Appareil de la colonne vertébrale - Spine apparatus
L' appareil de la colonne vertébrale (SA) est une forme spécialisée de réticulum endoplasmique (RE) qui se trouve dans une sous-population d' épines dendritiques dans les neurones centraux . Il a été découvert par Edward George Gray en 1959 lorsqu'il a appliqué la microscopie électronique à un tissu cortical fixé . Le SA se compose d'une série de disques empilés qui sont connectés les uns aux autres et au système dendritique des tubules RE. La protéine de liaison à l'actine, la synaptopodine (qui a été décrite à l'origine dans les podocytes du rein) est un composant essentiel de la SA. Les souris dépourvues du gène de la synaptopodine ne forment pas d'appareil de la colonne vertébrale. On pense que le SA joue un rôle dans la plasticité synaptique, l'apprentissage et la mémoire, mais la fonction exacte de l'appareil de la colonne vertébrale est encore énigmatique.
Morphologie
L'appareil de la colonne vertébrale se compose de saccules membraneux (disques) et de tubules entourés d'un matériau filamenteux vaporeux et se trouve principalement dans les grandes épines dendritiques en forme de champignon . Le matériau filamenteux vaporeux est le réseau cytosquelettique , principalement la f-actine , qui est responsable du maintien et de l'altération de la forme de la colonne vertébrale. L'appareil de la colonne vertébrale est connecté au réticulum endoplasmique à surface lisse de la dendrite . Constitué de citernes aplaties parallèles continues , l'appareil de la colonne vertébrale a une grande surface qui est importante pour sa fonction.
L'appareil de la colonne vertébrale occupe une grande partie du volume de la tige de la colonne vertébrale, ce qui peut augmenter la résistance longitudinale entre la colonne vertébrale et la dendrite. Par conséquent, l'appareil de la colonne vertébrale pourrait avoir un effet direct sur le potentiel membranaire de la membrane plasmique de la colonne vertébrale lorsque la synapse est active. La connexion au réticulum endoplasmique lisse suggère une voie potentielle pour le transfert de protéines et de lipides entre la colonne vertébrale et la dendrite. L' appareil de la colonne vertébrale pourrait également fonctionner comme un réservoir d' ions calcium .
Fonction
Synthèse et trafic locaux de protéines
Pendant un certain temps, la fonction de l'appareil de la colonne vertébrale a été considérée comme énigmatique. Des preuves récentes, cependant, suggèrent que l'appareil de la colonne vertébrale peut posséder plusieurs fonctions distinctes. Après avoir élucidé la structure de l'appareil de la colonne vertébrale, Spacek et Harris ont noté une continuation du réticulum endoplasmique lisse dans l'appareil de la colonne vertébrale, où il prend alors une structure lamellaire. Cette observation suggère que le SA pourrait jouer un rôle dans le transport vésiculaire, bien qu'un mécanisme spécifique ne soit pas encore clair.
De plus, Pierce et al. ont proposé que l'appareil de la colonne vertébrale puisse être impliqué dans le traitement post-traductionnel des protéines, similaire à celui observé dans l'appareil de Golgi , et fonctionner dans le traitement post-traductionnel des sous-unités GluR1 et GluR2, qui sont traduites localement dans les épines dentritiques, des récepteurs AMPA . Il a également été démontré que l'appareil de la colonne vertébrale est impliqué dans le traitement post-traductionnel et la livraison spatiale des récepteurs NMDA , qui fonctionnent également comme des récepteurs du glutamate et jouent un rôle important dans le contrôle de la plasticité synaptique . Considérant que des études d'immunocoloration ont identifié des NMDAR et des AMPAR dans l'appareil de la colonne vertébrale, il a été proposé que l'appareil de la colonne vertébrale puisse être essentiel à la localisation des AMPAR et des NMDAR dans les synapses pendant la formation de la LTP.
L'apparition de marqueurs moléculaires pour les voies sécrétoires satellites fournit une preuve supplémentaire que l'appareil de la colonne vertébrale joue un rôle dans la translocation et le traitement des protéines membranaires intégrales locales. Plus précisément, le marqueur du site de translocation protéique (Sec61α) et les marqueurs de la citerne de Golgi (géantine et -mannosidase II) ont été observés dans l'appareil rachidien.
Signalisation du calcium
L'activité synaptique déclenche l' afflux de Ca 2+ dans les épines dendritiques via les récepteurs NMDA et les canaux calciques voltage-dépendants . Les ions Ca 2+ libres sont rapidement éliminés du cytoplasme par les échangeurs Na+/Ca2+ dans la membrane plasmique et par les ATPases Ca 2+ du sarco/réticulum endoplasmique ( pompes SERCA ) qui médient l' absorption du Ca 2+ dans le réticulum endoplasmique lisse (SER). L'appareil de la colonne vertébrale, en tant que sous-compartiment du SER, a une grande surface et est censé agir comme un tampon calcique efficace à l'intérieur de la colonne vertébrale (Figure 2).
Des études récentes ont montré que l'appareil de la colonne vertébrale est également capable de libérer du Ca 2+ via les récepteurs de l'inositol triphosphate (IP3R) ou les récepteurs de la ryanodine (RyR). La nature sensible au calcium des IP3R et des RyR rend les deux récepteurs capables de libération régénérative de calcium induite par le calcium (CICR). Dans les tiges dendritiques et les épines des neurones de l'hippocampe, la présence à la fois de RyR et d'IP3R a été démontrée par immunocoloration . La libération de Ca 2+ est déclenchée par la libération de glutamate, activant les récepteurs métabotropiques du glutamate du groupe I (mGluR). La cascade de signalisation en aval conduit à des niveaux élevés d'IP 3 à l'intérieur de la colonne vertébrale (Figure 2) qui déclenchent des événements de libération de Ca 2+ uniquement dans les épines contenant du sER.
Plasticité
On pense que la capacité de l'appareil de la colonne vertébrale à libérer du calcium dans le cytosol contribue au développement de la plasticité synaptique . Cela a été montré pour la première fois dans une expérience utilisant des souris déficientes en synaptopodine (SP), qui ne présentent pas d'appareil de la colonne vertébrale dans les épines dendritiques. Ces souris déficientes en SP ont montré une diminution de la potentialisation à long terme (LTP). En outre, LTP1 (plasticité à court terme qui nécessite des modifications post-traductionnelles des protéines, mais est indépendante de la synthèse des protéines), LTP2 (plasticité à décomposition lente qui dépend de la synthèse des protéines mais ne nécessite pas de modifications de la transcription des gènes) et LTP3 (LTP de longue durée c'est-à-dire dépendant de la traduction et de la transcription) ont diminué en raison de l'absence de l'appareil de la colonne vertébrale.
D'autres études ont montré qu'une expression et une distribution altérées des RyR, IP3R et des canaux calciques voltage-dépendants de type L (L-VDCC) peuvent diminuer les LTP1, LTP2 et LTP3. Cette observation, combinée à l'observation que les souris déficientes en SP ont diminué la LTP, suggère que l'expression et la distribution correctes des canaux calciques dans l'appareil de la colonne vertébrale sont nécessaires pour contrôler la plasticité synaptique. De plus, l'appareil de la colonne vertébrale est essentiel pour maintenir les niveaux de calcium cytosolique qui sont essentiels à la formation de la plasticité synaptique.
Les souris déficientes en SP ont également présenté des changements de comportement, notamment une diminution de l'activité locomotrice horizontale , une diminution de l'anxiété et une diminution de la capacité d'acquérir une mémoire spatiale liée au LTP3, comme le montre un labyrinthe à bras radial . La diminution de l'activité locomotrice et la diminution de l'apprentissage spatial suggèrent le rôle de l'appareil de la colonne vertébrale dans l'induction de la LTP cérébelleuse, en plus de la LTP hippocampique. Les mécanismes exacts de ces déficiences ne sont pas entièrement compris. On pense que ces modifications comportementales sont des épiphénomènes de l'absence d'appareil de la colonne vertébrale et des changements dans les mécanismes de contrôle du calcium cytosolique généralement fournis par l'appareil de la colonne vertébrale.
La synaptopodine , une protéine qui se lie à l' actine et à la -actinine-2, est étroitement associée à l'appareil de la colonne vertébrale. Bien que les souris matures déficientes en SP n'aient pas à la fois l'appareil de la colonne vertébrale et présentent une LTP altérée, la relation entre la SP, l'appareil de la colonne vertébrale et la plasticité est compliquée par les trois constatations suivantes : (1) En plus d'être associée à l'appareil de la colonne vertébrale, la SP est également situé dans l'organite cisternale, qui est structurellement similaire à l'appareil de la colonne vertébrale. (2) L'appareil de la colonne vertébrale se trouve généralement dans les épines de champignons des neurones matures, mais des niveaux élevés de SP et d'expression de LTP ont été détectés chez des rats juvéniles âgés de seulement 15 jours. (3) Contrairement à SP, l'appareil de la colonne vertébrale n'a pas été trouvé dans les neurones en culture. Ces découvertes ont conduit certains à conclure que l'appareil rachidien n'est impliqué dans la plasticité que parce que cet organite est associé à la SP.
Des preuves directes d'une fonction essentielle de l'appareil de la colonne vertébrale dans la dépression à long terme dépendante du mGluR (LTD) ont été fournies en comparant la plasticité des synapses sur les épines avec ou sans appareil de la colonne vertébrale. Dans cette étude, seules les synapses associées à la sER présentaient cette forme de dépression. Le blocage de la libération de Ca 2+ médiée par IP3 a bloqué la dépression synaptique, indiquant un rôle causal de l'appareil de la colonne vertébrale dans l'induction de la LTD mGluR-dépendante.