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Thèse Julien Veran

"Etude structure/fonction des récepteurs kaïnate et de leur modulation" "Structure/function study and modulation of kainate receptors"

Le 8 décembre 2011

Résumé

Les récepteurs de type kaïnate (rKA) appartiennent, avec les récepteurs de type NMDA (rNMDA) et les recepteurs de type AMPA (rAMPA), à la famille des récepteurs canaux glutamatergiques (iGluR).
Les propriétés fonctionelles des rKA contenant la sous-unité GluK3 en font des récepteurs tout à fait singuliers. Une étude réalisée dans le laboratoire a montré que la faible sensibilité de ces récepteurs au glutamate est liée à une entrée très rapide dans l’état désensibilisé et que la fonction de ces récepteurs pourrait être amplifiée par des modulateurs endogènes.
Parmi les modulateurs potentiels de la fonction des rKA pré-synaptiques, nous avons choisi d’étudier le zinc, en raison de sa concentration importante dans les vésicules des terminaisons des axones des cellules granulaires du gyrus denté (fibres moussues). En dépit du rôle proposé des rKA contenant la sous unité GluK3 dans la régulation pré-synaptique aux synapses MF-CA3, la modulation de ces récepteurs par le zinc n’a jamais été étudiée.
Grâce à l’enregistrement électrophysiologique des courants GluK3 exprimés dans les cellules HEK-293, nous avons montré que le zinc facilite les courants des récepteurs contenant la sous-unité GluK3, activés par le glutamate. L’analyse des cinétiques, ainsi que la modélisation, montrent que l’effet facilitateur du zinc est dû à la réduction de l’entrée dans l’état désensibilisé des récepteurs GluK3. Grâce à la mutagénèse dirigée et l’étude cristallographique, nous avons pu déterminer le site de liaison du zinc, constitué de l’aspartate 759, de l’histidine 762 et de l’aspartate 730, et localisé dans l’interface de dimérisation du domaine de liaison de l’agoniste (LBD).
Cette étude décrit pour la première fois un nouveau site de modulation positive de la fonction des rKA.

Mots clés : glutamate, récepteur de type kaïnate, zinc, propriétés biophysiques, désensibilisation

Structure/function study and modulation of kainate receptors .

Abstract

Glutamate released at excitatory synapses acts on ligand-gated ionotropic receptors which fall into three classes: NMDA, AMPA and kainate receptors.
At hippocampal mossy fiber synapses onto CA3 pyramidal cells, KARs are present both at the pre- and postsynaptic levels. Postsynaptic KARs are composed of the GluK2, GluK4 and GluK5 subunits, whereas presynaptic KARs are thought to comprise the GluK2 and GluK3 subunits. The functional properties of GluK3 (and GluK2/GluK3) receptors set it apart from the other ionotropic glutamate receptors. In particular, its sensitivity to glutamate is the lowest of all known ionotropic glutamate receptors, due in large part to fast desensitization of receptors with one or two bound glutamate molecules. The low agonist sensitivity of this receptor raises questions about its relevance for synaptic function. Therefore, it is possible that endogenous modulators may potentiate its function.
Among potential endogenous modulators of KAR function, we chose to address the role of zinc, because of the large amounts contained in mossy fiber terminals. Zinc is thought to be accumulated into synaptic vesicles, and is co-released with glutamate in the extracellular milieu during neuronal activity. Zinc has been reported to inhibit most of native and recombinant KARs. Despite the proposed role of at hippocampal mossy fiber synapses, although modulation of GluK3-containing KARs by zinc has not yet been addressed.
In this study, we show that zinc greatly potentiates recombinant GluK3 receptor currents evoked by glutamate. Zinc markedly slows receptor desensitization and increases apparent affinity for glutamate. Crystallographic studies and analysis of chimeric GluK2/GluK3 KARs and of GluK3 bearing selected point mutations, allowed us to identify the zinc binding domain defined by D759, H762, Q756 and D730, and localized in a region forming the interface between two GluK3 subunits in an LBD dimer assembly. Based on these structure-function studies and on modeling of KAR activity, we show that zinc plays a very distinct role on GluK3-KARs by stabilizing the interaction between dimers of LBD thereby reducing desensitization.
Given the proposed localization of GluK3 close to zinc containing synaptic vesicles, zinc may be an endogenous allosteric modulator for native GluK3-KARs, and its binding site a new pharmacological target.

Key words: glutamate, kainate-type receptor, zinc, biophysical properties, desensitization


Lieu:
PGF 15h

Equipe Christophe Mulle

Focus


PhD Student
Equipe de Christophe Mulle : Physiologie des synapses glutamatergiques
Rattachée à l'unité : Institut Interdisciplinaire de Neurosciences CNRS UMR 5297
   
       
Julien Veran a préparé sa thèse dans l'équipe de Christophe Mulle "Physiologie des synapses glutamatergiques" et sous sa direction.

Jury

Stéphane OLIET, DR CNRS, Bordeaux, Président du Jury
Pierre-Jean CORRINGER,DR CNRS, Institut Pasteur Rapporteur
Pierre PAOLETTI, DR INSERM, Paris, Rapporteur
Eric BOUE-GRABOT, CR CNRS, Bordeaux, Examinateur
Jean-Philippe PIN, DR CNRS, Montpellier, Examinateur
Christophe MULLE, DR CNRS, Bordeaux, Dir. de Thèse

Publications

Veran J, Kumar J, Pinheiro PS, Athané A, Mayer ML, Perrais D and Mulle C. Zinc potentiates GluK3 glutamate function by stabilizing the ligand binding domain receptor interface. Neuron (soumis)
Perrais D, Veran J, Mulle C. Gating and permeation of kainate receptors: differences unveiled. Trends Pharmacol Sci. 2010 Nov;31(11):516-22. Epub 2010 Sep 16. Review.
Huyghe D, Veran J, Labrousse V, Perrais D, Mulle C. and Coussen F. Endocytosis of the glutamate receptor subunit GluK3 controls polarized trafficking. J. Neurosci. 2011 Aug 10;31(32):11645-54.
Carta M, Opazo P, Veran J, Choquet D, Coussen F, Mulle C. CaMKII-dependent phosphorylation of GluK5 increases mobility of KARs and mediates spike-timing dependent synaptic depression. Neuron (révision)
Pinheiro PS, Lanore F, Veran, Artinian J, Blanchet C, Perrais D, Crépel V and Mulle C. Role of Postsynaptic Kainate Receptors at Hippocampal Mossy Fiber Synapses. Cerebral Cortex (révision)
Santos S, Iuliano O, Ribeiro L, Veran J, Ferreira J, Rio P, Mulle C, Duarte C and Carvalho A. Contactin Associated Protein 1 (Caspr1) is a Regulator of AMPA Receptors. JBC (révision)