Neurophysiologie : synapse
Vésicules synaptiques
Vue d'ensemble

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. Les neurones et les cellules neuroendocrines communiquent par exocytose vésiculaire des neurotransmetteurs au niveau des synapses chimiques par des vésicules synaptiques (VS).

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  Les petites vésicules synaptiques (SSV) présynaptiques contiennent les neurotransmetteurs classiques, i.e. acétylcholine, GABA, glycine…, qui régulent les signaux électriques (activation des canaux ioniques) vers la membrane postsynaptique.
• Les grandes vésicules centrales denses (LDCV) contiennent des amines, des neuropeptides et des hormones qui modulent l'activité synaptique, en activent principalement les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR).

2. Les LDCV sont représentées par :

• 1 à 2% des vésicules synaptiques dans le système nerveux central, comme celles de la jonction neuromusculaire, du thalamus, du cervelet et de l'hippocampe.
• les granules chromaffines qui contiennent des catécholamines présentes dans les glandes médullosurrénales,
• les paraganglions du système nerveux sympathique (The adrenal chromaffin granule: a model for large dense core vesicles of endocrine and nervous tissue 1993).

3. Malgré les différences de fonctions biologiques entre SSV et LDCV, les deux types utilisent les protéines SNARE comme machinerie de fusion.

Structure vésiculaire

Taille des vésicules

Au départ, on a décrit plusieurs formes de vésicules synaptiques (VS), rondes et aplaties, en fonction de la méthode d'étude, i.e. fixateur en général aldéhydique, congélation, osmolarité.

1. Contrairement à l'opinion dominante selon laquelle les VS n'ont qu'une forme sphérique, elles ne sont pas morphologiquement uniformes.

• Les vésicules pléïomorphes ont été décrites dans les premières études par microscopie électronique, principalement comme un marqueur pour les synapses inhibitrices (Presynaptic Endosomal Cathepsin D Regulates the Biogenesis of GABAergic Synaptic Vesicles 2019).
• Avec l'avènement des nouvelles technologies (par exemple, la cryo-EM et la tomographie électronique), il est de plus en plus évident que les vésicules ellipsoïdales en forme de tubules sont présentes à la fois aux synapses excitatrices et aux synapses inhibitrices (Differentiation and Characterization of Excitatory and Inhibitory Synapses by Cryo-electron Tomography and Correlative Microscopy 2018).

Par conséquent, comme les endosomes de recyclage (RE), les VS montrent un degré d'hétérogénéité morphologique, avec un diamètre compris à quelques dizaines de nanomètres ( cycle synaptique et système endosomal).

2. Le mode de fusion détermine la taille des vésicules ( modes de fusion et taille des vésicules).

a. La taille et le nombre des VS, variable selon le type de neurone considéré, en moyenne de 50 nm, i.e. de 30 à 200 nm.

b. Cependant, dans les vésicules neuroendocrines :

• la compound fusion, i.e. fusion composée ou combinée, peut produire des grandes vésicules de forme multivésiculaire.
• la fusion séquentielle, i.e. de très grandes vésicules exocrines de 1 à 10 micromètres peuvent former une structure en forme de 8.

Protéines des
vésicules

La membrane des VS possède 60% de protéines pour 40% de lipides (Synaptic vesicle morphology: a case of protein sorting? 2014).

• Ce ratio très élevé de protéines est dû à la surface membranaire couverte de près de 600 domaines transmembranaires (TM) par vésicule.
• Environ 80 protéines différentes ont pu être identifiées (Molecular Anatomy of a Trafficking Organelle 2006).

1. Ces molécules sont impliquées dans ( tableau S1) :

a. le trafic des VS, par :

• protéines SNARE, dont la synaptobrévine-2/VAMP2, la protéine semble-t-il la plus abondante,
• les senseurs calciques dont les synaptotagmines,
• les protéines Munc,
• les Rab…

b. la capture et le stockage du neurotransmetteur par :

• des transporteurs comme VGLUT (Vesicular Glutamate Transporter)…
• la V-ATPase, i.e. pompe à proton,

c…

2. Les approches biochimiques massives précédentes ont décrit la composition protéique d'un VS prototypique (Cross-linking mass spectrometry uncovers protein interactions and functional assemblies in synaptic vesicle membranes 2021).

a. Tout en fournissant des informations sur la composition moléculaire d'une VS moyenne, une mise en garde importante de ces études protéomiques en vrac est que les fractions cellulaires qui ont été analysées représentent des moyennes d'un ensemble diversifié de synapses et de VS.

Dans les VS individuelles, le nombre de copies de protéines comme celles de la synaptobrevine-2, de la synaptophysine et de la synaptogyrine, montre une variabilité importante, telle que révélée par des approches de quantification moléculaire unique (Protein Quantification at the Single Vesicle Level Reveals That a Subset of Synaptic Vesicle Proteins Are Trafficked with High Precision 2011).

b. Une autre limitation importante de ces études protéomiques est que les protéines avec des fonctions essentielles sont sous-représentées ou souvent non détectées (Hidden proteome of synaptic vesicles in the mammalian brain 2020).

Une liste plus longue de protéines est trouvée dans des synaptosomes isolés avec des protéines à faible abondance, i.e. moins d'une copie par VS, i.e. protéines de pertinence physiologique et pathologique.

Hétérogénéité des vésicules

1. Les modèles classiques supposent que toutes les vésicules synaptiques (VS) d’une synapse ont le même potentiel de fusion dans différents contextes fonctionnels.

• 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⁺⁺ ( 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.

2. 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 (classification temporelle ou modèle moléculaire des VS).

 

3. La microscopie STED (Stimulated Emission Depletion ou déplétion par émission stimulée) a apporté récemment des contributions essentielles au cycle des vésicules synaptiques, et à son interdépendance avec le système endolysosomal ( vésicules synaptiques et système endolysosomal).

Pools vésiculaires