Les neurones communiquent entre eux en libérant dans la fente
synaptique des neurotransmetteurs préalablement accumulés dans les
vésicules synaptiques de leurs terminaisons. Ces transmetteurs
chimiques vont alors agir sur leurs récepteurs situés sur les
membranes pré- et postsynaptiques. Selon la nature des récepteurs
activés, le signal transmis peut être une excitation
(dépolarisation), une inhibition (hyperpolarisation) ou une
modulation (cascade de seconds messagers) du neurone cible.
En 1952, P. Fatt et B. Katz ont montré que la libération de
neurotransmetteurs se fait par « paquets », ou quantums [1], chaque
quantum représentant le contenu d’une vésicule synaptique. Pour
réaliser la libération quantique, la terminaison met en jeu un
système de recyclage, d’une part, des molécules de
neurotransmetteurs [2] et, d’autre part, de la membrane vésiculaire
[3]. La coordination spatiale et temporelle de cette machinerie est
cruciale pour assurer un bon rapport signal/bruit, en particulier
lors de stimulations répétées.
Acide aminé endogène, le glutamate est un métabolite ubiquitaire du
vivant. Dans le cerveau, c’est également le principal
neurotransmetteur excitateur utilisé par au moins 30 % des
neurones. La neurotransmission par le glutamate (ou
glutamatergique) est ainsi la force motrice dans tous les circuits
fonctionnels du système nerveux central (régulations autonomes,
boucles sensori-motrices, fonctions cognitives). Par conséquent,
nombre de maladies neurologiques et psychiatriques font intervenir
la transmission glutamatergique. L’absence de marqueurs protéiques
spécifiques a cependant longtemps freiné l’étude des neurones
glutamatergiques [4].
Les trois transporteurs vésiculaires du glutamate
Récemment, trois sous-types de transporteurs vésiculaires du
glutamate (VGLUT1, 2 et 3), de séquences très conservées (plus de
70 % d’identité), ont été isolés et caractérisés (Figure 1) [5-7].
En remplissant les vésicules synaptiques, ces protéines réalisent
une fonction clé pour la sécrétion de glutamate. Elles sont
également les premiers marqueurs protéiques spécifiques des
cellules glutamatergiques [5-10]. Les VGLUT sont enchassés dans la
membrane des vésicules synaptiques par dix domaines
transmembranaires (Figure 1B).
Les trois VGLUT ont des propriétés biophysiques et pharmacologiques
de transport vésiculaire extrêmement proches [5-10]. De plus, des
expériences de transfection de cellules ou de neurones non
glutamatergiques ont permis d’établir sans ambiguïté que
l’expression de VGLUT1 ou de VGLUT2 suffisait pour induire une
libération de glutamate [5, 7, 8]. Bien que probable, l’implication
directe de VGLUT3 dans la libération de glutamate reste encore à
démontrer [7, 10]. En revanche, leur répartition dans le cerveau
est très complémentaire (Figure 1C). VGLUT1 est exprimé
principalement dans les régions les plus corticales du cerveau, qui
sont le siège des fonctions cognitives et d’apprentissage moteur,
alors que VGLUT2 est localisé dans les neurones glutamatergiques
sous-corticaux, qui sont principalement impliqués dans les circuits
sensorimoteurs et de régulation autonome de l’organisme. Chez
l’adulte, VGLUT1 et VGLUT2 délimitent donc deux territoires qui
couvrent l’ensemble des neurones glutamatergiques historiquements
décrits [4]. Au cours du développement, VGLUT2 est présent très
précocement et couvre en partie le territoire de VGLUT1, alors que
ce dernier ne l’occupe qu’au bout de trois semaines de vie
postnatale [11]. VGLUT3 (que nous avons identifié à l’Inserm U.
513) présente une expression restreinte à quelques sous-populations
de neurones classiquement considérés comme cholinergiques,
sérotonergiques ou même GABAergiques. VGLUT3 semble donc définir un
système glutamatergique de type modulateur tout à fait inattendu
[10].
Si les trois VGLUT sont localisés dans des populations distinctes
de neurones, leurs propriétés de remplissage des vésicules
synaptiques sont peu différentes et les raisons fonctionnelles de
cette diversité restent à déterminer [7].
Figure 1. Les transporteurs vésiculaires du glutamate. VGLUT1,
VGLUT2 et VGLUT3 sont des protéines de 560 à 589 acides aminés
présentant un très fort degré d’identité (A), notamment dans leur
partie centrale qui comprend 10 domaines transmembranaires (B). Les
parties amino- et carboxyterminales, très divergentes, sont
probablement cytoplasmiques. Les trois gènes présentent des profils
d’expression très complémentaires dans le cerveau adulte
(hybridation in situ des ARN messagers) (C).
Rôles respectifs des VGLUT : résultats de
l’invalidation du gène codant pour VGLUT1
Le gène codant pour VGLUT1 a récemment été invalidé (VGLUT1-/-)
dans les laboratoires de R. Edwards (UCSF, San Fransisco, USA) et
de N. Brose (Max-Planck-Institut für Experimentele Medizin,
Göttingen, Allemagne) [12, 13]. Chez les animaux VGLUT1-/-, nous
avons montré que l’absence de VGLUT1 au cours des trois premières
semaines de vie postnatale est en partie compensée par la présence
ubiquitaire plus précoce de VGLUT2, les animaux VGLUT1-/- ne
mourant qu’après 21 jours de vie post-natale, date à laquelle le
système VGLUT1 est censé être parfaitement fonctionnel [11].
Cependant, en appliquant des conditions d’élevage adaptées,
l’équipe de R. Edwards a pu maintenir en vie un grand nombre de
souris VGLUT1-/- bien au-delà de cette limite [12]. À partir du
début de la troisième semaine, ces souris présentent un retard
global de croissance, un aspect émacié, sont aveugles et semblent
présenter des troubles neurologiques moteurs.
La mutation entraîne un effondrement de la capacité du cerveau à
accumuler le glutamate dans les vésicules synaptiques. Il ne reste
que 20 % du transport vésiculaire de glutamate dans le cerveau
antérieur des souris VGLUT1-/-. Pourtant, VGLUT1 ne paraît pas
absolument essentiel au maintien des fonctions vitales de
l’organisme. VGLUT2 assurerait donc probablement la majeure partie
de la transmission glutamatergique dans les centres nerveux de
régulation autonome de l’organisme [7, 9].
Le cerveau des animaux VGLUT1-/- ne semble pas être affecté sur le
plan morphologique et la mise en place des systèmes 2 et 3 (voir
Figure 1C) n’est pas perturbée par l’absence de VGLUT1 [12, 13].
Sur le plan ultrastructural, ni le nombre, ni la taille des
synapses ne sont modifiés, mais une diminution importante du nombre
de vésicules synaptiques à la terminaison et l’apparition de
structures membranaires tubulovésiculaires atypiques sont observées
(Figure 2) [12]. Une telle observation n’a jamais été faite dans
les cas d’invalidation des gènes codant pour les transporteurs
vésiculaires d’amines. Elle implique une interaction directe de
VGLUT1 avec la machinerie de recyclage ou de biogenèse des
vésicules (Figure 2) [12].
Figure 2. Modèle simplifié de terminaison nerveuse
glutamatergique chez la souris. A. Pendant les trois premières
semaines postnatales, la majorité des synapses glutamatergiques des
neurones hippocampiques expriment VGLUT1 et, de façon moindre,
VGLUT2. Elles présentent un nombre élevé de vésicules synaptiques
chargées en glutamate. B. L’invalidation du gène codant pour VGLUT1
(VGLUT-/-) induit une diminution de la quantité de glutamate dans
les vésicules (diminution du quantum libérable) (1). Certaines
vésicules sont vides, mais peuvent tout de même être exocytées et
le nombre de vésicules est considérablement diminué (2). Enfin, des
structures tubulovésiculaires apparaissent dans la terminaison,
pouvant résulter d’une altération des mécanismes de biogenèse ou de
recyclage des vésicules synaptiques (3).
VGLUT et contenu en glutamate des vésicules
synaptiques
Les activités électrophysiologiques des neurones dépourvus de
VGLUT1 ont été étudiées à partir de tranches d’hippocampe et de
cervelet [12] ou de cultures unicellulaires de neurones
hippocampiques [13]. Comme attendu, une partie des neurones est
totalement silencieuse [13], mais une majorité présente une
activité synaptique résiduelle [12, 13], vraisemblablement
attribuable à l’expression ubiquitaire de VGLUT2 [11]. Cette
activité résiduelle présente une forte diminution de l’amplitude du
signal, de la fréquence de libération, mais aussi de la taille des
quantums. La diminution de l’amplitude correspond à une diminution
globale du stock de glutamate libérable, alors que la baisse de
fréquence de libération s’explique par l’exocytose de vésicules
vides. En effet, le cycle des vésicules synaptiques dans la
membrane plasmique, mis en évidence en imagerie dynamique, est
normal y compris dans les neurones totalement silencieux [3, 13].
Cette observation, combinée à la diminution du nombre de vésicules
[12], suggère que les terminaisons VGLUT1-/- ont un déficit de
biogenèse plutôt que de recyclage des vésicules (Figure 2). Il faut
noter qu’aucun système de « contrôle qualité » ne semble empêcher
les vésicules synaptiques vides de fusionner avec la membrane
plasmique [13].
La diminution de la taille des quantums pourrait être expliquée par
la diminution du nombre de transporteurs présents sur la vésicule
(Figure 2). En effet, des expériences de surexpression de VGLUT1
dans les neurones en culture ont permis de montrer que la taille
des quantums peut même être supérieure à la valeur de base [13].
Ces données confirment que les transporteurs vésiculaires de
glutamate travaillent en compétition avec une fuite non spécifique
du glutamate vers le cytoplasme. Le point d’équilibre entre le
chargement et la fuite de glutamate déterminerait la taille du
quantum.
La modification de la taille du quantum libérable est l’un des
nombreux mécanismes possibles de la plasticité synaptique [1]. La
plasticité synaptique correspond à la modulation de la force et de
l’efficacité d’une synapse en fonction de son histoire. La
régulation de l’expression et/ou de l’adressage vésiculaire des
VGLUT pourrait donc conduire à une modification de l’efficacité des
synapses glutamatergiques. L’interaction originale de VGLUT1 avec
la machinerie de trafic membranaire est également en mesure
d’altérer les propriétés de libération du glutamate. D’ailleurs,
R.T. Fremeau et al. ont observé sur tranche d’hippocampe que les
synapses VGLUT1 et VGLUT2 positives présentaient des formes
différentes de plasticité synaptiques [12], une observation qui n’a
pas été confirmée par notre groupe [13]. Ces questions sur les
relations entre transport vésiculaire de glutamate et plasticité
synaptique devront faire l’objet de nouvelles recherches afin
d’être résolues.
Conclusions
L’invalidation du gène codant pour VGLUT1 confirme que
la survie d’un mammifère est possible malgré une très forte
altération des systèmes cognitifs. Elle pointe également le rôle du
système VGLUT2 qui semble contrôler notamment l’excitation de
l’ensemble des boucles de régulations vitales pour l’organisme, dès
les stades précoces du développement embryonnaire. Elle nous
renseigne également sur le rôle intriguant et original de VGLUT1
dans le trafic membranaire à la terminaison. Enfin, ces animaux
VGLUT1-/- pourraient servir de modèle d’étude de certains
phénotypes neurologiques ou psychiatriques au cours desquels une
diminution de l’activité excitatrice est suspectée. À n’en pas
douter, l’invalidation de VGLUT2 et VGLUT3 seront les prochaines
grandes étapes dans la compréhension des systèmes de transmission
glutamatergique chez les mammifères.
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