Stabilization of hippocampal glutamatergic synapses by adenosinergic signaling involving neuroglial interactions
Stabilisation des synapses glutamatergiques de l’hippocampe par la signalisation adénosinergique impliquant des interactions neurogliales
Résumé
Adenosine is a purine produced by neurons and glial cells in the central nervous system. It binds to specific adenosine receptors A1, A2A, A2B and A3. A2A receptors (A2AR) are coupled to an adenylate cyclase (AC)-activating G protein and when activated, it favors cyclic AMP (cAMP) production and glutamatergic neurotransmission. The diversity of A2AR interactions with various partners and within multiple cell types makes it a fine regulator of synaptic plasticity. If the role of adenosine via A2A receptors is relatively well documented in the adult, its function in the developing brain remains poorly explored. We recently showed that a transient increase of A2AR expression during hippocampal synaptogenesis matched with a role in the stabilization of nascent inhibitory GABAergic synapses of the hippocampus (Gomez-Castro et al., Science 374, 2021). We asked here if this regulation extends to hippocampal glutamatergic excitatory synapses.In mixed neuron-astrocyte-microglia cultures, we observed a transient increase in the density of A2AR close to glutamatergic synapses between the 7th and 14th day in vitro, i.e. during the peak of glutamatergic synapse formation. This was confirmed in vivo using electronic microscopy. In mixed cultures, the suppression of neuronal A2AR with a shRNA approach led to the loss of ~30% of glutamatergic synapses identified with the pre- and post- synaptic markers VGLUT1 and PSD-95. Suppressing the neuronal A2AR also induced a loss of GABAergic synapses, which suggests that the activation of neuronal A2AR would stabilize nascent glutamatergic and GABAergic synapses through a common mechanism. Globally blocking A2AR in mixed cultures with the selective antagonist SCH-58261, or by removing ambient adenosine, tended to increase the density of VGLUT1/PSD-95 synapses, and significantly reduced the mobility of the AMPA receptor GluA1 subunits, which were trapped within synapses. In line, activating A2AR with the selective agonist CGS-21680 in absence of extracellular adenosine and exclusively during synaptogenesis, led to a ~35% synapse loss. This effect was blocked upon depletion of glial cells with ara-C, or more specifically microglia with L-leucin methylester or PLX5622. Altogether, these data support an A2AR-dependent regulation of glutamatergic synapses involving neuroglial interactions. While neuronal A2AR stabilizes synapses, our data suggest that an activation of the microglial A2AR, or another microglial factor modulated by neuronal A2AR, rather promotes glutamatergic synaptic destabilization. In support of the latter possibility, when neurons were transfected with the shA2AR and treated with PLX5622, the neuronal effect was confirmed and the microglial effect was blocked, indicating that the neuronal A2AR is central in the regulation, probably controlling microglia activity. Further, A2AR agonist-mediated glutamatergic synapse destabilization was blocked in presence of the complement protein C1q-neutralizing antibodies. C1q could therefore contribute to a glutamatergic synapse stabilization/destabilization process involving neuronal A2AR activation. The complement-based mechanism remains to be described as well as the signalling pathways involved in the regulatory effect of A2AR as modulating canonical cAMP/AC or MAPK (mitogen-activated protein kinases) pathways remained inefficient to regulate glutamatergic synapse stabilization.Overall, the present results allow to hypothesize that during development, the neuronal A2AR is important in the establishment of hippocampal glutamatergic networks through a neuroglial regulation involving the complement system.
L’adénosine est une purine produite par les neurones et les cellules gliales dans le système nerveux central. Elle se fixe à des récepteurs spécifiques A1, A2A, A2B, A3. Les récepteurs A2A (A2AR) sont couplés à une protéine G activatrice de l’adénylate cyclase (AC), et leur activation favorise la production d’AMP cyclique (AMPc) et la neurotransmission glutamatergique. Les interactions du A2AR avec des partenaires protéiques variés et au sein de multiples types cellulaires en fait un régulateur fin de la plasticité synaptique. Si le rôle de l’adénosine via les A2ARs est bien documenté chez l’adulte, sa fonction au cours du développement cérébral reste peu explorée. Nous avons récemment montré qu’une augmentation transitoire de l’expression du A2AR au cours de la synaptogenèse dans l’hippocampe coïncide avec son rôle dans la stabilisation des synapses GABAergiques inhibitrices naissantes (Gomez-Castro et al., Science 374, 2021). Nous nous sommes demandés si cette régulation s’étendait aussi aux synapses glutamatergiques.Dans des cultures mixtes neurones-astrocytes-microglie, nous avons observé une augmentation transitoire de la densité d’A2AR près des synapses glutamatergiques entre le 7ème et le 14ème jour in vitro, i.e. pendant le pic de formation des synapses glutamatergiques. Ces données sont confirmées in vivo en microscopie électronique. Dans ces cultures, la suppression du A2AR neuronal par une approche de shARN induit la perte de ~30% de synapses glutamatergiques, identifiées avec les marqueurs pré- et postsynaptiques VGLUT1 et PSD-95. Cette délétion induit aussi une perte de synapses GABAergiques, suggérant que l’activation du A2AR neuronal stabiliserait les synapses glutamatergiques et inhibitrices naissantes par un mécanisme commun. Bloquer le A2AR avec l’antagoniste sélectif SCH-58261 ou en retirant l’adénosine ambiante a tendance à augmenter la densité des synapses excitatrices, et réduit significativement la mobilité des sous-unités GluA1 des récepteurs AMPA, confinées aux synapses. En accord avec ces modifications synaptiques, activer le A2AR avec l’agoniste spécifique CGS-21680 uniquement en l’absence d’adénosine extracellulaire et au cours de la synaptogenèse, induit une perte de ~35% des synapses. La suppression des cellules gliales en présence d’ara-C, ou de la microglie spécifiquement avec du L-leucine méthylester ou du PLX5622 bloque ces effets. Ces résultats révèlent une régulation des synapses glutamatergiques dépendante des A2ARs et impliquant des interactions neurogliales. Tandis que le A2AR neuronal stabilise les synapses, les données suggèrent que l’activation du A2AR microglial, ou d’un autre facteur microglial modulé par le A2AR neuronal, induit plutôt une déstabilisation des synapses glutamatergiques. Appuyant cette hypothèse, lorsque les neurones sont transfectés avec le shA2AR et traités avec du PLX5622, l’effet neuronal est confirmé et l’effet microglial est bloqué, ce qui indique que le A2AR neuronal est au centre de la régulation, en contrôlant probablement l’activité des microglies. De plus, la déstabilisation des synapses glutamatergiques par l’agoniste du A2AR est empêchée en présence d’un anticorps bloquant la protéine du complément C1q. C1q contribuerait donc à un processus de stabilisation/déstabilisation des synapses glutamatergiques impliquant l’activation du A2AR neuronal. Le mécanisme complément-dépendant reste à définir, ainsi que les voies de signalisation impliquées dans les effets des A2ARs, puisque la modulation des voies canoniques AMPc/AC ou MAPK (mitogen-activated protein kinases) n’a pas eu d’effets sur la régulation de la stabilisation des synapses glutamatergiques.L’ensemble des résultats nous permet de proposer qu’au cours du développement, le récepteur A2A neuronal est important dans la mise en place des réseaux glutamatergiques de l’hippocampe via une régulation neurogliale impliquant le système du complément.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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