Analyse de la diffusion de la synucléine à l'aide de la microscopie super-résolutive avec une détection événementielle // Synuclein diffusion analysis in neurons using event-based super-resolution microscopy (SEVEN)

La protéine alpha-synucléine (aSyn) est largement exprimée dans le système nerveux central. Dans des conditions physiologiques, l'aSyn semble agir comme un régulateur de la libération des vésicules synaptiques. L'aSyn est fortement enrichie dans le terminal présynaptique, où elle a deux états dynamiques : des monomères solubles libres et des formes liées de manière transitoire, créant un équilibre dynamique entre les molécules liées et mobiles. Cependant, l'aSyn peut également être recrutée dans des agrégats pathologiques dans l'axone ou dans le soma, ce qui est un mécanisme courant dans plusieurs maladies neurodégénératives, notamment la maladie de Parkinson (MP), la démence à corps de Lewy (DLB) et l'atrophie multisystématisée (MSA). La relation entre le comportement de diffusion de l'aSyn au niveau des synapses et son mauvais ciblage dans les maladies protéinopathiques reste inconnue. L'hypothèse centrale de ce projet est que la diffusion et le piégeage de l'aSyn au niveau des synapses sont essentiels à sa fonction physiologique et peuvent fournir des nouvelles informations sur son comportement pathologique.

L'imagerie super-résolutive utilisant la microscopie de localisation de molécules uniques (SMLM) est idéale pour explorer ces processus, car la détection de fluorophores individuels peut fournir des informations ultra-structurelles sur le nombre et la distribution d'aSyn dans les synapses, dans le cytosol et dans les agrégats axonaux. Le suivi des fluorophores dans les images consécutives dans les cellules vivantes donne accès aux paramètres de diffusion et de liaison des protéines dans leur contexte cellulaire. La principale difficulté de la SMLM quantitative et dynamique est l'énorme variabilité de la concentration et de la mobilité d'aSyn (des molécules à diffusion libre aux agrégats denses), ce qui pose des défis en termes de résolution spatiale et temporelle.

Nous avons récemment introduit une nouvelle stratégie de la SMLM utilisant des capteurs événementiels, également appelés capteurs de vision neuromorphique. Contrairement aux caméras traditionnelles basées sur les images, ces capteurs comportent des pixels asynchrones qui ne répondent qu'aux changements d'intensité, améliorant considérablement leur capacité à imager des molécules densément emballées telles que des amas de protéines à haute résolution spatio-temporelle (microsecondes au lieu de millisecondes). Les capteurs événementiels sont donc extrêmement prometteurs pour l'étude des processus multi-échelles dans l'espace et le temps, et nous développons actuellement une nouvelle méthodologie pour une meilleure analyse de la mobilité des protéines dans des échantillons vivants. Nous appliquerons notre expertise en SMLM événementielle pour étudier la dynamique de diffusion de l'aSyn au niveau des synapses sur plusieurs ordres de grandeur, quantifier son comportement de regroupement et explorer les premières conséquences de l'agrégation d'aSyn dans les maladies protéinopathiques.
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The protein alpha-synuclein (aSyn) is widely expressed in the central nervous system. Under physiological conditions aSyn is thought to act as a regulator of synaptic vesicle release. It is highly enriched in the presynaptic terminal, where it has two dynamic states: free soluble monomers and transiently bound forms, creating a dynamic equilibrium between bound and diffusing molecules. However, aSyn can also be recruited to pathological aggregates in the axon or in the soma, which is a common mechanism in several neurodegenerative diseases including Parkinson disease (PD), dementia with Lewy bodies (DLB) and multiple system atrophy (MSA). The relationship between the diffusion behaviour of aSyn at synapses and its mis-targeting in proteopathic diseases remains unknown. The central premise of this project is that the diffusion and trapping of aSyn at synapses are essential to its physiological function, and can provide insights into its pathological behaviour.

Super-resolution imaging using single molecule localisation microscopy (SMLM) is ideal to explore these processes, because the detection of individual fluorophores can yield ultra-structural information about the numbers and distribution of aSyn at synapses, in the cytosol and in axonal aggregates. The tracking of fluorophores in subsequent image frames in live SMLM recordings gives access to diffusion and binding parameters of proteins in their cellular context. The major difficulty of quantitative and dynamic SMLM is the huge variability of aSyn concentration and mobility (from freely diffusing molecules to densely packed aggregates), which poses unique challenges in terms of spatial and temporal resolution.

We have recently introduced an entirely new approach to SMLM using event-based sensors, also known as neuromorphic vision sensors. Unlike traditional frame-based cameras, these sensors feature asynchronous pixels that respond only to intensity changes, significantly improving their capacity to image densely packed molecules such as protein clusters at high spatio-temporal resolution (microseconds instead of milliseconds). Event-based sensors therefore hold exceptional promise for studying multi-scale processes in space and time, and we are developing a new methodology for an improved analysis of protein mobility in living samples. We will apply our expertise in event-based SMLM to study the diffusion dynamics of aSyn at synapses across multiple orders of magnitude, quantify its clustering behaviour, and to explore the earliest consequences of aSyn aggregation in proteopathic diseases.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://dhns-inserm.fr/res_amyloidopathies/

Programme COFUND LIGHTinPARIS

Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health

568 Signalisations et Réseaux Intégratifs en Biologie

Nous recherchons un(e) doctorant(e) motivé(e) ayant une formation en neurosciences et/ou physique, et un intérêt marqué pour les mécanismes moléculaires des phénomènes biologiques cellulaires. Aucune compétence spécifique n'est requise, mais l'expérience dans une des techniques suivantes est un avantage : - Microscopie à fluorescence (champ large, confocale, super-résolutive) - Analyse d'images, logiciels, statistique (ImageJ, Icy, Prism, langages de programmation) - Techniques de culture cellulaire (dissection, transfection) et biologie moléculaire (clonage moléculaire) - Rédaction académique
We are seeking a motivated PhD student with a background in neuroscience and/or physics, and a strong interest in the molecular mechanisms of cell biological phenomena. No specific skill is required, but experience in any of the following techniques is an advantage: - Fluorescence microscopy (wide field, confocal, super-resolution imaging) - Image analysis, software skills, statistics (ImageJ, Icy, Prism, programming languages) - Cell culture techniques (dissection, transfection) and molecular biology (molecular cloning) - Academic writing