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FONCTIONS DES PROTEINES D’ADHESION DANS LE DEVELOPPEMENT DU SYSTEME NERVEUX.
Concepts généraux
Les molécules d’adhésion participent à toutes les étapes conduisant à la mise en place de la structure finale du réseau neuronal (migration neuronale, dendritogénèse, croissance axonale, synaptogénèse) ainsi qu’à sa maturation, stabilisation et plasticité. Chacune de ces étapes nécessite l’expression finement régulée dans le temps et dans l’espace de centaines de molécules incluant les protéines d’adhésion. Ces protéines d’adhésion interagissent spécifiquement avec certains partenaires en cis ou en trans (c’est-à-dire, par exemple, qu’une protéine de localisation post synaptique peut interagir avec une protéine respectivement post ou pré synaptique). Elles permettent de stabiliser mécaniquement certaines structures dans leur environnement (synapse, dendrites,…) mais ont des fonctions plus complexes, notamment parce qu’elles sont capables de transduire un signal intra cellulaire à destinations multiples (cytosquelette, calcium, ADN, …). Depuis l’accumulation importante de connaissances à leur sujet, plusieurs concepts clés ont émergé.
Regroupement en familles protéiques
Ces protéines sont principalement réunies en familles qui partagent des mêmes domaines protéiques : domaines Immunglobuline (Ig) (NCAM, L1CAM, SynCAM), Leucin Rich Repeat (LRR) (SALMs, NGLs, LRRTMs), Cadhérines. Les membres d’une même famille peuvent avoir des fonctions proches qui peuvent être partiellement redondantes avec des différences parfois subtiles, ou au contraire avoir des fonctions bien distinctes, comme peuvent en témoigner des patrons d’expression spatio temporels non chevauchants. La multitude des Cadhérines, du fait de leur interaction homophilique, sert par exemple un code combinatoire permettant à différentes populations neuronales de ne pas résider dans une même région cérébrale et participe à la morphogénèse des structures cérébrales (Redies, Hertel, and Hübner 2012). Les différentes SALMs et Neuroligins ont quasiment toutes un rôle dans la synaptogénèse, mais diffèrent quant à la nature du sous type synaptique où elles exercent leur fonctions : Neuroligin2 et SALM3 par exemple ont un rôle majeur dans la synaptogénèse inhibitrice, que les autres membres de la famille n’ont pas (Krueger et al. 2012; J. Nam, Mah, and Kim 2011). En revanche, une des protéines SALM -SALM1- n’a pas de fonction synaptique clairement identifiée, mais favorise la croissance dendritique et axonale (P. Y. Wang, Seabold, and Wenthold 2008).
Pléiotropie
Il est très fréquent qu’une seule protéine puisse avoir plusieurs fonctions, souvent dans des contextes spatiaux ou temporels différents. Les phénomènes mécanistiques qui sous-tendent la fonction ne sont pas nécessairement les mêmes, avec des interactions protéiques pouvant exister uniquement pour une seule fonction. Par exemple, EphB2, un récepteur tyrosine kinase qui interagit principalement avec les ephrinsB, a été d’abord identifié comme transducteur d’un signal de répulsion dans le cône de croissance d’axones de neurones corticaux, via son interaction directe avec la protéine Pak (Srivastava et al. 2013). Puis son rôle propre dans la synaptogénèse excitatrice a été mis en évidence, avec une fonction de recrutement des récepteurs NMDA via une interaction extra cellulaire directe (Dalva, McClelland, and Kayser 2007).
Redondance
Il semble que les fonctions de nombre de ces protéines soient redondantes avec d’autres membres de la même famille. Ce phénomène est observé notamment lors de l’étude des phénotypes de souris KO pour des gènes codant des protéines d’adhésion. Lorsque un gène est déficient, le phénotype est souvent considéré comme normal, et plusieurs gènes de protéines similaires doivent être invalidés pour produire un phénotype pathologique comme pour les Neuroligins (Piechotta, Dudanova, and Missler 2006) (voir sections suivantes de ce manuscrit pour détails). Autre exemple, la protéine transmembranaire SynCAM de localisation synaptique fut une des premières à démontrer in vitro une activité « synaptogénique », suggérant un rôle majeur dans la synaptogénèse (on définit ici l’effet synaptogénique d’une protéine quand elle suffit à elle seule à induire la formation d’une différenciation pré ou postsynaptique in vitro). Comme pour d’autres gènes, la souris KO ne démontra aucun phénotype neurologique évident (Fujita et al. 2006). Il est donc très probable qu’une fonction aussi cruciale que la synaptogénèse centrale soit servie par plusieurs protéines à fonctions partiellement redondantes, même si cela n’est pas le cas pour la synaptogénèse de la jonction neuromusculaire, complètement désorganisée en l’absence de la protéine Agrin (Gautam et al. 1996). Cependant, il est également possible que les souris KO sans phénotype pathologique neurologique aient en fait des déficits subtils difficiles à mettre en évidence chez la souris.
Dissemblances entre les phénotypes in vitro et in vivo
L’exemple le plus démonstratif est celui de la fonction in vitro dite « synaptogénique» de certaines protéines d’adhésion, comme précédemment évoqué pour SynCAM (Craig, Graf, and Linhoff 2006). De même, certains gènes codant des protéines d’adhésion ont été invalidés in vitro par ARN interférence, avec obtention d’un phénotype in vitro reproductible suggérant un rôle dans la synaptogénèse, souvent une diminution du nombre de synapses (ex : SALMs, Neuroligins) (Dalva, McClelland, and Kayser 2007). Pourtant in vivo, par exemple pour les souris KO Neuroligin, le nombre de synapses n’est pas modifié (Varoqueaux et al. 2006). Cela ne peut être que partiellement expliqué par la redondance de fonctions des protéines d’adhésion, et démontre les limites des modèles de culture cellulaire pour appréhender certaines fonctions.
Complexité du protéome
Théoriquement, les possibilités de complexifier les modes d’action de ces protéines d’adhésion sont immenses : plusieurs d’entre elles peuvent subir un épissage alternatif augmentant de manière considérable le nombre d’isoformes pouvant être produites à partir d’un seul gène (exemple des Neurexines) (Krueger et al. 2012). Les modifications post traductionnelles, comme la glycosylation et le clivage par des protéases participent également à accroître cette complexité (Weber and Saftig 2012). Les protéases qui clivent une protéine transmembranaire par exemple peuvent à la fois modifier la fonction du fragment transmembranaire restant et libérer une fonction via le fragment sécrété qui pourra agir à distance du site de clivage. Ces deux phénomènes participent aux fonctions de NCAM, par exemple .
Implication dans les maladies neuropsychiatriques
Enfin, l’implication clinique de ces gènes codant pour des protéines d’adhésion a une place importante dans la physiopathologie de certaines maladies neuro psychiatriques dite neuro développementales : la schizophrénie, l’autisme, la maladie bipolaire, l’épilepsie, le retard mental (Hosak 2013; Matsushima et al. 2005; Pandolfo 2013; Raymond and Tarpey 2006; Redies, Hertel, and Hübner 2012; Ye, Liu, and Wu 2010). Quelques uns de ces gènes ont une association de causalité à la maladie. Une délétion de novo de 320 kb incluant le promoteur et les premiers exons du gène Neurexin 1 a été identifiée chez un patient de 7 ans souffrant du syndrome d’Asperger, qui est une forme particulière d’autisme (Friedman et al. 2006). Puis d’autres études ont confirmé l’imputabilité de Neurexin 1, notamment une étude trouvant chez 4 patients autistes une mutation faux sens dans la région du signal peptide de Neurexin 1 alors qu’il n’y en avait aucune dans une population saine de 535 individus (Feng et al. 2006). Neurexin 1 est aussi impliqué dans la schizophrénie: des délétions de Neurexin 1 comprenant des exons ont été trouvées beaucoup plus fréquemment dans une population de patients schizophrènes en comparaison à une population contrôle (Rujescu et al. 2009). Parmi les interacteurs des Neurexins, Neuroligin 3 est également fortement associé à l’autisme avec notamment une mutation faux sens du domaine estérase identifié dans une famille suédoise avec deux enfants atteints (Jamain et al. 2003). Globalement il est intéressant de constater que parmi les gènes associés à l’autisme, qui est une maladie à fort substrat génétique mais très hétérogène tant en clinique qu’en génétique, les gènes liés aux protéines d’adhésion ont une place prépondérante (Ye, Liu, and Wu 2010). Les autres gènes impliqués sont répertoriés sur le tableau I-1. L1CAM, codant pour une protéine d’adhésion avec domaines Ig like, est responsable d’un syndrome associant un retard mental à des anomalies morphologiques cérébrales et extra cérébrales (Chidsey et al. 2014). Enfin, des mutations de PCDH19, un gène lié à l’X codant pour une protocadhérine, est responsable uniquement chez les femmes d’une épilepsie avec retard mental, mais aussi d’une épilepsie sans atteinte des fonctions cognitives (Depienne et al. 2011; Redies, Hertel, and Hübner 2012).
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Table des matières
I. INTRODUCTION
A. FONCTIONS DES PROTEINES D’ADHESION DANS LE DEVELOPPEMENT DU SYSTEME NERVEUX
1. Concepts généraux
2. Exemples de quelques familles de protéines d’adhésion
a) Neuroligins (Nlg) et Neurexins (Nrx)
b) NGL (Netrin-G Ligand) et Netrin-G
c) SALMs (Synaptic Adhesion-Like Molecule)
d) LRRTM (Leucin Rich Repeat Transmembrane Protein)
e) Ig CAM (Cell Adhesion Molecules) : L1CAM, NCAM.
f) Intégrines
g) Cadhérines
B. IDENTIFICATION D’UNE NOUVELLE FAMILLE DE PROTEINES D’ADHESION A FONCTIONS NEURONALES : LES PROTEINES A DOMAINES CCP (COMPLEMENT CONTROL PROTEIN)
1. Les domaines CCP et le système du Complément
2. Les protéines à domaines CCP avec fonctions neuronales
a) Chez les invertébrés
b) Chez les mammifères
3. Les protéines du système du complément ayant un rôle dans le SNC.
C. SUSD2 et SUSD4 sont des protéines qui peuvent avoir des fonctions intéressantes au sein du SNC.
1. SUSD2 (Sushi Domain containing protein 2)
2. SUSD4 (Sushi Domain containing protein 4)
D. LA CULTURE PRIMAIRE DE CELLULES D’HIPPOCAMPE DE RAT : UN MODELE D’ETUDE POUR LE DEVELOPPEMENT DU SNC
II. ARTICLE « Susd2 »
III. RESULTATS / MATERIEL ET METHODES : SUSD4
A. RESULTATS
1. Expression tissulaire de Susd4 (ARNm) dans le tissu
2. Expression de Susd4 dans des cultures primaires de cellules hippocampiques
3. Topologie de SUSD4
4. Effets des modifications d’expression de Susd4 sur le nombre de synapses
5. Effets des modifications d’expression de Susd4 sur la morphologie dendritique
B. MATERIEL ET METHODES
IV. DISCUSSION
A. Expression spatio temporelle de Susd2 et Susd4 dans le système nerveux central.
B. Clivage de la protéine Susd2
C. Fonction synaptique de Susd2
D. Fonction de régulation de croissance neuritique de Susd2 et Susd4
1. Rôle de Susd2 dans la croissance axonale
2. Rôle de Susd2 et Susd4 dans la croissance dendritique
3. Rôle de Susd2 dans la régulation différentielle entre croissance axonale et dendritique.
E. Interacteurs de Susd2
V. CONCLUSION
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