Synaptic transmission in autaptic circuits: presynaptic homeostatic plasticity and microtubule dynamics

Abstract

Synapses are the contact sites where the transfer of information from the presynaptic to the postsynaptic site occurs. Correct processing of information requires that synapses continuously adapt their properties to an ever-changing environment. Here, we describe novel aspects that help understand the function of presynaptic terminals in the context of a simple neuronal network. The exuberant number of synaptic contacts formed during the development of the nervous system is selectively refined by a process of synapse elimination. In the current thesis we have exploited the action of peptide p4.2, a 20 amino acid fragment located in the C-terminus of the glial secreted protein SPARC, which promotes synapse elimination in an autaptic circuit. We found that neurons forming autaptic synapses sense and compensate for synapse elimination by activating a mechanism of presynaptic homeostatic plasticity driven by presynaptic potentiation and rapid assembly of new synaptic contacts. Both actions occur concomitantly, indicating that the formation of novel synapses is associated to an overall increase in presynaptic calcium influx. To further investigate the molecular mechanisms underlying this compensatory response, we moved our interests to the participation of microtubules in the maintenance of synaptic connectivity and synaptic strength. This question could only be addressed by gaining a better understanding of the participation of microtubules in presynaptic terminal function. By providing ultrastructural, morphological, and physiological evidence we have shown that microtubule plus-ends transiently invade presynaptic boutons and that microtubule instability is directly involved in the regulation of spontaneous neurotransmitter release probability. Microtubule polymerization is also important to postsynaptic function, indicating microtubule dynamics might be involved in forms of postsynaptic plasticity. Altogether, the development of this project has allowed to identify yet unknown mechanisms key for better understanding the cell biology of presynaptic terminals. These findings should not only be considered in the context of a simple neuronal network, chosen because of its unique experimental possibilities, but as fundamental neuronal properties. Yet, future research in complex systems are required to further validate our findings.

Las sinapsis son los sitios de contacto donde ocurre la transferencia de información desde el terminal presináptico al postsináptico. El correcto procesamiento de información requiere que las sinapsis adapten continuamente sus propiedades bajo un entorno de constante cambio. En esta tesis describimos aspectos novedosos que ayudan a comprender la función de los terminales presinápticos en el contexto de una red neuronal simple. El número exuberante de contactos sinápticos formados durante el desarrollo del sistema nervioso se refina selectivamente mediante un proceso de eliminación sináptica. En la presente tesis hemos explotado la acción del péptido p4.2, un fragmento de 20 aminoácidos situado en el extremo C-terminal de la proteína de secreción glial SPARC, que promueve la eliminación de sinapsis en un circuito autáptico. Hemos descubierto que las neuronas que forman sinapsis autápticas detectan y compensan la eliminación sináptica activando un mecanismo de plasticidad homeostática presináptica impulsado por la potenciación presináptica y el rápido ensamblaje de nuevos contactos sinápticos. Ambas acciones ocurren de manera concomitante, lo que indica que la formación de nuevas sinapsis está asociada con un aumento general en el flujo de entrada de calcio presináptico. Para investigar más a fondo los mecanismos moleculares que subyacen a esta respuesta compensatoria, trasladamos nuestro foco de investigación a la participación de los microtúbulos en el mantenimiento de la conectividad y fuerza sináptica. Proporcionando evidencia ultraestructural, morfológica y fisiológica, hemos demostrado que los extremos positivos de los microtúbulos invaden transitoriamente los botones presinápticos y que la inestabilidad de los microtúbulos está directamente involucrada en la regulación de la probabilidad de liberación espontánea de neurotransmisores. La polimerización de microtúbulos también es importante para la función postsináptica, lo que indica que la dinámica de los microtúbulos podría estar involucrada en formas de plasticidad postsináptica. El desarrollo de este proyecto ha permitido identificar mecanismos aún desconocidos que son clave para entender la biología celular de los terminales presinápticos. Estos hallazgos no solo deben considerarse en el contexto de una red neuronal simple, elegida por sus posibilidades experimentales únicas, sino como propiedades neuronales fundamentales. Sin embargo, futuras investigaciones en sistemas complejos son necesarias para validar nuestros hallazgos.