Les synapses se forment selon plusieurs étapes comprenant la stabilisation des contacts nouvellement formés et leur maturation. Ces différentes étapes dépendent d’une mise en place coordonnée entre la terminaison pré- et postsynaptique. Les protéines composant la présynapse et les récepteurs ionotropiques du glutamate ont des rôles clés dans ces processus. Lors de ma thèse, je me suis intéressé à l’implication de la protéine présynaptique Bassoon lors de la maturation des synapses glutamatergiques entre les fibres moussues et les cellules pyramidales de CA3 dans l’hippocampe. Cette synapse constitue un modèle attractif pour l’étude de la maturation synaptique car elle suit des étapes de maturation morphologique et fonctionnelle bien définies. Bassoon est une des premières protéines se mettant en place au niveau des contacts synaptiques nouvellement formés. Par des approches électrophysiologiques, nous avons montré que la protéine Bassoon était importante pour l’organisation du site de libération de neurotransmetteur durant les deux premières semaines de vie post-natale chez la souris.Les récepteurs kaïnate jouent un rôle important dans la régulation de l’activité de réseau au cours du développement post-natal. Cependant l’impact de l’activation de ces récepteurs sur la maturation synaptique est peu connu. J’ai pu mettre en évidence un délai dans la maturation fonctionnelle de la synapse fibre moussue/cellule pyramidale de CA3 chez les souris déficientes pour la sous-unité GluK2 des récepteurs kaïnate (GluK2-/-). Afin de comprendre si ce délai de maturation fonctionnelle est corrélé à un retard dans la maturation morphologique de cette synapse, nous avons mis en place des infections de lentivirus codant pour une protéine membranaire fluorescente (YFP) chez le souriceau nouveau-né (P1-P2). A l’aide de microscopie confocale et de reconstruction en 3D, nous avons ainsi pu décrire la maturation morphologique de la synapse fibre moussue/cellule pyramidale de CA3. Cela m’a également permis de corréler la maturation fonctionnelle à la maturation morphologique et mes résultats montrent également un retard dans la mise en place des synapses chez les souris GluK2-/-. L’ensemble de cette étude révèle l’importance de l’activité synaptique et de la coordination entre mise en place de la pré- et de la postsynapse au cours de la maturation synaptique. / The formation of synapses follows different steps including synaptogenesis and maturation. These different steps depend on coordinated pre- and post-synaptic assembly. Pre-synaptic proteins and ionotropic glutamate receptors play a central role in these processes. During my thesis, I have been interested in the implication of the presynaptic protein Bassoon in the maturation of the hippocampal mossy fiber to CA3 pyramidal cell glutamatergic synapses. This synapse constitutes an attractive model for the study of synaptic maturation because it follows several steps of defined morphological and functional maturation. Bassoon in one of the first protein present at newly formed synaptic contacts. By electrophysiological approaches, we showed that Bassoon is important for the organization of the active zone during the first two postnatal weeks.Kainate receptors play an important role in the regulation of network activity during postnatal development. However, the impact of kainate receptors activation on synaptic maturation is less known. I showed a delay in functional maturation of mossy fiber synapses in mice deficient for the GluK2 subunit of kainate receptors (GluK2-/-). To know if this delay is correlated to morphological alterations of this synapse, we setup in vivo lentiviral infections of membrane fluorescent protein (YFP) in mouse pups (P1-P2). Using confocal microscopy and 3D reconstruction, we described the morphological maturation of mossy fiber synapses. We were able to correlate functional and morphological maturation and our results also showed an impairment in the formation of mossy fiber synapses in GluK2-/-. Together, these data reveal the importance of synaptic activity and of the coordination of pre- and post-synaptic assembly during synaptic maturation.

La Polarité Cellulaire Planaire (PCP) est une voie de signalisation originellement identifiée chez les invertébrés pour son rôle dans l’établissement d’une asymétrie cellulaire perpendiculaire à l’axe apico‐basal. Elle définit une polarité dans le plan d’un épithélium et coordonne cette polarité dans tout l'épithélium. L'activation de la voie PCP conduit à une réorganisation ducyto squelette en passant par une modulation des zones d'adhésion, régulant ainsi la forme et les mouvements des cellules. La voie de signalisation de la PCP est conservée tout au long de l'évolution jusqu'au mammifères, et contrôle la morphogénèse de divers tissus dont les tissus épithéliaux et mésenchymateux, ainsi que pour les tissues cardiaques, osseux, pulmonaire ou encore rénaux, mais aussi le système nerveux pour n'en citer que quelques‐uns.Afin d'identifier le rôle de vangl2, un des gènes centraux de la PCP, dans la mise en place de la circuiterie hippocampale, nous avons créé un modèle murin où vangl2 est supprimé de façon conditionnelle (cKO) dans le télencéphale à des stades précoces de l’embryogénèse. J’ai d'abord montré que Vangl2 est enrichi dans les neurones immatures de la zone sous granulaire du DG, ainsi que dans l’arborisation des neurites (axones et dendrites) des cellules granulaires (CG) du gyrus denté (DG) de l’hippocampe. Ainsi, Vangl2 est enrichi dans le stratum lucidum (sl), une région dense en contacts synaptiques entre le DG et le CA3. Dans cette région a lieu une synapse très particulière entre l'axone des CG, la fibre moussue (Mf) qui forme des boutons géants (MfB) et les excroissances épineuse (TE) issues de la partie proximale des dendrites apicaux. L'analyse structurale et ultra structurale de ces épines démontre que l'élargissement et la complexification de la synapse MfB/TE est bloquée dans nos mutants, alors que les zones actives (PSD) des épines sont présentes, mais réorganisées. De façon intéressante,dans une zone plus distale des dendrites des neurones du CA3 (sl), les épines sont, elles, plus grosses, suggérant un remodelage complexe du réseau en l'absence de vangl2. Enfin, j’ai pu montrer que ces défauts morphologiques étaient corrélés à des problèmes de mémoire complexe (mémoire déclarative) qui dépendent de l’hippocampe mais aussi du cortex. Cette étude montre pour la première fois l’importance du signal PCP dans maturation in vivo d’un circuit hippocampique spécifique ainsi que ces conséquences cognitives. D'autres résultats in vitro montrent que la suppression de vangl2 augmente la vitesse de déplacement des cônes de croissance sur des substrats de N‐cadhérine. J’ai utilisé la microscopie en super résolution spt‐PALM‐TIRF pour montrer que cette augmentation de croissance est inversement proportionnelle à la vitesse du flux rétrograde d’actine. Des expériences de FRAP permettent de suggérer que les molécules de N‐cadhérine engagées dans des interactions hémophiliques (adhésion) est plus importante dans les mutants vangl2 Je propose que Vangl2 contrôle le recyclage et la stabilité des protéines N‐cadhérine dans les sites d’adhésion afin de réguler localement les dynamiques d’actine et par conséquent la croissance neuronale. / Planar Cell Polarity (PCP) is a signaling pathway originally known for its role in the establishment of cellular asymmetry perpendicular to the apico‐basal axis, in the plane of an epithelium. PCPsignaling has been shown to be crucial for many tissue patterning, including epithelial and mesenchymal tissue, but also cardiac, lung, bone, or kidney tissues, to cite a few. PCP signaling controls the regulation of cellular movement via the control of adhesion turnover and cytoskeleton reorganization. Vangl2 is one of the most upstream core PCP proteins that has been implicated in the recent years in various neuronal mechanisms, such as axonal guidance, dendrite morphogenesis or synaptogenesis. However, most of these studies rely on acute downregulation of the gene in vitro or in the use of a mouse presenting a spontaneous mutation of this gene, called Loop‐tail (Vangl2Lp) which causes the death of the embryo at birth. Moreover, the Vangl2Lp form of this protein has been described has a dominant‐negative form, making it difficult to untangle the molecular mechanism leading to the many phenotypes (included neuronal ones) reported inhomozygotes Looptail mice. To bypass this problem we created a conditional knockout (cKO) mouse in which vangl2 is deleted in the telencephalon during early embryogenesis. First, I analyzed the profile of expression of the protein during the first 3 weeks after birth, and I show that Vangl2 is specifically targeted to the arborization of granular cells (GC) of the dentate gyrus (DG) of the hippocampus, and excluded from cell bodies. Also, the protein was highly enriched in immature neurons of the subgranular zone of the DG, and in the stratum lucidum, a region of high‐density contacts between the GC and the CA3. In this region, a special type of synapse is formed: the Mossy Fiber Bouton (MfB) / Thorny Excrescence (TE) synapse. These synapses are bigger and more complex than conventional synapses. I then performed a structural and ultrastructural analysis of the DG/CA3 circuit in the Vangl2 cKO mice in order to understand the role of Vangl2 in the hippocampus maturation. For this, I used stereotaxic mice infection viruses, and Serial block face scanning electron microscopy (SBFsEM) with 3D reconstruction. Results show that in cKO mice, Mfs fasciculation is mildly impacted, and that the enlargement and complexification of the MfB/TE synapse is arrested, with TEs almost absent. I was able to link these morphological abnormalities to deficits in complex hippocampal‐dependent learning tasks. This work demonstrates for the first time the importance of PCP signaling for the in vivo maturation of a specific hippocampal circuit and its specific cognitive consequences. Next, I attempted to identify the functional consequences of vangl2 deletion on young hippocampal neuron maturation. My results confirm that Vangl2 is expressed in young hippocampal neurons and that the deletion of the gene affected neurite outgrowth on Ncadherin substrate. I used spt‐PALM‐TIRF super‐resolution microscopy to show that this increased neurite outgrowth was inversely proportional to a decrease in actin retrograde flowand to a decrease in the number of directed actin trajectories. These results strongly suggest that N‐cadherin adhesions are affected by Vangl2 deletion. FRAP experiments demonstratedthat in Vangl2 cKO neurons the recovery of N‐cadherin molecules engaged in homophilicbindings (adhesion) was decreased, suggesting that the turnover of N‐cadherin involved inadhesion is reduced. Altogether, I propose that Vangl2 controls the turnover/stability of Ncadherin proteins at adhesion sites to regulate local actin dynamics and consequently neuronal outgrowth

Les synapses fibres moussues de l‘hippocampe entre le gyrus denté et les cellulespyramidales de CA3 sont caractérisées par leur morphologie particulière, et par leurspropriétés distinctives de transmission synaptique et de plasticité présynaptique. Cessynapses sont parfois appelées «détonatrices» pour leur rôle fonctionnel dansl‘encodage de la mémoire épisodique. Cependant, les mécanismes moléculaires à labase des propriétés spécifiques de ces synapses restent peu connus. Ce travail estcomposé de deux parties principales:1) Phénotypage des synapses fibres moussues de l'hippocampe chez les sourisVAMP7 KOVAMP7 est une protéine SNARE vésiculaire de la famille des longins, qui joue unrôle dans la croissance des neurites durant le développement. Dans le cerveauadulte, VAMP7 est enrichi dans un sous-ensemble de terminaisons nerveuses, enparticulier dans les fibres moussues de l‗hippocampe. Nous avons analysé lafonction de VAMP7 dans la libération de neurotransmetteurs par une caractérisationextensive de la transmission synaptique et des mécanismes de plasticité de cettesynapse. L'absence de VAMP7 ne cause pas de graves déficits développementauxou neuronaux (Sato et al., 2011; Danglot et al., 2012). Les mécanismesprésynaptiques de la plasticité à court terme de la fibre moussue de l‘hippocampesemblent également normaux, pour des raisons éventuelles qui seront discutées.2) Circuits du CA3 examinés par traçage viral et enregistrements de pairesNous avons développé une technique pour établir des enregistrements en pairesentre cellules en grain du gyrus denté connectées et cellules pyramidales CA3 (GCCA3),sur des cultures organotypiques de tranches d'hippocampe de souris. Pouridentifier les partenaires présynaptiques directs à une cellule pyramidale CA3 ciblée,nous avons combiné l‘électroporation cellulaire unitaire et le traçage mono-transsynaptiquebasé sur un virus de la rage recombinant et pseudotypé. Nous avonstransfecté une cellule pyramidale CA3 unique par tranche avec les plasmides codantla glycoprotéine d‘enveloppe du virus de la rage (RG), un rapporteur fluorescent, etla protéine TVA (récepteur de surface apparenté au EnvA, qui n'a pas d‘homologuechez les cellules de mammifères). Les tranches ont ensuite été infectées avec levirus de la rage recombinant et pseudotypé. Après 3-4 jours, le traçage mono-transsynaptiquerévèle les entrées présynaptiques de ce neurone unique. Ensuite, nousavons pu établir des enregistrements de paires entre les cellules en grain-CA3connectés, ainsi que de quantifier les partenaires présynaptiques de la cellulepyramidale CA3 de départ. / The hippocampal mossy fiber is characterized by its particular morphology, distinctsynaptic transmission and presynaptic plasticity. Moreover, this synapse has beencalled ―teacher‖ or ―detonator‖ for its proposed functional role in episodic memoryencoding. Nevertheless, the molecular mechanisms underlying its specific functionalproperties remain elusive. This work is composed of two main parts:1) Phenotyping Hippocampal Mossy Fiber Synapses in VAMP7 KO MiceVAMP7 is a vesicle SNARE of the longin family important in neurite growth duringdevelopment. In the adult brain, VAMP7 is enriched in a subset of nerve terminals,particularly at the hippocampal mossy fiber. We analyzed VAMP7 function inneurotransmitter release by characterizing basal and evoked transmission at thissynapse in KO mice and fully tested hypotheses relevant to short-term plasticity.Loss of VAMP7 has been previously reported not to cause major developmental orneurological deficits (Sato et al., 2011; Danglot et al., 2012). Presynapticmechanisms of short-term plasticity at the hippocampal mossy fiber also seemunaffected for potential reasons that will be discussed.2) CA3 Circuits Probed with RABV-Tracing and Paired RecordingsWe developed a technique to establish paired recordings between connected dentategyrus granule cells and CA3 pyramidal cells (GC-CA3) in mouse hippocampalorganotypic slice cultures. To identify direct presynaptic partners to a defined targetCA3 pyramidal cell, we combined single-cell electroporation (SCE) and mono-transsynaptictracing based on a pseudotyped, recombinant rabies virus (EnvApseudotyped RABV ΔG). Using SCE we transfected a single CA3 pyramidal cell perslice with the plasmids encoding: the RABV envelope glycoprotein (RG), afluorescent reporter, and TVA (the EnvA cognate surface receptor, which has nohomologue in mammalian cells). The slices were subsequently infected with EnvApseudotyped RABV ΔG. After 3-4 days, the RABV mono-trans-synaptic tracingrevealed the presynaptic inputs of that single neuron. Then, we were able toestablish paired recordings between connected GC-CA3 cells, as well as to quantifythe presynaptic partners of the starter CA3 pyramidal cell. / De mosvezel van de hippocampus kenmerkt zich door een bijzondere morfologie,uitzonderlijke synaptische transmissie en presynaptische plasticiteit. De synapswordt ook wel "leraar" of "detonator" genoemd vanwege zijn waarschijnlijke rol in decodering van het episodisch geheugen. Toch blijven de specifieke moleculairemechanismen van dit synaps onbekend. Dit werk bestaat uit twee delen:1) Fenotypering van mosvezel synapsen van de hippocampus in VAMP7 KO muizenVAMP7 is een vesicle-SNARE van de longin familie van belang bij de groei vanneurieten tijdens de ontwikkeling. In de volwassen hersenen, wordt VAMP7 verrijkt ineen subset van zenuwuiteinden, vooral in de mosvezel van de hippocampus. Weanalyseerden VAMP7 functie in neurotransmitter afgifte door het karakteriseren vanbasale en opgeroepen transmissie bij deze synaps in KO muizen. Eerder is algesteld dat gebrek aan VAMP7 niet leidt tot grote ontwikkelings- of neurologischeafwijkingen (Sato et al., 2011; Danglot et al., 2012). Presynaptische mechanismenvan korte termijn plasticiteit in de mosvezel van de hippocampus lijken ookonaangetast te zijn, de mogelijke redenen hiervoor zullen worden besproken.2) CA3 circuits onderzocht met behulp van RABV-tracing en gekoppelde opnamesWe ontwikkelden een techniek om gekoppelde opnames tussen korelcellen van degyrus dentatus en aangesloten CA3 piramidale cellen (KC-CA3) op zogenaamde‗mouse hippocampal organotypic slice cultures‘ te meten. Om rechtstreeksepresynaptische partners te identificeren van een specifieke CA3 piramidale cel,combineerden we single-cell electroporation (SCE) en mono-trans-synaptic tracingop basis van een pseudo-typed, recombinant rabiësvirus (EnvA pseudogetypedRABV ΔG). Met behulp van SCE transfecteerde we één CA3 piramidale cel per slicemet plasmiden die coderen voor: het RABV glycoproteïne-envelop (RG), eenfluorescerende reporter, en TVA (de aan EnvA verwante oppervlakte receptor diegeen homoloog in zoogdiercellen heeft). De slices werden vervolgens geïnfecteerdmet ENVA pseudogetyped RABV ΔG. Na 3-4 dagen bracht de RABV mono-transsynaptischetracing de presynaptische ingangen van die ene neuron aan het licht.Hierna konden we gekoppelde opnames doen tussen verbonden KC-CA3 cellen.Daarnaast konden we de presynaptische partners van de starter CA3 pyramidale celkwantificeren.