Botulinum neurotoxin type-A enters a non-recycling pool of synaptic vesicles

Neuronal communication relies on synaptic vesicles undergoing regulated exocytosis and recycling for multiple rounds of fusion. Whether all synaptic vesicles have identical protein content has been challenged, suggesting that their recycling ability may differ greatly. Botulinum neurotoxin type-A (BoNT/A) is a highly potent neurotoxin that is internalized in synaptic vesicles at motor nerve terminals and induces flaccid paralysis. Recently, BoNT/A was also shown to undergo retrograde transport, suggesting it might enter a specific pool of synaptic vesicles with a retrograde trafficking fate. Using high-resolution microscopy techniques including electron microscopy and single molecule imaging, we found that the BoNT/A binding domain is internalized within a subset of vesicles that only partially co-localize with cholera toxin B-subunit and have markedly reduced VAMP2 immunoreactivity. Synaptic vesicles loaded with pHrodo-BoNT/A-Hc exhibited a significantly reduced ability to fuse with the plasma membrane in mouse hippocampal nerve terminals when compared with pHrodo-dextran-containing synaptic vesicles and pHrodo-labeled anti-GFP nanobodies bound to VAMP2-pHluorin or vGlut-pHluorin. Similar results were also obtained at the amphibian neuromuscular junction. These results reveal that BoNT/A is internalized in a subpopulation of synaptic vesicles that are not destined to recycle, highlighting the existence of significant molecular and functional heterogeneity between synaptic vesicles.

Modulation de l’expression du transporteur vésiculaire du glutamate : implication dans la plasticité des neurones dopaminergiques

De nombreuses études ont établi que la majorité des neurones libèrent plus qu’une substance chimique. Il est bien connu que les neurones peuvent co-exprimer et co-libérer des neuropeptides en plus de leur neurotransmetteur, mais des évidences de la co-libération de deux petits neurotransmetteurs à action rapide se sont accumulées récemment. Des enregistrements électrophysiologiques ont aussi montré que des neurones sérotoninergiques et dopaminergiques isolés peuvent libérer du glutamate quand ils sont placés en culture. De plus, la présence de glutamate et de glutaminase a été détectée dans des neurones sérotoninergiques, dopaminergiques et noradrénergiques par immunomarquage sur des tranches de cerveau. Malheureusement, en considérant le rôle métabolique du glutamate, sa détection immunologique n’est pas suffisante pour assurer le phénotype glutamatergique d’un neurone. Récemment, la découverte de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1-3) a grandement facilité l’identification des neurones glutamatergiques. Ces transporteurs sont nécessaires pour la libération de glutamate et constituent les premiers marqueurs morphologiques du phénotype glutamatergique. Il a été démontré que des neurones noradrénergiques expriment VGLUT2 et que des neurones sérotoninergiques expriment VGLUT3. Mais aucune évidence d’expression d’un des sous-types de VGLUT n’a été reportée pour les neurones dopaminergiques. Le but de notre travail était d’identifier quel sous-type de VGLUT est exprimé par les neurones dopaminergiques mésencéphaliques, et de déterminer si le phénotype glutamatergique de ces neurones peut être modulé dans des conditions particulières. Premièrement, nous avons utilisé des microcultures pour isoler les neurones dopaminergiques et des doubles marquages immunocytochimiques pour observer l’expression de VGLUT dans les neurones positifs pour la tyrosine hydroxylase (TH). Nous avons montré que la majorité (80%) des neurones TH+ isolés exprime spécifiquement VGLUT2. Cette expression est précoce au cours du développement in vitro et limitée aux projections axonales des neurones dopaminergiques. Toutefois, cette forte expression in vitro contraste avec la non-détection de ce transporteur dans les rats adultes in vivo. Nous avons décidé ensuite de regarder si l’expression de VGLUT2 pouvait être régulée pendant le développement cérébral de jeunes rats et sous des conditions traumatiques, par double hybridation in situ. Entre 14 et 16 jours embryonnaires, les marquages de VGLUT2 et de TH montraient une superposition significative qui n’était pas retrouvée à des stades ultérieurs. Dans le mésencéphale de jeunes rats postnataux, nous avons détecté l’ARNm de VGLUT2 dans environs 1-2% des neurones exprimant l’ARNm de TH dans la substance noire et l’aire tegmentaire ventrale (ATV). Pour explorer la régulation de l’expression de VGLUT2 dans des conditions traumatiques, nous avons utilisé la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) pour léser les neurones dopaminergiques dans les jeunes rats. Dix jours après la chirurgie, nous avons trouvé que 27% des neurones dopaminergiques survivants dans l’ATV exprimaient l’ARNm de VGLUT2 dans les rats 6-OHDA. Finalement, nous avons observé la colocalisation de la protéine VGLUT2 dans les terminaisons TH positives par microscopie électronique. Dans les rats normaux, la protéine VGLUT2 est retrouvée dans 28% des terminaisons axonales TH dans le noyau accumbens. Dans les rats lésés à la 6-OHDA, nous avons observé une diminution considérable des terminaisons TH positives, et une augmentation dans la proportion (37%) des terminaisons dopaminergiques présentant du VGLUT2. Nos résultats suggèrent que le phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques est régulé au cours du développement, peut être réactivé dans des états pathologiques, et que ces neurones peuvent libérer du glutamate dans conditions spécifiques.

Neurochemistry of the afferents to the rat cochlear root nucleus: Possible synaptic modulation of the acoustic startle

Afferents to the primary startle circuit are essential for the elicitation and modulation of the acoustic startle reflex (ASR). In the rat, cochlear root neurons (CRNs) comprise the first component of the acoustic startle circuit and play a crucial role in mediating the ASR. Nevertheless, the neurochemical pattern of their afferents remains unclear. To determine the distribution of excitatory and inhibitory inputs, we used confocal microscopy to analyze the immunostaining for vesicular glutamate and GABA transporter proteins (VGLUT1 and VGAT) on retrogradely labeled CRNs. We also used reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) and immunohistochemistry to detect and localize specific neurotransmitter receptor subunits in the cochlear root. Our results show differential distributions of VGLUT1- and VGAT-immunoreactive endings around cell bodies and dendrites. The RT-PCR data showed a positive band for several ionotropic glutamate receptor subunits, M1-M5 muscarinic receptor subtypes, the glycine receptor alpha 1 subunit (GlyR alpha 1), GABA(A), GABA(B), and subunits of alpha 2 and beta-noradrenergic receptors. By immunohistochemistry, we confirmed that CRN cell bodies exhibit positive immunoreaction for the glutamate receptor (GluR) 3 and NR1 GluR subunits. Cell bodies and dendrites were also positive for M2 and M4, and GlyR alpha 1. Other subunits, such as GluR1 and GluR4 of the AMPA GluRs, were observed in glial cells neighboring unlabeled CRN cell bodies. We further confirmed the existence of nor-adrenergic afferents onto CRNs from the locus coeruleus by combining tyrosine hydroxylase immunohistochemistry and tract-tracing experiments. Our results provide valuable information toward understanding how CRNs might integrate excitatory and inhibitory inputs, and hence how they could elicit and modulate the ASR. (C) 2008 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.