Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques : cycle vésiculaire
Vue d'ensemble

Vue d'ensemble du cycle vésiculaire

1. Les vésicules synaptiques (VS) subissent un cycle qui comprend une exocytose et une endocytose et qu'on peut diviser en plusieurs étapes (The synaptic vesicle cycle 2004).

a. Lors de la neurotransmission chimique, les VS fusionnent par exocytose avec la membrane plasmique pour libérer le neurotransmetteur.

b. L'apport constant de VS remplies de neurotransmetteurs est soutenu par plusieurs phénomènes qui se produisent localement dans les terminaisons nerveuses :

• l'endocytose membranaire,
• le tri des cargos,
• le remplissage rapide des VS nouvellement formées avec un neurotransmetteur.

2. Jusqu'à récemment, on était confronté à des problèmes de visualisation, car la fusion et le bourgeonnement les plus étudiés avaient lieu sur les petites vésicules synaptiques de 30-80 nm et les vésicules enrobées de clathrine de 40 à 100 nm ( endocytose clathrine-dépendante ou CME).

• Les transformations membranaires rapides de 30 à 100 nm ne pouvaient être visualisées en raison d'une résolution spatio-temporelle insuffisante.
• Ce problème a été résolu par la microscopie STED (Stimulated Emission Depletion ou déplétion par émission stimulée) à résolution de 60 à 80 nm toutes les 26-300 ms.

3. Ce problème est en partie résolu par la microscopie STED (Stimulated Emission Depletion ou déplétion par émission stimulée) à résolution de 60 à 80 nm toutes les 26-300 ms.

Elle a tout d'abord été réalisée dans les cellules chromaffines de la médullosurrénale bovine en culture, où des dizaines à des centaines de vésicules d'exo-endocytose de 200 à 1 500 nm ont été produites dans les secondes suivant une dépolarisation de 1s ( encadré).

a. Tout d'abord, elle a permis de définir avec précision les transitions des vésicules, Plat ➞ Λ, Λ ➞ Ω et Ω ➞ Ο qui sont le plus souvent incomplètes, i.e. les vésicules peuvent rester pendant la fusion dans un profil Ω sans subir un effondrement complet, i.e. full-collapse-like.

b. Puis, elle a révélé que la formation des vésicules d'endocytose est plus complexe que prévu.

• L'endocytose clathrine-dépendante (CME ou clathrin-mediated endocytosis) était une des seules endocytoses étudiées.
• Le modèle kiss-and-run (KAR) était supposé, mais est maintenant bien défini dans plusieurs modes d'endocytose.
• L'endocytose ultrarapide, i.e. ultrafast endocytosis (UFE), commence après seulement 50 millisecondes, contrairement à la voie rapide qui prend environ 5 à 12 secondes.
• L'endocytose de masse dépendante de l'activité (ADBE ou Activity-Dependent Bulk Endocytosis), mode d'endocytose dominant des VS lors d'activité neuronale intense, génère de grandes structures de type endosome pour un mécanisme rapide et de grande capacité pour la récupération des vésicules synaptiques.

c. En outre, le niveau du remplissage et du regroupement des vésicules a été revu.

4. Enfin, la notion de séparation de phase liquide-liquide (LLPS) qui crée des condensats moléculaires prend une grande importance à l'heure actuelle.

Étapes du cycle vésiculaire

Remarques préliminaires essentielles

1. Dans vetopsy.fr, nous décrivons arbitrairement le cycle vésiculaire en 8 étapes.

a. Toutefois, le cycle est continu et les étapes ne sont envisagées que pour une description plus précise des processus mis en jeu qui sont d'ailleurs pour certains encore à clarifier.

Certaines étapes peuvent être réunies ou shuntées suivant les modes d'exocytose et d'endocytose.

b. Synaptic vesicle recycling: steps and principles (2014) décrit 49 étapes (!) à partir l'appareil de Golgi.

2. En outre, les progrès récents des mécanismes du cycle synaptique mettent en relation beaucoup plus poussée le système endolysosomal et les vésicules synaptiques ( vésicules synaptiques et système endolysosomal).

Certains considèrent même les VS comme des endosomes particuliers ( vésicules synaptiques et limites du système classique des pools).

Les étapes

L'événement préliminaire au cycle synaptique est la dépolarisation de la membrane présynaptique par l'arrivée d'un potentiel d'action, ouvrant les canaux Ca⁺⁺ au niveau des zones actives (ZA) des synapses ( afflux de Ca⁺⁺).

Étape 1. Les vésicules synaptiques (VS) contenant les neurotransmetteurs subissent une translocation du pool de réserve (RP) vers le pool rapidement libérable ou RRP (readily releasable pool) de la zone active (ZA).

Étape 2. Les VS subissent un processus d'attache (tethering) , i.e.contact initial d'une vésicule avec sa membrane cible par l'intermédiaire de protéines de la CAZ (Cytomatrix Active Zone) avant d'entrer en contact avec la machinerie de fusion, i.e. en amont de la machinerie de fusion du complexe SNARE.

Étape 3. Les VS s'amarrent (docking) à la membrane plasmique présynaptique par le complexe SNARE plus ou moins zippé, i.e. elles sont en contact ponctuel avec la membrane présynaptique de la ZA selon deux états :

• un état lâchement amarré (LS ou loosely docked),
• un état étroitement amarré (TS ou tightly docked).

Étape 4. Les VS sont amorcées (priming), i.e. un processus qui rend les vésicules compétentes pour la fusion et détermine la probabilité (pr ou probality of of neurotransmitter release) que sa membrane fusionne avec la membrane présynaptique lors d'une impulsion calcique.

L'amorçage des VS est traité avec l'amarrage, mais c'est probablement une réaction multicomposante qui est difficile d'analyser à l'heure actuelle.

Étape 5. La fusion, i.e. exocytose, déclenche la libération de neurotransmetteur en moins de 1 ms par l'intermédiaire des canaux calciques voltage-dépendants Ca_v/VGCC.

Selon les types de fusion, la vésicule synaptique peut s'effondrer ou pas.

Étape 6. Selon les endocytoses impliquées, les vésicules synaptiques peuvent :

• se recouvrir de clathrine, i.e. endocytose clathrine-dépendante (CME),
• être recyclées telles quelles comme dans le kiss-and-run,
• former un endosome dans le cas de l'endocytose ultrarapide (UFE) ou l'endocytose de masse dépendante de l'activité (ADBE)

Étape 7. L'acidification et le remplissage des vésicules (VS) par les neurotransmetteurs se produisent probablement en parallèle dans des conditions physiologiques où l'ATP et le neurotransmetteur sont abondants et facilement disponibles.

Remarque : c'est à cette étape que les vésicules recouvertes de clathrine se déshabillent.

Étape 8. Les vésicules synaptiques se regroupent dans le pool de réserve.

Remarque : plusieurs étapes supplémentaires (8 et 9) peuvent se produire si les vésicules synaptiques fusionnent avec des endosomes précoces comme compartiment de tri intermédiaire ( vésicules synaptiques et système endolysosomal).

• pour recréer des vésicules par une endocytose clathrine-dépendante (CME), comme dans l'UFE et l'ADBE,
• pour éliminer les protéines vieillies ou mal triées.

Molécules impliquées et modèle récent