The purpose of this research is to advance development of a photochemical tool designed to probe the role of ionotropic glutamate receptor signaling in neurodegenerative processes, and to delve more deeply into the biological processes underlying the role of these receptors in signaling and memory formation. This ligand-targeted nanoprobe was designed and developed in our lab to label endogenous calcium-permeable AMPARs (CP-AMPARs) in live cells with minimal disruption to native receptor activity. Nanoprobe is designed to use naphthyl acetyl spermine (NASPM) as a photocleavable ligand to target and covalently label native CP-AMPARs with a non-perturbing, fluorescent marker that then allows observation of these receptors using standard epifluorescence microscopy. My contribution to this work, outlined in the aims below, is the characterization of nanoprobe using electrophysiology and fluorescent imaging to evaluate its effectiveness as an endogenous CP-AMPAR label on live neurons. Aim 1: To use whole cell patch clamp electrophysiology to test the labeling of CP-AMPARs with nanoprobe by recording changes in glutamate-evoked current through heterologously expressed GluA1-L497Y homomultimers during, pre- and post- nanoprobe labeling. Aim 2: To use fluorescent imaging to evaluate nanoprobe labeling of glutamate receptors endogenously expressed in hippocampal neurons by co-labeling nanoprobe-treated neurons with traditional antibodies to AMPAR and synaptic targets. Aim 3: To use nanoprobe to detect endogenously expressed CP-AMPARs on live neurons during the course of neuron development. Live neuronal cultures will be imaged before and after labeling with nanoprobe in young dissociated cultures (DIV 1-2) and in maturing cultures (DIV 14-17). Conclusions: Whole cell patch clamp electrophysiology results provide evidence that nanoprobe will label CP-AMPARs in a minimally-perturbing fashion that allows the receptors to resume normal activity after photolytic-release of ligand as designed. Fixed cell imaging of CP-AMPAR nanoprobe labeling was largely ineffective, and live cell imaging was not conclusive, but provided supporting evidence that nanoprobe targets and labels NASPM-sensitive endogenous glutamate receptors on live dissociated hippocampal neurons

Afin d’identifier de nouveaux régulateurs impliqués dans le contrôle du nombre des RGABAs à la synapse, nous avons utilisé la jonction neuromusculaire GABAergique du nématode Caenorhabditis elegans comme système modèle. Après mutagénèse aléatoire d’une souche knock-in exprimant les RGABAs tagués avec une protéine fluorescente (TagRFP), nous avons isolé plusieurs mutants présentant des défauts de localisation des récepteurs. Nous avons mis au point une nouvelle stratégie, basée sur l’analyse bio-informatique de données issues du séquençage du génome entier (WGS), en combinant identification et cartographie des mutations causales sans étape préalable de cartographie génétique. Sur 36 mutants analysés, nous avons retrouvé plusieurs gènes connus pour leur rôle dans la synaptogénèse GABAergique, validant ainsi notre approche. Nous avons initié la caractérisation fonctionnelle d’un nouveau gène candidat, provisoirement appelé nsp-3, qui code pour une protéine transmembranaire hautement conservée au cours de l’évolution. L’absence de nsp-3 induit la localisation ectopique de RGABAs au sein du muscle. Les récepteurs ectopiques colocalisent partiellement avec des marqueurs endosomaux. Des données d’électrophysiologie combinées à des analyses quantitatives du nombre de récepteurs synaptiques, montrent que NSP-3 régule la formation d’un pool de réserve de récepteurs sous-synaptiques. Des données pharmacologiques montrent que le recrutement de ce pool est essentiel dans la plasticité synaptique de la JNM GABAergique après un traitement aigu à l’aldicarbe, un inhibiteur de l’acétylcholine estérase (AChE). L’observation d’un reporteur transcriptionnel montre que nsp-3 est exprimé dans la plupart des tissus du vers. Des expériences de sauvetage phénotypique tissu-spécifiques et des données de colocalisation in vivo suggèrent que NSP-3 agit dans le muscle, à l’interface RE-Golgi, où elle régule le trafic des RGABAAs vers la surface. Cette étude décrit un rôle des nonaspanines dans un nouveau processus cellulaire où elles régulent le trafic des RGABAAs à la jonction neuromusculaire de C. elegans / To identify novel genes and mechanisms involved in the formation and regulation of inhibitory synapses, we used the inhibitory GABAergic neuromuscular junction of the nematode C. elegans as a genetically tractable model. After random mutagenesis of a knock-in strain expressing fluorescently tagged GABAA receptors (GABAAR), we screened for mutants with abnormal fluorescence pattern in vivo. We analyzed 36 mutant strains using a novel whole-genome sequencing strategy to simultaneously map and identify causative mutation without any prior time-consuming genetic mapping. We undertook the functional characterization of a non-characterized gene, tentatively named nsp-3, which encodes an evolutionarily conserved transmembrane protein. nsp-3 deletion using CRISPR technology causes ectopic localization of GABAAR in intracellular compartments of the muscle cell. We found partial colocalization of these ectopic receptors with endosomal markers. Interestingly, we observed a 50 % decrease of GABAAR at synapses while we saw no change in GABA neurotransmission by electrophysiology. These and additional data predict the presence of a subsynaptic pool of GABAARs, which is depleted in the absence of NSP-3. Additional pharmacological data set suggests that this pool of receptors is recruited for GABAergic synaptic plasticity upon acute aldicarb (acetylcholine esterase inhibitor) treatment. A transcriptional reporter of endogenous nsp-3 expression detected expression in most tissues of the worm. Tissue-specific rescue experiments and colocalization data show that NSP-3 functions in muscles at ER-Golgi interface to regulate GABAARs trafficking to cell surface. Our data identified a novel function of the nonaspanins in the traffic of neurotransmitter receptors in the nervous system