Décodage de la diversité neuronale : une étude éclaire les modifications clés de l’ARN dans les protéines synaptiques

Patrick Lesggie

By David Orenstein, The Picower Institute for Learning and Memory 16 Décembre 2023

Les neurones des mouches drosophiles ont été étudiés par l’institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire afin de comprendre la diversité de la communication neuronale. Ils ont découvert qu’une protéine, complexin, joue un rôle vital dans le contrôle de la libération de neurotransmetteurs. L’étude a montré que la modification de l’ARN de complexin donne lieu à différentes versions de la protéine, affectant ainsi la communication entre les neurones et la croissance des synapses. Crédit:

Les neurones génèrent de manière stochastique jusqu’à huit versions différentes d’une protéine régulant la libération de neurotransmetteurs, ce qui pourrait varier leur manière de communiquer avec les autres cellules.

Les neurones sont des communicants. Ils communiquent chacun avec leurs pairs, des muscles ou d’autres cellules en libérant des neurotransmetteurs au niveau des jonctions synaptiques, produisant finalement des fonctions allant des émotions aux mouvements. Mais même les neurones du même type peuvent varier dans leur style de conversation. Une nouvelle étude en accès libre publiée dans le journal Cell Reports par des neurobiologistes de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire met en évidence un mécanisme moléculaire qui pourrait aider à expliquer la diversité nuancée du discours neuronal.

Les scientifiques ont fait leurs découvertes dans des neurones qui contrôlent les muscles des mouches drosophiles. Ces cellules sont des modèles en neurosciences car elles présentent de nombreuses propriétés fondamentales communes aux neurones des humains et d’autres animaux, y compris la communication via la libération du neurotransmetteur glutamate. Dans le laboratoire de Troy Littleton, professeur Menicon aux départements de biologie et de sciences cérébrales et cognitives du MIT, qui étudie comment les neurones régulent ce processus critique, les chercheurs voient fréquemment que les neurones individuels varient dans leurs schémas de libération. Certains « parlent » plus que d’autres.

Répartition du protéine Complexin dans les neurones moteurs

Dans une nouvelle étude sur une protéine clé régulant la manière dont les neurones communiquent par la libération de neurotransmetteurs, les scientifiques ont suivi comment l’édition de l’ARN affectait la distribution et la performance des protéines. Ici, trois éditions différentes de complexin (jaune) ont donné lieu à des distributions différentes de la protéine dans les segments des neurones moteurs ainsi qu’à des degrés de fonction différents. Le panneau de gauche montre la distribution de complexin non édité, tandis que les deux panneaux de droite montrent la distribution de deux variantes différentes éditées. Crédit : Laboratoire Littleton/Institut Picower

Le rôle de Complexin dans la communication neuronale

En plus d’une décennie d’études, le laboratoire de Littleton a montré qu’une protéine appelée complexin avait pour rôle de freiner les échanges spontanés de glutamate. Elle restreint la fusion des vésicules remplies de glutamate au niveau de la membrane synaptique pour préserver un stock de neurotransmetteur lorsque le neurone en a besoin pour une raison fonctionnelle, par exemple pour stimuler un muscle à bouger. Les études du laboratoire ont identifié deux types différents de complexin chez les mouches (et quatre chez les mammifères) et ont montré que l’efficacité de restriction de la forme de clivage rare mais puissante 7B est régulée par un processus moléculaire appelé phosphorylation. On ne savait pas comment la version 7A beaucoup plus abondante était régulée, mais les scientifiques avaient montré que l’ARN transcrit à partir de l’ADN qui donne des instructions pour la formation de la protéine était parfois édité dans la cellule par une enzyme appelée ADAR.

Dans la nouvelle étude de l’équipe de Littleton, dirigée par Elizabeth Brija PhD ’23, le laboratoire a étudié si l’édition de l’ARN de la complexine 7A affectait sa régulation de la libération de glutamate. Ce qu’elle a découvert était surprenant : non seulement l’édition de l’ARN de la complexine 7A a un impact significatif sur la façon dont la protéine empêche la libération de glutamate, mais cela peut varier largement d’un neurone à l’autre car ils peuvent mélanger de manière stochastique jusqu’à huit éditions différentes de la protéine. Certaines éditions étaient beaucoup plus courantes que d’autres en moyenne, mais 96 % des 200 neurones examinés par l’équipe présentaient au moins des éditions, ce qui affectait la structure d’une extrémité de la protéine appelée son C-terminus.

Des expériences visant à tester certaines des conséquences de cette variation structurale ont montré que différentes éditions de complexin 7A peuvent affecter de manière spectaculaire le niveau de courant électrique mesurable au niveau de différentes synapses. Ce niveau d’activité variable peut également affecter la croissance des synapses que les neurones font avec les muscles. L’édition de l’ARN de la protéine pourrait donc doter chaque neurone d’un contrôle fin de la communication.

« Ce que cela offre au système nerveux, c’est que vous pouvez prendre le même transcriptome et, en éditant alternativement divers transcrits d’ARN, ces neurones se comporteront différemment », explique Littleton.

Extension du champ d’application : Édition d’autres protéines

De plus, l’équipe de Littleton et Brija a découvert que d’autres protéines clés impliquées dans la libération synaptique de glutamate, telles que la synapsine et Syx1A, sont également parfois éditées à des niveaux très différents au sein de la même population de neurones. Cela suggère que d’autres aspects de la communication synaptique pourraient également être ajustables.

« Un tel mécanisme serait un moyen robuste de changer plusieurs caractéristiques de la sortie neuronale », ont écrit Brija, Littleton et leurs collègues.

L’équipe a suivi les différents niveaux d’édition en extrayant méticuleusement et en séquençant l’ARN des noyaux et des corps cellulaires de 200 neurones moteurs. Les travaux ont produit un jeu de données suffisamment riche pour montrer que trois nucléotides adénosine codant deux acides aminés dans le C-terminus pouvaient être échangés contre un autre, donnant ainsi huit éditions différentes de la protéine. Dans le neurone moyen, une maigre majorité de complexin 7A n’a pas été éditée, tandis que les sept versions éditées constituaient le reste avec des fréquences très variables.

Pour enquêter sur les conséquences fonctionnelles de certaines des éditions différentes, l’équipe a supprimé complexin puis a « sauvé » des mouches en réintroduisant du complexin non édité ou deux versions éditées différentes. Les expériences ont montré un contraste saisissant entre les deux protéines éditées. L’une, qui est plus fréquente, s’est révélée être un dispositif de serrage moins efficace que la complexine non éditée, empêchant à peine la libération spontanée de glutamate et les pics de courant électrique. L’autre s’est avérée être plus efficace pour freiner que la version non éditée, gardant un couvercle serré sur la libération de glutamate et la production synaptique. Et bien que les deux versions éditées aient montré une tendance à s’éloigner des synapses et dans l’axone du neurone, le long prolongement qui s’étend du corps cellulaire, l’édition qui serre bien a empêché toute croissance excessive des synapses, tandis que celle qui serre faiblement a fourni seulement un frein modeste.

Comme de multiples éditions sont souvent présentes dans les neurones, Brija et l’équipe ont réalisé un dernier ensemble d’expériences dans lequel elles ont « sauvé » des mouches privées de complexin avec une combinaison de complexin non édité et de l’édition de serrage faible. Le résultat a été un mélange des deux : une libération de glutamate spontanée réduite par rapport à celle obtenue avec la seule édition de serrage faible. Les résultats suggèrent que non seulement chaque édition peut peaufiner potentiellement la libération de glutamate, mais que les combinaisons entre elles peuvent agir de manière combinatoriale.

Référence : « Stochastic RNA editing of the Complexin C-terminus within single neurons regulates neurotransmitter release » d’Elizabeth A. Brija, Zhuo Guan, Suresh K. Jetti et J. Troy Littleton, 17 Septembre 2023, Cell Reports. DOI : 10.1016/j.celrep.2023.113152

En plus de Brija et Littleton, les autres auteurs de l’article sont Zhuo Guan et Suresh Jetti.

Les National Institutes of Health, The JPB Foundation et The Picower Institute for Learning and Memory ont soutenu la recherche.