Elodie Martin - EPHE

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nous l’avons vu plus haut, ce recrutement indique ainsi une conformation anormale de la protéine. Bien que débattu au départ, les études récentes ont montré que le protéasome est toujours actif malgré la présence de protéines à polyQ (Bowman et al., 2005; Kaytor et al., 2004; Michalik et al., 2004). Ceci indiquerait plutôt une tentative de la cellule pour éliminer une espèce protéique toxique. Il a d’ailleurs été observé une augmentation de l’autophagie dans différents modèles de MH (Ravikumar et al., 2004). De même, l’augmentation de la clearance des protéines à polyglutamine (augmentation d’activité de l’ubiquitine/protéasome ou de l’autophagie) ou la stimulation d’un repliement normal via la surexpression de chaperons semblent des stratégies thérapeutiques prometteuses 17Bailey, C. K.Andriola, I. F.Kampinga, H. H.Merry, D. E.Department of Biochemistry and Molecular Pharmacology, Thomas Jefferson University, 208 Bluemle Life Sciences Building, 233 S. 10th Street, Philadelphia, PA 19107, USAMolecular chaperones enhance the degradation of expanded polyglutamine repeat androgen receptor in a cellular model of spinal and bulbar muscular atrophyHuman.Molecular.Genetics515-523115analysisandrogen receptoratrophyBiochemistryCAGCell CultureDiseaseenglandexpansionfamilyHalf- LifeinclusionsMolecular Chaperonesmuscular atrophyneurodegenerative diseasespharmacologypolyglutamineSBMAsolubilitytoxicityTrinucleotide Repeat Expansion2002BAILEY2002PM:11875046 (Bailey et al., 2002; Carmichael et al., 2000; Chan et al., 2000; Janer et al., 2006; Kazemi-Esfarjani and Benzer, 2000; Ravikumar et al., 2004; Warrick et al., 1999; Warrick et al., 2005). II. Dérégulations des fonctions nucléaires La localisation nucléaire de la protéine, notamment la htt et l’ataxine 1, sont des prérequis pour la pathogenèse (Klement et al., 1998; Saudou et al., 1998). Bien que n’ayant pas d’homologie fonctionnelle, la plupart des protéines à polyglutamine sont impliquées dans la régulation de la transcription (Helmlinger et al., 2006). Ainsi, les protéines mutées dans la SBMA et SCA17, nommément le AR et TBP, sont des facteurs de transcription connus (La Spada et al., 1991; Nakamura et al., 2001). Un rôle de régulation de la transcription a aussi été identifié pour la htt et l’ataxine 3 (mutée dans SCA3) (Li et al., 2002; Zuccato et al., 2003) ainsi que pour l’atrophine 1 (mutée dans DRPLA) (Zhang et al., 2002a). Enfin, l’ataxine 7 (mutée dans SCA7) et l’ataxine 1 (mutée dans SCA1) ont récemment été identifiées comme composants de complexes régulateurs de la transcription (Helmlinger et al., 2004; Lam et al., 2006; Serra et al., 2006; Tsai et al., 2004). Il faut noter que de nombreuses dérégulations transcriptionelles ont été observées précocement dans des modèles animaux et chez des patients atteints de MH, SCA1, DRPLA et SCA7, en général avant l’apparition des symptômes, des NIIs et de la dégénérescence neuronale (Abou-Sleymane et al., 2006; Cha et al., 1998; La Spada et al., 2001; Lin et al., 2000; Luthi- Carter et al., 2000). De plus, le recrutement et la séquestration de nombreux autres facteurs de transcription dans les NIIs perturberait également la régulation transcriptionelle de nombreux gènes pouvant conduire à un dysfonctionnement neuronal et une dégénérescence (Cha, 2000; La Spada et al., 2001). Il semblerait également que le métabolisme des ARN soit altéré dans ces pathologies à polyQ. En effet, l’ataxine 2, par exemple, interagit avec une protéine impliquée dans l’épissage : l’A2BP1 (pour ataxin 2 binding protein 1) (Shibata et al., 2000). De plus, les expansions trinucléotidiques transcrites, qu’elles soient traduites ou non, ont la propriété de former des épingles à cheveux au niveau ARN, capables de recruter des protéines de liaison aux ARN doubles brins (Sobczak et al., 2003). Ces structures secondaires de l’ARN peuvent provoquer une perturbation délétère de l’épissage et du traitement de certains ARN cellulaires (Peel et al., 2001). II. Dérégulations de fonctions cytoplasmiques Bien que l’action neurotoxique de ces protéines soit principalement nucléaire, ces protéines sont d’abord synthétisées dans le cytoplasme avant d’être exportées vers le noyau quand elles sont mutantes. 1) Modifications post-traductionnelles La toxicité des protéines à polyQ peut nécessiter une modification post-traductionnelle telle qu’une phospholylation, via Akt, dans le cas de l’ataxine 1 (Emamian et al., 2003). D’autre part, la relocalisation nucléaire des protéines à polyQ fait souvent intervenir un clivage protéolytique, notamment parce que les formes entières de ces protéines (> 40kD) sont trop grandes pour pouvoir entrer passivement dans le noyau (Goldfarb et al., 1986; Goldfarb et al., 1996). Ceci a en effet été mis en évidence dans le cas de la MH (DiFiglia et al., 1997) et SCA3 (Paulson et al., 1997b) ainsi que dans la SBMA, la DRPLA, SCA2 et SCA7 (Tarlac and Storey, 2003). Dans ces maladies, la présence d’une forme tronquée de la protéine semble très fortement liée à la translocation de la protéine dans le noyau (Paulson et al., 1997a; Paulson et al., 1997b) et à la toxicité (Ellerby et al., 1999a; Ellerby et al., 1999b; Paulson et al., 1997a; Paulson et al., 1997b; Warrick et al., 1998). Ces formes clivées seraient obtenues suite à l’action de caspases activées que l’on retrouve dans les NIIs (Sanchez et al., 1999; Zander et al., 2001) et dont ces protéines à polyglutamine sont des substrats (Wellington et al., 1998). En revanche, l’ataxine 1 et TBP, toutes deux nucléaires, ne semblent pas clivées par les caspases (Ellerby et al., 1999b; Wellington and Hayden, 2000). Ainsi, le blocage des voies apoptotiques et en particulier des caspases activées a démontré une certaine efficacité de neuroprotection dans les maladies à polyglutamine in vitro (Wellington et al., 2000) et in vivo chez la Drosophile (Warrick et al., 1998) et la souris (Chen et al., 2000; Kim et al., 1999a). Cependant, l’apoptose étant un évènement tardif de la dysfonction cellulaire, l’inhibition du clivage protéique pourrait s’avérer d’un intérêt thérapeutique limité dans ces maladies. 2) Dysfonctions mitochondriales Des dysfonctions mitochondriales et des anomalies du métabolisme énergétique ont été mises en évidence très tôt dans les maladies à polyglutamine. Ainsi, il a été observé une réduction du métabolisme du glucose et de l’activité des complexes mitochondriaux ainsi qu’une élévation du niveau de lactate chez les patients atteints de MH (Browne et al., 1997; Gu et al., 1996). Ces anomalies métaboliques sont d’ailleurs observées très précocement chez les individus porteurs de la htt mutée, plusieurs années avant l’apparition des symptômes (Antonini et al., 1996; Feigin et al., 2001). Ces défauts métaboliques et ces atteintes mitochondriales semblent partagées par les autres maladies à polyglutamine comme SCA1, SCA2 et SCA3 (Mastrogiacomo et al., 1996; Matsuishi et al., 1996). De plus, l’absorption de composés stimulant le métabolisme énergétique, tels le coenzyme Q10 ou la créatine se sont révélés protecteurs dans des modèles murins de MH et de SCA1 (Ferrante et al., 2002; Ferrante et al., 2000). Cette atteinte mitochondriale pourrait participer à la neurotoxicité des polyQ. En effet, la déplétion en énergie entraîne des perturbations de l’homéostasie du calcium et du traffic intracellulaire, deux processus clés de la préservation des neurones. IV. Perturbation de la fonction normale des protéines Comme nous l’avons vu plus haut, malgré un effet indéniable de l’expansion de polyQ dans la pathologie par gain de fonction toxique, une perte de fonction partielle de la protéine et/ou de son complexe protéique contribue certainement aux processus pathologiques (voir chapitre C. II.) V. Bilan Ces études nous permettent de dire que les cellules ne subissent pas passivement l’expression et l’action de protéines délétères mais réagissent activement pour essayer d’éliminer ces produits toxiques. Il semble ainsi que les NIIs résultent à la fois d’un mécanisme gain de fonction intrinsèque aux protéines avec expansion de polyglutamine et d’un mécanisme cellulaire visant à re-conformer ces protéines correctement et/ou à les cibler vers des sites de dégradation. Reste une question d’équilibre entre d’un côté les effets délétères de ces agrégats qui encombrent la cellule et EPHE Banque de Monographies SVT 10
attirent et séquestrent des composants cellulaires majeurs et d’un autre côté la protection cellulaire qui peut résulter de la concentration des protéines délétères au sein de « paquets» dans lesquels leurs interactions sont limitées et elles y sont dégradées. De plus, les protéines mutantes semblent engendrer des dérégulations précoces au niveau cytoplasmique qui peuvent à long terme participer directement à la neurodégénérescence, notamment en altérant le métabolisme mitochondrial. Ces dérégulations primaires sont potentiellement à l’origine de la translocation des protéines mutantes vers le noyau, via l’action de protéases spécifiques comme les caspases, lorsque ces protéines ne sont pas naturellement nucléaires. Une fois ce passage dans le noyau réalisé, sans lequel ces protéines restent peu ou pas toxiques, elles entraînent de nombreuses dérégulations transcriptionnelles. Celles-ci ont pour conséquence de renforcer les altérations cytoplasmiques et d’entraîner des perturbations cellulaires en cascade, causant de graves dysfonctions neuronales et aboutissant finalement à la mort de la cellule. E. L’ataxie spinocérébelleuse de type 7 (SCA7) Au cours de la préparation de mon diplôme EPHE, j’ai tenté d’apporter quelques compléments de réponse aux questions concernant les mécanismes physiopathologiques mis en jeu dans des pathologies à polyQ grâce à l’étude de modèles in vitro et in vivo de l’une ce ces maladies, l’ataxie spinocérébelleuse de type 7 (SCA7). I. Un bon modèle d’étude L’ataxie SCA7 fait partie des maladies à polyQ (Stevanin et al., 1998). Parmi ces dernières, la plus étudiée est la MH, mais 7 des neufs maladies à polyglutamine actuellement identifiées sont des ataxies spinocérébelleuses (SCA1, 2, 3, 6, 7, 17 et DRPLA). SCA7 représente un modèle d’étude intéressant car on y retrouve toutes les caractéristiques majeures de ces ataxies à polyglutamine et des maladies à polyglutamine en général. Comme la plupart des ataxies spinocérébelleuses, les cibles principales atteintes dans SCA7 sont le cervelet, avec une perte massive des cellules de Purkinje, et le tronc cérébral (Michalik et al., 2004). Les lésions observées résultent le plus souvent d’une évolution lentement progressive mais il a été rapporté des atteintes multisystémiques (notamment cardiaques) d’évolution rapide chez les cas infantiles (Benton et al., 1998; David et al., 1998; Whitney et al., 2007). L’ataxie SCA7 se distingue toutefois des autres ataxies à polyQ par la présence d’une atteinte de la rétine, se traduisant pas une perte d’acuité visuelle pouvant entraîner la cécité des patients (Enevoldson et al., 1994; Gouw et al., 1994). Cette rétinopathie est due à une dégénérescence des photorécepteurs affectant tout d’abord les cônes puis les bâtonnets (Michalik et al., 2004). II. Historique de l’identification du gène SCA7 Le gène SCA7 a été localisé sur le chromosome 3 en position 3p12-13 au sein de notre laboratoire (Benomar et al., 1995; David et al., 1996). Du fait de l’existence d’un phénomène d’anticipation très marqué dans les familles (Benomar et al., 1994), il a été très vite proposé que la mutation en cause soit en fait une mutation dynamique. Deux techniques différentes ont permis de prouver cela: 1) d’une part la mise en évidence d’une protéine porteuse d’une longue séquence de polyglutamine reconnue par l’anticorps 1C2 chez les patients par rapport aux contrôles à partir d’extraits protéiques de lymphoblastes et de cortex cérébral (Stevanin et al., 1996; Trottier et al., 1995); 2) et d’autre part, la mise en évidence de fragments génomiques CAG répétés de plus grande taille chez les patients que chez les contrôles par la technique Repeat Expansion Detection (Lindblad et al., 1996). Le clonage du gène SCA7 a donc été réalisé en mettant cette connaissance à profit par la recherche de séquences CAG répétées dans l’ADN génomique de la région candidate en 3p. C’est ainsi qu’un ADNc nouveau, comportant un motif répété de 10 CAG, a pu être identifié. Ce motif répété était allongé de plusieurs dizaines d’unités chez les patients (David et al., 1997). III. Caractéristiques du gène SCA7 et de la protéine ataxine 7 (Atxn7) Le gène SCA7 code pour la protéine ataxine 7 (892 acides aminés) qui est exprimée de façon ubiquitaire dans le cerveau ainsi que dans de nombreux tissus. Elle présente généralement une localisation nucléaire et cytoplasmique (Cancel et al., 2000) qui semble être régulée par les différents sites de localisation nucléaire ou d’export nucléaire présents sur la séquence protéique. Chez les patients, on observe une accumulation nucléaire de la protéine ainsi que la formation de NIIs (Cancel et al., 2000; Holmberg et al., 1998). La présence de ces NIIs n’est pas corrélée avec la perte neuronale alors que l’accumulation nucléaire l’est (Cancel et al., 2000; Holmberg et al., 1998; Jonasson et al., 2002). Cette accumulation nucléaire de l’ataxine 7 est peut-être régulée par le clivage de la protéine dont un fragment N-terminal a été décrit à plusieurs reprises dans des modèles murins et chez des patients (Garden et al., 2002; Yvert et al., 2000). La protéine présente notamment différents sites de clivages par la caspase 7 (aux acides aminés 266 et 344) qui semblent pouvoir réguler la localisation et la cytotoxicité de cette protéine (Garden, 2006). 1) La fonction de l’ataxine7 Comme plusieurs autres protéines à polyglutamine, l’ataxine 7 joue un rôle dans la régulation de la transcription. En effet, il a été montré en 2004 que l’ataxine 7 appartient aux complexes SAGA-like : TFTC (TATA-binding protein-free TAF-containing complex) et STAGA (SPT3/TAF9/GCN5 acetyltransferase complex), impliqués dans l’acétylation des histones, l’épissage et la réparation de l’ADN (Helmlinger et al., 2004). La fonction précise de l’Atxn7 au sein de ces complexes n’est pas encore connue mais il semblerait qu’elle interagisse directement avec la protéine acétyl-transférase GCN5 de ces complexes. L’ataxine-7 mutée paraît être responsable d’une dérégulation de l’acétylation des histones entraînant une modification du niveau de transcription de certains gènes (Helmlinger et al., 2006; Palhan et al., 2005; Strom et al., 2005). Une baisse de la transcription des gènes rétiniens (Abou-Sleymane et al., 2006; Helmlinger et al., 2006; McMahon et al., 2005; Palhan et al., 2005) et de la transcription dépendante de CBP ou de RORα1 (Strom et al., 2005) sont ainsi observés. Cependant, l’altération de l’activité histone acétyl-transférase des complexes semble variable (Helmlinger et al., 2006; McMahon et al., 2005) et l’activité normale de l’ataxine 7 native reste confuse entre une potentielle fonction activatrice (McMahon et al., 2005; Palhan et al., 2005) ou une fonction inhibitrice (Strom et al., 2005). La question d’un gain de fonction normale et/ou d’une perte de fonction partielle reste donc posée dans SCA7. 2) Les différents modèles expérimentaux Toutes ces caractéristiques font de SCA7 un modèle très pertinent pour l’étude des maladies à polyglutamine. Ainsi, différents modèles in vitro et in vivo de cette maladie ont été mis au point, notamment dans notre équipe, pour tenter de comprendre les mécanismes physiopathologiques impliqués dans SCA7. F. Problématique et Objectifs I. Modélisation chez la Drosophile comme outil de choix pour identifier des voies d’intérêt thérapeutique EPHE Banque de Monographies SVT 11
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