RE vers la membrane plasmique. Si le domaine C-terminal de GluR5b est couplé à une protéine témoin transmembranaire (un segment transmembranaire), la protéine chimérique obtenue est strictement retenue dans le RE (Ren et al., 2003b). Cependant la sous-unité GluR5b recombinante est détectable à la surface des cellules hétérologues et des neurones en culture transfectés bien qu'elle soit majoritairement retenue dans le RE (fig 20A). Ce résultat permet de supposer que l'assemblage en récepteur tétramérique lève pour partie la rétention des sous-unités GluR5b dans le RE. Dans ce travail, Ren et al ont réalisé des expériences de mutagenèse dirigée qui permettent d'établir que l'arginine 910 (domaine C-terminal, séquence P22756-2) est essentielle pour la rétention de la sous-unité dans le RE (fig 20B). Enfin, la phosphorylation de la thréonine 912 pourrait lever la rétention et permettre l'export des récepteurs contenant la sous-unité GluR5b vers la membrane plasmique. La sous-unité KA2 n'est pas exprimée à la surface des cellules hétérologues, ce qui laisse supposer que dans ce cas il s'agit d'une rétention stricte des récepteurs homomériques composés de cette sous-unité (Ren et al., 2003a). La rétention de la sous-unité KA2 dans le RE est due à la présence d'un motif riche en arginine dans son domaine C-terminal (fig 20), et ne dépend pas de la phosphorylation de la sous-unité. Enfin, même exprimés dans la membrane plasmique des cellules, les récepteurs homomériques composés de la sous-unité KA2 (mutée pour le site rétention) ne sont pas fonctionnels. Une hypothèse possible est que le domaine M2 de la sous-unité KA2, qui est distinct des domaines M2 des sous-unités GluR5, GluR6 et GluR7 (fig 13), ne permette pas la formation d'un canal. L'hétéromérisation de la sous-unité KA2 avec la sous-unité GluR6a permet l'adressage d'un récepteur fonctionnel vers la membrane plasmique (Gallyas et al., 2003; Hayes et al., 2003; Ren et al., 2003a)(fig 20A).
La sous-unité GluR6a forme des récepteurs homomériques fonctionnels principalement exprimés dans la membrane plasmique des cellules. Récemment, un motif qui facilite l'export des récepteurs hors du RE a été décrit dans le domaine C-terminal de GluR6a (cette thèse et (Yan et al., 2004)). Ce motif est composé d'une cystéine suivie de plusieurs acides aminés chargés positivement (fig 20 B). Un motif homologue a été décrit pour le récepteur métabotropique des chemokines de type 5 (CCR5)(Venkatesan et al., 2001). Pour ce récepteur, la palmitoylation de la cystéine conditionne l'adressage du récepteur vers la membrane plasmique. La cystéine 871 (séquence P42260) de GluR6a est connue pour être palmitoylée (Pickering et al., 1995), mais Yan et al décrivent que l'utilisation de 2-bromo palmitate (inhibiteur de palmitoylation) n'inhibe pas le trafic des récepteurs composés par la sous-unité GluR6a vers la membrane plasmique. Enfin, la mutation ponctuelle de l'aspartate 776 (séquence P42260) dans le domaine S2 réduit l'expression de récepteurs homomériques composés de la sous-unité GluR6a (Fleck et al., 2003). L'effet de cette mutation pourrait être imputable à un mauvais repliement de la protéine.


En résumé, les récepteurs kaïnate ont une grande variété de fonctions dans la régulation de l'activité des réseaux neuronaux. Cette variété de fonctions est corrélée à une distribution hétérogène des récepteurs kaïnate en fonction des populations cellulaires qui les expriment. Les différents variants d'épissage C-terminaux des sous-unités des récepteurs kaïnate permettent l'interaction avec des partenaires protéiques variés qui pourraient réguler la distribution subcelllulaire des récepteurs kaïnate. Au cours de mon travail de thèse, j'ai étudié la distribution subcellulaire des variants d'épissage des sous-unités GluR5, GluR6 et GluR7 au cours de la biosynthèse protéique et dans les compartiments fonctionnels du neurone.


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