Benjamin Compans

Rôle physiologique de l’organisation des récepteurs AMPA à l’échelle nanométrique à l’état basal et lors des plasticités synaptiques: Le cerveau est formé d’un réseau complexe de neurones responsables de nos fonctions cognitives et de nos comportements. Les neurones reçoivent via des contacts spécialisés nommés « synapses », des signaux d’autres neurones.[...] Le mécanisme par lequel les neurones reçoivent, intègrent et transmettent ces informations est très complexe et n'est toujours pas parfaitement compris. Dans les synapses excitatrices, les récepteurs AMPA (AMPARs) sont responsables de la transmission synaptique rapide. Les récents développements en microscopie de super résolution ont permis à la communauté scientifique de changer la vision de la transmission synaptique. Une première avancée fait suite à l’observation que les AMPARs ne sont pas distribués de façon homogène dans les synapses, mais sont organisés en nanodomaines de ~ 80 nm de diamètre contenant ~ 20 récepteurs. Ce contenu est un facteur important pour déterminer l'amplitude de la réponse synaptique. En raison de la basse affinité des AMPARs pour le glutamate, un AMPAR ne peut être activé que lorsqu'il est situé dans une zone de ~ 150 nm en face du site de libération des neurotransmetteurs. Récemment, il a été montré que les nanodomaines d’AMPARs sont situés en face de ces sites de libération, formant des nano-colonnes trans-synaptiques à l'état basal. Cette organisation précise à l’échelle nanométrique semble être un facteur clé dans l'efficacité de la transmission synaptique. Une autre avancée a été l'observation que les AMPARs diffusent à la surface des neurones et sont immobilisés à la synapse pour participer à la transmission synaptique. L'échange dynamique entre le pool diffusif d’AMPARs et les récepteurs immobilisés dans les nanodomaines participe au maintien de l’efficacité de la réponse synaptique lors de stimulations à hautes fréquences. L'objectif de ma thèse a été de déterminer le rôle des paramètres indiqués ci-dessus sur les propriétés de la transmission synaptique, à l'état basal et au cours de phénomènes dits de plasticité synaptique. Tout d'abord, nous avons identifié le rôle crucial de la Neuroligine dans l'alignement des nanodomaines d’AMPARs avec les sites de libération du glutamate. En plus de cela, nous avons mis en évidence l’impact de cet alignement sur l’efficacité de la transmission synaptique en perturbant celui-ci. En parallèle, nous avons démontré que les AMPARs désensibilisés sont plus mobiles à la membrane plasmatique que les récepteurs ouverts ou fermés, et ce, en raison d'une diminution de leur affinité pour les sites d’immobilisation synaptiques. Nous avons montré que ce mécanisme permettait aux synapses de récupérer plus rapidement de la désensibilisation et d'assurer la fidélité de la transmission synaptique lors de stimulations à hautes fréquences. Enfin, les synapses peuvent moduler leurs intensités de réponse grâce à des mécanismes de plasticité synaptique à long terme, et plus particulièrement, la dépression à long terme (LTD) qui correspond à un affaiblissement durable de ce poids synaptique. [...] À la suite des découvertes précédentes concernant le rôle de la nano-organisation dynamique des AMPARs pour réguler le poids et la fiabilité de la transmission synaptique, j'ai décidé d'étudier leur rôle dans l'affaiblissement et la sélection des synapses. J'ai découvert que la quantité d’AMPAR par nanodomaine diminue rapidement et durablement. Cette première phase semble due à une augmentation de l’internalisation des AMPARs. Dans un deuxième temps, la mobilité des AMPARs augmente suite à une réorganisation moléculaire de la synapse. Ce changement de mobilité des AMPARs permet aux synapses déprimées de maintenir leur capacité à répondre aux signaux neuronaux à hautes fréquences. Ainsi, nous proposons que l'augmentation de la mobilité des AMPARs au cours de la LTD permet de transmettre une réponse fidèle dans les synapses stimulées à hautes fréquences et donc de sélectivement les maintenir tout en éliminant les synapses inactives.

Despite the constant advances in fluorescence imaging techniques, monitoring endogenous proteins still constitutes a major challenge in particular when considering dynamics studies or super-resolution imaging. We have recently evolved specific protein-based binders for PSD-95, the main postsynaptic scaffold proteins at excitatory synapses. Since the synthetic recombinant binders recognize epitopes not directly involved in the target protein activity, we consider them here as tools to develop endogenous PSD-95 imaging probes. After confirming their lack of impact on PSD-95 function, we validated their use as intrabody fluorescent probes. We further engineered the probes and demonstrated their usefulness in different super-resolution imaging modalities (STED, PALM, and DNA-PAINT) in both live and fixed neurons. Finally, we exploited the binders to enrich at the synapse genetically encoded calcium reporters. Overall, we demonstrate that these evolved binders constitute a robust and efficient platform to selectively target and monitor endogenous PSD-95 using various fluorescence imaging techniques.

Corrigendum: Correlative Live-Cell and Super-Resolution Imaging to Link Presynaptic Molecular Organisation With Function

Information transfer at synapses occurs when vesicles fuse with the plasma membrane to release neurotransmitters, which then bind to receptors at the postsynaptic membrane. The process of neurotransmitter release varies dramatically between different synapses, but little is known about how this heterogeneity emerges. The development of super-resolution microscopy has revealed that synaptic proteins are precisely organised within and between the two parts of the synapse and that this precise spatiotemporal organisation fine-tunes neurotransmission. However, it remains unclear if variability in release probability could be attributed to the nanoscale organisation of one or several proteins of the release machinery. To begin to address this question, we have developed a pipeline for correlative functional and super-resolution microscopy, taking advantage of recent technological advancements enabling multicolour imaging. Here we demonstrate the combination of live imaging of SypHy-RGECO, a unique dual reporter that simultaneously measures presynaptic calcium influx and neurotransmitter release, with post hoc immunolabelling and multicolour single molecule localisation microscopy, to investigate the structure-function relationship at individual presynaptic boutons.

Long-term depression (LTD) of synaptic strength can take multiple forms and contribute to circuit remodeling, memory encoding or erasure. The generic term LTD encompasses various induction pathways, including activation of NMDA, mGlu or P2X receptors. However, the associated specific molecular mechanisms and effects on synaptic physiology are still unclear. We here compare how NMDAR- or P2XR-dependent LTD affect synaptic nanoscale organization and function in rodents. While both LTDs are associated with a loss and reorganization of synaptic AMPARs, only NMDAR-dependent LTD induction triggers a profound reorganization of PSD-95. This modification, which requires the autophagy machinery to remove the T19-phosphorylated form of PSD-95 from synapses, leads to an increase in AMPAR surface mobility. We demonstrate that these post-synaptic changes that occur specifically during NMDAR-dependent LTD result in an increased short-term plasticity improving neuronal responsiveness of depressed synapses. Our results establish that P2XR- and NMDAR-mediated LTD are associated to functionally distinct forms of LTD.

Despite the constant advances in fluorescence imaging techniques, monitoring endogenous proteins still constitutes a major challenge in particular when considering dynamics studies or super-resolution imaging. We have recently evolved specific protein-based binders for PSD-95, the main postsynaptic scaffold proteins at excitatory synapses. Since the synthetic binders recognize epitopes not directly involved in the target protein activity, we consider them here as tools to develop endogenous PSD-95 imaging probes. After confirming their lack of impact on PSD-95 function, we validated their use as intrabody fluorescent probes. We further engineered the probes and demonstrated their usefulness in different super-resolution imaging modalities (STED, PALM and DNA-PAINT) in both live and fixed neurons. Finally, we exploited the binders to enrich at the synapse genetically encoded calcium reporters. Overall, we demonstrate that these evolved binders constitute a robust and efficient platform to selectively target and monitor endogenous PSD-95 using various fluorescence imaging techniques.

Haas KT, Compans B, Letellier M, Bartol TM, Grillo-Bosch D, Sejnowski TJ, Sainlos M, Choquet D, Thoumine O, Hosy E. 2018. Pre-post synaptic alignment through neuroligin-1 tunes synaptic transmission efficiency. eLife 7:e31755. doi: 10.7554/eLife.31755.

Super-resolution microscopy offers tremendous opportunities to unravel the complex and dynamic architecture of living cells. However, current super-resolution microscopes are well suited for revealing protein distributions or cell morphology, but not both. We present a super-resolution platform that permits correlative single-molecule imaging and stimulated emission depletion microscopy in live cells. It gives nanoscale access to the positions and movements of synaptic proteins within the morphological context of growth cones and dendritic spines.

Long-Term Potentiation (LTP) and Long-Term Depression (LTD) of excitatory synaptic transmission are considered as cellular basis of learning and memory. These two forms of synaptic plasticity have been mainly attributed to global changes in the number of synaptic AMPA-type glutamate receptor (AMPAR) through a regulation of the diffusion/trapping balance at the PSD, exocytosis and endocytosis. While the precise molecular mechanisms at the base of LTP have been intensively investigated, the ones involved in LTD remains elusive. Here we combined super-resolution imaging technique, electrophysiology and modeling to describe the various modifications of AMPAR nanoscale organization and their effect on synaptic transmission in response to two different LTD protocols, based on the activation of either NMDA receptors or P2X receptors. While both type of LTD are associated with a decrease in synaptic AMPAR clustering, only NMDAR-dependent LTD is associated with a reorganization of PSD-95 at the nanoscale. This change increases the pool of diffusive AMPAR improving synaptic short-term facilitation through a post-synaptic mechanism. These results demonstrate that specific dynamic reorganization of synapses at the nanoscale during specific LTD paradigm allows to improve the responsiveness of depressed synapses.