Role of vSNAREs in post-synaptic AMPAR trafficking, glutamatergic transmisson and plasticity

La plasticité synaptique, c'est-à-dire la modification de la force synaptique en fonction de l'activité, est une caractéristique remarquable du système nerveux et été considérée depuis longtemps comme la base cellulaire de l'apprentissage et de la mémoire. Une forme bien caractérisée de plasticité synaptique est la potentialisation à long terme (PLT) de la transmission synaptique excitatrice dans les neurones pyramidaux de la région CA1 de l'hippocampe. La PLT nécessite le recrutement et la stabilisation rapides des récepteurs α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionate (AMPAR) sur les sites postsynaptiques par le biais du trafic réglulé et de l'exocytose des endosomes de recyclage (RE). L'exocytose est médiée par une famille de protéines appelées récepteurs de la protéine soluble d'attachement à la NSF (N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein) ou SNARE. Ces protéines servent de médiateurs à la fusion membranaire en formant un complexe composé d'une R-SNARE, généralement sur une membrane, et de deux ou trois Q-SNARE, généralement sur l'autre membrane. La formation du complexe SNARE fournit une spécificité pour une fusion contrôlable comme celle proposée pour la première fois par Rothman et al en 1993. Les protéines SNARE ont été bien caractérisées pour leur fonction dans la fusion des vésicules présynaptiques lors de la libération des neurotransmetteurs. Cependant, leur rôle dans le trafic membranaire post-synaptique dépendant de l'activité, et en particulier le trafic des AMPAR, est resté peu clair jusqu'à récemment. Étant donné l'importance du recyclage somato-dendritique dans la physiologie neuronale, notre objectif était d'identifier les principaux acteurs de l'exocytose des RE dendritiques. Dans cette étude, nous identifions VAMP4 comme la principale protéine vésiculaire SNARE qui intervient dans la majorité des cas d'exocytose des RE dans les dendritiques. En revanche, VAMP2 ne joue qu'un rôle mineur, même si elle a été précédemment identifiée comme critique pour l'expression post-synaptique de la PLT. Le knockdown (KD) de VAMP4 réduit la fréquence d'exocytose du récepteur de la transferrine (TfR), un marqueur des ERs et un marqueur de substitution des voies de trafic de l'AMPAR. Étonnamment, l'expression de la neurotoxine tétanique (TeNT), qui clive VAMP2, n’affecte pas l'exocytose du TfR. De plus, VAMP4 KD augmente la fraction d'AMPAR à la surface de la cellule et son recyclage. Conformément à ce résultat, dans les tranches organotypiques d’hippocampe, le VAMP4 KD augmente l'amplitude des courants excitateurs post-synaptiques (EPSC) médiés par les AMPAR sans affecter les EPSC médiés par les NMDAR dans les neurones pyramidaux CA1. Enfin, VAMP4 KD réduit la PLT alors que TeNT la bloque totalement. Nos données suggèrent un modèle dans lequel l’absence de VAMP4 conduit à un mauvais tri des AMPAR à l'état basal vers la membrane plasmique, ce qui affecte le PLT, vraisemblablement par un mécanisme d'occlusion. De plus, les changements opposés des niveaux de TfR et d'AMPAR à la surface des cellules sur la KD du VAMP4 suggèrent que ces récepteurs peuvent être triés et faire l'objet d'un trafic indépendamment. Nous proposons donc que VAMP4 et VAMP2 servent de médiateurs à des voies de trafic fonctionnellement distinctes et complémentaires qui modulent la force et la plasticité synaptiques.Synaptic plasticity, the activity-dependent modifications in synaptic strength, is a remarkable feature of the nervous system and has long been postulated as the cellular basis of learning and memory. A well characterized form of synaptic plasticity is long-term potentiation (LTP) of excitatory synaptic transmission in CA1 hippocampal pyramidal neurons. LTP requires the fast recruitment and stabilization of α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate receptors (AMPARs) at postsynaptic sites via the regulated trafficking and exocytosis of recycling endosomes (REs). Exocytosis is mediated by a family of proteins called soluble NSF (N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein) attachment protein receptors or SNAREs. These proteins mediate membrane fusion by forming a complex composed of one R-SNARE, usually on one membrane, and two or three Q-SNAREs, usually on the other membrane. The formation of the SNARE complex provides specificity for a controllable fusion as first proposed by Rothman et al in 1993. SNARE proteins have been well characterized for their function in presynaptic vesicle fusion during neurotransmitter release. However, their role in activity-dependent post-synaptic membrane trafficking, and particularly AMPAR trafficking, remained elusive until recently. Given the importance of somato-dendritic recycling in neuronal physiology, our goal was to identify major players of dendritic RE exocytosis. In this study, we identify VAMP4 as the key vesicular SNARE protein that mediates the majority of RE exocytosis in dendrites. In contrast, VAMP2 plays only a minor role even though it was previously identified as critical for the post-synaptic expression of LTP. The knockdown (KD) of VAMP4 reduces the exocytosis frequency of transferrin receptor (TfR), a marker of REs and a surrogate marker of AMPAR trafficking pathways. Surprisingly, expression of tetanus neurotoxin (TeNT), which cleaves VAMP2, does not affect TfR exocytosis. Moreover, VAMP4 KD enhances the fraction of AMPARs at the cell surface and its recycling. Consistent with this result, in organotypic hippocampal slices, VAMP4 KD increases the amplitude of AMPAR mediated excitatory post-synaptic currents (EPSCs) without affecting NMDAR mediated EPSCs in CA1 pyramidal neurons. Finally, VAMP4 KD reduces LTP while TeNT totally blocks it. Our data suggests a model where the depletion of VAMP4 leads to a basal state missorting of AMPARs to the plasma membrane, which consequently impairs LTP possibly via an occlusion mechanism. Additionally, the opposing changes in the levels of both TfR and AMPAR on cell surface upon VAMP4 KD suggest that these receptors may be sorted and trafficked independently. We therefore propose that VAMP4 and VAMP2 mediate functionally distinct and complementary trafficking pathways modulating synaptic strength and plasticity