Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques
Pools vésiculaires

Le nombre ou la taille du pool de vésicules synaptiques est variable selon le type de neurones considéré, i.e. quelques dizaines pour les petites synapses telles que celles trouvées dans l'hippocampe.

Vue d'ensemble

1. Le modèle des pools des vésicules synaptiques (VS) a prouvé son utilité pour décrire la plasticité de la libération des neurotransmetteurs en termes de changements de tailles de pools de VS (Nanoscale Remodeling of Functional Synaptic Vesicle Pools in Hebbian Plasticity 2020).

a. De manière classique, les pools de vésicules synaptiques (VS) peuvent être divisés en fonction :

• de leur déplacement par rapport à la membrane,
• leur relation temporelle entre la libération des vésicules et l'arrivée des potentiels d'action présynaptiques, cette dernière classification étant controversée.

b. De manière plus actuelle, nous envisagerons les pools suivant les similitudes entre cycle vésiculaire et système endolysosomal ( pools et système endolysosomal).

Classification canonique des pools vésiculaires

1. Historiquement, les vésicules synaptiques ont été divisées en 4 pools, i.e. réserves, en fonction des contextes dans lesquels elles se déplacent vers la membrane présynaptique et s'exocytosent (Synaptic vesicle pools: an update 2010) :

• pool rapidement libérable ou RRP (readily releasable pool),
• pool de recyclage ou recycling pool,
• pool de réserve ou reserve pool,
• pool de repos ou resting pool.

À l'heure actuelle, on les classe en trois catégories (Synaptic vesicle recycling: steps and principles 2014).

2. La réserve (pool), terme pris au sens large, de vésicules dans les cellules sécrétoires à exocytose rapide, i.e. à libération évoquée synchrone, régulée par Ca⁺⁺, peut être subdivisée en deux grands types (Synaptic vesicle recycling: steps and principles 2014).

• la TRP (Total Recycling Pool),
• le resting pool (RtP), 15 à 85% de l'ensemble des vésicules selon les cellules.

TRP (Total Recycling Pool)

La réserve totale de recyclage, appelée TRP (Total Recycling Pool), pool mobilisable, comprend la totalité des vésicules qui peuvent s’engager dans le recyclage évoqué, i.e. en réponse à un stimulus calcique déclencheur, (Régulation du cycle vésiculaire et de l’approvisionnement en GABA des interneurones de l’hippocampe en fonction de l’activité 2020).

Ce total recycling pool est souvent synonyme de pool de recyclage.

RRP (Readily Releasable Pool)

Le pool rapidement libérable (RRP ou Readily Releasable Pool) est, comme son l'indique, le pool de vésicules qui sont libérées suite à u un stimulus court et intense.

• Cette définition est fonctionnelle et a été estimée et interprétée de nombreuses façons, ce qui rend difficile une comparaison entre les étude
• La RRP peut être estimée à partir de mesures présynaptiques (capacité) ou postsynaptiques après un stimulus intense.

1. L'idée d'un pool limité de VS est venue de l'observation que la libération diminue lors de stimulations répétées et se rétablit après l'arrêt de la stimulation.

a. m, le nombre de quanta libérés, est le produit de N, interprété comme le nombre de quanta disponibles pour la libération, et pr, la probabilité de libération.

Notez le changement d'interprétation de N, qui passe du nombre de VS disponibles au nombre de sites.

b. Bien que le nombre de vésicules définisse une limite de libération, il est mieux décrit comme le produit du nombre de sites et de leur occupation (un site peut être vide à tout moment).

2. Le RRP serait composé de différents sous-ensembles de VS ((Merits and Limitations of Vesicle Pool Models in View of Heterogeneous Populations of Synaptic Vesicles 2015).

a. Dans le calice de Held, sur la base de l'observation de deux composantes cinétiques de la libération, on peut distinguer (Roles of the Fast-Releasing and the Slowly Releasing Vesicles in Synaptic Transmission at the Calyx of Held 2006) :

• un pool à libération rapide (FRP, F pour fast),
• un pool à libération lente (SRP, S pour slow).

b. Lors d'un potentiel d'action (PA), les vésicules FRP sont libérées dans les premières millisecondes sous forme de libération synchrone, suivies par le SRP qui constitue la libération asynchrone.

c. Lors de trains répétés de PA, le FRP s'épuise et prend quelques secondes pour un nouveau recrutement, tandis que le SRP se rétablit rapidement et fournit des VS pour la libération.

Les vésicules du SRP mûrissent lentement pour rentrer dans le FRP, ce qui explique la récupération plus lente de ce composant et les modèles de plasticité tels que la potentialisation post-tétanique ou PPT (Post-tetanic increase in the fast-releasing synaptic vesicle pool at the expense of the slowly releasing pool 2010).

Le diagramme conceptuel ci-contre montre un modèle schématique pour une zone active dans un calice de Held qui se compose d'un groupe de canaux calciques au centre et de quatre VS ancrées à une distance variable de la source de calcium.

• On suppose que la proximité d'un VS à la source Ca⁺⁺, i.e. amorçage de position, est un déterminant principal de la cinétique de libération du VS, et donc deux VS ancrés qui appartiennent à un FRP résident à l'intérieur du microdomaine calcique (dôme rouge), tandis que les deux VS dans un SRP résident à l'extérieur du microdomaine.
• L'élévation présynaptique de Ca⁺⁺ en présence de calmoduline (CAM) pendant la stimulation tétanique active le MLCK puis la myosine II, ce qui facilite à son tour la translocation des VS de libération lente vers la source calcique.

2. A priori, ces vésicules sont :

• amarrées (docked), i.e. alignées à moins de 5 nm de la membrane présynaptique,
• amorcées (primed), environ 1% des VS dans une synapse standard.

Les VS auraient deux particularités.

• Elles sont liées par le complexe SNARE partiellement zippé qui attache la vésicule à la membrane.
• Elles sont sensibles au Ca⁺⁺ et peuvent être immédiatement libérées lors d’une stimulation.

Pool de recyclage = ou ≠ pool de réserve ?

Définitions

Le pool de recyclage a des définitions différentes selon les scientifiques.

1. Pour certains, le pool de recyclage, i.e. recycling pool, plus grand que le RRP, environ trois fois plus de vésicules dans l'hippocampe, représenterait le pool de vésicules amarrées (docked) qui doit reformer le RRP quand il a été consommé.

Ce pool est constitué de toutes les vésicules recrutées pour être libérées lors d'une stimulation forte ou prolongée.

2. Pour d'autres, le pool de recyclage correspond à des VS qui ne sont ni amarrées (docked), i.e. donc pas dans le RRP, ni dans le pool de réserve, environ 15% des VS dans une synapse standard.

a. Ce sont des VS qui ont récemment été recyclées de la membrane plasmique après une exocytose.

Les VS de recyclage peuvent se mélanger aux vésicules RP et peuvent être rééditées en devenant partie intégrante du RRP ou du RP.

b. Dans cette terminologie, le pool de réserve est un grand regroupement VS, distal par rapport à la zone active (ZA), qui sert de réserve qui reconstitue les VS dans le RRP après l'exocytose.

Pool de recyclage versus pool de réserve

Le pool de réserve est le plus souvent synonyme de pool de recyclage dans le cas des vésicules synaptiques, car il n’y a pas de différences moléculaires majeures entre les vésicules de réserve et de recyclage (Synaptic vesicle recycling: steps and principles 2014).

Pour certains, le pool de réserve contient les vésicules qui ne sont mobilisées que lors d'une stimulation intense, sens qui sera généralement admis dans vetopsy.fr.

1. La modulation de CDK5 a été proposée pour transformer la réserve en vésicules de recyclage, sans changements majeurs apparents dans les vésicules elles-mêmes (CDK5 serves as a major control point in neurotransmitter release 2010).

a. La synapsine ferait de même en libérant les vésicules et leur permettant d'atteindre la zone active et de fusionner (Site-specific Phosphorylation of Synapsin I by Mitogen-activated Protein Kinase and Cdk5 and Its Effects on Physiological Functions 1996 et The reserve pool of synaptic vesicles acts as a buffer for proteins involved in synaptic vesicle recycling 2011).

CDK5 phosphoryle la synapsine et peut coexister avec elle dans des complexes protéiques, ce qui suggère que ces deux mécanismes sont liés.

b. Cependant, ce pourrait être différent pour d'autres molécules impliquées dans la modulation de l'équilibre entre les vésicules de réserve et de recyclage (A Distributed Set of Interactions Controls μ2 Functionality in the Role of AP-2 as a Sorting Adaptor in Synaptic Vesicle Endocytosis 2009).

2. En outre, les vésicules de recyclage peuvent fusionner plus souvent avec les endosomes que les vésicules de réserve.

Les VS de recyclage incorporeraient une plus grande fraction de protéines endosomales telles que les SNARE (Endosomal sorting of readily releasable synaptic vesicles 2010).

Les différences dans le régime d'activité de la synapse, avec ou sans influence de la signalisation post-synaptique, provoquent probablement le recrutement de vésicules de réserve dans le pool de recyclage ou vice versa (Actin-dependent rapid recruitment of reluctant synaptic vesicles into a fast-releasing vesicle pool 2011).

Remarque : l'existence d'un superpool de VS, qui couvre plusieurs synapses dans un seul axone, est envisagée dans l'hypothèse alternative des pools ( modèle alternatif).

Pool de repos ou RtP (Resting Pool)

Le pool de repos ou RtP (Resting Pool) contiendrait des vésicules réticentes à circuler vers la membrane présynaptique pour la fusion (Synaptic Vesicle Pools and Dynamics 2012).

Le resting pool (RtP), 15 à 85% de l'ensemble des vésicules selon les cellules, représente le reste du pool total de vésicules qui ne peuvent pas subir la fusion, i.e. les vésicules sont dites de repos.

Pool supplémentaire ?

Une étude récente présente une étude extrêmement détaillée démontrant qu'une forme plutôt anormale de plasticité synaptique est provoquée par le recrutement d'un pool supplémentaire de vésicules moléculairement distinctes (GABAB receptors induce phasic release from medial habenula terminals through activity-dependent recruitment of release-ready vesicles 2024 et A two-pool mechanism of vesicle release in medial habenula terminals underlies GABABreceptor-mediated potentiation 2022).

1. La plus forte potentialisation connue de la libération d'un neurotransmetteur dans le système nerveux central est retrouvée sur les terminaisons de l'habenula médiane (MhB) sur le noyau interpédonculaire (IPN) par l'activation du récepteur GABA_B ( projections de la MHb sur l'IPN).

a. Cette activation typiquement inhibitrice du récepteur GABA_B suscite :

• la potentialisation de la libération,
• la transformation complète du profil de libération synaptique de la libération tonique en libération phasique.

b. Le passage de la libération tonique à phasique s'accompagne d'une augmentation de 4 fois de la taille de pool rapidement libérable (RRP), reflétée par une augmentation similaire du nombre de vésicules amarrées à la zone active (ZA) présynaptique (A two-pool mechanism of vesicle release in medial habenula terminals underlies GABAB receptor-mediated potentiation 2022).

Remarque : en outre, on observe une baisse de la libération spontanée par opposition à la libération évoquée, comme le montre généralement la régulation GABA_B.

2. Les vésicules de libération tonique et phasique ont des distances de couplage distinctes et dépendent de deux molécules qui coexistent dans les mêmes terminaux.

a. La synaptoporine/synaptophysine 2 (SPO ou SYP) intervient dans l'augmentation de la libération tonique (Room for Two: The Synaptophysin/Synaptobrevin Complex 2021).

• En utilisant des souris SPO KO, ils constatent que SPO est nécessaire pour la modulation du phénotype de libération tonique, bien que sa perte ne modifie pas l'interrupteur phénotypique.
• Les membres de la famille de la synaptophysine et de la synaptogyrine sont des protéines de vésicules avec quatre domaines transmembranaires et, malgré leur abondance dans les membranes de vésicule synaptique, leur rôle reste insaisissable.

Elles pourraient jouer un rôle dans la biogenèse des VS pour déterminer leur petite taille (Overlapping role of synaptophysin and synaptogyrin family proteins in determining the small size of synaptic vesicles 2024).

b. CAPS2 (Calcium-dependent Activator Protein for Secretion 2) semble stabiliser les vésicules du RRP pendant la libération phasique, mais son rôle est incertain.

En revanche, les terminaux déficients en CAPS2 des souris KO Caps2 montrent que CAPS2 est impliqué, de manière critique, dans la transformation du profil de libération tonique en version phasique.

Une nouvelle méthode de " Flash and Freeze-Fracture " révèle que seul, CAPS2 subit une translocation vers la zone active (ZA) pendant la libération phasique et maintient l'augmentation du RRP pendant plusieurs minutes.

3. Cette découverte suggère que les mécanismes de signalisation séparables sont sous la dépendance du même récepteur, qui, à son tour, régule de manière différentielle la libération évoquée et spontanée au sein des mêmes terminaux synaptiques MHb-IPN (Synaptic vesicle pool heterogeneity drives an anomalous form of synaptic plasticity 2024).

• Dans l'ensemble, ces résultats indiquent une nano-organisation moléculaire complexe au sein de synapses uniques.
• La composition moléculaire et la localisation des vésicules synaptiques sont étroitement régulées de manière à impacter des formes distinctes de libération et leur plasticité (Nano-Organization at the Synapse: Segregation of Distinct Forms of Neurotransmission 2021).

Remarque : et le super-pool ?

Classification temporelle (modèle moléculaire)

La définition des pools de vésicules a été affinée par leurs composants moléculaires et la relation temporelle entre la libération des vésicules et l'arrivée des potentiels d'action (PA) présynaptiques (Molecular Underpinnings of Synaptic Vesicle Pool Heterogeneity 2015).

1. Cette classification divise les vésicules en (trois modes différents de neurotransmission) :

• vésicules libérées de manière synchrone avec l'arrivée d'un potentiel d'action (PA),
• vésicules libérées de manière asynchrone à la suite d'un potentiel d'action,
• vésicules libérées spontanément en l'absence de potentiels d'action.

En plus des études fonctionnelles démontrant ces formes de libération, des preuves moléculaires suggèrent qu'un cadre moléculaire concurrent sous-tend cette classification des pools de vésicules (The role of non-canonical SNAREs in synaptic vesicle recycling 2012).

2. Les modèles classiques supposent que toutes les vésicules synaptiques (VS) forment une population homogène au sein du terminal présynaptique.

• Dans ce modèle, les différences fonctionnelles entre les populations de VS sont attribuées à leur répartition spatiale dans la synapse par rapport à la zone active (ZA) ou aux canaux Ca⁺⁺ voltage-dépendants (CaV) qui délivrent un afflux de Ca⁺⁺par action ( rôles des Ca_v dans l'électrosécrétion).
• En effet, toutes les VS se ressemblent dans les micrographies électroniques, avec une petite fraction amarrée à la zone active, tandis que d'autres sont à distance.

3. Or, on sait maintenant que les vésicules synaptiques (VS) sont une population hétérogène d'organelles, qui possèdent des différences moléculaires intrinsèques et/ou des partenaires d'interaction différentielle qui diversifient leurs modalités de fusion ou leur contenu de neurotransmetteur.

a. Par exemple, des molécules comme les protéines vésiculaires SNARE confèrent une hétérogénéité aux populations de vésicules présynaptiques.

• Les vésicules à syb2/VAMP2 (synaptobrévine 2) entraînent principalement la libération évoquée synchrone.
• Les vésicules à VAMP4 (Vesicle-Associated Membrane Protein 4) entraînent principalement la libération évoquée asynchrone.
• Les vésicules à Vtia (Vps10p tail interactor 1a) et VAMP7 conduisent principalement à la libération spontanée.

b. Le neurotransmetteur libéré par les vésicules évoquées et spontanées active des populations distinctes de récepteurs postsynaptiques, de sorte que les sites de fusion de ces pools de vésicules peuvent être spatialement séparés le long de la zone active.

c. En outre, des terminaux synaptiques uniques libèrent plusieurs neurotransmetteurs souvent à partir de pools non chevauchants de VS (Synaptic Vesicle Recycling Pathway Determines Neurotransmitter Content and Release Properties 2019)

d. Enfin, il existe des différences moléculaires évidentes entre les pools de vésicules qui réalisent la neurotransmission synchrone rapide par rapport à la libération de neurotransmetteurs asynchrones (A Two Ca2+-Sensor Model for Neurotransmitter Release in a Central Synapse 2004).

Pool et système endosomal

Cycle vésiculaire