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Dynamique du récepteur du GABA dans les cônes de croissance

par Pierre-Louis Porté - 27 février 2007

Collaboration

Ce travail est réalisé en collaboration avec Antoine Triller (Laboratoire de Biologie Cellulaire de la Synapse normale et pathologique, ENS Biologie) et bénificie du travail de Stéphane Bonneau et Laurent Cohen (CEREMADE, Université de Paris-Dauphine) pour les problèmes de traitement d’image.

Présentation

Lors du développement du système nerveux, les différents neurones établissent des connexions précises entre eux afin de pouvoir constituer un réseau fonctionnel. A cet effet, l’axone se termine par une structure particulière appelée cône de croissance. Celui-ci permet de détecter les gradients de substances de guidage, émises notamment par le reste du réseau. Le cytosquelette (actine et microtubules) est alors modfié en réponse, ce qui permet une orientation adéquate de la croissance de l’axone, jusqu’à établir une connexion axone-dendrite fonctionnelle. Si les mécanismes moléculaires de ce processus chemotactique ont commencé à être mis en évidence au cours des dix dernières années, la robustesse remarquable du guidage axonal reste une question ouverte. Un rétro-contrôle de la chaîne de détection des gradients par le cytosquelette permettrait la constitution d’un système de guidage robuste et est dans cette perspective une hypothèse prometteuse. L’étude de la dynamique de récepteurs membranaires et de son lien avec le cytosquelette est ainsi un thème de recherche qui nous intéresse. A l’aide de nanocristaux semi-conducteurs, nous étudions la dynamique de récepteurs du GABA dans la membrane de cônes de croissance axonaux et son lien avec le cytosquelette.

Système biologique

Le cône de croissance a une morphologie particulière : la partie distale riche en actine forme un lamellipode et des filopodes, tandis que la partie centrale est riche en microtubules. Sur l’image de gauche les microtubules sont marqués en vert et l’actine en rouge, et sur l’image de gauche les microtubules sont en verts et les récepteurs du GABA en rouge.

Quelques résultats

Les récepteurs (GABA_AR) dans la membrane du cône de croissance sont couplés aux nanocristaux dans un régime de molécule unique. L’unicité des récepteurs est vérifié par le scintillemnt (ou blinking) des nanocristaux. L’absence de photoblanchiment des nanocristaux permet de reconstruire des trajectoires d’une durée supérieure à 1 min à une cadence d’acquisition de 10Hz.

Aux échelles de temps et d’espace observés, les effets browniens sont notables. Afin de caractériser les mouvements observés des récepteurs dans la membrane, nous avons calculé le déplacement quadratique moyen (MSD) pour de nombreuses trajectoires (N=100). Cette analyse fournit la distribution du coefficient de diffusion (D=0.25µm²/s) ainsi que le MSD moyen. L’existence d’une composante d’entrainement (V=0.29µm²/s) superposée à une composante brownienne est caractérisée par sa nature quadratique (voir figure ci-contre).

L’existence de mouvements dirigés témoigne des interactions auxquelles le récepteur est soumis. La dépolymérisation des microtubules éliminent alors les effets d’entraînement. La dynamique des récepteurs est donc contrôlé par les microtubules, suivant une modalité qui reste à déterminer : mouvement actif sur le microtubule médié par un moteur par exemple, ou effet de dérive due à la croissance des microtubules ?

Vers des aspects fonctionnels

Quel est le rôle fonctionnel des interactions entre microtubules et récepteurs ? Des enregistrements sur des temps plus longs montrent l’existence d’une barriére de diffusion microtubules dépendante au niveau de la jonction axone-cône de croissance. Cette localisation met en évidence le couplage entre l’acitivité du cytosquelette et le guidage et permet ainsi d’entrevoir un mécanisme de régulation de la croissance axonale et de détection robuste des gradients de substances chimioattracrives.

Références

"Signaling Pathway Downstream of GABA receptor in the Growth Cone", H. Fukura, Y. Komiya and M. Igarashi, J. of Neurochem. 67, 1426 (1996)
"Single Particle Tracking : applications to membrane dynamics", M. Saxton and K. Jacobson, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 26, 373 (1997).
"cAMP-induced switching in turning direction of nerve growth cones", H.J. Song, G.L. Ming GL and M.M. Poo, Nature, 388(6639), 275-279 (1997)
"Growth Cone Turning Induced by Direct Local Modifiction of Microtubules Dynamics" K. Buck and J. Zheng, J. of Neuroscience, 22(21), 9385-9367 (2002)
"Diffusion dynamics of glycine receptors revealed by single quantum dot tracking", M. Dahan, S. Lévi, C. Luccardini, P. Rostaing, B. Riveau and A. Triller, Science, 302(5644),442-445 (2003)
"Chemotaxis : the role of internal delays" P.G. De Gennes, Eur. Biophys. J. (2004)
"NGF-induced axon growth is mediated by localized inactivation of GSK-3β and functions of the microtubule plus end binding protein APC" F.Q. Zhou, J. Zhou, S. Dedhar, Y.H. Wu and W.D. Snider, Neuron, Vol. 42, 897-912 (2004)