Fusion vésiculaire : protéines SNARE
Régulation des protéines SNARE
Complexines : rôles

Les complexines et les synaptotagmines régulateurs ne sont pas nécessaires à la fusion en soi, mais ils permettent l'accumulation, au niveau de la membrane plasmique, d'une réserve (pool) de vésicules prêtes à fusionner en attente du signal, i.e. entrée de calcium pour une libération rapide et synchrone.

Vue d'ensemble des rôles de la complexine

Les rôles de la complexine, sont difficiles à analyser car les modèles ont fortement évolués au cours du temps et sont dépendants du mode de transmission des neurotransmetteurs et de ses interactions avec les synaptotagmines. Cplx a plusieurs rôles :

• aide au ciblage des vésicules synaptiques (VS) sur les sites de libération,
• facilitation du nombre et de la vitesse de libération évoquée,
• verrouillage (clamping en anglais) des VS dans un état partiellement zippé pour limiter leur libération spontanée ( modèles de régulation des SNARE par la complexine/synaptotagmine).

1. Chez la drosophile, lors de Cplx-ko, les expériences ont montré deux phénomènes a priori contradictoires (A complexin fusion clamp regulates spontaneous neurotransmitter release and synaptic growth 2007) :

• une augmentation d'environ 100 fois de la fusion spontanée des vésicules synaptiques (VS),
• une diminution d'environ 50 % de la libération évoquée.

La vitesse de libération évoquée est aussi perturbée, i.e. la fréquence de la voie synchrone est diminuée et la fréquence de la voie asynchrone plus lente est augmentée (Complexin Controls Spontaneous and Evoked Neurotransmitter Release by Regulating the Timing and Properties of Synaptotagmin Activity 2012).

De plus, Cplx participe à l'attachement des SV aux sites de libération en interagissant avec la protéine d'échafaudage Bruchpilot (BRP), i.e. un élément clé de la CAZ (Cytomatrix Active Zone) de la drosophile (Complexin cooperates with Bruchpilot to tether synaptic vesicles to the active zone cytomatrix 2019).

2. Contrairement à l'augmentation spectaculaire de la fusion spontanée chez les mutants invertébrés, les Cplx-ko de souris ne présentent pas de libération spontanée élevée (Acute Complexin Knockout Abates Spontaneous and Evoked Transmitter Release 2019).

• Cplx3 est l'isoforme de mammifère la plus efficace pour verrouiller la fusion des VS chez la drosophile et les mutants Cplx de Caenorhabditis elegans (Evolutionary Divergence of the C-terminal Domain of Complexin Accounts for Functional Disparities between Vertebrate and Invertebrate Complexins 2017). DESSIN
• La principale différence entre Cplx3 et d'autres isoformes de mammifères se trouve dans l'extrémité C-terminale, ce qui suggère que cette région abrite des déterminants critiques pour le verrouillage de la fusion.

Bien que l'on ne sache pas pourquoi les synapses de mammifères sont plus résistantes à l'augmentation de la libération spontanée chez les mutants Cplx, Cplx peut bloquer la fusion SV pendant la phase asynchrone de libération évoquée chez les mammifères (Complexin Stabilizes Newly Primed Synaptic Vesicles and Prevents Their Premature Fusion at the Mouse Calyx of Held Synapse 2015).

• Cette composante plus lente de la libération se produit lorsque les niveaux de Ca⁺⁺ chutent par rapport à leur concentration maximale qui entraîne la fusion synchrone.
• Le verrouillage de Cplx agit de manière optimale à une concentration de Ca⁺⁺ plus élevée, i.e. il agit en partie en régulant la sensibilité calcique de la libération des SV.

Blocage de la sécrétion vésiculaire

Il existe plusieurs modèles de la fonction inhibitrice des complexines (Cplx).

Modèle dit zigzag

Le modèle dit zig-zag suggère que (Complexin cross-links pre-fusion SNAREs into a zig-zag array: a structure-based model for complexin clamping 2012) :

• l'hélice centrale (CH) de Cplx se replie dans un complexe SNARE partiellement zippé,
• l'hélice accessoire (AH) se projette à un angle de 45° pour lier un complexe SNARE partiel voisin.

1. Ce mode permettrait à Cplx de relier des complexes SNARE partiels dans une chaîne en zigzag alternée, prise en sandwich entre les vésicules synaptiques (VS) ancrées et la membrane présynaptique pour verrouiller la libération et inhiber la fusion avant l'influx de Ca⁺⁺.

• La palmitoylation de SNAP-25 limite la distance entre le zig-zag et la membrane plasmique.
• La distance entre le plan en zigzag et la vésicule synaptique doit être inférieure à 110 Å, la distance maximale parcourue par le lien v-SNARE.

Les boucles de liaison au Ca⁺⁺ de la synaptotagmine sont juxtaposées à la membrane de la vésicule riche en lipides anioniques comme la phosphatidylsérine (PS).

2. les mutations prévues pour abolir le réseau en zig-zag n'ont que de légers effets sur la libération des SV chez la drosophile, ce qui suggère que ce mode de liaison ne représente probablement pas la configuration de verrouillage primaire de Cplx (Genetic analysis of the Complexin trans-clamping model for cross-linking SNARE complexes in vivo 2014).

Modèle dit de compétition

Un deuxième modèle dit de compétition, suppose une compétition entre la synaptobrévine 2/VAMP2 et Cplx pour la liaison du complexe t-SNARE impliquant le verrouillage (Assembly and Comparison of Plasma Membrane SNARE Acceptor Complexes 2016).

1. Cplx interfèrerait avec l'assemblage SNARE, empêchant la majeure partie de VAMP2 de se glisser sur le faisceau t-SNARE (Complexin Binding to Membranes and Acceptor t-SNAREs Explains Its Clamping Effect on Fusion 2017).

• L'un des premiers modèles a suggéré que l'hélice accessoire (AH) s'intercalait entre VAMP2 non zippé et le complexe t-SNARE (Alternative Zippering as an On-Off Switch for SNARE-mediated Fusion 2009).
• Ce modèle a été modifié pour incorporer plusieurs complexes SNARE réticulés par des molécules Cplx (Re-visiting the trans insertion model for complexin clamping, 2015).

Un autre modèle de verrouillage tardif a proposé que Cplx n'interfère qu'avec les étapes finales de la fermeture éclair SNARE, empêchant deux ou trois tours hélicoïdaux proximaux de VAMP2 de se glisser sur le complexe t-SNARE (Interaction of the Complexin Accessory Helix with Synaptobrevin Regulates Spontaneous Fusion 2016).

2. L'hélice accessoire (AH) de Cplx, i.e. 11 résidus formant trois tours hélicoïdaux, serait prédominante dans le verrouillage du complexe SNARE par deux composantes agissant en synergie (The Accessory Helix of Complexin Stabilizes a Partially Unzippered State of the SNARE Complex and Mediates the Complexin Clamping Function In Vivo 2021).

• AH se lie probablement à l'extrémité C-terminale de VAMP2, déstabilisant ainsi l'étape finale de la fermeture éclair SNARE en excluant VAMP2 de l'extrémité C-terminale du complexe SNARE.

• 

  AH crée une barrière entre le faisceau SNARE et la bicouche de la vésicule synaptique (VS).

L'attachement de AH à une VS favoriserait la séparation de AH du faisceau SNARE et, respectivement, stabiliserait l'état partiellement dézippé de VAMP2.

C'est pourquoi l'analyse génétique des mutations Cplx et n-VAMP ne perturbe que partiellement le verrouillage car il n'intervient que sur une des composantes du mécanisme (Interaction of the Complexin Accessory Helix with Synaptobrevin Regulates Spontaneous Fusion 2016).

Le verrouillage de la fusion peut être améliorée en renforçant les interactions de AH avec la bicouche VS en remplaçant les résidus Cplx qui font face au faisceau SNARE par des résidus plus hydrophobes, tels que Ala, Phe, Trp, ou Leu. De plus, le modèle prédit également que la pince de fusion peut être renforcée en affaiblissant les interactions entre l'AH de Cplx et le complexe SNARE.

Remarque : une version modifiée du modèle de compétition suggère que VAMP2, une seule hélice de SNAP-25, et l'hélice accessoire Cplx forment un faisceau hélicoïdal C-terminal qui déplace la synaptotagmine (Syt1) du complexe SNARE à son extrémité C-terminale (Complexin Suppresses Spontaneous Exocytosis by Capturing the Membrane-Proximal Regions of VAMP2 and SNAP25 2020).

3. Les changements conformationnels dépendants de Ca⁺⁺ dans la synaptotagmine-1 (Syt1) pourrait également déloger Cplx pour faciliter la conversion du complexe trans-SNARE en complexe cis-SNARE pour conduire la réaction de fusion finale ( modèles de régulation des SNARE par la complexine/synaptotagmine).

Le déplacement de Cplx fournirait des sites de liaison pour α-SNAP afin d'initier le désassemblage ultérieur du complexe SNARE médié par la NSF ( désassemblage SNARE et complexine).

Facilitation de la fusion comme fonction secondaire ?

Les études Ko de la complexine ont montré, comme dénominateur commun, une réduction importante de la libération évoquée, indiquant probablement un rôle facilitateur direct de la complexine dans la libération synchrone des neurotransmetteurs (Complexins: small but capable 2015).

La grande majorité des systèmes modèles ainsi que les analyses in vitro indiquent une facilitation de la fusion par la complexine, qui complète le verrouillage de la libération spontanée ou qui pourrait même représenter sa fonction principale en fonction du modèle ( voir revue).

1. L'extrémité N-terminale de la complexine, chez les vertébrés, faciliterait la fusion.

• Cette action facilitatrice semble mécaniquement indépendante et même séparable de la fonction de verrouillage de la complexine, qui est supposément médiée par l'hélice α accessoire avec l'extrémité C-terminale.
• Cependant, chez les invertébrés, le rôle mécaniste des domaines de complexation peut s'écarter de ce modèle.

La région N-terminale (résidus 1 à 26) est nécessaire pour sauver complètement la libération évoquée dans les neurones hippocampiques cplx1−/− (Distinct domains of Complexin I differentially regulate neurotransmitter release 2007 et Complexin inhibits spontaneous release and synchronizes Ca2+-triggered synaptic vesicle fusion by distinct mechanisms 2014).

• La mutation des résidus 3 à 6 dans Cplx1 élimine l'effet facilitateur sur la libération évoquée et altère le sauvetage dans les neurones knock-out (Binding of the Complexin N terminus to the SNARE complex potentiates synaptic vesicle fusogenicity 2010).
• Le motif N-terminal impliqué formerait un segment alpha-hélicoïdal amphipatique qui se lie à l'extrémité C-terminale du complexe SNARE.

3. Si le domaine N-terminal est nécessaire pour maintenir un déclenchement efficace, le domaine C-terminal serait aussi nécessaire pour un amorçage efficace en plus du verouillage, attribuant par conséquent la fonction facilitatrice globale de la complexine aux actions indépendantes de ses deux sous-domaines. (C-Terminal Complexin Sequence Is Selectively Required for Clamping and Priming But Not for Ca2+ Triggering of Synaptic Exocytosis 2012).

• le maintien d'un pool de vésicules amorcé approprié en empêchant son épuisement prématuré,
• la facilitation de la fusion en réponse au déclencheur Ca⁺⁺.

Modèles de régulation par les synaptotagmines et la complexine