Les récepteurs NMDA du neurotransmetteur glutamate

Les récepteurs NMDA du neurotransmetteur glutamate

Il est maintenant bien connu que la communication entre les neurones constitue un mécanisme essentiel au bon fonctionnement du système nerveux et au stockage des souvenirs. Cette communication s’effectue au sein de connexions complexes appelées synapses. Ces dernières seraient impliquées dans la mise en œuvre des processus d’apprentissage et de mémoire. De fait, les souvenirs trouveraient leurs origines dans la capacité de ces connexions à modifier de manière durable leurs réponses aux agents chimiques environnants, notamment les neurotransmetteurs. Le glutamate est l’une de ces substances et nombreuses sont les études qui tendent à démontrer que le stockage des souvenirs dans le système nerveux central des mammifères correspond à des changements de la force synaptique impliquant des modifications soit au niveau des récepteurs pour le neurotransmetteur glutamate ou encore par la probabilité de relâche de neurotransmetteur (Michaelis, 1998; Traynelis et al., 2010).

L’hippocampe est une région du cerveau particulièrement importante pour l’apprentissage et la mémoire. Cette région est d’ ailleurs atteinte d’ emblée dans plusieurs maladies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer. De nombreuses recherches ont étudié les récepteurs au glutamate dans l’hippocampe puisqu’ il est possible d’observer les changements de force synaptique. D’ailleurs, l’hippocampe est la région d’ intérêt pour les expériences faites dans ce mémoire.

Les études pharmacologiques et moléculaires ont permis d’ identifier une panoplie de récepteurs pour le neurotransmetteur glutamate. La littérature distingue, essentiellement, deux grands groupes de récepteurs glutamatergiques nommés ionotropes et métabotropes. Les récepteurs ionotropes comprennent trois différentes familles pharmacologiques appelées: i) a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4- isoxazolepropionate (AMPA), ii) N-methyl-D-aspartate (NMDA) et iii) kaïnate (Waxman et Lynch, 2005; Traynelis et al., 2010). Ces récepteurs agissent principalement en favorisant le passage rapide de l’influx nerveux au niveau de la synapse et contrôlent, du coup, les concentrations neuronales en ions, dont le calcium. D’ ailleurs, le calcium intracellulaire accumulé à la suite de l’ activation des récepteurs au glutamate semble particulièrement important dans les processus neuronaux assurant le développement et la croissance du cerveau, mais aussi, dans les processus d’apprentissage et de mémoire relatifs à des tâches cognitives complexes, comme la reconnaissance de l’ environnement spatial (Yu et al. , 2009). En effet, de nombreuses études montrent que la modulation dans la synapse des récepteurs au glutamate, particulièrement les récepteurs AMP A et NMDA, permet la formation des souvenirs (Michaelis, 1998; Riedel et al., 2003).

Curieusement, les données expérimentales ont également convergé à identifier ·Ie neurotransmetteur glutamate comme une substance potentiellement toxique pour le cerveau. La mauvaise réputation du glutamate en tant qu’ agent délétère est justifiée par de nombreuses études démontrant que la suractivation des récepteurs au glutamate engage une cascade biochimique nocive conduisant à la mort des neurones. Le terme d’excitotoxicité est de fait utilisé pour désigner l’ action néfaste du glutamate et de ces congénères, causant de la neurodégénérescence. Sur le plan pharmacologique, les récepteurs NMDA du glutamate furent initialement placés sur le banc des accusés comme agent déclencheur de l’ excitotoxicité (Waxman et Lynch, 2005; Lau et Tymianski, 2010). Les neurobiologistes ont toutefois constaté que ces récepteurs peuvent, dans certaines circonstances, contrer la mort des neurones. Un paradoxe qui continue aujourd’hui d’ alimenter les conversations scientifiques. De ce point de vue, les études récentes de décomposition moléculaire laissent à penser que l’ expression de certaines sous-unités protéiques formant les récepteurs NMDA (c.-à-d. les protéines NR2A) pourrait s’ avérer un système de réception membranaire indispensable susceptible de contrer le processus d’ excitotoxicité.

Dans ce sens, une étude publiée par notre laboratoire a permis de démontrer que la perte d’activité des récepteurs NR2A contribue à augmenter l’état d’hyperphosphorylation de la protéine Tau (Allyson et al. , 2010). Les protéines Tau sont nombreuses et plusieurs maladies neurodégénératives comme la démence frontotemporale liée au chromosome 17 (FTDP-17), la paralysie progressive supranuc\éaire et la maladie d’Alzheimer se caractérisent par un état d’hyperphosphorylation de Tau (Morris et al., 2011). Il y a sans contredit un lien entre l’ hyperphosphorylation de Tau et la fonction des récepteurs NR2A qui nécessite des recherches plus approfondies.

Les récepteurs NMDA du neurotransmetteur glutamate 

Aspects physiologiques et pathologiques

La recherche sur l’ implication des récepteurs NMDA dans les processus d’ apprentissage et de mémorisation a connu de brillants développements sur le terrain des sciences cognitives. Les résultats comportementaux montrent l’ implication des récepteurs NMDA dans la mémorisation de tâches diverses concernant, d’une part, la région hippocampale du cerveau et, d’autre part, la mise en œuvre de la plasticité neuronale dans cette même région. De fait, la mémoire est généralement considérée comme découlant de modifications durables de la force neuronale au rnveau des conneXlOns synaptiques glutamatergiques. La force synaptique implique des modifications au niveau du nombre de récepteurs à la membrane ou encore par la quantité de glutamate relâché dans la synapse. Afin d’ évaluer les changements neuronaux, il est possible d’ observer la potentialisation à long terme (LTP). La LTP hippocampique est un marqueur très sensible de la fonction synaptique reconnue pour participer aux stockages des souvenirs (Yashiro et Philpot, 2008; Sanz-Clemente et al. , 2013). Ce marqueur a d’ ailleurs permis de montrer l’ importance des récepteurs NMDA dans l’ apprentissage et la mémoire.

À ce propos, nombreuses sont les expériences impliquant les récepteurs NMDA dans le développement de cette forme de plasticité neuronale. Par ailleurs, les résultats d’études sur des animaux, ayant une diminution des récepteurs NMDA de l’hippocampe, démontrent des déficits important en L TP ce qui constitue une étape incontournable au déclin cognitif (Nihei et al., 2000; Guilarte et McGlothan, 2003). Il est à noter que la délétion génétique des récepteurs NMDA est létale. Les modèles d’ études ont alors soit une délétion dans certaines régions seulement ou simplement une altération du nombre ou de la fonction des récepteurs. Sur le terrain de la physiologie, les récepteurs NMDA ne sont pas seulement engagés dans le processus de LTP, mais ils remplissent également des rôles importants dans le développement du cerveau. Un certain nombre d’observations laissent à penser que la mise en œuvre des connexions cérébrales au cours du développement du cerveau requiert une activité intrinsèque des récepteurs glutamatergiques de type NMDA. Par exemple, les chercheurs ont démontré que le blocage de ces récepteurs affecte grandement le développement des neurones de plusieurs régions du cerveau (Ikonomidou et al., 1999; Monti et Contestabile, 2000), notamment ceux situés dans le gyrus denté (Gould et al. , 1994); une sous-région de l’hippocampe.

Outre ses effets bénéfiques, il est aussi attribué aux récepteurs NMDA des effets potentiellement toxiques dans certaines conditions pathologiques. En effet, ces récepteurs sont connus pour leur implication dans la mise en œuvre du phénomène d’ excitotoxicité, processus sous-jacent de la mort neuronale. L’excitotoxicité est relativement bien documentée et participerait à la mort neuronale induite lors de traumatismes divers comme ceux associés aux accidents vasculaires cérébraux (A VC) et à l’épilepsie (Morimoto, 1989; Isokawa et Levesque, 1991; Meldrum, 1995). Il faut savoir que lors d’ une attaque cérébrale, les cellules du cerveau sont privées d’oxygène durant une période plus ou moins longue. Ce manque d’ énergie entraîne un déséquilibre ionique qui mène à une grande libération ponctuelle de glutamate et, conséquemment, à l’activation excessive des récepteurs NMDA qui favorise l’ excitotoxicité (Dimagl et al., 1999; Lo et al., 2003). La toxicité induite par l’ activation des récepteurs NMDA serait aussi impliquée dans le développement de plusieurs affections neurodégénératives chroniques comme les maladies d’Huntington et de Parkinson, de même que la démence de type Alzheimer (Sanz-Clemente et al. , 2013). En ce qui a trait à la maladie d’Alzheimer, les causes sont encore inconnues, malS les études montrent une plus grande quantité de glutamate dans les neurones (Mattson, 1995). Plusieurs hypothèses sont émises, par exemple le vieillissement rendrait les neurones plus vulnérables à l’action du glutamate ce qui entraînerait l’excitotoxicité dans ces cellules (Mattson, 1995). Aussi, des changements dans la sensibilité des récepteurs au glutamate (AMPA et NMDA) ou encore l’ augmentation de la ~-amyloïde, une caractéristique pathologique de l’Alzheimer, seraient reliés à l’excitotoxicité du glutamate (Hynd et al., 2004; Mota et al., 2014). Il Y a tout de même l’ évidence de l’ implication des récepteurs NMDA dans plusieurs conditions pathologiques.

La question des liens entre la mort neuronale et l’ activation des récepteurs NMDA n’est toutefois pas si simple. En effet, les études sur le sujet laissent croire que les récepteurs du NMDA ne sont pas obligatoirement engagés dans les processus de la destruction neuronale. Alors que les chercheurs les concevaient jadis comme des complexes relativement homogènes, les récepteurs NMDA sont en réalité des protéines hétérogènes présentant une dynamique propre et faisant intervenir des mécanismes pouvant contribuer à la mort des neurones certes, mais également à l’ activation des processus neuroprotecteurs (Hardingham et Bading, 2003). De ce point de vue, les chercheurs ont démontré que la composition moléculaire des récepteurs NMDA est à même de conditionner l’ action du glutamate sur les neurones. La section qui suit mettra en lumière l’ importance jouée par l’organisation moléculaire des récepteurs NMDA sur le plan neuropathologique.

L’hétérogénéité des récepteurs NMDA: Une clé pour comprendre les
maladies neurodégénératives 

Parmi les approches pharmacologiques susceptibles de réduire la dégénérescence neuronale dans diverses affections neurodégénératives figurent les antagonistes des récepteurs NMDA. Or, les données recueillies chez des animaux transgéniques déficients en ces récepteurs semblent indiquer que l’ abolition de la fonction NMDA peut s’ avérer également nuisible pour la survie des neurones (Ikonomidou et al. , 1999; Tashiro et al. , 2006). Un paradoxe qui pourrait s’expliquer par la complexité moléculaire des récepteurs NMDA. On dénombre, à ce jour, sept sous-unités protéiniques susceptibles de former les récepteurs NMDA (NRl , NR2A à D et NR3A-B). Les récepteurs NMDA sont des tétramères composés généralement de deux sous-unités obligatoires NR1 et de deux autres sous-unités soit NR2 ou NR3, et même parfois les deux (Sanz-Clemente et al. , 2013). Le récepteur, ainsi constitué, forme un canal cationique qui laisse passer le sodium, le potassium et le calcium, lorsqu’ activé. L’ouverture du canal est due à la liaison de la glycine, un co-agoniste, sur la sous-unité NR1, combinée au glutamate sur NR2 (Lau et Tymianski, 2010).

La répartition des récepteurs NMDA dans les différentes régions du cerveau varie selon les sous-unités du récepteur. Par exemple, la sous-unité NR2A est omniprésente dans le cerveau, tandis que NR2C serait préférentiellement située au niveau du cervelet (Waxman et Lynch, 2005). L’ hippocampe est la région du cerveau la plus enrichie en récepteurs NMDA qui sont principalement composés des sous-unités NR2A et NR2B (Danysz et al., 1995). La finesse de leur organisation moléculaire confère aux récepteurs des fonctions diverses. Par exemple, lors du développement, des expériences montrent que des souris n’ exprimant pas le récepteur NRllNR2B ne sont pas viables à la naissance (Wang et al. , 2011). Sur le plan de l’ excitotoxicité, les chercheurs ont démontré que les effets délétères du glutamate découlent principalement de l’ activation des récepteurs NMDA composés des sous-unités NRllNR2B dans les neurones de l’hippocampe. Ces récepteurs seraient préférentiellement localisés dans les segments extrasynaptiques de l’ arborisation dendritique des neurones et contribueraient à l’excitotoxicité par l’ activation de différents signaux de mort cellulaire (Hardingham et Bading, 2010). Conformément à cette hypothèse, des chercheurs ont récemment mis en évidence que l’ activation des récepteurs NRllNR2B induit la mort neuronale en favorisant une libération intracellulaire de calcium des réserves mitochondriales (Choo et al. , 2012). D’ autres études ont aussi démontré que la diminution de l’ activité de ces récepteurs, par déphosphorylation de NRlINR2B, prévient les effets toxiques sur les cellules nerveuses (Farinelli et al., 2012).

Les récepteurs composés des sous-unités NR2A seraient situés, quant à eux, dans le segment synaptique, où s’ effectue la communication rapide de l’influx nerveux. Ils auraient comme bénéfice de favoriser l’ activation de processus neuroprotecteurs. Les études tendent effectivement à démontrer que l’ activation continuelle de ces récepteurs serait indispensable au maintien des mécanismes requis pour la survie cellulaire. Les récepteurs synaptiques amélioreraient la santé mitochondriale, la suppression de l’ activité des caspases, ainsi qu’une augmentation des défenses antioxydantes (Papadia et al. , 2008; Hardingham et Bading, 2010). Sur le plan mécanistique, de nombreuses observations biochimiques permettent d’ établir la relation entre le degré de survie cellulaire et le niveau d’ expression d’un facteur de transcription la protéine de liaison à l’ élément de réponse de l’AMPc (CREB). Cette protéine, lorsqu’ activée par sa phosphorylation, contribue à la synthèse de plusieurs gènes au maintien de l’ intégrité fonctionnelle de la cellule, mais aussi dans les processus comme la plasticité synaptique et dans l’ apprentissage et la mémoire (Papadia et Hardingham, 2007). Il a été mis en évidence que l’ activation des récepteurs NMDA formés des sous-unités NRIINR2A accentue la phosphorylation de CREB et ainsi favorise la survie cellulaire (Hardingham et Bading, 2003; Papadia et Hardingham, 2007; Hardingham et Bading, 2010). À l’ encontre, la stimulation des récepteurs extrasynaptiques NR11NR2B inhiberait la phosphorylation de ce facteur de transcription et rendrait, donc, les cellules plus vulnérables aux dommages traumatiques (Hardingham et al. , 2002; Ivanov et al., 2006; Karpova et al. , 2013). Schématiquement les récepteurs NMDA peuvent donc se présenter en deux grandes familles, la famille synaptique NR2A susceptible de conférer un état neuroprotecteur et la famille extrasynaptique NR2B considérée davantage toxique pour le cerveau .

La protéine Tau: isoformes et phosphorylation 

La protéine Tau joue des rôles fondamentaux dans le maintien de l’ intégrité fonctionnelle de la cellule, particulièrement dans le transport axonal, et ce, par la régulation de la dynamique rnicrotubulaire au sein du cytosquelette. Elle est également requise lors de la croissance des dendrites, ainsi que pour l’ ancrage de certaines enzymes membranaires (Gong et al., 2006; Gendron et Petrucelli, 2009). Chez l’humain, le gène de Tau est d’environ 100 kilobases (kb), constitué de 16 exons et situé sur le chromosome 17 (Buee et al. , 2000). L’ épissage alternatif de l’ARN messager (ARNm) entraîne la synthèse de six différents isoformes de la protéine selon la présence ou l’ absence de trois insertions . L’expression de ces isoformes varie selon le développement. En effet, à l’ âge adulte, les six isoformes sont présentes chez l’homme alors que le fœtus n’exprime que l’ isoforme la plus courte (Spillantini et Goedert, 1998).

Les isoformes de Tau peuvent aussi avoir différentes localisations dans la cellule. De façon majoritaire, Tau est retrouvée dans l’ axone du neurone. Cependant, la protéine peut se localiser dans différents compartiments cellulaires et en conséquence avoir des fonctions différentes (Gendron et Petrucelli, 2009; Sultan et al., 2011). En effet, la protéine a d’abord été identifiée dans l’axone pour son rôle dans la régulation des microtubules et du transport axonal (Weingarten et al., 1975); mais il a récemment été découvert qu’.elle pourrait aussi se situer dans le noyau (Sjoberg et al., 2006). La protéine Tau serait importante dans l’organisation nucIéolaire et même dans la protection de l’ADN lors de certaines conditions (Sultan et al. , 2011). Pour ce qui est du compartiment somatodendritique, les protéines Tau s’y retrouvent en grande quantité dans des conditions pathologiques où elles jouent un rôle nocif (Khatoon et al. , 1994; Mandelkow et Mandelkow, 1998). Des études mettent en évidence que la protéine Tau dendritique a pour effet potentiel de favoriser la livraison d’une protéine kinase de la famille des Src (la protéine Fyn) au niveau des récepteurs membranaires de type NR2B, favorisant ainsi le processus d’ excitotoxicité (Ittner et al. , 2010; Trepanier et al., 2012).

Les enchevêtrements neurofibrillaires et la protéine Tau 

La phosphorylation, bien que nécessaire au dynamisme du cytosquelette, peut entraîner un état d’ hyperphosphorylation de la protéine Tau lors de conditions pathologiques et causer des dommages aux neurones. En effet, lors d’ une hyperphosphorylation de la protéine Tau, celle-ci se détache des microtubules, s’ agrège et se conforme en filaments appariés en hélice (PHF, sigle de l’ anglais « paired helical filament »). Ultimement, ils finissent par former des amas de neurofibrilles (( tangles » en anglais) causant une neurodégénérescence progressive (Martin et al., 2011) (Figure 1.3). Les substances nécessaires au bon fonctionnement des neurones sont normalement acheminées par l’ intermédiaire des microtubules. La protéine Tau se liant à ces fibres constitutives du cytosquelette, il est logique de penser que son action pathogène peut alors s’exercer par le moyen d’un effet sur le transport axonal. Un dysfonctionnement de ce système est effectivement confirmé par plusieurs recherches (Lee et al., 2011 ; Wang et al., 2013). Ces enchevêtrements neurofibrillaires sont présents dans plusieurs démences, nommées tauopathies. Les tauopathies constituent un large groupe de pathologies neurodégénératives parmi lesquelles figure la maladie d’Alzheimer, mais aussi d’autres comme la maladie de Pick et la paralysie progressive supranucléaire (Chohan et Iqbal, 2006; Lee et al. , 2011).

La régulation de la phosphorylation de la protéine Tau 

Les protéines kinases sont connues pour affecter la phosphorylation des protéines Tau. Parmi les plus communes, citons les protéines kinases dirigées contre les motifs riches en proline (les PDPK); comme les kinases dépendantes des cyclines (cdk) , la glycogène synthase kinase-3 (GSK3) et enfin la famille des kinases capable de favoriser la phosphorylation des protéines associées aux microtubules (les MAP-kinases) comme ERK et p38 MAPK. Certaines kinases ne ciblant pas les motifs riches en proline (les non-PDPK) sont également connues et comprennent; les kinases régulatrices des microtubules (MARK), la protéine kinase A (PKA), la protéine kinase C (PKC) et la protéine kinase dépendante du calcium et de la calmoduline (CAMKII) (Martin et al., 2013b). Outre les kinases, des enzymes déphosphorylantes comme les phosphatases (PP) 1, 2A, et 2B semblent essentielles pour assurer le contrôle de Tau (Liu et al., 2005; Martin et al., 2013a).

Relation entre les récepteurs NMDA et la protéine Tau 

Alors qu’il existe d’ évidentes corrélations entre les récepteurs NMDA et l’ activation des processus susceptibles de modifier les activités kinasiques dans le tissu nerveux (Bradley et al., 2012; Bartlett et Wang, 2013), nous manquons de données sur les rôles joués par les sous-unités NR2A et NR2B au niveau de la protéine Tau. Une étude fait état d’ une réduction de la phosphorylation de la protéine Tau par les récepteurs NMDA, mais elle documente que très peu l’effet apporté sur les différentes isoformes de cette protéine, l’ implication des sous-types de récepteurs NMDA et ‘les kinases en cause (Fleming et Johnson, 1995). Une autre étude effectuée sur des neurones embryonnaires montre toutefois que l’activation des récepteurs NMDA est en mesure de favoriser un état d’hyperphosphorylation de Tau (Rahman et al. , 2009). Avec le recul, la perspective d’ une régulation différentielle de Tau par les sous-unités NR2 formant les récepteurs a fait son chemin. il apparaît, selon toute vraisemblance, que les récepteurs NR2A exercent des effets moléculaires spécifiques capables d’enrayer l’hyperphosphorylation de Tau induite par les récepteurs NR2B (Allyson et al., 2010), une hypothèse que nous comptons vérifier dans le cadre du présent mémoire.

DISCUSSION GÉNÉRALE

On a longtemps considéré les récepteurs NMDA comme un des acteurs clés de l’hyperphosphorylation de Tau dans diverses affections neuropathologiques. Or, la présente étude apporte un regard nouveau sur cette hypothèse. En analysant de près la protéine Tau de l’ hippocampe, il ressort que l’ activation des récepteurs NMOA fait en sorte de diminuer la phosphorylation de Tau, et ce, par une cascade d’ événements impliquant d’ abord l’ activation des récepteurs synaptiques de type NRIINR2A, l’ entrée neuronale de calcium et l’ activation de la PKC qui ultimement favorise la phosphorylation de GSK3~ à son site Ser9. De telle sorte que cela préviendrait la phosphorylation de Tau à ses sites Ser199-202. Quant à l’activité des récepteurs extrasynaptiques NRIINR2B, ils seraient eux susceptibles d’accentuer l’hyperphosphorylation de Tau, mais uniquement lors d’ un déficit en récepteurs synaptiques. La discussion qui suit présente les principales observations recueillies dans le rôle des récepteurs NMOA sur la modulation de la phosphorylation de la protéine Tau, ainsi que la signalisation qui en découle. En conclusion, nous mettrons l’ accent sur l’ importance que représente cette étude quant à l’ élaboration de nouvelles cibles thérapeutiques pour les maladies neurodégénératives.

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION 
1.1 Généralités
1.2 Les récepteurs NMDA du neurotransmetteur glutamate
1.2.1 Aspects physiologiques et pathologiques
1.2.2 L’hétérogénéité des récepteurs NMDA : Une clé pour comprendre les
maladies neurodégénératives
1.3 La protéine Tau: isoformes et phosphorylation
1.3.1 Les enchevêtrements neurofibrillaires et la protéine Tau
1.3.2 La régulation de la phosphorylation de la protéine Tau
1.4 Relation entre les récepteurs NMDA et la protéine Tau
CHAPITRE II HYPOTHÈSE DE RECHERCHE
2.1 Originalité de la recherche proposée
CHAPITRE III MÉTHODOLOGIE GÉNÉRALE 
3.1 Les antagonistes des récepteurs NMDA
3.2 Les tranches d’hippocampe de rats
CHAPITRE IV NMDA REDUCES TAU PHOSPHORYLATION IN RAT HIPPOCAMPAL SLICES BY TARGETING NR2A RECEPTORS, GSK3p AND PKC ACTIVITIES 
4.1 Contribution des auteurs
4.2 Article scientifique
Summary
Introduction
Materials and Methods
Ethics approval
AnimaIs and pharmacological agents
Antibodies
Hippocampal slices and tissue samples
Western blotting
Statistical analysis
Results
Tau Phùsphorylation at Ser199-202 is Reduced by NMDA
Treatment: Role ofNR2A-Containing Receptors
NMDA-Induced Regulation of Tau Phosphorylation: Role of
Calcium and GSK3 f3
NMDA-Induced Tau Regulation Relies on PKC Activation
Discussion
Summary and Conclusions
Acknowledgments
Figure Legends
Références
CHAPITRE V DISCUSSION GÉNÉRALE

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