Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques : cycle vésiculaire
Recyclage vésiculaire : 6. Endocytose
Endocytose ultrarapide (UFE)

On considère à l'heure actuelle que quatre modes d'endocytose sont présents au niveau présynaptique, au lieu de deux précédemment, en fonction de l'intensité de la stimulation neuronale, leur induction, leur formation et leurs composants moléculaires.

1. Lors de stimulation légère, on peut différencier trois modes d'endocytose :

• le modèle KAR ou kiss-and-run par la fermeture rapide des pores par fusion,

Le kiss-and-run n'est pas considéré par certains comme un mode particulier d'endocytose, car ce processus semble survenir dans plusieurs modes d'endocytose.

• l'endocytose clathrine-dépendante (CME ou clathrin-mediated endocytosis),
• l'endocytose ultrarapide (UFE).

2. Lors d'une stimulation intense, i.e. dépassant la capacité des trois mécanismes endocytaires décrits ci-dessus, l'endocytose de masse dépendante de l'activité (ADBE ou activity-dependent bulk endocytosis) possède la capacité de recapture nécessaire.

Vue d'ensemble de l'endocytose ultrarapide (UFE)

L'endocytose ultrarapide, i.e. ultrafast endocytosis (UFE), commence après seulement 50 millisecondes et récupère les vésicules en 150 à 250 ms environ (Fast, temperature-sensitive and clathrin-independent endocytosis at central synapses, 2016).

• La voie rapide prend environ 5 à 12 secondes. et la voie ultralente plus de 20 secondes pour récupérer les vésicules (Optical detection of three modes of endocytosis at hippocampal synapses 2018).
• La température n’a aucun effet sur la voie ultrarapide, mais accélère la voie rapide.

1. L'endocytose ultra-rapide indépendante de la clathrine au niveau des synapses centrales de mammifères est étroitement couplée à l'exocytose dans le temps et l'espace (Ultrafast endocytosis at mouse hippocampal synapses 2013).

2. Cette endocytose est dite compensatoire, ou compensatory endocytosis, car le flux membranaire par exocytose et l'endocytose ultrarapide est à peu près égal.

• Après exocytose des vésicules dans la zone active (ZA), la membrane vésiculaire doit être extraite de la membrane plasmique par endocytose pour maintenir constante la surface de la membrane plasmique et maintenir un nombre suffisant de vésicules synaptiques au niveau de la membrane présynaptique.
• Lors des trains de stimuli, l'endocytose ultrarapide est déclenchée plusieurs fois pour compenser l'excès de membrane ajoutée par fusion des VS.

3. L'UFE survient après une activité neuronale brève, mais aussi,, pendant une stimulation à haute fréquence (Synaptic Vesicle Endocytosis Occurs on Multiple Timescales and Is Mediated by Formin-Dependent Actin Assembly 2017).

a. Dans les jonctions neuromusculaires de Caenorhabditis elegans à température ambiante et les synapses d'hippocampe de souris entre 34-37° C, les bords latéraux d'une zone active (ZA) marquent des sites d'endocytose ultrarapide.

b. Au niveau de ces sites, la membrane s'invagine rapidement pour former une vésicule endocytaire d'environ 80 nm, indépendamment de la clathrine.

La taille des " bulk endosomes " dans l'ADBE est comprise entre 100 et 500 nm.

c. Ces vésicules endocytaires sont délivrées immédiatement aux endosomes synaptiques, à partir desquels les VS sont régénérées par bourgeonnement de manière dépendante de la clathrine (Clathrin regenerates synaptic vesicles from endosomes 2014).

Mécanisme de l'UFE

L'endocytose ultrarapide partagerait de nombreux acteurs moléculaires avec d'autres voies endocytaires, y compris l'endocytose clathrine-dépendante (CME ou clathrin-mediated endocytosis).

Synaptojanine et endophiline

1. La synaptojanine 1 (Synj), i.e. principale phosphatase de PI(4,5)P2 des neurones, et l'endophiline A, i.e. protéine à domaine N-BAR, deux acteurs clés dans CME, tubulent de manière coordonnée la membrane invaginée à sa base, formant un cou étroit sur la vésicule bourgeonnante (Synaptojanin and endophilin mediate neck formation during ultrafast endocytosis 2018).

a. En l'absence de synaptojanine ou d'endophiline, la membrane est rapidement invaginée, mais les puits ne se rétrécissent pas à la base.

• L'activité 5-phosphatase de la synaptojanine est impliquée dans la formation du cou.
• Néanmoins, ces puits finissent par se diviser en vésicules dans un intervalle de 30 secondes, i.e. des endosomes synaptiques se forment et sont réduits par bourgeonnement médié par la clathrine.

b. Ensuite, la synaptojanine et l'endophiline fonctionnent dans un deuxième temps pour faciliter l'élimination des enveloppes de clathrine des vésicules régénérées.

L'endophiline et la 4- et 5-phosphatase sont nécessaires pour le déshabillage des vésicules de clathrine.

2. La vésicule est ensuite pincée classiquement au niveau du cou par les actions de la GTPase dynamine-1 (Ultrafast endocytosis at mouse hippocampal synapses 2013 et détachement de la vésicule de la membrane).

Rôle de la dynamine 1xA

La dynamine intervient dans la fission des vésicules de la membrane plasmique pendant l'endocytose.

Or le recrutement de la dynamine dure de quelques secondes à plusieurs dizaines de secondes, ce qui est incompatible avec l'UFE.

1. La dynamine 1xA, une variante d'épissage, interagit avec la syndapine 1 pour former des condensats moléculaires par la séparation de phase liquide-liquide (LLPS) sur la membrane plasmique, au niveau de la zone périactive où se produit l'UFE, située à 100 nm du bord de zone active (Dynamin is primed at endocytic sites for ultrafast endocytosis 2022 et Dynamin forms liquid-like condensates at synapses to support ultrafast endocytosis 2022).

Lors de la mutation de la dynamine 1xA pour perturber son interaction avec la syndapine 1, les condensats ne se forment pas et l'endocytose ultrarapide est ralentie d'environ 100 fois.

2. La syndapine 1 agit comme un adaptateur en se liant à la membrane plasmique et stocke la dynamine 1xA sur les sites endocytaires au niveau de la " zone motrice "

Rôle de l'actine

Anneau d'actine dans la zone péri-active

1. La polymérisation de l'actine est essentielle dans l'endocytose ultrarapide (Ultrafast endocytosis at mouse hippocampal synapses 2013 et Synaptic Vesicle Endocytosis Occurs on Multiple Timescales and Is Mediated by Formin-Dependent Actin Assembly 2017).

a. Une étude théorique précédente propose que ce couplage soit dû à une réduction de la tension membranaire après exocytose qui déclenche l'endocytose ultrarapide (Membrane tension and peripheral protein density mediate membrane shape transitions 2015).

Cependant, la tension membranaire dans les neurones semble se propager à -20 pm/s, et est donc susceptible de s'équilibrer au niveau de la zone active à moins de 10 ms d'exocytose, bien avant la formation de fosses endocytaires (Rapid propagation of membrane tension at retinal bipolar neuron presynaptic terminals 2022).

b. Par conséquent, même si la tension membranaire est altérée lors de l'exocytose, ce modèle ne peut pas expliquer la cinétique et la précision spatiale de l'endocytose ultrarapide.

2. L'actine est présente aux terminaux présynaptiques et entoure typiquement la zone active (ZA) comme un anneau, mais en est largement exclue (Distinct nano-structures support a multifunctional role of actin at presynapses 2022).

• Cet anneau d'actine, situé dans la zone péri-active, est dans le plan de la ZA.
• En sortant de ce plan, une structure d'actine distincte commence à chevaucher le pool de réserve, qui se trouve directement au-dessus ou à côté de la zone active ou de l'anneau d'actine.

Modèle

Avec cette géométrie de l'actine-F au niveau des présynapses comme base, le modèle postule que lorsque les vésicules s'aplatissent, la membrane de zone active, i.e. sans actine, commence à se déformer.

• Elle génère une compression latérale contre la membrane de la zone périactive, i.e. avec actine,
• À 30 ms, cette déformation forme des puits à l'interface entre la zone active et la zone périactive.

1. La base physique de ce modèle dépend de deux hypothèses essentielles.

• Tout d'abord, l'anneau d'actine au niveau de la zone périactive conserve son emplacement primitif sur la surface membranaire en raison des protéines transmembranaires qui s'opposent au flux (Cell Membranes Resist Flow 2018).
• Ensuite, la membrane des vésicules exocytées est plus rigide que la membrane de la zone active (Extreme stiffness of neuronal synapses and implications for synaptic adhesion and plasticity 2020).

La membrane vésiculaire synaptique est enrichie en composants tels que le cholestérol, la sphingomyéline et les protéines transmembranaires qui augmentent le module de flexion de la membrane (Membrane bending by protein phase separation 2020).

2. Ce modèle de compression membranaire prédit que le rôle des filaments d'actine dans l'endocytose ultrarapide est passif, i.e. ils ne sont nécessaires que pour stabiliser la surface de la membrane et donc, les polymères d'actine stables sont suffisants.

Ce serait l'epsine 1 qui localiserait l'actine au niveau des boutons présynaptiques par (Epsin deficiency impairs endocytosis by stalling the actin-dependent invagination of endocytic clathrin-coated pits 2014) :

• son domaine ENTH N-terminal, qui le fixe à la membrane,
• sa région C-terminale qui interagit avec l'actine.

3. Dans le modèle de compression de la membrane latérale, le nombre de vésicules qui fusionnent et l'ampleur résultante de la force de compression sont importants pour déclencher l'endocytose ultrarapide.

a. Deux vésicules fusionnées sont l'exigence minimale.

Cependant, deux vésicules n'ont pas besoin de fusionner simultanément, car l'une d'entre elles peut fusionner une fois que la première a commencé à s'aplatir.

b. Dans les neurones excitateurs de l'hippocampe de souris, le capteur de calcium Doc2α entraîne la majorité de la libération asynchrone après un potentiel d'action (PA) unique (Synaptotagmin 7 transiently docks synaptic vesicles to support facilitation and Doc2α-triggered asynchronous release 2022)

• En l'absence de ce capteur, l'endocytose ultrarapide échoue complètement, suggérant que l'exocytose dépendant de Doc2 est un facteur clé de l'initiation de la déformation membranaire au niveau de la zone endocytaire.
• Lorsque l'endocytose ultrarapide est bloquée, l'endocytose clathrine-dépendante (CME) prend sa place (Clathrin regenerates synaptic vesicles from endosomes 2014).

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