A. Visualisation des vésicules synaptiques dans un bouton pré-synaptique. B. Les vésicules se répartissent en différents groupes: le groupe de réserve (bleu), le groupe de recyclage (vert) et le groupe rapidement libéré (orange). C. Etapes de libération et de recyclage des vésicules synaptiques grâce au complexe des SNAREs.
recyclage et le groupe de vésicules de réserve (Regehr and Mintz, 1994; pour revue voir Rizzoli and Betz, 2005; Fig. 11A). Au niveau de neurones hippocampiques en culture, le nombre total de vésicule est de 100 à 200. Le RRP contient entre 5 et 20 vésicules qui peuvent être libérées par choc hypertonique (en utilisant une solution hyperconcentrée de sucrose par exemple) ou lors d’une stimulation de 2s à 20 Hz. Le groupe de recyclage contient 10 à 20 % des vésicules. Le reste des vésicules (la majorité) appartenant au groupe de réserve (Rizzoli and Betz, 2005).
Différentes familles de protéines interviennent au niveau des différents groupes de vésicules. Les vésicules du groupe de réserve ne se déplacent pas librement dans l’extrémité présynaptique mais sont engluées dans un réseau dense de neurofilaments par l’intermédiaire d’une famille de protéines de la membrane vésiculaire : les synapsines (Henkel et al., 1996; Kraszewski et al., 1996; Hilfiker et al., 1999). Lorsque ces protéines sont phosphorylées par l’intermédiaire de protéines kinases c-AMP-dépendantes et calcium-calmoduline-dépendantes elles libèrent des vésicules qui peuvent rejoindre les autres groupes de vésicules(Chi et al., 2003; Benfenati et al., 1992; Torri et al., 1992). Comme nous l’avons vu précédemment, les vésicules sont libérées au niveau de zones spécialisées de la membrane pré-synaptique qui sont particulièrement enrichies en canaux calciques voltage-dépendants. On les appelles les « zones actives ». Les vésicules libérées du groupe de réserve sont dirigées vers ces zones actives grâce à une autre famille de protéines de la membrane vésiculaire de la famille ras : les protéines Rab3. Ces protéines sont de petites GTPases et l’hydrolyse du GTP en GDP et en phosphate inorganique pourrait être importante pour l’adressage correct des vésicules au niveau de la zone active ou dans les dernières étapes de la transmission synaptique(Gonzalez, Jr. and Scheller, 1999; Geppert et al., 1994a; Geppert et al., 1997). Ces protéines pourraient également jouer un rôle dans les mécanismes d’expression de la LTP cAMP-dépendante au niveau des fibres moussues (Castillo et al., 1997a). Au niveau de la zone active, les vésicules du RRP sont maintenues à proximité des canaux calciques de façon à ce que les protéines responsables de la fusion et sensibles au calcium puissent détecter l’augmentation locale de la concentration en calcium (Neher, 1998). Le maintien des vésicules au niveau de la zone active dépendrait de l’interaction entre des protéines intégrées à la membrane de la vésicule (les vésicules-SNARES ou v-SNARE) et des vésicules spécifiques de la membrane post- synaptique (t-SNARE). Ces protéines forment un complexe stable qui maintient les vésicules du RRP au niveau de la zone active proche des canaux calciques voltage-dépendants(Rizo and Sudhof, 2002). On dit que les vésicules sont arrimées à la membrane (Fig. 11B) et prêtes à fusionner. En fait les vésicules du RRP correspondraient à ces vésicules arrimées (Heuser et
al., 1979; Ceccarelli and Hurlbut, 1980 mais voir Rizzoli and Betz, 2004). Une protéine intégrée à la membrane des vésicules synaptiques, la synaptotagmine, participerait au couplage entre l’augmentation locale de calcium et la fusion des vésicules arrimées(Robinson et al., 2002; Mackler et al., 2002). Chez des souris ayant une mutation dans le gène codant pour la synaptotagmine, la transmission synaptique miniature est peu modifiée tandis que la transmission synaptique spontanée est abolie (Geppert et al., 1994b; Reim et al., 2001). II.1.5. Recapture du glutamate
Pour que le glutamate puisse jouer efficacement son rôle dans la transmission synaptique rapide, il ne doit pas rester trop longtemps dans la fente synaptique. Contrairement à d’autres neurotransmetteurs, le glutamate n’est pas inactivé par action enzymatique mais principalement par recapture grâce à des transporteurs membranaires spécifiques. Cinq transporteurs membranaires du glutamate (EAAT pour Excitatory Amino Acid Transporter) ont été clonés à l’heure actuelle : EAAT 1-5 (Anderson and Swanson, 2000; Gadea and Lopez-Colome, 2001; Danbolt, 2001). Ces récepteurs sont principalement exprimés dans les astrocytes mais le transporteur EAAT3 est exprimé dans le neurones glutamatergiques de l’hippocampe (Rothstein et al., 1994). La recapture du glutamate est couplée au transport d’ions sodiques et potassiques : l’entrée d’une molécule de L-glutamate est couplée à l’entrée de trois ions Na+ et d’un ion H+ et à la sortie d’un ion K+. Des études in vivo sur des souris ayant des mutations au niveau de gènes codant spécifiquement pour différents sous-type de transporteurs au glutamate montrent que les transporteurs gliaux EAAT1 (GLAST) et EAAT2 (GLT1) sont principalement responsables de la recapture du glutamate de la fente synaptique (Rothstein et al., 1996). Ainsi, les astrocytes peuvent contrôler la concentration de glutamate au niveau de la fente synaptique et l’efficacité de la transmission synaptique glutamatergique (Oliet et al., 2001). Un mauvais fonctionnement de ces transporteurs peut avoir des conséquences pathologiques notamment chez le jeune (Demarque et al., 2004). Inversement, une augmentation du nombre de transporteurs peut protéger les neurones de l’excitotoxicité due à une augmentation de la concentration extracellulaire en glutamate (Rothstein et al., 2005).
II.2. Les récepteurs post-synaptiques au glutamate
Après fusion des vésicules synaptiques avec la membrane pré-synaptique, le glutamate libéré se fixe sur des récepteurs spécifiques présents au niveau de la membrane post- synaptique. On distingue deux grandes familles de récepteurs au glutamate. La première famille correspond à des récepteurs canaux qui, lorsqu’ils sont activés par fixation du glutamate, s’ouvrent pour laisser passer des ions de part et d’autre de la membrane plasmique. On parle de récepteurs ionotropiques. L’action excitatrice du glutamate, connue depuis les travaux de Curtis sur les neurones de la moëlle épinière, est principalement due à l’ouverture de ces récepteurs canaux post-synaptiques (Curtis et Watkins, 1960). Ces récepteurs sont principalement impliqués dans la transmission synaptique excitatrice rapide dans le SNC (Fonnum, 1984). A coté de ces récepteurs, il existe des récepteurs au glutamate qui modifient l’activité des neurones post-synaptiques indirectement, en activant des cascades de seconds messagers intracellulaires. Ces récepteurs sont appelés récepteurs métabotropiques. Leur action peut être excitatrice ou inhibitrice en fonction de la perméabilité ionique des canaux qu’ils activent. Dans cette partie nous allons brièvement décrire les caractéristiques pharmacologiques et moléculaires de ces deux grands types de récepteurs au glutamate puis nous reviendrons plus en détail sur les caractéristiques fonctionnelles des récepteurs kainate dans le chapitre III.
II.2.1. Les récepteurs ionotropiques II.2.1.1. Propriétés générales II.2.1.1.1. Pharmacologie
Dans les années 1970, les travaux de Jeffrey Watkins et de ses collègues permirent d’identifier différents groupes de récepteurs ionotropiques au glutamate grâce à l’utilisation d’agonistes exogènes les activant différentiellement. Ils distinguèrent ainsi les récepteurs activés préférentiellement pas le quisqualate, par l’acide kaïnique (KA) et par le NMDA (Watkins et al., 1990; Watkins et Evans, 1981). Par la suite, il s’est avéré que le quisqualate activait aussi des récepteurs glutamatergiques métabotropiques et les « récepteurs au quisqualate » ont été renommés en fonction d’un agoniste plus sélectif : l’AMPA. Ces récepteurs ont également des antagonistes sélectifs permettant de les bloquer sélectivement.