Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques : cycle vésiculaire
Recyclage vésiculaire
7. Acidification et remplissage par les neurotransmetteurs

L'acidification et le remplissage par les neurotransmetteurs surviennent :

• dans les vésicules dans l'endocytose clathrine-dépendante (CME),
• dans les endosomes suite à l'endocytose ultrarapide (UFE) et l'endocytose de masse dépendante de l'activité (ADBE).

6. Acidification des vésicules et remplissage en neurotransmetteur

L'acidification et le remplissage des vésicules synaptiques (VS) en neurotransmetteurs se produisent probablement en parallèle dans des conditions physiologiques où l'ATP et le neurotransmetteur sont abondants et facilement disponibles.

Les composants clés de ces deux processus comprennent deux types de molécules.

V-ATPase et transporteurs de neurotransmetteurs vésiculaires

1. La V-ATPase (Vacuolar-type H⁺-ATPases), conservée par l'évolution, est un grand complexe multiprotéique qui se compose :

• d'un domaine V0 intramembranaire, qui transporte les protons à travers la membrane,
• d'un domaine cytoplasmique V1 responsable de l'hydrolyse de l'ATP.

La V-ATPase forme rapidement un gradient électrochimique d'H⁺ travers la membrane en pompant des protons dans la lumière des VS avec une cinétique inférieure à la seconde.

2. Les transporteurs de neurotransmetteurs vésiculaires déterminent le contenu des neurotransmetteurs (Quantitative Comparison of Glutamatergic and GABAergic Synaptic Vesicles Unveils Selectivity for Few Proteins Including MAL2, a Novel Synaptic Vesicle Protein 2010).

• Chaque VS doit être rapidement chargée avec plus d'un millier de molécules de neurotransmetteurs pour être prête à fusionner.
• Les transporteurs utilisent le gradient d'H⁺ pour transporter les molécules de neurotransmetteur dans les VS, bien que le mécanisme de charge exact diffère selon la charge des neurotransmetteurs particuliers (Vesicular and Plasma Membrane Transporters for Neurotransmitters 2012).

a. Par exemple, la manipulation des protons dans les vésicules GABAergiques et glutamatergiques entraîne des différences dans (Differential pH Dynamics in Synaptic Vesicles From Intact Glutamatergic and GABAergic Synapses 2018) :

• les niveaux de pH à l'état d'équilibre dans les vésicules/synapses respectives (Unique pH dynamics in GABAergic synaptic vesicles illuminates the mechanism and kinetics of GABA loading 2016),
• les différences dans la dynamique du pH lors de la réacidification des vésicules recyclées

Les VS VGAT (Vesicular GABA Transporter) isolées présentent également un pH à l'état d'équilibre plus élevé, i.e. 6,4 contre 5,6 pour les VS VGLUT (vesicular glutamate transporter (VGLUT) isolés, ce qui était corrélé à un taux d'efflux de protons plus rapide dans les VS GABAergiques (Single-vesicle imaging reveals different transport mechanisms between glutamatergic and GABAergic vesicles 2016).

3. Chaque VS contient plusieurs dizaines d'exemplaires de transporteurs vésiculaires, mais seulement une ou deux copies de la V-ATPase.

Le recyclage des V-ATPases et des transporteurs de neurotransmetteurs doit donc être étroitement lié au recyclage VS, et au moins une copie de la V-ATPase doit être triée dans chaque VS pour permettre le chargement ultérieur des neurotransmetteurs dans la vésicule.

Protéines adaptatrices et clathrine

1. Les VS recyclées devraient contenir un ensemble approprié de transporteurs, en particulier lorsque plus d'un type de transporteurs de neurotransmetteurs sont disponibles dans les mêmes neurones.

• Les vésicules synaptiques (VS) sont fonctionnellement hétérogènes, définies par des compositions moléculaires distinctes (Molecular Underpinnings of Synaptic Vesicle Pool Heterogeneity 2015).
• Ainsi, différents mécanismes de recyclage peuvent aider à trier les cargaisons lors de la reformation du VS, en veillant à ce que l'identité moléculaire appropriée soit maintenue (Presynaptic Membrane Retrieval and Endosome Biology: Defining Molecularly Heterogeneous Synaptic Vesicles 2013).

2. La clathrine intervient dans ces deux processus, i.e. tri et acidification des vésicules.

a. Le tri des transporteurs nécessite des complexes protéiques de clathrine et de multiples adaptateurs, comme les adaptines AP-1, AP-2 et AP-3, soulignant à nouveau les rôles essentiels des procédés dépendants de la clathrine dans le recyclage des VS (Synaptic Vesicle Recycling Pathway Determines Neurotransmitter Content and Release Properties 2019).

b. En plus, la clathrine joue probablement un rôle essentiel dans la détermination du moment de l'acidification des vésicules et, partant, de la charge de neurotransmetteur (Clathrin coat controls synaptic vesicle acidification by blocking vacuolar ATPase activity 2018 avec de nombreuses vidéos).

• Sur des vésicules recouvertes de clathrine (CCV) du cerveau de souris, l'acidification des CCV induite par l'ATP était considérablement réduite par rapport aux VS, i.e. l'encombrement stérique de la formation de la couche de clathrine autour des vésicules bloquerait l'activité V-ATPase.

• 

  Lorsque l'enveloppe a été retirée des CCV, les vésicules non enrobées ont retrouvé une acidification dépendante de l'ATP, démontrant que les CCV contiennent la V-ATPase fonctionnelle, mais que sa fonction est inhibée par l'enveloppe de clathrine.

Acidification du
" bulk endosome "

Après l'ADBE, l'essor ultérieur de la membrane interne nécessite l'efflux du calcium extracellulaire précédemment accumulé, qui est entraîné par l'acidification endosomale.

La sélection du cargo se produit très probablement pendant l'étape de l'acidification, étant donné que l'adaptateur de membrane plasmique classique AP-2 et les AP-1/ AP-3 endosomaales sont nécessaires pour la génération de VS à partir d'endosomes massifs.

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