Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la régulation du développement des circuits d’interneurones GABAergiques dans le néocortex : rôle de la molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM)

Les interneurones GABAergiques constituent une population mineure de cellules par rapport aux neurones glutamatergiques dans le néocortex. Cependant ils contrôlent fortement l'excitabilité neuronale, la dynamique des réseaux neuronaux et la plasticité synaptique. L'importance des circuits GABAergiques dans le processus fonctionnel et la plasticité des réseaux corticaux est soulignée par des résultats récents qui montrent que des modifications très précises et fiables des circuits GABAergiques sont associées à divers troubles du développement neurologique et à des défauts dans les fonctions cérébrales. De ce fait, la compréhension des mécanismes cellulaires et moléculaires impliquant le développement des circuits GABAergiques est la première étape vers une meilleure compréhension de la façon dont les anomalies de ces processus peuvent se produire. La molécule d’adhésion cellulaire neurale (NCAM) appartient à la super-famille des immunoglobulines de reconnaissance cellulaire et est impliquée dans des interactions homophiliques et hétérophiliques avec d’autres molécules. Même si plusieurs rôles de NCAM ont été démontrés dans la croissance neuronale, la fasciculation axonale, la formation et la maturation de synapses, de même que dans la plasticité cellulaire de plusieurs systèmes, le rôle de NCAM dans la formation des synapses GABAergiques reste inconnu. Ce projet visait donc à déterminer le rôle précis de NCAM dans le processus de maturation des synapses GABAergiques dans le néocortex, en modulant son expression à différentes étapes du développement. L’approche choisie a été de supprimer NCAM dans des cellules GABAergiques à paniers avant la maturation des synapses (EP12-18), pendant la maturation (EP16-24), ou durant le maintien de celles-ci (EP24-32). Les méthodes utilisées ont été le clonage moléculaire, l’imagerie confocale, la culture de coupes organotypiques et des techniques morphométriques de quantification de l’innervation GABAergique. Nos résultats montrent que l’inactivation de NCAM durant la phase de maturation des synapses périsomatiques (EP16-24) cause une réduction du nombre de synapses GABAergiques périsomatiques et du branchement de ces axones. En revanche, durant la phase de maintien (EP26-32), l’inactivation de NCAM n’a pas affecté ces paramètres des synapses GABAergiques. Or, il existe trois isoformes de NCAM (NCAM120, 140 et 180) qui pourraient jouer des rôles différents dans les divers types cellulaires ou à des stades développementaux différents. Nos données montrent que NCAM120 et 140 sont nécessaires à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Cependant, NCAM180, qui est l’isoforme la plus étudiée et caractérisée, ne semble pas être impliquée dans ce processus. De plus, l’inactivation de NCAM n’a pas affecté la densité des épines dendritiques ou leur longueur. Elle est donc spécifique aux synapses périsomatiques GABAeriques. Finalement, nos résultats suggèrent que le domaine conservé C-terminal KENESKA est essentiel à la maturation des synapses périsomatiques GABAergiques. Des expériences futures nous aiderons à mieux comprendre la mécanistique et les différentes voies de signalisation impliquées. GABAergic interneurons, though a minor population in the neocortex, play an important role in cortical function and plasticity. Alterations in GABAergic circuits are implicated in various neurodevelopmental disorders. The GABAergic network comprises diverse interneuron subtypes that have different morphological and physiological characteristics, and localize their synapses onto distinct subcellular locations on the postsynaptic targets. Precisely how activity and molecularly driven mechanisms conspire to achieve the remarkable specificity of GABAergic synapse localization and formation is unknown. Therefore, unravelling the cellular and molecular mechanisms involved in this process is crucial for a better understanding of both cortical function and the basis of various neurological disorders. Here we focus our study on a subtype of GABAergic neurons - the basket interneurons which localize synapses, called perisomatic synapses, onto the soma and proximal dendrites of the postsynaptic targets, and tightly regulate their firing patterns. Although recent studies have shown the activity dependence of basket synapse formation, the molecular mechanisms implicated in the perisomatic synapse formation process are poorly understood.  NCAM, the neural cell adhesion molecule, is a prime molecular player implicated both in early synaptogenesis events, and during maturation of glutamatergic synapses in the hippocampus. Recent studies have implicated the polysialylated form of NCAM (PSA-NCAM) in basket synapse formation. However, whether and how NCAM per se plays a role in the formation of GABAergic synapses is unknown.  Using single cell genetics to knock down NCAM in individual basket interneurons at specific developmental time periods, we characterized the role of NCAM during perisomatic synapse formation and maintenance. Here we show that loss of NCAM during perisomatic synapse formation from equivalent postnatal day (EP) 16 to EP24, in organotypic slices from mouse visual cortex, significantly retards the process of basket cell axonal branching and bouton formation. However, loss of NCAM at a later stage (EP26 to EP32), when the synapses are already formed, did not affect the number or intricacy of perisomatic synapses. NCAM is therefore implicated in perisomatic synapse formation but not in its maintenance. Further studies also show that isoforms of NCAM, such as NCAM140 and NCAM120 are involved in perisomatic GABAergic synapse maturation. However, NCAM180 is not implicated in this process. Also, NCAM does not affect dendritic spine density and length during maturation and maintenance phases, therefore its action is specific only to GABAergic perisomatic synapses. Finally, the highly conserved C-terminal domain KENESKA is essential for GABAergic perisomatic synapse maturation. Future experiments will help us clarify this mechanism and the involved signalling pathways related to NCAM.

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