ALPHA-SYNUCLÉINE

L’α-synucléine est une petite protéine (~17,5 kDa) soluble totalisant 140 acides aminés. Elle comprend trois domaines : 1. Le résidu 1-87, une région amphiphile N-terminal riche en lysine qui interagit avec les phospholipides et où les mutations du gène SNCA sont généralement retrouvées. 2 : Le résidu 61-95, une région centrale hydrophobe de la liaison

amyloïde impliquée dans la formation de fibrilles et d’agrégats protéique. 3. Le résidu 96- 140, une région acide ayant une charge nette négative impliquée dans la formation d’agrégats protéiques dus à ces interactions et sa phosphorylation à la sérine 129 (Emamzadeh 2016). Elle est surtout abondante dans le SNC et plus précisément, dans le néocortex, l’hippocampe, la substance noire, le thalamus et le cervelet (W.S. Kim, Kågedal, et Halliday 2014). Elle peut également se retrouver dans le SNP (cœur, muscles, etc.) (Iwai et al. 1995).

Ses fonctions principales ne sont pas encore totalement comprises, mais certaines études soutiennent son activité dans plusieurs processus biologiques. L’α-syn pourrait :

1. Réguler les vésicules synaptiques.

2. Réguler les niveaux de glucose en inhibant la sécrétion de l’insuline et en augmentant l’absorption du glucose.

3. Réguler la libération de la dopamine (W.S. Kim, Kågedal, et Halliday 2014). 4. Être impliquée dans la différenciation neuronale.

5. Protéger les cellules dopaminergiques contre l’apoptose en inhibant la protéine kinase C (PKC) par la désactivation du facteur nucléaire de transcription kappa-B (NF𝜅B).

6. Agir en tant qu’antioxydant en inhibant la voie c-Jun N-terminal kinases et en prévenant l’activation des enzymes caspases (Emamzadeh 2016).

Principalement retrouvé sous forme cytosolique, α-syn peut également être membranaire vue sa capacité d’interagir avec les phospholipides membranaires cellulaires. En effet, environ 15 % de l’α-syn est liée aux membranes. La liaison des monomères et des oligomères d’α-syn se fait via la formation d’hélices amphiphiles médiée par un motif K(A/T)TKEGV (situé dans le premier domaine) comprenant la lysine de la région N- terminale chargée positivement (Iyer et Claessens 2019). Plusieurs conditions peuvent favoriser cette interaction protéine-lipide :

1. La présence d’au moins une liaison double lipidique membranire qui se fait généralement avec l’acide oléique, un acide gras monoinsaturé (AGMI), ou l’acide docosahexaénoique (ADH), un acide gras polyinsaturé (AGPI) chargé négativement. Cette interaction est préférablement situé dans la phosphatidyléthanolamine (PE) ou le phosphatidylinositol (PI) (Fecchio, Palazzi, et de Laureto 2018; Saranna Fanning, Selkoe, et Dettmer 2020).

2. La présence de modifications post-traductionnelles d’α-syn:

L’acétylation de la région N-terminale favorise l’interaction avec des membranes cellulaires contenants peu ou pas de phospholipides chargés négativement. La phosphorylation (Ser87 et Ser129) semble diminuer ou ne pas affecter l’interaction.

L’oxydation et la troncature de cette protéine semblent diminuer l’interaction aux lipides membranaires.

Finalement, plusieurs mutations augmentent l’interaction d’α-syn aux lipides anioniques des membranes cellulaires (Iyer et Claessens 2019).

Les interactions α-syn/lipides affectent l’homéostasie lipidique et peut augmenter la toxicité d’α-syn en facilitant son agrégation (Emamzadeh 2016), bien que ceci n’ait été observé que sur des modèles cellulaires et animaux. L’augmentation de la présence oligomérique induirait des dysfonctions cellulaires pouvant mener à la mort cellulaire par le biais d’une perturbation des bicouches lipidiques affectant les fonctions mitochondriales et du réticulum endoplasmique, l’homéostasie membranaire et les synapses (Bengoa-Vergniory et al. 2017). Toutefois, il est à noter que la liaison de l’α-syn monomérique à la bicouche lipidique peut se révéler protectrice. En effet, l’interaction avec la dopamine entraînerait la formation d’intermédiaires oligomériques non toxiques et celle avec les membranes empêcherait l’oxydation des lipides insaturés (Iyer et Claessens 2019).

Outre sont interaction avec les phospholipides membranaires, l’α-synucléine a également la capacité de faire des interactions avec diverses protéines incluant la tubuline, parkin, le récepteur dopaminergique (DAP), tau et bien d’autres. Dans la MP, ces interactions peuvent mener au développement ou à la progression de la pathologie (Alim et al. 2002) : 1. L’interaction α-syn/tubuline pourrait être responsable de la formation des corps de Lewy puisque la tubuline cytosolique libre pourrait initier et accélérer l’agrégation d’α-syn selon des études in vitro (Alim et al. 2002). 2. L’interaction α-syn/parkin pourrait déclencher l’altération du cytosquelette neuronal (Kawahara et al. 2008). 3. L’interaction α-syn/DAP pourrait augmenter les niveaux de dopamine dans les neurones, ce qui conduit au stress oxydatif en initiant l’exposition aux produits radicalaires de la dopamine (F.J. Lee et al. 2001). 4. Les synucléopathies peuvent parfois chevaucher les tauopathies, ce qui suggère une coexistence, mais également une interaction entre ces protéines. Cette interaction suivrait une boucle bidirectionnelle, c’est-à-dire que chacune de ces protéines favorise la solubilité et fibrillisation de l’autre (Moussaud et al. 2014).

L’α-syn est impliquée dans les maladies neurodégénératives telles que la MA, la démence à corps de Lewy (DLB), l’atrophie multisysémique (MSA), mais surtout la MP. Dans ces conditions pathologiques, l’α-synucléine s’agrège en fibrilles sous forme insoluble et s’accumule. Ces accumulations peuvent être sous trois formes incluant les corps de Lewy (dans la MP et la DLB), les inclusions oligodrogliales cytoplasmiques (dans la MSA) et les inclusions sphéroïdes axonaux (dans les dystrophies neuroaxonales) où elles sont toutes classées en tant que synucléopathies (Newell et al. 1999). Néanmoins, le mécanisme favorisant l’agrégation est encore incertain. Plusieurs scientifiques se sont donc concentrés à savoir ce qui engendre la transformation des feuillets-𝛽 de l’α-syn en fibrilles. Certains scientifiques supportent que plusieurs facteurs distincts peuvent engendrer l’accumulation de l’α-syn toxique (Fecchio, Palazzi, et de Laureto 2018) :

1. La mutation des gènes SNCA (Singleton et al. 2003), kinase 2 répétée riche en leucine (I. Martin et al. 2016) et glucocérébrosidase (Mazzulli et al. 2011).

2. Les variations de séquences de gènes CHMP2B, TMEM175, SCARB3 et BAG3 associés aux voies de dégradation (Blauwendraat et al. 2019).

3. La localisation d’α-syn enrichie dans les vésicules synaptiques (Hijaz et Volpicelli- Daley 2020).

4. L'’altération des fonctions mitochondriales (Fornai et al. 2005; Rocha, De Miranda, et Sanders 2018).

5. L’interaction α-syn/lipide et les modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, l’ubiquitination et la nitration (W.S. Kim, Kågedal, et Halliday 2014).

2.3.1 Implication dans la MP

L’α-synucléine est connue depuis plusieurs années pour son implication dans la MP. Des mutations du gène SCNA de cette protéine seraient associées au développement de la MP selon plusieurs études génétiques. Différentes formes d’α-synucléine sont impliquées dans la pathogenèse de la MP. L’évaluation neuropathologique de tissus cérébraux parkinsoniens a permis d’observer la présence de l’accumulation de cette protéine sous forme fibrillaire dans les corps de Lewy, le soma neuronal et les neurites de Lewy (Spillantini et al. 1997). Similairement à la DBL, la phosphorylation d’α-syn se produit avant la formation des corps de Lewy généralement retrouvée en grande quantité dans la substance noire et le locus coeruleus. La formation de ces corps dans les terminaisons axonales et les dendrites des neurones découle également de la perte de solubilité et des interactions lipidiques de l’α-syn. Ces changements post-traductionnels

sont donc des marqueurs de la pathologie, mais prennent un temps considérable avant de se propager dans des régions cérébrales (les régions limbiques et le cortex d’association) autres que la substance noire et le locus coeruleus (W.S. Kim, Kågedal, et Halliday 2014). Outre les effets délétères de cette protéine favorisant la MP, les agrégats fibrillaires d’α-syn composant les corps de Lewy ont récemment été liés à un mécanisme cytoprotecteur dans la MP en augmentant la perméabilité membranaire et en facilitant la dégradation de quantités excessives de protéines endommagées, mutées et cytotoxiques (Wakabayashi et al. 2007). Cependant, face à ce dernier rôle cytoprotecteur, si la formation de ces inclusions sert à séquestrer et dégrader les protéines toxiques, les corps de Lewy continueront de se développer en accumulant des concentrations excessives d’agrégats protéiques, conduisant finalement à la mort cellulaire (Wakabayashi et al. 2007). Ainsi, la compréhension de l’implication et du rôle des différentes formes (fibrilles, photofibrilles et oligomères) d’α-synucléine dans la MP demande davantage d’études.

2.4 TDP-43

TDP-43, est une protéine encodée par le gène TARDPB. Au total, elle contient 414 résidus d’acides aminés composant quatre domaines distincts : 1. Le domaine N-terminal (a.a. 1- 102). 2 et 3. Deux motifs de reconnaissance d’ARN contenant les résidus 104-176 et 192- 262. 4. Le domaine C-terminal (a.a. 274-414) (A. Prasad, Bharathi, et al. 2019). Les domaines N- et C-terminal ont la capacité de faire des interactions protéine-protéine, tandis que les deux motifs centraux ont la capacité de se lier à spécifiquement l’ARN cible selon la séquence.

TDP-43 a la capacité de se lier aux motifs d’acide désoxyribonucléique (ADN) riches en pyrimidine (Ou et al. 1995), mais surtout à l’ARN puisqu’elle fait partie de la famille des heterogeneous nuclear ribonucleoprotein. D’après cette dernière liaison, TDP-43 exerce plusieurs fonctions associées à différents processus biologiques (Figure 11). En effet, en plus de réguler les processus des ARN pré-messagers en se liant à ceux-ci, TDP-43 est une protéine également impliquée dans diverses étapes du cycle de vie de l’ARNm ainsi que dans la régulation d’ARN non codants. Plus précisément, elle intervient dans plusieurs processus cellulaires tels que l’épissage des ARN pré-messagers, la biogenèse des microARN, l’expression des ARN nucléaires, le transport, la traduction et la stabilité des ARNm (Ratti et Buratti 2016).

Fig 11. Schéma de l’ensemble des fonctions cellulaires de TDP-43 en plus de son processus d’agrégation impliqué dans diverses maladies.

Figure adaptée de (Ratti et Buratti 2016).

Depuis une quinzaine d’années, les recherches effectuées afin de comprendre davantage cette protéine ont explosé dû au fait qu’elle a été identifiée en tant que composante principale des agrégats intracellulaires de neurones affectés de patients atteints de la SLA (~97 % des cas) et de la FTLD (~45 % des cas) (Arai et al. 2006; Neumann et al. 2006; Ling, Polymenidou, et Cleveland 2013; R.H. Tan et al. 2017). Depuis ce temps, de plus amples découvertes ont également observé l’implication de TDP-43 dans d’autres maladies neurodégénératives (A. Prasad, Bharathi, et al. 2019) telles que la MA (Amador-Ortiz et al. 2007; McAleese et al. 2017; Tremblay et al. 2011), la MP (Chanson et al. 2010) et la HD (Schwab et al. 2008).

Cette caractéristique pathologique est nommée TDP-43-opathie. Malgré les nombreuses études effectuées sur cette protéine dans les dernières années, ses mécanismes semblent être plus complexes que ce qui était initialement proposé puisqu’il y a encore un débat à savoir si les effets délétères de cette protéine proviennent d’un gain de toxicité ou plutôt d’une perte de fonctions. De plus, les scientifiques pensent encore que TDP-43 seule ne serait peut-être pas suffisante pour induire une neurodégénérescence, mais pourrait plutôt coopérer avec d’autres facteurs pour la déclencher (J. Gao et al. 2018). Ce sont des changements structurels (phosphorylation, ubiquitination ou clivage) aberrants ou des mutations (Kabashi et al. 2008; Pesiridis, Lee, et Trojanowski 2009) de TDP-43 neuronales et gliales qui pourraient être pathologiques.

Tout d’abord, la phosphorylation peut se faire sur les différents résidus de sérine, de thréonine ou de tyrosine composant la structure protéique. Les sérines (403, 404, 409 et 410) (Gendron, Josephs, et Petrucelli 2010) sont les principales ciblent enzymatiques de phosphorylation pouvant engendrer une mauvaise localisation cytoplasmique, l’oligomérisation ou l’agrégation de TDP-43 (Nonaka et al. 2009; Nonaka et al. 2016). Bien que ces sites soient présents dans la SLA, la FTLD et la MA, cette condition de phosphorylation n’est pas encore limitée aux conditions pathologiques puisqu’elle est également présente en condition normale (Buratti et Baralle 2009). Une seconde modification post-traductionnelle est l’ubiquitination médiée par l’activité des ubiquitines ligase E3, de l’enzyme ubiquitin-conjugating E2 E3 et des isopeptidase Y (Hans et al. 2014), affectant plusieurs sites de TDP-43 (Dammer et al. 2012). L’état ubiquitiné de TDP-43 a été retrouvé dans les inclusions cérébrales de la SLA et de la FTLD. Par ailleurs, la surexpression de TDP-43 provoquerait la fragmentation de cette protéine, générant des fragments N- et C-terminaux (à 25 et 35 kDa) (Figure 12). Ces fragments provenant de clivages protéolytiques par l’action de diverses protéases (calpaïne, caspase 3 et 7, etc.) ont été observés chez des patients atteints de la SLA et de la FTLD dont ceux spécifiques au segment C-terminal sembleraient être toxiques (A. Prasad, Bharathi, et al. 2019; Y.J. Zhang et al. 2007; Hasegawa et al. 2008; Xiao et al. 2015). Plus précisément, les fragments à 35 kDa proviendraient de l’action des caspases 3 à 7 sur l’Asp89, tandis que ceux à 25 kDa auraient plutôt lieux sur l’Asp169 (caspases 6 et 7) et 174 (caspases 4 et 10). Ainsi, l’altération de ces enzymes pourrait retarder la clairance de TDP-43 accumulée et ainsi prolonger la nécrose responsable de la mort neuronale (Q. Li et al. 2015). Finalement, plusieurs mutations du gène TARDBP ont été identifiées, bien que seulement 2 à 3% des individus atteints de la SLA familiale ou sporadique sont porteurs de mutations (Rutherford et al. 2008). Plus spécifiquement, dans la SLA, les principales mutations présentes dans la région C-terminale riche en glycine peuvent améliorer l’agrégation, promouvoir la formation de fibrilles ou encore la cytotoxicité de TDP-43, des facteurs reliés à la progression de la maladie (A. Prasad, Bharathi, et al. 2019).

Fig.12. Schématisation des sites de fragmentation de TDP-43. Figure tirée de (Berning etWalker 2019).

En plus de ces nombreux changements post-traductionnels de TDP-43, ces inclusions sont répandues dans le cerveau humain de patients atteints de la SLA et de la FTLD, mais généralement limités à la région limbique dans la MP et la MA (Baloh 2011). TDP-43 présente des comportements de type prion in vitro pouvant être des cibles thérapeutiques, d’où la nécessité de comprendre davantage son mode de propagation (Nonaka et al. 2013). Comme elle est présente dans diverses maladies neurologiques, la présence de l’accumulation protéique de TDP-43 dans le TE permettrait de lier cette pathologie à la SLA, la MA, la MP, etc, afin de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents dans ce trouble du mouvement.

2.5 FUS

FUS est un membre de la famille des protéines FET encodée par le gène FUS localisé sur le chromosome 16. Elle contient 526 a.a. pouvant être divisés en différentes régions : 1. La région N-terminal (a.a. 1-165) et la région riche en glycine (166-267) étant le domaine lié au type prion. 2. La région C-terminale comprenant le motif de reconnaissance de l’ARN (a.a. 285-371), deux régions Arg-Gly-Gly (a.a. 371-422 et 453-501) interrompues par le motif ZNF (a.a. 422-453) et un signal de localisation nucléaire non conventionnel (a.a. 510-526) (Shang et Huang 2016). Cette protéine a la capacité de se lier à l’ARN et à l’ADN, donc est impliquée dans divers processus cellulaires incluant la prolifération cellulaire, la régulation de la transcription et de la plasticité neuronale, le traitement (épissage, transport et maturation) de l’ARN et de microARN, la réparation cellulaire, la régulation de l’expression de certains motifs d’ADN et conjecturalement, des mécanismes neurodégénératifs incluant

l’implication dans des sous-types spécifiques de neurodégénérescence (la SLA familiale et des sous-types de la FTLD) (Mackenzie, Rademakers, et Neumann 2010; Lagier-Tourenne, Polymenidou, et Cleveland 2010; Urwin et al. 2010). Toutefois, selon de récentes études, FUS semble être impliquée à la fois dans l’apparition plus précoce et la progression plus agressive de la SLA contrairement à TDP-43 (J. Yan et al. 2010).

Normalement, cette protéine est retrouvée principalement dans le noyau cellulaire neuronal et glial. Toutefois, sous conditions pathologiques, ces inclusions sont davantage retrouvées dans le cytoplasme (C. Vance et al. 2013). En effet, une accumulation de FUS et de ses fragments insolubles a été observée dans le cytoplasme des patients atteints de la SLA et de la FTLD-FUS (Mackenzie, Rademakers, et Neumann 2010; Lagier-Tourenne, Polymenidou, et Cleveland 2010). Ces conditions pathologiques seraient plutôt associées à certaines mutations de FUS, et non à d’autres types de modifications post-traductionnelles (Mackenzie, Rademakers, et Neumann 2010; Lagier-Tourenne, Polymenidou, et Cleveland 2010). Ces mutations seraient majoritairement retrouvées dans la région riche en glycine, la deuxième région Arg-Gly-Gly et le signal de localisation non conventionnel (Shang et Huang 2016). Plus particulièrement, la SLA serait reliée à une grande variabilité de mutations (50 au total, incluant FUS p.R521G, p.R521C, p.R521H, p.R524W ou p.G507N) (Mackenzie et al. 2011), comparativement à la FTLD où très peu de mutations de FUS ont clairement été identifiées (Rademakers, Neumann, et Mackenzie 2012; Van Langenhove et al. 2010). Les différentes mutations du gène et/ou de la protéine FUS peuvent avoir un rôle causal dans le développement de ces maladies. Ce rôle proviendrait notamment de facteurs induisant la toxicité de FUS incluant l’agrégation, la propagation et la méthylation (H. Deng, Gao, et Jankovic 2014; Labbé et al. 2014). Qu’en est-il dans le TE? Le TE serait associé à plusieurs variants de FUS (Merner et al. 2012; Y.R. Wu et al. 2013), bien que ces mutations ne soient pas supportées par toutes les études génétiques de ce trouble du mouvement (Peter Hedera et al. 2013). En effet, une première étude supporte que le variant p.Gln290 causerait le TE au sein d’une même famille chez 54 % des individus présents dans celle-ci. Ce faible taux peut être dû à l’absence de distinction entre les cas sporadiques et héréditaires au sein d’une même famille. Selon des logiciels bio-informatiques, le variant p.Arg216Cys semble également pathogène en étant impliqué dans un défaut d’épissage, en perturbant un site CpG ou en affectant l’expression génique. Ces deux variants de FUS semblent être une cause rare du TE autosomique dominant puisqu’ils ne sont présents que dans 1,5 % de leur cohorte atteint de la maladie (Merner et al. 2012). Deux autres études effectuées auprès de populations chinoises ont identifié un nouveau variant de FUS

(p.Met392IIe) (Y.R. Wu et al. 2013; Zheng et al. 2013). Cette mutation n’a cependant pas été reproduite en Europe et en Amérique du Nord, ce qui supporte qu’elle puisse être spécifique aux populations asiatiques. Un autre variant a également été rapporté par une équipe provenant du Canada (A. Rajput et al. 2014). Ainsi, éventuellement, l’identification de nouvelles mutations de FUS par le séquençage d’exomes permettra, espérons-le, de minimiser les barrières cliniques associées à l’impact de la protéine FUS dans le TE (Merner et al. 2012; Y.R. Wu et al. 2013).

3. LIPIDES CÉRÉBELLEUX