Lieu : Centre Broca
Langue de soutenance : anglais
IINS
Directrice de thèse : Anna Brachet
Titre
Étude de l’organisation et de la fonction des βII et βIII spectrines au sein du cytosquelette dendritique
Résumé
Les spectrines sont des protéines du cytosquelette exprimées de manière ubiquitaire chez les métazoaires, où elles jouent un rôle clé dans la régulation de l’architecture et de l’organisation cellulaire. De ce fait, des mutations de spectrines sont associées à un large éventail de pathologies affectant la majorité des organes incluant le cancer, l’ostéoporose et les troubles du neurodéveloppement.
Les spectrines s’assemblent en tétramères composés de deux sous-unités α et β. Dans les neurones de mammifères, l’αII-spectrine s’associe à l’une des trois spectrines β suivantes : βII, βIII ou βIV. Dans les neurites, ces tétramères se lient à des anneaux d’actine pour former un motif répété tous les ~190 nm, appelé squelette périodique membranaire ou MPS (Membrane Periodic Skeleton), une structure spécifique aux neurones.
Alors que les paralogues de β-spectrine sont généralement ségrégées dans des compartiments cellulaires distincts, le compartiment somato-dendritique des neurones représente une exception notable : deux paralogues, βII et βIII, y sont co-exprimés. Alors que la βII-spectrine est conservée chez tous les vertébrés, la βIII-spectrine est apparue plus récemment au cours de l’évolution, chez les mammifères.
Mon projet de thèse visait à étudier l’organisation et la fonction des spectrines βII et βIII dans les troncs et épines dendritiques, à l’état basal et au cours de la plasticité synaptique.
A l’aide de la microscopie de super-résolution, nous avons confirmé que le MPS dendritique est constitué d’un système double de β-spectrines, et démontré que la βII- et la βIII-spectrine sont co-exprimées et intercalées à l’échelle nanométrique au sein des troncs dendritiques et des cous des épines. Nos résultats suggèrent que ces paralogues forment à la fois des tétramères homotypiques (βII ou βIII seules) et hétérotypiques (βII/βIII), avec une périodicité radiale d’environ 100 nm. Bien que chaque paralogue soit individuellement suffisant pour maintenir l’architecture du MPS, leur perte combinée compromet entièrement son intégrité. En utilisant la mutagenèse ciblée, nous avons démontré que la liaison à l’actine est fondamentale pour stabiliser les deux paralogues au sein du MPS, tandis que la βIII-spectrine dépend en plus de son interaction avec les phosphoinositides pour être maintenue à la membrane.
En combinant imagerie et électrophysiologie, nous avons montré que les βII et βIII spectrines sont individuellement nécessaires au maintien d’un nombre correct d’épines et de synapses. La caractérisation des épines restantes n’a révélé aucun effet de la perte des spectrines sur la morphologie fine des épines ou sur leur contenu en récepteurs au glutamate (AMPA et NMDA), mais a mis en évidence un déficit de motilité associé à une diminution du contenu en myosine II non musculaire.
Concernant la plasticité synaptique, alors que la perte des β-spectrines n’a aucun effet sur la dépression à long terme, elle abolit complètement la potentialisation à long terme (LTP). Pour comprendre ce phénotype, nous avons examiné le comportement moléculaire des récepteurs AMPA. Par imagerie FRAP et microscopie de super-résolution, nous avons montré qu’à l’état basal, la perte des spectrines n’affecte pas la quantité de sous-unité GluA1 des récepteurs AMPA, mais augmente fortement sa mobilité et perturbe son organisation à l’échelle nanométrique. Ainsi, les spectrines pourraient limiter la diffusion et le regroupement des récepteurs AMPA, un mécanisme qui pourrait justifier leur implication dans la LTP.
Dans l’ensemble, nos résultats révèlent que, contrairement au MPS axonal, le MPS dendritique constitue un échafaudage composite dans lequel deux β-spectrines coexistent avec des mécanismes de régulation spécifiques à chaque paralogue. Malgré cette redondance, les deux spectrines sont nécessaires à un nombre correct d’épines ainsi qu’à la LTP, soulignant l’existence de niveaux distincts de régulation de la structure et de la fonction du cytosquelette dendritique.
Mots clés : spectrine ; cytosqulette ; dendrite
Jury
- Flavie Lavoie-Cardinal (CERVO, Université Laval, Canada) : Rapporteure
- José A. Esteban (CBM Severo Ochoa, Madrid, Espagne) : Rapporteur
- Marina Mikhaylova (AG Optogenetics, Université de Berlin, Allemagne) : Examinatrice
- Christophe Leterrier (INP, Université Aix-Marseille) : Examinateur
- Nathalie Sans (Neurocentre Magendie, Université de Bordeaux) : Examinatrice