Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques : cycle vésiculaire
Recyclage vésiculaire : 6. Endocytose
Endocytose de masse dépendante de l'activité (ADBE)
Formation du " bulk endosome " : dynamine, syndapine et calcineurine

Formation du " bulk endosome "

Les " bulk endosomes " sont formés directement à partir de la membrane plasmique.

Le mécanisme précis régulant l'endocytose de masse dépendante de l'activité (ADBE ou activity-dependent bulk endocytosis) n'est pas encore bien connu et les composants moléculaires dont la liste n'est pas exhaustive comprennent ( figure) :

• VAMP4,
• les protéines adaptatrices, dont les adaptines (AP),
• la calcineurine,
• la synaptotagmine 7 (Syt7),
• les molécules du cytosquelette, actine, myosine…
• la dynamine ou/et les protéines EHD,
• la syndapine,
• les Rab GTPases, dont Rab11 et leurs partenaires ( recyclage vésiculaire et système endolysosomal)…

Dynamine

La dynamine 1 est au cœur du déclenchement de l'ADBE (The Phospho-Dependent Dynamin–Syndapin Interaction Triggers Activity-Dependent Bulk Endocytosis of Synaptic Vesicles 2009 et Dynamin I phosphorylation by GSK3 controls activity-dependent bulk endocytosis of synaptic vesicles 2010).

1. Sa déphosphorylation par la calcineurine, qui permet l'interaction requise avec la protéine de courbure membranaire syndapine I, et son activité GTPase, facilitent la formation et la scission des " bulk endosomes " (The Molecular Physiology of Activity-Dependent Bulk Endocytosis of Synaptic Vesicles 2009).

• La dynamine 1 n'est déphosphorylée que par la calcineurine au cours d'une activité neuronale qui déclenche l'ADBE
• Cette interaction a été également supposée pour son implication dans le contrôle de l'expansion des pores de fusion.

2. Après stimulation, la rephosphorylation de la dynamine par la cycline-dépendante kinase 5 (cdK5), puis par la glycogène synthase kinase 3 (GSK-3) est également essentielle pour que plusieurs cycles d'ADBE se produisent (Dynamin I phosphorylation by GSK3 controls activity-dependent bulk endocytosis of synaptic vesicles 2010).

• La phosphorylation préalable de Ser-778 par la cdk5 permet celle de Ser-774 par GSK3.
• l'inhibition de cdk5 arrête de manière sélective l'ADBE, mais n'a aucun effet sur l'endocytose clathrine-dépendante (CME).
• Au cours d'une activité neuronale légère, i.e. CME, la dynamine 1 n'est pas déphosphorylée.

• le déclenchement de l'ADBE, i.e. déphosphorylation calcineurine-dépendante,
• l'entretien de l'ADBE, i.e. rephosphorylation cdk5/GSK3-dépendante

3. La dynamine, par son domaine PRD, sert de liaison à diverses protéines contenant un domaine SH3 et un domaine BAR ( partenaires de la dynamine).

• C'est le cas non seulement de la syndapine, i.e. domaine F-BAR, mais aussi des amphiphysines et de l'endophiline, i.e. domaine N-BAR.
• Or, les domaines N-BAR, comme ceux des amphiphysines et de l'endophiline, s'associent à des membranes de courbure très serrée similaire à celle d'une vésicule synaptique (VS), les impliquant dans des modes d'endocytose qui récupèrent les VS uniques, comme c'es le cas dans la CME.

En outre, l'interaction avec l'amphiphysine n'est pas inhibée par la phosphorylation.

3. La dynamine intervient dans la formation du " bulk endosome " par l'anneau d'actine et de myosine II fonctionnant en tandem, qui contracte et initie la fission d'endosomes massifs de la membrane plasmique dans l'ADBE ( cf. plus haut).

Remarque : certains ont remis sont rôle en question dans des expériences avec des neurones à double knock-out dynamine I, III (A dynamin 1-, dynamin 3- and clathrin-independent pathway of synaptic vesicle recycling mediated by bulk endocytosis 2014).

Dans ces synapses, où l'endocytose clathrine-dépendante (CME) est considérablement altérée, ces KO n'ont pas empêché la formation d'endosomes massifs, mais l'ont plutôt améliorée.

Syndapine

1. La syndapine interagit avec plusieurs protéines clés du trafic endocytaire de la machinerie de recyclage des vésicules synaptiques (VS) dans les terminaisons nerveuses (Syndapin I, a Synaptic Dynamin-binding Protein that Associates with the Neural Wiskott-Aldrich Syndrome Protein 2017) :

• 

  la dynamine,
• la synaptojanine, une phosphoinositide 5-phosphatases de type II ( synaptojanine et endocytose),
• la synapsine, qui régroupe les vésicules synaptiques ( regroupement des VS).

2. La déphosphorylation de la dynamine 1 par la calcineurine, permet leur interaction ( syndapine, calcineurine et ADBE).

L'ADBE est inhibé par :

• une surexpression de mutants de la dynamine qui n'interagissent pas avec la syndapine,
• la délivrance de peptides compétitifs qui perturbent l'interaction endogène dans les cultures neuronales.

3. La syndapine possède un domaine F-BAR qui s'associe à des membranes de courbure peu profonde, suggérant qu'elle serait recrutée dans de grandes invaginations pendant l'ADBE.

La courbure des " bulk endosomes " pourrait servir de détecteur de coïncidence pour le recrutement de syndapine 1 en concert avec la déphosphorylation de dynamine 1.

4. La syndapine 1 peut également interagir, via son domaine SH3, avec N-WASP, qui recrute le complexe Arp2/3 pour nucléer la polymérisation de l'actine ( cf. plus haut).

• La syndapine I peut se lier simultanément à la dynamine 1 et à la N-WASP, car elle peut former des homo-oligomères via son domaine F-BAR (Syndapin Oligomers Interconnect the Machineries for Endocytic Vesicle Formation and Actin Polymerization 2006).
• Les anticorps de la syndapine ont réduit l'accumulation d'actine aux sites endocytaires lorsqu'ils sont injectés dans des terminaisons nerveuses des invertébrés (Perturbation of Syndapin/PACSIN Impairs Synaptic Vesicle Recycling Evoked by Intense Stimulation 2008).

Calcineurine (CaN)

L'ADBE n'est déclenchée que pendant une activité neuronale intense et, en tant que tel, est supposée être couplée à un afflux de calcium dépendant de l'activité (Activity-Dependent Bulk Synaptic Vesicle Endocytosis - a Fast, High Capacity Membrane Retrieval Mechanism 2009 et The Molecular Physiology of Activity-Dependent Bulk Endocytosis of Synaptic Vesicles 2009).

En revanche, la génération de vésicules synaptiques (VS) à partir des " bulk endosomes " n'est pas dépendante de l'activité (formation des VS à partir de l'endosome en vrac).

Vue d'ensemble

1. Le couplage strict de l'ADBE à l'activité neuronale est dû à l'activation transitoire de la calcineurine (CaN), i.e. EC 3.1.3.16, protéine phosphatase dépendante du calcium/calmoduline (Calmodulin/Calcineurin Interaction Beyond the Calmodulin-binding Region Contributes to Calcineurin Activation 2019).

Des résultats contradictoires dans les années 2010 dépendant des expériences sur différents tissus ou espèces avaient été émis, i.e. la CaN et les bloqueurs de la calmoduline peuvent produire des résultats faussement négatifs par leurs effets dépendant du calcium (Calcineurin Is Universally Involved in Vesicle Endocytosis at Neuronal and Nonneuronal Secretory Cells 2014).

2. La calcineurine déphosphoryle de manière coordonnée plusieurs substrats différents lors d'une dépolarisation prolongée des terminaisons nerveuses centrales (les déphosphines), qui jouent tous un rôle essentiel dans l'endocytose des VS (Calcineurin Is Universally Involved in Vesicle Endocytosis at Neuronal and Nonneuronal Secretory Cells 2014).

C'est le cas, par exemple, de la dynamine, des amphiphysines 1/2, de la synaptojanine (Synj), d'AP180, de l'epsine et de l'Eps15.

2. La calcineurine intervient dans  :

• la formation des " bulk endosomes ",
• le bourgeonnement des vésicules à partir de cet endosome.

La calcineurine joue un rôle essentiel dans :

• la dynamique du PI(4,5)P2, en réponse au Ca⁺⁺ (polymérisation de l'actine, PI(4,5)P2 et canal calcique Flower (Flv)),
• la fission du " bulk endosome " par la déphosphorylation de la dynamine qui permet l'interaction requise avec la protéine de flexion membranaire syndapine 1 ( rôles de la dynamine dans l'ADBE).

Autres protéines

Au sein du protéome ADBE, trois protéines ont été trouvées qui n'ont pas de fonction actuellement identifiée, i.e. ( cf. figure) :

• l'une serait une protéine cytoplasmique,
• une autre a un domaine transmembranaire putatif,
• la dernière serait une protéine de type caténine (Activity-dependent bulk endocytosis proteome reveals a key presynaptic role for the monomeric GTPase Rab11 2018).

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