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Didier Dulon et al dans The Journal of Neurosience

Rôle de l’organisation spatiale des canaux calciques dans l’exocytose synaptique otoferline-dépendante des cellules ciliées auditives et vestibulaires

Le 26 novembre 2014

Exocytotic machineries of vestibular type I and cochlear ribbon synapses display similar intrinsic otoferlin-dependent Ca2+ sensitivity but a different coupling to Ca2+ channels.
Vincent PF, Bouleau Y, Safieddine S, Petit C, Dulon D.
J Neurosci. 2014 Aug 13;34(33):10853-69. doi: 10.1523/JNEUROSCI.0947-14.2014 ; 

Functional spatial organization of Ca2+ channels in the otoferlin-dependent exocytosis of vestibular and cochlear hair cells (see the english resume below)




Les synapses à ruban des cellules ciliées auditives et vestibulaires des mammifères diffèrent grandement de par leur organisation anatomique et leurs propriétés de décharges.
Les cellules vestibulaires de type I sont enveloppées par une terminaison afférente en calyce recevant des signaux de plusieurs rubans, alors que les cellules ciliées internes de la cochlée font synapses avec plusieurs boutons synaptiques afférents, chacun faisant face à un seul ruban (voir schéma). Les synapses des cellules vestibulaires codent pour les mouvements de la tête dans une gamme de faible fréquence en modulant leur vitesse de « spikes » via une courte dynamique au dessus et en dessous de 30 à 100 « spikes » par seconde. Les synapses des cellules ciliées auditives encodent des signaux acoustiques complexes à travers une large gamme de fréquences (20 Hz à 20 kHz chez l’homme) et à travers une large gamme d’intensités (0 à 120 dB SPL) en modulant leurs « spikes » post synaptique de quelques dizaines de « spikes » par seconde jusqu’à plus de mille par seconde. La spécificité des mécanismes moléculaires régulant le relargage de neurotransmetteurs au niveau de ces deux types de synapses ne sont pas encore très bien compris. Dans cette étude, nous avons trouvé que les synapses vestibulaires et auditives partagent plusieurs propriétés communes aussi bien structurales que fonctionnelles : 1) une densité de ruban similaire (rapporté à la surface de la membrane cellulaire), une taille de ruban et une distance inter-ruban identiques ; 2) une exocytose otoferline dépendante avec une sensibilité calcique identique ; et 3) une endocytose otoferline indépendante avec une cinétique et une sensibilité calcique similaire. Inversement, nous avons trouvé des différences fondamentales concernant essentiellement l’organisation fonctionnelle des canaux calciques : 1) la densité de canaux calciques à la membrane ; 2) la dépendance au voltage des courants calciques et de l’exocytose ; 3) l’organisation spatiale des canaux calciques Cav1.3 sous les rubans. Nous concluons que l’exocytose vésiculaire synaptique des cellules vestibulaires et auditives utilise un senseur calcique (otoferline) de même sensibilité et que leurs spécificités d’encodage s’expliquent essentiellement par une différence d’organisation spatiale des canaux calciques sous les rubans synaptiques.


 

Functional spatial organization of Ca2+ channels in the otoferlin-dependent exocytosis of vestibular and cochlear hair cells

The hair cell ribbon synapses of the mammalian auditory and vestibular systems differ greatly in their anatomical organization and firing properties. Notably, vestibular type I hair cells are surrounded by a single calyx-type afferent terminal that receives inputs from several ribbons, while cochlear inner hair cells are contacted by several individual afferent boutons, each facing a single ribbon (see schematic figure). Vestibular hair cell synapses primarily code for head velocity over a low frequency range by modulating their firing rate with short-term dynamics above and below a high resting level of 30 to 100 spikes/s. Auditory hair cell synapses discriminate and encode complex acoustic signals over a wide range of frequencies (20 Hz to 20 kHz, in human) and across a wide dynamic range of sound intensity (0-120 dB SPL) by modulating the postsynaptic firing rate over a wide dynamic range from a few tens up to 1000 spike/s. The specificity of the pre-synaptic molecular mechanisms regulating transmitter release at these different sensory ribbon synapses of the auditory and vestibular system is not well understood. In the present study, we found that vestibular calyx and auditory bouton synapses share several common structural and functional properties: 1) a similar density of ribbons (relative to cell membrane surface) as well as a similar ribbon size and inter distance-interval distribution; 2) an otoferlin-dependent exocytosis with similar high intrinsic Ca2+ sensitivity; and 3) an otoferlin-independent endocytosis with similar kinetics and Ca2+-dependence. Conversely, we found fundamental differences that essentially concern the functional organization of Ca2+ channels: 1) the Ca2+ channel density; 2) the voltage-dependence of Ca2+-currents and exocytosis; and 3) the spatial-organization of Cav1.3 channels at the ribbons. We conclude that vestibular and auditory hair cells use a similar micromolar-sensitive otoferlin Ca2+ sensor for synaptic exocytosis and that the sensory encoding specificity of each type of hair cell is essentially determined by a different spatial organization of Ca2+ channels below the synaptic ribbons where vesicular fusion occurs.

 

Didier Dulon (didier.dulon @ inserm.fr)
Dernière mise à jour le 27.11.2014

1er Auteur



Philippe Vincent 
En 3ème année de doctorat
dans le Laboratoire de Didier Dulon
Team leader - Neurophysiology of the auditory synapse