Protéinopathies : des mécanismes aux thérapies

Interaction entre les protéines malrepliées et les synapses

Intéraction de l’α-synucléine avec les synapses et les axones

Resp.: Christian Specht (Eq. 1)

La démence à corps de Lewy ou la maladie de Parkinson sont causées par l’alpha-synucléine qui forme des corps de Lewy (LB) et induit une neurodégénérescence. Les oligomères toxiques et les formes fibrillaires de l’α-synucléine déclenchent des changements pathologiques précoces au niveau des synapses et dans l’ensemble du neurone. Malgré une analyse biochimique in vitro détaillée, il n’existe aucune preuve expérimentale directe des premiers stades de la dysrégulation de l’α-synucléine dans les neurones à l’origine des synucléinopathies. L’équipe de C. Specht utilise la microscopie de localisation à molécule unique (SMLM) pour visualiser et quantifier les processus précoces de toxicité de l’α-synucléine au niveau des synapses et des axones. La SMLM est idéale pour explorer ces processus grâce à de récentes avancées techniques. L’imagerie quantitative à super-résolution permet d’analyser les relations spatiales précises entre les composants synaptiques et de déterminer le nombre de copies avec la sensibilité d’une seule molécule. La mobilité de l’α-synucléine est mesurée par SMLM dans des neurones vivants afin d’extraire les propriétés de diffusion et son piégeage au niveau des synapses, à la fois dans des conditions de contrôle et pathogènes. En combinant la diffusion de molécules uniques avec une analyse statistique des données, nous pouvons mesurer les changements dans la force des interactions α-synucléine aux synapses, évaluer l’interaction de l’α-synucléine avec différents marqueurs et évaluer comment différentes thérapies peuvent moduler la toxicité de l’α-synucléine.

Verdier H, Laurent F, Cassé A, Vestergaard CL, Specht CG*, Masson JB* (2023). Simulation-based inference for non-parametric statistical comparison of biomolecule dynamics. PLoS Comput Biol 19:e1010088.

Specht CG (2021). A quantitative perspective of alpha-synuclein dynamics – why numbers matter. Front Synaptic Neurosci 13:753462, https://doi.org/10.3389/fnsyn.2021.753462

Activité synaptique et protection contre les protéines tau 

Resp.: Yvette Akwa (Eq. 1), Davide Tampellini (Baulieu Institute, Eq. 1)

Les modifications de l’excitabilité synaptique et la réduction du métabolisme cérébral font partie des altérations détectables les plus précoces associées au développement de la maladie d’Alzheimer. La stimulation de l’activité synaptique s’est avérée protectrice dans les modèles de bêta-amyloïdose de la maladie d’Alzheimer. De manière remarquable, la stimulation cérébrale profonde (SCP) a des effets bénéfiques sur les patients atteints de la maladie d’Alzheimer et représente une approche thérapeutique importante contre la maladie d’Alzheimer et d’autres formes de démence.

Notre groupe a étudié l’effet de la stimulation synaptique sur la pathologie Tau et les synapses dans des modèles in vivo et in vitro de la MA et de la démence frontotemporale (DFT). Le DBS chronique ou la stimulation synaptique induite chimiquement ont réduit l’accumulation des formes pathologiques de Tau et protégé les synapses, tandis que l’inhibition chronique de l’activité synaptique a aggravé la pathologie Tau et causé des effets néfastes sur les marqueurs pré- et post-synaptiques, ce qui suggère que les synapses sont affectées.

Il est intéressant de noter que la dégradation par le système protéasomique n’a pas été impliquée dans la réduction de la pathologie Tau pendant la stimulation. En revanche, l’activation synaptique chronique a favorisé la clairance des oligomères de Tau par les autophagosomes et les lysosomes. L’inhibition chronique de l’activité synaptique a abouti à des résultats opposés, avec une accumulation d’oligomères de Tau dans des auto-lysosomes élargis. En outre, la stimulation de l’activité synaptique active le facteur de transcription EB (TFEB), un régulateur principal de la fonction lysosomale et de l’autophagie, et favorise la clairance des oligomères de tau pathologiques dans les cellules tau mutantes P301S. Ces données indiquent que l’activité synaptique contrecarre les effets négatifs de la protéine Tau dans la MA et la DFT en agissant sur l’autophagie, ce qui justifie l’utilisation thérapeutique de la DBS et de la stimulation synaptique dans les tauopathies.

Akwa Y, Gondard E, Mann A, Capetillo-Zarate E, Alberdi E, Matute C, Marty S, Vaccari T, Lozano AM, Baulieu EE, Tampellini D. (2018) Synaptic activity protects against AD and FTD-like pathology via autophagic-lysosomal degradation. Mol Psychiatry. 23:1530-1540. https://www.doi.org/10.1038/mp.2017.142.

Akwa Y, Di Malta C, Zallo F, Gondard E, Lunati A, Diaz-de-Grenu LZ, Zampelli A, Boiret A, Santamaria S, Martinez-Preciado M, Cortese K, Kordower JH, Matute C, Lozano AM, Capetillo-Zarate E, Vaccari T, Settembre C, Baulieu EE, Tampellini D. Stimulation of synaptic activity promotes TFEB-mediated clearance of pathologic MAPT/Tau in Cellular and mouse models of tauopathies. Autophagy 2023, 19: 660-677

Régulation de la transduction des signaux par des acides aminés non naturel

Resp : Shixin Ye-Lehman (Eq. 1)

Le Dr Shixin Ye-Lehman développe des outils de biologie synthétique pour résoudre les problèmes fondamentaux liés aux mécanismes de transduction des signaux dans les maladies neuronales. La biologie synthétique est une branche interdisciplinaire de la biologie et de l’ingénierie qui permet de disséquer la synthèse précise de biomolécules in vivo. Le Dr Ye-Lehman a mis au point des méthodes efficaces pour coder génétiquement des acides aminés non naturels (AAN) dans des protéines membranaires (y compris des récepteurs couplés aux protéines G, des canaux ioniques ligandés) afin d’étudier leurs relations structure-fonction. Elle a démontré la faisabilité de l’expansion du code génétique dans les cellules de mammifères, les ovocytes de Xenopus laevis, les neurones primaires et, récemment, deux modèles animaux (souris et poisson zèbre). L’incorporation d’UAA sensibles à la lumière a permis d’élucider un nouveau mécanisme moléculaire qui explique les différences fonctionnelles entre les sous-types de récepteurs N-méthyl-D-aspartate (NMDA), qui jouent un rôle clé dans la transmission synaptique excitatrice associée à l’apprentissage et à la mémoire. Au cours de ces études, elle a identifié une série de récepteurs NMDA sensibles à la lumière dont les activités peuvent être modulées par la lumière. Actuellement, elle développe de nouvelles méthodes optiques pour réguler les processus de signalisation neuronale à l’aide de la lumière, et nous concevons des récepteurs neuronaux sensibles à la lumière pour les études optogénétiques. Ces outils seront utilisés pour réguler les déficiences synaptiques associées aux protéinopathies.

GluN2A and GluN2B NMDA receptors use distinct allosteric routes. Tian M, Stroebel D, Piot L, David M, Ye S*, Paoletti P*. Nat Commun. 2021 Aug 5;12(1):4709. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25058-9.

Thérapies des neuropathies amyloïdes

Resp.: David Adams, Andoni Echaniz-Laguna (Eq. 2)

L’amylose héréditaire à transthyrétine amyloïdogène (ATTRv) avec polyneuropathie (également connue sous le nom de polyneuropathie amyloïde familiale) est une maladie qui se déclare à l’âge adulte, causée par une mutation de la transthyrétine (TTR) et caractérisée par un dépôt extracellulaire d’amyloïde et la destruction du système nerveux périphérique somatique et autonome, conduisant à la perte d’autonomie et à la mort. La physiopathologie de la neuropathie comprend l’instabilité et la protéolyse de la TTR mutante entraînant un dépôt d’amyloïde avec des fibrilles de longueur variable, une microangiopathie et l’implication des cellules de Schwann. La TTR sauvage est amyloïdogène chez les personnes âgées. Les principaux symptômes sont neuropathiques, mais la maladie est systémique et entraîne des pathologies cardiaques, oculaires et rénales.

Jusqu’à récemment, les thérapies de modification de la maladie qui ont été développées comprennent la transplantation de foie et les stabilisateurs de TTR, qui peuvent tous deux ralentir la progression de la maladie,
qui peuvent tous deux ralentir la progression de la maladie et augmenter le taux de survie dans les premiers stades.

D. Adams (chef du service de neurologie de l’hôpital Bicêtre et membre de l’équipe 2) a développé la toute première thérapie siRNA pour le traitement de l’ATTRv, en collaboration avec Alnylam Pharmaceuticals (Adams et al., 2018). Le produit siRNA Patisiran (Onpattro) a été approuvé par la Food and Drug Administration (FDA) américaine et l’Agence européenne des médicaments (EMA) pour le traitement de l’amylose héréditaire médiée par la transthyrétine chez les patients adultes après un essai de phase III réussi.

Les principaux problèmes rencontrés par les thérapies siRNA sont leur dégradation rapide et la difficulté d’acheminer les acides nucléiques chargés négativement vers les cellules cibles. Pour Patisiran, ces problèmes ont été surmontés en délivrant la molécule d’ARNsi dans une nanoparticule lipidique, capable de traverser les membranes cellulaires. La transthyrétine étant principalement synthétisée dans le foie, où les nanoparticules lipidiques s’accumulent naturellement, l’inhibition de l’expression de la transthyrétine par l’ARNsi a été couronnée de succès. Sur un total de 148 patients traités par Patisiran contre 77 patients traités par placebo, la diminution de près de 80 % des taux sériques de transthyrétine s’est stabilisée de manière significative et a même amélioré les scores neurologiques, y compris la démarche, sur une période de 18 mois. Les traitements ont été administrés par voie intraveineuse une fois toutes les 3 semaines (Adams et al., 2018). Fait important, un suivi de la sécurité et de l’efficacité à plus long terme montre que le patisiran conserve son efficacité avec un profil de sécurité acceptable chez les patients atteints d’amylose héréditaire médiée par la transthyrétine (Adams et al., 2021).

Adams D et al. (2018) Patisiran, an RNAi therapeutic, for hereditary transthyretin amyloidosis. N Engl J Med 379:11-21 (https://doi.org/10.1056/NEJMoa1716153)

Modèles de la formation de fibrilles amyloïdes et de la progression de la maladie. a | La stabilité des homotétramères de transthyrétine (TTR) est réduite par les mutations de la TTR, ce qui entraîne sa dissociation en monomères et son dépôt dans les espaces extracellulaires des organes systémiques. La dissociation entraîne un mauvais repliement des monomères de TTR et une agrégation ultérieure. Ces oligomères peuvent être présents avant l’achèvement des fibrilles amyloïdes matures et peuvent avoir des effets toxiques sur les tissus voisins. b | La rupture de la barrière hémato-nerveuse (pointe de flèche ; la lumière du vaisseau est indiquée par un astérisque) peut se produire dans la phase précoce de la neuropathie, entraînant une fuite de la TTR circulante dans l’espace endoneural. En conséquence, un matériel extracellulaire amorphe, dense en électrons, contenant des monomères et des oligomères de TTR, devient abondant dans les espaces extracellulaires de l’endoneurium. L’agrégation de la TTR est ensuite observée sous forme de structures en pointillés parmi les matériaux amorphes. Enfin, des structures fibrillaires allongées d’une épaisseur similaire au diamètre des structures en pointillés se forment, entraînant une atrophie des cellules de Schwann adjacentes. (d’après Adams et al, Nat Rev Neurol, 2019)Mechanistic models of amyloid fibril formation and disease progression. a | Stability of transthyretin (TTR) homotetramers is reduced by TTR mutations, resulting in its dissociation into monomers and deposition in the extracellular spaces of systemic organs. The dissociation results in misfolding of TTR monomers and subsequent aggregation. These oligomers can be present before the completion of mature amyloid fibrils and can have toxic effects on neighbouring tissue. b | Disruption of the blood–nerve barrier (arrowhead; vessel lumen indicated by asterisk) can occur in the early phase of neuropathy , resulting in leakage of circulating TTR into the endoneurial space. Consequently, amorphous, electron- dense extracellular material that contains TTR monomers and oligomers becomes abundant in the extracellular spaces of the endoneurium. Aggregation of TTR is subsequently seen as dotty structures among amorphous materials. Finally , elongated fibrillar structures with a thickness similar to the diameter of the dotty structures are formed, leading to adjacent Schwann cell atrophy. (from Adams et al, Nat Rev Neurol, 2019)