THÈSE DE DOCTORAT
Etude des mécanismes de régulation synaptique de la balance sumoylation/désumoylation
Lenka SCHOROVA Equipe : Implication physiologique et pathophysiologique de la sumoylation neuronale
Présentée en vue de l’obtention Devant le jury, composé de : du grade de docteur en Interactions Guillaume Bossis, Dr, Rapporteur Moléculaires et Cellulaire Jeremy Henley, Prof, Rapporteur d’Université Côte d’Azur Jacques Noel, Prof, Présidant du Jury Dirigée par : Stéphane Martin Soutenue le : 28 Mars 2018
Etude des mécanismes de régulation synaptique de la balance sumoylation/désumoylation
Jury : Président du jury Jacques Noël, Prof, UCA Rapporteurs Jeremy Henley, Prof, Bristol UK Guillaume Bossis, Dr, CR1 CNRS/HDR, Montpellier
Titre : Etude des mécanismes de régulation synaptique de la balance sumoylation/désumoylation
Résumé
La SUMOylation est une modification post-traductionnelle essentielle pour toutes les cellules eucaryotes. C’est un processus enzymatique qui permet la liaison covalente du polypeptide SUMO sur des résidus de lysine de protéines cibles. Les SUMO protéases (SENP) déconjuguent SUMO des protéines SUMOylées et sont donc critiques pour maintenir l’équilibre physiologique entre la forme modifiée et non modifiée d’un substrat. Les synapses se composent de deux compartiments : l’élément présynaptique ou terminaison axonale et le compartiment postsynaptique également appelé épine dendritique. Les synapses sont des structures très riches en protéines qui sont centrales pour la transmission et la plasticité synaptique. Il existe de nombreux éléments impliquant la SUMOylation au niveau des synapses où elle régule la fonction de multiples protéines. La dérégulation de la balance SUMOylation / déSUMOylation a notamment été mise en évidence dans plusieurs pathologies cérébrales présentant un dysfonctionnement de la fonction synaptique. Pour envisager le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques de ces maladies, il est indispensable de mieux comprendre les mécanismes moléculaires régissant cet équilibre.
Mon laboratoire de thèse a préalablement montré que l'activation des récepteurs métabotropiques du glutamate (mGluR) augmente de façon transitoire le temps de résidence post-synaptique de l'enzyme de conjugaison de la SUMOylation Ubc9. Cette rétention transitoire est dépendante de la cascade d’activation PLC/PKC et qui conduit à l’augmentation des niveaux de sumoylation synaptique et à la régulation de la communication neuronale. Cependant, aucune donnée n’est aujourd’hui disponible dans la littérature concernant la régulation de la désumoylation synaptique. Au cours de ma thèse, j'ai combiné l’utilisation de l'imagerie en temps réel sur cellules vivantes avec des approches de biochimie et d’agents pharmacologiques spécifiques pour identifier les mécanismes de régulation du transport de la déSUMOylase SENP1. J'ai ainsi démontré que l'activation neuronale augmente les niveaux synaptiques de SENP1. Cette augmentation synaptique de SENP1 résulte de la modification de la vitesse de diffusion de l’enzyme entre les dendrites et les synapses d’une part, et d’autre part, de l’augmentation drastique du temps de rétention synaptique de l’enzyme. Je rapporte également que ce mécanisme de régulation dynamique de SENP1 implique l'activation directe des récepteurs mGlu du groupe I.
Pour résumé, mon travail révèle que l'équilibre SUMOylation / déSUMOylation repose sur une régulation spatio-temporelle distincte des deux enzymes Ubc9 et SENP1. De plus, je suggère la participation d'autres acteurs de la signalisation (comprenant la PKC) dans la régulation du transport synapto-dendritique de SENP1. Mon travail met ainsi en lumière de nouveaux mécanismes de régulation du processus de SUMOylation synaptique qui sont importants pour la communication cérébrale.
Mots clés : synapse, modification post-traductionnelle, sumoylation, SENP1
Title: Investigating the molecular pathways driving the sumoylation/desumoylation balance in rat hippocampal synapses
Abstract
Sumoylation is a vital posttranslational protein modification that takes place in all eukaryotic cells. Sumoylation occurs as an enzymatic process that conjugates SUMO peptides to target proteins. SUMO proteases (SENP) deconjugate SUMO from modified proteins and thus are critical for maintaining the balanced levels of SUMOylated and un-SUMOylated substrates required for normal physiology. Neuronal synapses consist of two compartments: presynaptic - the axon terminals and postsynaptic - dendritic spines. Synapses are protein- rich structures that are essential to synaptic transmission and plasticity. There is a strong evidence that sumoylation occurs in synapses and regulates the function of synaptic proteins. Indeed, distortion of the SUMO balance has been linked to several pathologies with dysfunctional synaptic function. Gaining a deeper understanding into the molecular mechanisms regulating the SUMO balance is a prerequisite to envisaging the development of novel therapeutic strategies.
My PhD host laboratory has previously shown that the activation of mGlu5 receptors transiently increases the postsynaptic residency time of the SUMO-conjugating enzyme Ubc9 in a PLC/PKC-dependent manner increasing synaptic sumoylation levels and regulating neuronal communication. However, to date there have been no reports on the regulation of desumoylation at synapses. During my PhD thesis, I used a combination of real-time live-cell confocal imaging, biochemistry and pharmacological approaches to identify SENP1 (SENtrin specific Protease 1) regulatory mechanisms at synapses. I provided evidence that synaptic activation increases SENP1 protein levels at synapses at a time- scale that is distinct from the Ubc9 enzyme. I showed that the increase in synaptic SENP1 upon synaptic activation is a result of two processes: Although (a) fewer SENP1 proteins enter into spines at low diffusion speed (b) a significant proportion of SENP1 becomes immobile and is retained in spines. I demonstrate that the regulatory mechanism of this SENP1 dynamics involves direct activation of Group I mGlu receptors.
Altogether, I propose that the SUMO balance is achieved via a distinct spatio-temporal regulation of Ubc9 and SENP1 enzymes at synapses. Moreover, I suggest a participation of additional signalling players (incl. PKC) in SENP1 regulation at synapses. These findings reveal novel mechanisms and add to the understanding of the SUMO balance in neuronal communication.
Keywords : synapse, post-translational modification, sumoylation, SENP1
mé rodině, to my family,
á ma famille, ACKNOWLEDGEMENTS