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The origin and evolution of synapses Tomás J. Ryan and Seth G. N. Grant, Nature Reviews...
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The origin and evolution of synapses
Tomás J. Ryan and Seth G. N. Grant, Nature Reviews Neuroscience, published online 9 September 2009
présenté parAlexandra Weber & Fabian Roger
Synapse: Zone de communication entre cellules nerveuses
Signalosome: Ensemble des protéines (Protéome) post-synaptiques impliquées dans la signalisation
Récepteurs AMPA/NMDA: Canaux ioniques post-synaptiques impliqués dans la signalisation cellulaire et activés par le Glutamate
Étude évolutive basée sur la protéomique comparative
régionpost-synaptique
régionpré-synaptique
Introduction
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
modifié d’après Sophie L. Rovner chemical and engineering news, 2007
Comparaison du signalosome des vertébrés avec
1) Organismes eucaryotes unicellulaires et métazoaires sans système nerveux
Définir la protosynapse
2) Métazoaires non-bilatériens avec système nerveux
Définir l’ursynapse
3) Métazoaires protostomiens
Trouver les caractéristiques propres aux synapses des vertébrés.
Approches
des auteurs
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
modifié d’après Ryan and Grant, Nat. Rev. Neuro., 2009
Composants protosynaptiques
Recherche d’orthologues du signalosome de Mus musculus (souris) dans les génomes de :
Saccharomyces cerevisiae (levure)
• ¼ des gènes post-synaptiques sont présents chez la levure
• 15 % sont impliqués dans la signalisation
protéines protosynaptiques de l’ancêtre commun des eucaryotes
Monosiga brevicollis (choanoflagellé)
• Composants postsynaptiques présents chez M. musculus apparus chez les choanoflagellés
Amphimedon queenslandica (éponge)
• Composants impliqués dans la plasticité synaptique présents chez M. musculus retrouvés chez A. queenslandica.
Protéines clés pour le fonctionnement des synapses présentes chez l’ancêtre commun des métazoaires.
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
Ursynapse
Recherche d’orthologues du signalosome de Mus musculus (souris) dans les génomes de Nematostella vectensis (cnidaire)
Identification des composants de la synapse de l’ancêtre commun des eumétazoaires (ursynapse)
• Apparition des récepteurs ionotropes glutamatergiques postsynaptiques NMDA et AMPA.
• Récepteurs clés dans la transmission de l’information
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
comparaison protostomiens - deutérostomiens
Identifier les composants de la synapse de l’ancêtre commun des bilatériens
• Synapse complexe possédant de nombreux récepteurs de neurotransmetteurs présents actuellement dans les synapses des deux clades
Identifier les caractéristiques propres à chaque clade
• Signalosome des protostomiens principalement d’origine évolutive ancestrale (71% des composants du signalosome de Drosophila melanogaster ont des orthologues chez S. cerevisiae)
• Signalosome des deutérostomiens principalement d’origine évolutive plus récente (21% des composants du signalosome de Mus musculus ont des orthologues chez S. cerevisiae)
Signalosome plus complexe et plus diversifié chez les deutérostomiens
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
Synthèse: évolution des composants post-synaptiques
Protéines du signalosome post-synaptique des deutérostomiens présentes chez les clades plus ancestraux
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
modifié d’après Ryan and Grant, Nat. Rev. Neuro., 2009
Caractéristiques de la synapse des vertébrésexemple de la sous-unité NR2 du récepteur NMDA
Subfonctionnalisation des protéines dupliquées
Augmentation et complexification des interactions entre les protéines du signalosome
évolution du récepteur NMDA
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
modifié d’après Ryan and Grant, Nat. Rev. Neuro., 2009
Diversité synaptique au sein des vertébrés
plasticité synaptique:
• Capacité des synapses de réguler l’intensité du signal transmis
• Rôle crucial pour les capacités cognitives
exemple:
• Changement de la densité de récepteurs post-synaptiques régulé par un changement de l’expression des gènes
Parallèle entre la variabilité de l’expression des gènes post-synaptiques et leur origine au cours de l’évolution
Les gènes avec une grande variabilité d’expression sont généralement d’origine évolutive plus récente
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
modifié d’après Ryan and Grant, Nat. Rev. Neuro., 2009
Évolution des synapses chez l’Homme
Mécanismes:
Observation de sélection positive (évolution accélérée) pour des synapses à plasticité synaptique élevée
Augmentation de la complexité du réseau neuronal du cerveau humain, notamment le néocortex
Augmentation des capacités cognitives propres à l’Homme
réponses environnementales selon différents types de synapses
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
modifié d’après Emes et al., Nat. Neuro., 2008
Analyse• Revue très complète, focalisée sur l’évolution de la synapse humaine
analyse de la branche Fungi / Métazoaires
• Résultats basés sur l’analyse d’organismes modèles
généralisations discutables
• Utilisation de termes taxonomiques non cohérente
Mus musculusDrosophila melanogaster
Introduction Origine des synapses Synapses des vertébrés Analyse
basé sur cours de E. Deniel, 2009
Références
Tomás J. Ryan and Seth G. N. Grant; The origin and evolution of synapses. Nature Reviews Neuroscience, published online 9 september 2009
Emes, R. D. et al. Evolutionary expansion and anatomical specialization of synapse proteome complexity. Nature Neurosci. 11, 799–806 (2008).
Kosik, K. S. Exploring the early origins of the synapse by comparative genomics. Biol. Lett (2008).
Xia, S. et al. NMDA receptors mediate olfactory learning and memory in Drosophila. Curr. Biol. 15, 603–615 (2005).