Des changements dynamiques de la synapse révélés par une nouvelle méthode trans-synaptique pour visualiser les connections neuronales in vivo chez C. elegans

Abstract

The nervous system is a complex network that senses and processes information and is essential for the survival of both vertebrates and invertebrates as it is involved in behavior responses. Information within the network is transmitted through specialized cell-cell contacts, including synaptic connections. Importantly, the network is not static and is believed to change during development and learning, as well as during pathological or normal age-related decline. Studying the nervous system in vivo requires the use of animal models such as Caenorhabditis elegans. Understanding of behavior and development requires visualization and analysis of synaptic connectivity. However, existing methods are laborious and may not depend on trans-synaptic interactions, or otherwise ‘trap’ the synapses by fixing the connections, thus precluding dynamic studies. In order to study synaptic modifications, we developed a new transgenic approach for in vivo labeling of specific connections in C. elegans, called iBLINC (in vivo Biotin Labeling of INtercellular Contacts). iBLINC involves the biotinylation of an acceptor peptide (AP) by the Escherichia coli biotin ligase BirA. Both are fused to two interacting post- and pre-synaptic proteins, respectively. The biotinylated acceptor peptide fusion is detected by a monomer streptavidin fused to a fluorescent protein that is transgenically expressed and secreted into the extracellular space. The method is directional, bright and dynamic. Moreover it correlates well with electron micrograph reconstruction. Using this new technique to observe synapses, which are part of the thermosensory circuitry of C. elegans, during aging, we could conclude that the connection pattern varies with age and within a population. Changes of the number and size of the synapses were observed during aging. Some segments of the synaptic region seem to be more affected than others by the aging process. Those results were corroborated by using a GABAergic pre-synaptic marker which allowed us to visualize a decline of the vesicle number with aging. In summary, in this thesis I explained a new in vivo trans-synaptic method to visualize synapses in C. elegans. Then I demonstrated that a natural decline in the number of synapses as well as the number of vesicles occurs during aging.Le système nerveux est un réseau complexe qui détecte et analyse les informations. Ces informations sont transmises entre cellules grâce à des connections synaptiques et des jonctions communicantes. Ce réseau n’est pas statique et évolue au cours du développement, de l’apprentissage mais aussi durant le processus de vieillissement – naturels ou pathologiques. Comprendre le système nerveux et son fonctionnement requiert une analyse des connections synaptiques in vivo chez un animal model tel que Caenorhabditis elegans. Cependant les techniques actuellement disponibles pour C. elegans sont laborieuses, ne dépendent pas forcément d’une interaction trans-synaptique ou fixent la synapse. Par conséquent, ces approches ne permettent pas de réaliser des études de populations et dynamiques des modifications synaptiques. Dans ce manuscrit, je décris tout d’abord une nouvelle technique pour visualiser les synapses in vivo chez le vers C. elegans. Cette technique appelé iBLINC (in vivo Biotin Labeling of INtercellular Contacts) qui consiste en la biotinylation d’un peptide par une ligase d’Escherichia coli, BirA. Ces deux molécules sont fusionnées à des protéines trans-membranaires qui forment un complexe à la synapse. La biotinylation est détectée grâce à une streptavidin monomérique taguée avec un fluorophore qui est secrétée dans l’espace extracellulaire. J’ai démontré que cette technique est directionnelle et dynamique. En utilisant iBLINC pour visualiser des synapses faisant partie du circuit sensoriel de C. elegans, une évolution du nombre et de la taille des synapses a pu être observée avec l’âge. Il semblerait que ce changement soit dépendant du segment de la zone synaptique observée. Ces résultats ont été corroborés par l’observation d’une diminution du nombre de vésicules pendant le vieillissement grâce à un marqueur pré-synaptique des synapses GABAergique de la jonction neuromusculaire. Pour conclure, ce manuscrit décrit une nouvelle technique permettant d’observer les synapses chez le vers vivant et démontre une évolution naturelle du nombre de synapses et du nombre de vésicules pré-synaptiques avec l’âge