Optical control of NMDA-receptors with a diffusible photoswitch

N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) play a central role in synaptic plasticity, learning and memory, and are implicated in various neuronal disorders. We synthesized a diffusible photochromic glutamate analogue, azobenzene-triazole-glutamate (ATG), which is specific for NMDARs and functions as a photoswitchable agonist. ATG is inactive in its dark-adapted trans-isoform, but can be converted into its active cis-isoform using one-photon (near UV) or two-photon (740 nm) excitation. Irradiation with violet light photo-inactivates ATG within milliseconds, allowing agonist removal on the timescale of NMDAR deactivation. ATG is compatible with Ca2+ imaging and can be used to optically mimic synaptic coincidence detection protocols. Thus, ATG can be used like traditional caged glutamate compounds, but with the added advantages of NMDAR specificity, low antagonism of GABAR-mediated currents, and precise temporal control of agonist delivery

Caractérisation d'un nouveau composé chimique photoréversible spécifique pour les recepteurs NMDA pour un contrôle précis de l'activation des récepteurs

Le récepteur du glutamate de type NMDA (NMDAR) est l'un des deux principaux récepteurs glutamatergiques, et donc un des principaux mediateurs de la neurotransmission excitatrice dans le système nerveux central. Les NMDARs sont impliqués dans la plasticité synaptique, le corrélat cellulaire de l'apprentissage et de la mémoire. Actuellement, la technologie de pointe permettant l'investigation des propriétés des récepteurs synaptiques dans leur environnement natif est la photolyse de composés chimiques cagés, mais cet outil a des limitations concernant sa capacité à stimuler des NMDAR de manière très précise spatiellement et temporellement, à cause de la limite de diffraction de la lumière, qui définit le volume minimal de décageage duquel les molécules diffusent, et à cause de la nature irréversible de la réaction de décageage. En revanche, les molécules photoréversibles peuvent être activées et désactivées rapidement et de manière repétée, ce qui permet d'éviter les limitations de la diffusion afin d'accomplir une stimulation plus précise au niveau spatial et temporel. J'ai établi une collaboration autour du premier composé chimique photoréversible spécifique pour les NMDAR, et de plus, le premier qui est inactif dans son état le plus stable : l'azobenzene triazole glutamate (ATG). J'ai caracterisé ce composé chimique par activation un-photon et bi-photon, par l'application en bain et l'application locale, et dans plusieurs paradigmes expérimentaux. Dans ma thèse, je décris le fonctionnement de ce composé chimique, ses avantages et ses inconvénients, et certaines modifications à considérer pour l'optimisation future des composés chimiques photoréversibles.The NMDA-type glutamate receptor (NMDAR) is one of two principal glutamate receptors, the main mediators of excitatory neurotransmission in the central nervous system. NMDARs are critically implicated in synaptic plasticity, the cellular correlate of learning and memory. Although significant advances have been made in understanding the behavior of this receptor, many questions remain. Currently, the state-of-the-art technology for investigating receptor properties in the native environment is caged compounds, which are restricted in their ability to precisely control the spatial and temporal activation of NMDAR due to the diffraction limit of light, which defines the minimum volume of uncaging from whence uncaging molecules diffuse, and the irreversible nature of uncaging. Photoswitchable molecules, by contrast, can rapidly and repeatedly be switched on and off, circumventing the diffusion limitation to permit fine spatial and temporal control of receptor activation. With this in mind, I formed a collaboration with a team of chemists to characterize a novel compound, azobenzene triazole glutamate (ATG), the first photoswitchable compound specific for NMDAR and biologically inert in its thermally stable state. Such a tool holds great promise for finely probing receptor behavior in its native environment. I characterized this compound using one- and two-photon activation, through bath and local application, and through a variety of different experimental paradigms. I demonstrate in detail the properties of this novel compound, propose potential applications of ATG as a novel tool, and suggest possible modifications to optimize future photoswitchable compound design