1-c) Le squelette de l’épine : l’actine et la densité post synaptique

L’épine est donc le premier élément intégrant la libération de glutamate du neurone présynaptique. L’efficacité de cette intégration est étroitement liée à la composition en protéines, récepteurs et à la forme de l’épine.

La morphologie particulière de l’épine est maintenue à l’aide d’un réseau dense d’actine filamenteuse (F-actine) (pour revue, Chazeau and Giannone, 2016), formant de nombreux embranchements (Figure 12), (Frotscher et al., 2014; Honkura et al., 2008;

Hotulainen et Hoogenraad, 2010; MacGillavry et Hoogenraad, 2015; Shirao et González- Billault, 2013). Notons que quelques études ont pu montrer la présence dynamique de microtubules entrant et sortant de l’épine dendritique (pour revue, Hotulainen et Hoogenraad, 2010; Jaworski et al., 2009). Au niveau des points de jonction des filaments se trouvent le complexe Arp2/3 (Actin related protein 2/3₎ permettant de lier deux filaments avec un angle de 70°. Arp2/3 est ancré au niveau de la PSD grâce à son interaction avec les protéines de la famille Shank. Le niveau basal d’activité de Arp2/3 est trop faible pour jouer seul son rôle.

Ainsi il nécessite d’être activé par les protéines du syndrôme d’Aldrich (WASP) telles que les WAVE (WASP-family verprolin-homologous protein), cette sous-famille est enrichie dans le cerveau (pour revues Campellone et Welch, 2010; Schubert et Dotti, 2007). La CaMKII

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(Calcium-Camodulin dependent Kinase II ) sous sa forme non phosphorylée joue elle aussi un rôle structural en se liant aux filaments du réseau d’actine et maintenant ainsi l’intégrité de la forme de l’épine en limitant les variations du cytosquelette. Lors de l’entrée de calcium dans l’épine la CaMKII se dissocie temporairement du réseau d’actine afin de permettre les remaniements structuraux (pour revue, Bosch et Hayashi, 2012; Kim et al., 2015).

Figure 12. Organisation du cytosquelette d’actine dans l’épine dendritique.. A. La tête d’épine est remplie en actine filamenteuse, visualisée en rouge. B. Exemple réprésentatif du réseau d’actine au sein de l’épine observée en microscopie électronique. C. Schéma de l’épine avec les embranchements d’actine ainsi que les microtubules dynamiques pouvant passer par le cou (d’après Hotuleinen et Hoogenraad, 2010).

L’actine filamenteuse (F-actine) est en équilibre permanent entre polymérisation et dépolymérisation (sous forme d’actine globulaire : G-actine), ce qui permet une dynamique des réseaux de filament. Cette dynamique a été montrée comme essentielle aux changements structuraux et de l’épine (Okamoto et al., 2004), ainsi qu’à la formation des nouvelles protrusions. Un des partenaires importants dans ce rôle est la formine qui permet une polymérisation du filament à partir de l’actine globulaire (Lei et al., 2016). Les protéines à activité GTPase ont été montrées comme essentielles à cet équilibre dynamique : Rho notamment (en recrutant ROCK) va déstabiliser l’actine, cette déstabilisation est aussi réalisée par la protéine Rap. A l’inverse d’autres protéines de cette famille telles que Rac activée par la kalirine (en activant la Lim Kinase ou LIMK, PAK ou bien encore WAVE-1), Cdc42 (Cell division control protein 42) ou Ras vont plutôt permettre une stabilisation du cytosquelette

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(pour revue, Penzes et Rafalovich, 2012). La LIMK remplit ses fonctions de stabilisateur en inhibant l’activité de la cofiline, cette dernière augmentant la dépolymérisation du réseau.

L’actine va donc jouer un rôle de squelette dynamique de l’épine mais elle va aussi participer au mouvement des protéines synaptiques, ce réseau est notamment essentiel à l’internalisation des récepteurs AMPA, modifiant ainsi la force de la synapse (pour revue, Henley et al., 2011).

Figure 13. Schéma des rôles fonctionnels et structuraux majeurs de l’actine et de PSD-95 dans la synapse. La forme particulière et la dynamique de l’épine est maintenue par un réseau d’actine branchées grâce à Arp2/3. PSD95 grâce à ses domaines PDZ permet la stabilisation des récepteurs AMPA et NMDA dans la densité post synaptique, elle permet de plus l’ancrage de la neuroliguine essentiel à la connexion synaptique.

L’actine joue donc d’importants rôles dans l’activité et la forme de l’épine. La présence d’une PSD est l’autre élément essentiel à ces fonctions. Celle-ci représente un critère important dans l’évaluation de la maturité de l’épine. En effet, elle contient une très forte concentration de récepteurs du glutamate, tels que les récepteurs AMPA et NMDA, ancrés à la membrane grâce aux domaines d’interaction PDZ (pour PSD95,Dlg1,Zo-1) de la protéine

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d’échafaudage majeure de la densité post-synaptique : PSD-95. Ces récepteurs sont mobiles à la membrane et PSD-95 via son interaction directe entre le domaine PDZ et la sous-unité GluN2A du NMDAR et indirecte avec le AMPAR (PDZ interagit avec la protéine stargazine elle-même liée au récepteur AMPA) va limiter la mobilité des récepteurs et donc accroître leur concentration au niveau de la PSD (pour revues, Kim et Sheng, 2004; Zhu et al., 2016).

Egalement grâce à ses domaines PDZ, PSD-95 rapproche les récepteurs du glutamate avec de nombreuses protéines de signalisation : tels que la kalirine 7, impliquée dans la plasticité structurale des épines (Kiraly et al., 2010; Penzes et Jones, 2008). Elle créé donc un lien essentiel dans l’intégration complète des signaux glutamatergiques, de l’activation des récepteurs jusqu’à la signalisation. PSD95 interagit de plus avec les molécules d’adhésion telles que la neuroliguine essentielle à la formation des synapses (Krueger et al., 2012)

Parmi les autres protéines d’échafaudages essentielles avec ce même domaine PDZ, il existe la famille des Shank qui joue un rôle majeur dans la PSD en promouvant la maturation spinale via son interaction avec la protéine Homer qui stabilise les mGluR à la synapse ainsi que l’actine filamenteuse, la cortactine (augmentant la polymérisation de l’actine), ou bien encore avec ABP1 (F-actin-binding protein) (pour revue Kim et Sheng, 2004). Les mutations des protéines synaptiques associées à la PSD ou l’actine sont souvent extrêmement délétères comme l’illustrent les mutations des trois gènes Shank1, Shank2 et Shank3 fortement liés chez l’humain a des troubles autistiques et des retards mentaux. En ce sens, ces mutations chez le modèle souris induisent des problèmes d’interaction sociale et de mémorisation, de plus , au niveau synaptique des défauts de maturité des synapses sont effectivement observés chez ces souris (pour revue Sala et al., 2015).