La maladie d’Alzheimer (MA) : la tauopathie la plus fréquente

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La protéine Tau en condition physiologique et pathologique

La protéine Tau en condition physiologique

Localisation subcellulaire de la protéine Tau

La protéine Tau, découverte en 1975 par Weingarten et coll., appartient à la famille des « MAP » pour Microtubule-Associated Proteins (Weingarten, 1975). Elle participe au maintien et à la stabilité du cytosquelette neuronal, ainsi qu’au transport des vésicules le long des axones par sa fixation sur les microtubules. Dans le cerveau, la protéine Tau est principalement exprimée dans les neurones (Binder et al., 1985) mais est aussi présente en faible quantité dans les cellules gliales (Papasozomenos and Binder, 1987), notamment les oligodendrocytes (LoPresti et al., 1995). Ces résultats ont été confirmés par analyse des ARNm chez la souris (Couchie et al., 1988) et plus récemment par des analyses transcriptomiques à plus grande échelle (Zhang et al., 2014). Cette protéine est principalement présente dans les axones (Binder et al. 1985), mais elle est également observée en concentration plus faible dans le compartiment somatodendritique (Tashiro et al., 1997), dans lequel la dynamique microtubulaire est sous le contrôle d’une autre protéine, la Microtubule Associated Protein 2 ou MAP2 (Caceres et al., 1984). Au niveau de l’axone, il existe en effet un gradient de concentration de la protéine Tau, peu présente vers le soma, c’est-à-dire en région proximale, et de plus en plus présente vers le bouton synaptique, en région distale (Dotti et al., 1987). Cette protéine est aussi présente au niveau du noyau, où elle participe à la protection de l’ADN en condition de stress (Bukar Maina et al., 2016; Sultan et al., 2011). Il existe donc une répartition particulière de la protéine Tau au sein de chaque compartiment neuronal. Dans les oligodendrocytes, qui sont des cellules riches en microtubules, Tau est principalement exprimé dans le soma et dans les prolongements cellulaires (LoPresti et al., 1995). Dans les astrocytes, Tau ne semble pas avoir un rôle majeur dans le maintien du cytosquelette (Papasozomenos and Binder, 1987).

Les différentes isoformes de Tau

Chez l’Homme, il existe six isoformes de Tau dans le cerveau, produites par épissage alternatif du pré-ARNm issu du gène MAPT, situé sur le chromosome 17q21 (Neve et al., 1986). Ces isoformes se distinguent par le nombre de répétitions de deux motifs situés respectivement dans les régions amino- et carboxy-terminales. Le motif situé au niveau du domaine carboxy-terminal, noté R (ou MBD pour Microtubule Binding Domain), constitue le point d’ancrage de la protéine Tau sur les microtubules, et peut être présent sous forme de trois ou quatre répétitions, les isoformes sont alors appelées formes 3R ou formes 4R (Andreadis, 2012). Les formes 4R de la protéine Tau se fixent de manière plus stable aux microtubules (Goedert and Jakes, 1990), permettant ainsi de moduler la longueur des neurites et la plasticité neuronale. Ceci est probablement dû à la présence de séquences inter-répétées entre le premier et le deuxième motif de liaison aux microtubules, qui est unique aux isoformes 4R (Goedert and Jakes, 1990). Dans le cerveau adulte humain, les deux formes 3R et 4R sont exprimées mais le schéma d’expression peut varier en fonction des populations neuronales considérées. Ainsi, les isoformes 3R et 4R sont toutes deux présentes dans les cellules pyramidales du cortex et de l’hippocampe, alors que les cellules granulaires du gyrus denté n’expriment que les isoformes 3R (M. Goedert et al., 1989). Chez la souris, seule la forme 4R est exprimée dans le cerveau adulte (McMillan et al., 2008). Le niveau amino-terminal quant à lui contient une région riche en Proline, et est appelé domaine de projection car il ne présente pas d’interaction avec les microtubules et projette vers membrane plasmique (Hirokawa et al., 1988). Au niveau du domaine amino-terminal, les isoformes diffèrent par l’absence ou la présence de un ou deux motif(s) noté(s) N (0N, 1N ou 2N) (M Goedert et al., 1989). On obtient ainsi six formes possibles en fonction de la combinaison du nombre de MBD et de motif(s) N (Figure 3).
Figure 3 : La protéine Tau humaine : aperçu de l’organisation génomique du gène MAPT et de l’expression de ses isoformes.
Le gène MAPT est localisé sur le bras long du chromosome 17, en position 17q21,31. Il existe deux haplotypes, H1 et H2, dus à une inversion du locus d’environ 900 kb. Le gène MAPT comprend 16 exons. Dans le système nerveux central (SNC), les exons 2, 3 et 10 sont alternativement épissés produisant ainsi 6 isoformes de Tau caractérisées par l’absence (0N), un (1N) ou 2 (2N), motifs au niveau du domaine amino-terminal, en combinaison avec 3 (3R) ou 4 (4R) motifs au niveau du domaine carboxy-terminal. D’après Arendt et al., 2016.

Les modifications post-traductionnelles de Tau

La protéine Tau est une protéine très soluble, nativement non repliée et ayant un faible degré de structures secondaires de type hélice α, feuillet β ou hélice de poly-proline II, qui, de plus, sont transitoires (Jeganathan et al., 2008; Uversky, 2002). En plus de l’épissage alternatif de son ARNm, les interactions fonctionnelles de Tau sont hautement régulées au niveau post-traductionnel. Tau est une phosphoprotéine comprenant plus de 80 sites de phosphorylation potentiels (dont 45 sérines, 35 thréonines et 5 tyrosines) (Arendt et al., 2016; Martin et al., 2011; Figure 4). En conditions physiologiques, la protéine Tau est phosphorylée sur de nombreux sites, ce qui constitue sa principale modification post-traductionnelle et permet notamment la régulation de son interaction avec les microtubules (Goedert and Jakes, 1990). De plus, la phosphorylation de Tau permet de réguler à la fois sa distribution subcellulaire mais aussi de nombreuses interactions moléculaires impliquées dans la régulation du transport axonal (LaPointe et al., 2009) ou encore son association avec la membrane plasmique (Maas et al., 2000; Pooler et al., 2012). Dans le cerveau humain adulte sain, nous pouvons mesurer entre 2 et 4 moles de phosphate par mole de Tau (Köpke et al., 1993). L’état de phosphorylation de Tau dépend de l’équilibre entre l’activité de ses kinases et de ses phosphatases. Il a été montré par des expériences in vitro que de nombreuses kinases sont capables de phosphoryler Tau, tel que la glycogène synthase kinase 3β (GSK3-β) (Mandelkow et al., 1992), la cyclin-dependant kinase 5 (CDK5) et la cyclin-dependent kinase 2 (CDK2) (Baumann et al., 1993), les protéines kinases A, B et C (PKA, B et C) et les tyrosines kinases telle que la famille des kinases c-Src et Fyn (Goedert et al., 1997). Certaines études suggèrent que GSK3-β et CDK5 sont impliquées dans la phosphorylation de Tau dans le cerveau sain (Baumann et al., 1993; Mandelkow et al., 1992). A l’inverse, la protéine Tau est sujette à la déphosphorylation par des phosphatases, la plus importante étant PP2A, qui est responsable d’environ 70% de la déphosphorylation de Tau dans le cerveau humain (Liu et al., 2005).
Figure 4 : Localisation des sites de phosphorylation de la protéine Tau.
Les sites de phosphorylation de Tau observés dans des cerveaux atteints de la MA (en marron), dans des cerveaux sains (en vert), et ceux présents à la fois dans les cerveaux sains et atteints de la MA (en bleu), en prenant pour base l’isoforme la plus longue de tau. Les sites potentiels de phosphorylation qui n’ont pas encore été validé in vitro et in vivo sont représentés en noir. D’après Martin et al., 2011.
La protéine Tau subit aussi d’autres modifications post-traductionnelles telles que la troncation (Garcia-Sierra et al., 2003), la O-glycosylation (Arnold et al., 1996), la glycation (Ledesma et al., 1994), l’acétylation (Min et al., 2010), la SUMOylation (Dorval and Fraser, 2006), l’ubiquitination (Mori et al., 1987), et la nitration (Horiguchi et al., 2003). Martin et coll. ainsi que Guo et coll. plus récemment, ont passé en revue les différents modifications post-traductionnelles de Tau ainsi que leurs conséquences fonctionnelles (Guo et al., 2017; Martin et al., 2011).

Les différentes fonctions de Tau

La protéine Tau participe principalement à l’assemblage et à la stabilisation des microtubules. En effet, dans le cerveau adulte, la protéine Tau est majoritairement présente au niveau des axones, où elle se lie à la tubuline pour promouvoir sa polymérisation et ainsi réguler la stabilité des microtubules (Cleveland et al., 1977; Weingarten, 1975).
La stabilisation des microtubules par la protéine Tau permet en outre de préserver l’axone et la polarité neuronale. Une réduction de la concentration de Tau par l’utilisation d’oligonucléotides anti-sens ciblant l’ARNm MAPT engendre une altération de l’asymétrie neuronale en inhibant la formation axonale (Caceres and Kosik, 1990) alors que des neurones de souris déficientes en Tau présentent des déficits d’élongation axonale aussi bien in vitro (Dawson et al., 2001) qu’in vivo (Dawson et al., 2010).
La protéine Tau permet par ailleurs d’assurer indirectement la régulation du transport axonal, en modulant l’activité des protéines motrices, les kinésines et les dynéines (Ebneth et al., 1998; Trinczek et al., 1999; Utton et al., 2005). Ces protéines sont nécessaires au transport d’organelles ou de vésicules chargées de neurotransmetteurs, permettant ainsi d’assurer le bon fonctionnement du neurone. La protéine Tau est en interaction avec les microtubules sur une période de temps très courte (moins de 40ms) par un mécanisme appelé « kiss-and-hop » (Janning et al., 2014), qui explique comment Tau, qui est principalement fixée aux microtubules, n’interfère pas avec le transport axonal (Morfini et al., 2007).
Au-delà de ces fonctions classiques liées à la stabilisation des microtubules, d’autres fonctions de Tau ont été mises en évidences plus récemment. Tau, qui est présente en faible concentration dans les dendrites, aurait un rôle dans la plasticité synaptique (Ittner et al., 2010; Kimura et al., 2014). La protéine Tau nucléaire régulerait l’activité transcriptionnelle et maintiendrait l’intégrité de l’ARN et de l’ADN aussi bien en condition physiologique que pathologique (Mansuroglu et al., 2016; Violet et al., 2014). La protéine Tau pourrait par ailleurs être impliquée dans la transmission synaptique en modulant des récepteurs tels que les récepteurs à l’acide N-méthyl-D-aspartique (NMDA) ou encore les récepteurs à l’acétylcholine (Gómez-Ramos et al., 2009; Ittner et al., 2010). Arendt et coll. ainsi que Guo et coll. ont récemment passé en revue ces différentes fonctions de Tau (Arendt et al., 2016; Guo et al., 2017).

La protéine Tau en situation pathologique

Dans les maladies appelées tauopathies, nous observons une hyper-phosphorylation de Tau sur des sites physiologiques ainsi qu’une phosphorylation sur des sites pathologiques, qui entraînent une diminution de son affinité pour les microtubules. La protéine Tau devient ainsi plus soluble et peut former dans le cytoplasme des fibrilles constituées de filaments hélicoïdaux appariés (PHF pour « Paired Helical Filaments ») entrainant la formation d’enchevêtrements neurofibrillaires, aboutissant à des défauts du transport axonal et la mort neuronale (Figure 5).
Figure 5 : Les différentes étapes de l’agrégation de Tau.
Le défaut d’attachement de Tau aux microtubules provoque une augmentation de la protéine Tau soluble. Les monomères de Tau s’assemblent en oligomères, qui s’assemblent ensuite eux-mêmes en PHFs. L’étape finale conduit à la formation d’enchevêtrements neurofibrillaires à partir de l’agrégation des PHFs. D’après Martin et al., 2011.
L’accumulation d’agrégats de protéines Tau au sein des neurones concerne plus de 20 pathologies différentes (Buée et al., 2000). Certaines sont causées par des mutations du gène MAPT, c’est le cas de certaines démences fronto-temporales, alors que d’autres apparaissent en l’absence de mutation de ce gène. C’est le cas de la MA qui est la tauopathie la plus fréquente.
Pendant des années, les agrégats fibrillaires de Tau ont été considérés comme les formes neurotoxiques majeures de Tau. En effet, dans la MA, de nombreuses études ont montré une meilleure corrélation entre agrégats fibrillaires et perte neuronale, par rapport aux plaques séniles, ainsi qu’avec les symptômes cliniques, suggérant un rôle prépondérant de la neurodégénérescence induite par ces agrégats dans le déclin cognitif des patients atteints de la MA (Dickson et al., 1995; Giannakopoulos et al., 2003). De plus, la réduction de la formation des agrégats de Tau corrèle avec une diminution de la neurodégénérescence dans une étude sur la souris (Noble et al., 2005). Enfin, une forte diminution de plusieurs marqueurs pré- et post-synaptiques est observée dans les neurones présentant des DNFs, suggérant une altération de la transmission synaptique due à la formation des agrégats (Callahan et al., 2002).
Cependant, une autre hypothèse suggère que les formes oligomériques solubles de Tau pourraient jouer un rôle plus critique dans la progression de la MA puisque ces formes solubles corrèlent mieux avec la perte neuronale et les dysfonctions cognitives retrouvées dans cette maladie que les formes agrégées. Cela a pu être mis en évidence dans le modèle murin transgénique rTg4510, qui exprime la protéine Tau humaine comportant la mutation P301L retrouvées dans certaines tauopathies appelées démences fronto-temporales liées au chromosome 17 (DFTP-17), sous un promoteur conditionnel abolissant son expression après administration de doxycycline. Cette étude montre que l’accumulation d’oligomères, mais pas des DNFs, corrèle mieux avec la mort neuronale et les déficits comportementaux observés dans ce modèle (Berger et al., 2007). La suppression de l’expression de Tau dans un autre modèle conditionnel transgénique entraîne une amélioration mnésique et une stabilisation du nombre de neurones, alors même que les DNFs continuent d’apparaître (SantaCruz, 2005; Sydow et al., 2011a). Cela suggère que les DNFs ne sont pas suffisantes pour causer les déficits cognitifs ainsi que la mort neuronale observés dans les tauopathies. De plus, les neurones semblent survivre après que la protéine Tau ait commencée à s’agréger dans le soma (de Calignon et al., 2010; Morsch et al., 1999) et peuvent être intégrés dans des réseaux neuronaux fonctionnels (Fox et al., 2011; Kuchibhotla et al., 2014; Rudinskiy et al., 2014). Par ailleurs, l’injection dans l’hippocampe de formes oligomériques recombinantes de Tau induisent in vivo une neurodégénérescence et des dysfonctions synaptiques et mitochondriales, mais ce n’est pas le cas de l’injection de fibrilles ou de monomères (Lasagna-Reeves et al., 2011a). Plus récemment, différents modèles de tauopathie ont été développés à partir de rats au sein de notre laboratoire et ont permis de mettre en évidence le rôle protecteur de la formation des agrégats de Tau par rapport à ses formes oligomériques solubles (d’Orange et al., 2018, voir 2.d Les modèles animaux de tauopathie).
D’autres arguments en faveur de cette hypothèse sont retrouvés dans des études chez l’Homme. Celles-ci montrent qu’une partie de la population âgée développe des DNFs sans développer de démence (Arnold et al., 2013; Perez-Nievas et al., 2013). De plus, même si les DNFs corrèlent avec la neurodégénerescence, le niveau de perte neuronal est bien plus élevé que le nombre de neurones atteints de DNFs (Gómez-Isla et al., 1997; Vogt et al., 1998), ce qui suggère que la plupart des neurones meurent par d’autres mécanismes. Par ailleurs, l’accumulation d’oligomères de Tau corrèle avec le déclin cognitif des patients souffrant de déficits cognitifs modérés (Mufson et al., 2014). Ces études révèlent, en accord avec les résultats obtenus sur la souris, que les formes solubles hyperphosphorylées de Tau, localisées à la synapse, pourraient être les médiateurs de la neurotoxicité et de l’altération de la cognition.
Ces formes oligomériques pourraient par ailleurs être responsables de la transmission de la pathologie selon un mécanisme de type prion. En effet, il a été montré qu’après injection de différents homogénats purifiés de cerveaux de patients atteints de la MA à des souris de phénotype sauvage, les oligomères de Tau et non les formes fibrillaires sont capables de propager la pathologie (Lasagna-Reeves et al., 2012). Une fois que la protéine Tau est modifiée de manière pathologique, elle peut se détacher des microtubules et s’auto-agréger. Elle peut se lier à d’autres protéines Tau altérées mais aussi à des protéines Tau natives et induire un changement pathologique de conformations sur ces protéines : ce mode de propagation s’apparente à celui des maladies à Prion. Les oligomères de Tau pourraient se comporter comme un modèle de repliement pour la protéine Tau native, et ainsi constituer un noyau de propagation des formes toxiques de la protéine (Gerson and Kayed, 2013).

Table des matières

Introduction
1. La maladie d’Alzheimer (MA) : la tauopathie la plus fréquente
a. Caractérisation de la MA
b. Introduction à la neuroinflammation dans la MA
2. La protéine Tau en condition physiologique et pathologique
a. La protéine Tau en condition physiologique
b. La protéine Tau en situation pathologique
c. Classification des différents types de tauopathie
d. Les modèles animaux de tauopathie
3. La neuroinflammation dans la MA : les acteurs et leurs mécanismes
a. Les principaux acteurs cellulaires de la neuroinflammation
b. La neuroinflammation microgliale est-elle bénéfique ou délétère ?
c. La neuroinflammation est-elle une cause ou une conséquence de la MA ?
4. Les rôles du récepteur microglial TREM2 dans les maladies neurodégénératives
a. TREM2 : son implication dans les maladies neurodégénératives
b. TREM2 : généralités
c. Les fonctions de TREM2
d. TREM2 : un facteur de risque pour la MA
5. Objectifs et stratégie
Matériel et méthodes
1. Production des rAAVs
2. Modèles murins de tauopathie
a. Modèle rAAV d’injection intra-hippocampique
b. Modèle THY-Tau22
3. Etudes comportementales
a. Cage d’activité (Phenotyper®)
b. Test du labyrinthe en croix surélevé
c. Test du labyrinthe en V avec reconnaissance d’objet
d. Test de la piscine de Morris
4. Histologie
a. Préparation des échantillons
b. Immunohistochimie (IHC)
c. Immunofluorescence (IF)
d. Coloration de Gallyas
5. Quantification et analyse des marquages immunohistologiques
6. Analyse transcriptomique
a. Extraction d’ARN
b. Synthèse d’ADNc
c. Real time quantitative Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR)
7. Analyses statistiques
Résultats
1. Rôle de TREM2 sur la progression d’un modèle de tauopathie induit par transfert de gène chez la souris
a. Validation du modèle de tauopathie sur la Souris
b. La déficience constitutive en TREM2 induit une diminution du statut inflammatoire à un mois mais pas à trois mois post-injection
c. La déficience constitutive en TREM2 n’affecte pas la progression de la tauopathie
d. La déficience constitutive en TREM2 n’accroit pas la perte neuronale dans la couche CA1 de l’hippocampe
2. Rôle de TREM2 dans la progression de la tauopathie dans un modèle transgénique de tauopathie : la lignée THY-Tau22
a. Exploration de la réponse inflammatoire en fonction de la déficience ou non en TREM2 dans le modèle THY-Tau22, et en fonction de l’âge considéré
b. La déficience en TREM2 augmente la pathologie Tau à 12 mois mais pas à 3 mois ni à 6 mois 87
c. La déficience constitutive en TREM2 n’accroit pas la perte cellulaire dans la couche CA1 de l’hippocampe, quel que soit l’âge considéré
d. La déficience en TREM2 n’a pas de conséquences fonctionnelles sur le comportement des souris THY-Tau22 à 10 mois
Discussion
1. Effet de la déficience en TREM2 dans les deux modèles utilisés
a. Effet de la déficience en TREM2 dans le modèle par transfert de gène
b. Effet de la déficience en TREM2 dans le modèle transgénique de tauopathie THY-Tau22 104
2. Perspectives
a. Quels sont les mécanismes mis en jeu ?
b. Impact de TREM2 sur la propagation de Tau
Conclusion
Bibliographie
Annexe
Revue : Targeting Neuroinflammation to Treat Alzheimer’s Disease

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