Adenosine 2A receptor signaling as a key mechanism for stabilization of newly formed GABAergic synapses
La signalisation du récepteur d’adénosine 2A comme mécanisme clé de la stabilisation des synapses GABAergiques nouvellement formées
Résumé
In the adult brain, adenosine signaling facilitates or inhibits neurotransmitter vesicular release mainly
through activation of type 2A or 1 adenosine receptors (A2AR or A1R), respectively. However, its role in
development remains to be elucidated. During my PhD, I addressed the role of A2AR-mediated
signalling in GABAergic synaptogenesis in the hippocampus.
We found (i) a larger activity-dependent release of ATP and adenosine during the period of
synaptogenesis in the hippocampus, (ii) a peak of expression of the ecto-5’-nucleotidase, the ratelimiting
enzyme for the formation of adenosine from extracellular ATP in synapses during this critical
period, and (iii) a peak of peri/post-synaptic expression of A2AR concomitant with the period of
synaptogenesis. This developmental expression of the key molecules of the adenosine A2AR signalling
pathway correlated with a role of A2AR in the stabilization of nascent GABA synapses, a regulation
restricted to the period of synaptogenesis. Furthermore, suppressing A2AR with a shRNA approach in
isolated neurons led to a loss of synapses equivalent to that seen upon A2AR activity blockade, reporting
that the A2AR-mediated synapse stabilization is a cell autonomous process that requires A2AR activation
in the postsynaptic cell.
ATP/adenosine can be secreted by both glia and neurons; however, we found that activity-dependent
release of neuronal adenosine is sufficient to stabilize newly formed GABA synapses in vitro. Using live
cell imaging, we showed adenosine signalling stabilizes active synapses. We then characterized the
molecular mechanism downstream postsynaptic A2AR. We report the contribution of adenylyl
cyclase/cyclic adenosine monophosphate/protein kinase A signalling cascade and we identified a key
target, the postsynaptic scaffolding molecule gephyrin. We further showed the A2AR-mediated
stabilization of the presynaptic compartment most probably requires the trans-synaptic Slitrk3-PTPδ
complex.
Since GABA exerts a similar function during development and GABA and adenosine are co-released at
some synapses, I further investigated the interplay between these two pathways. My results support
the hypothesis that GABA signalling converge onto the adenosine signalling pathway by potentiating
calcium-sensitive adenylyl cyclases through the activation of calmodulin.
Altogether these results let us propose that, during a key developmental period, postsynaptic A2ARs
act as sensors of the activity of GABAergic presynaptic terminals to stabilize active nascent GABAergic
synapses. In absence of activity and therefore secretion of adenosine/ATP, synapses will be eliminated.
Dans le cerveau adulte, la signalisation liée à l’adénosine facilite ou inhibe la libération vésiculaire de
neurotransmetteurs suite à l’activation des récepteurs de l’adénosine de type 2A ou 1 (A2AR ou A1R),
respectivement. Cependant, son rôle dans le développement est mal connu. Au cours de ma thèse, j’ai
étudié le rôle de la signalisation adénosine dans la synaptogenèse GABAergiques de l’hippocampe.
Nous avons mis en évidence (i) une sécrétion activité-dépendante accrue d’adénosine et d’ATP
pendant la période de synaptogenèse, (ii) un pic d’expression de l’enzyme limitant la formation de
l’adénosine à partir de l’ATP extracellulaire, l’ecto-5’-nucleotidase, aux synapses pendant cette période
critique, et (iii) un pic d’expression péri/post- synaptique du A2AR concomitant de la période de
synaptogenèse. Cette expression développementale des molécules clés de la signalisation adénosine
dépendante du A2AR corrélait avec un rôle de ce récepteur dans la stabilisation des synapses
GABAergiques naissantes, une régulation restreinte à la période de synaptogenèse. De plus, la
suppression de A2AR par une approche shRNA dans des neurones isolés conduisait à une perte de
synapses GABAergiques équivalente à celle observée après un blocage pharmacologique de l’activité
du A2AR, signifiant que la stabilisation synaptique médiée par le A2AR est un processus « cellule
autonome » indépendant de l’activité du réseau neuronal et qu’elle requiert l’activation du A2AR dans
la cellule post-synaptique.
L’ATP et l’adénosine sont secrétés par la glie et les neurones ; cependant, nous avons montré in vitro
que la libération neuronale activité-dépendante suffit à stabiliser les synapses GABAergiques
naissantes. En utilisant la vidéomicroscopie sur cellules vivantes, nous avons montré que la
signalisation adénosine stabilise les synapses actives. Puis, nous avons caractérisé le mécanisme
moléculaire sous-jacent. Nous rapportons la contribution de la cascade adénylate cyclase/adénosine
monophosphate cyclique/protéine kinase A et nous avons identifié une ciblé clé, la géphrine, la
molécule d’ancrage postsynaptique des récepteurs GABAA. Enfin, nous avons mis en évidence que la
stabilisation de l’élément présynaptique requiert probablement le complexe trans-synaptique Slitrk3-
PTPδ.
Puisque le GABA exerce une fonction similaire au cours du développement et que le GABA et
l’adénosine sont co-libérés à certaines synapses, j’ai étudié l’interaction entre ces deux voies de
signalisation. Mes résultats favorisent l’hypothèse que la signalisation GABA, en activant la calciumcalmoduline,
converge vers la signalisation adénosine en potentiant les adenylates cyclases sensibles
au calcium.
Mon travail m’a permis de proposer que, au cours d’une période clé du développement, les A2ARs
postsynaptiques agissent comme des senseurs de l’activité des terminaisons présynaptiques
GABAergiques pour stabiliser les synapses actives. En absence d’activité et donc de libération
d’adénosine/ATP, les synapses seraient éliminées.