L’implication du système d’ubiquitination dans la croissance des neurites

des neurites.

La construction du système nerveux pendant le développement peut être divisée en deux phases. La première consiste dans la génération des cellules adaptées aux places adaptées. Nous avons développé ce sujet dans les premiers chapitres de cette introduction en traitant de l’induction neurale et de la neurogenèse. La deuxième phase d’élaboration du système nerveux est constituée par la différentiation des neurones et par la croissance des axones. Dans ce paragraphe, nous étudierons plus particulièrement cette deuxième étape en mettant l’accent sur le rôle du processus d’ubiquitination dans la formation des neurites.

La première modification morphologique qui marque la différentiation neuronale est l’émergence à la surface du corps cellulaire de plusieurs fines extensions cytoplasmiques : les neurites. Ces neurites croissent rapidement et l’une d’entre elles va devenir l’axone avec son cône de croissance caractéristique alors que les autres donneront les dendrites (Bradke and Dotti, 1997).

ELONGATION _Récepteurs Cône de croissance Filaments d’actine et de myosine p (DCC, Robo)

Dégradation des protéines

Polymérisation/dépolymérisation de tubuline

Microtubules

Dégradation du récepteur ou d’un facteur nécessaire à la transduction du signal

Dégradation d’un membre Dégradation des protéines

régulatrices de l’activité des molécules de myosines

Neurite (polymère de tubuline) Protéines associées aux microtubules (rôle stabilisateur) g

de la famille des protéines associées aux microtubules

Production de tubuline Transport de tubuline C ^tubuline Corps cellulaire

Figure 14 : Représentation schématique du contrôle de la croissance d’un neurite par le système d’ubiquitination et de dégradation par le protéasome. La croissance du neurite est induite par des signaux captés par des récepteurs membranaires. Ils induisent le processus de polymérisation de la tubuline formant alors les microtubules qui structurent le cytosquelette du neurite. Les faisceaux de microtubules sont stabilisés par des protéines associées aux microtubules (MAP). Le système d’ubiquitination et de dégradation par le protéasome régule ces mécanismes à différentes étapes (flèches rouges). Il peut y avoir régulation de la croissance du neurite par dégradation des récepteurs membranaires, des f t é i à l t d ti d i i t ll l i d téi é l t i d facteurs nécessaires à la transduction des signaux intracellulaires, de protéines régulatrices de l’activité des molécules de myosine ou d’un membre de la famille des protéines associées aux microtubules.

INTRODUCTION

25 Au niveau moléculaire, la tubuline joue un rôle important dans la croissance des neurites. C’est une molécule qui peut polymériser et former des microtubules rigides qui en s’associant formeront des faisceaux constituant le cytosquelette des neurites. La tubuline est synthétisée dans le soma du neurone et est activement transportée jusqu'à l’extrémité des neurites ou dans le cône de croissance. Les molécules de tubuline peuvent ensuite être incorporées aux structures microtubullaires préexistantes et participer à la croissance des neurites. La stabilité de ces structures microtubulaires est favorisé par l’association de protéines appelées les protéines associées aux microtubules (MAP pour Microtubule Associated Proteins) (Kobayashi and Mundel, 1998) (Figure 14).

Le système qui permet l’ubiquitination et la dégradation des protéines est un moyen efficace de contrôle des mécanismes biologiques. Il n’est pas étonnant de trouver ce système actif durant la croissance des neurites. En effet, le taux d’ubiquitine est relativement élevé pendant le développement neuronal. Il a été montré par immunodétection qu’il y avait un fort taux d’ubiquitine dans les neurites en formation dans les neurones pyramidaux postnataux du cortex et de l’hippocampe ainsi que dans les cellules de Purkinje du cervelet de rat (Flann et al., 1997). De plus, il a été observé que le taux d’ARNm d’ubiquitine est élevé dans les neurones du cerveau de rat adulte après axotomie (Savedia and Kiernan, 1994). Ces données suggèrent que les mécanismes biologiques impliquant l’ubiquitine sont requis massivement pendant le développement des neurites et pendant la régénération axonale.

Les protéines permettant l’organisation et la stabilisation des microtubules peuvent être eux-mêmes la cible de mécanisme de régulation par ubiquitination. C’est le cas de la protéine PPA2c (Phosphatase 2c) qui joue un rôle dans la stabilisation des microtubules et qui interagit avec l’ubiquitine ligase E3 MAP codée par le gène MID1. Cette interaction entraîne l’ubiquitination et la dégradation de la PPA2c (Trockenbacher et al., 2001).

Les mécanismes qui dirigent la progression du cône de croissance peuvent être régulés par l’ubiquitination. A la surface des neurites et du cône de croissance de nombreux récepteurs protéiques vont permettre à l’axone d’interagir avec son environnement. C’est le cas du récepteur DCC (Deleted in Colorectal Cancer) qui reconnaît le ligand Netrin-1 et du récepteur Robo (Roundabout) qui reconnaît le ligand slit. Ces molécules jouent un rôle important dans le passage des cônes de croissance à travers la ligne médiane ventrale du système nerveux central (Furrer et al., 2003 ; Long et al., 2004). En effet, le ligand Netrin-1 est une molécule chimio-attractive alors que slit est une molécule chimio-répulsive (Causeret et al., 2002). Les cellules gliales de la ligne médiane ventrale sécrètent Netrin-1 et slit ce qui attire les cônes de croissance. Pendant la phase d’approche le récepteur Robo est régulé

INTRODUCTION

26 négativement à la surface membranaire ce qui permet au cône de croissance d’atteindre cette zone. Une fois la ligne médiane passée, c’est le récepteur DCC qui est éliminé de la surface membranaire empêchant ainsi l’attraction du cône de croissance par la ligne médiane via le ligand Netrin-1. De manière complémentaire la régulation négative sur le récepteur Robo est levée et sa présence à la surface du cône de croissance permet au ligand slit de jouer son rôle chimio-répulsif. Il a été montré que la régulation négative du taux de récepteur DCC est consécutive à son ubiquitination et sa dégradation par le protéasome 26S. En effet, le domaine cytoplasmique de DCC se lie avec l’ubiquitine ligase Siah-2 ce qui entraîne son ubiquitination et sa dégradation (Hu and Fearon, 1999). Le récepteur Robo lui aussi est sous la régulation négative d’une ubiquitine ligase E3 du nom de Nedd4 qui entraîne son ubiquitination est sa dégradation par le protéasome 26S (Myat et al., 2002).

Un autre exemple d’une molécule impliquée dans le développement des neurites et régulée par l’ubiquitination est celui donné par la protéine RhoA. Cette protéine médie la rétractation des neurites via l’activation des protéines de myosine. En effet, l’activation des propriétés contractiles des structures associées d’actine et de myosine génère une contrainte dynamique qui s’oppose à la croissance du cytosquelette des neurites (Narumiya et al., 1997). Il a été montré que RhoA interagit avec l’ubiquitine ligase E3 Smurf1, ce qui entraîne son ubiquitination et sa dégradation par le protéasome 26S. La surexpression de smurf1 dans des cellules Neuro2A permet de réduire le taux de la protéine RhoA et active la croissance des neurites (Bryan et al., 2005). Plusieurs travaux existent démontrant le rôle soit de l’ubiquitination soit du protéasome dans la croissance des neurites. Ainsi nous pouvons citer

l’étude génétique concernant le gène LIN-23. Ce gène code une ubiquitine ligase E3

constitutive d’un complexe de type SCF nécessaire à la croissance des neurites chez le C. elegans (Mehta et al., 2004).

Il est intéressant de citer les travaux concernant une ubiquitine ligase E3 dont on

connaît trois gènes orthologues PAM, Highwire et Rpm1 appartenant respectivement aux

espèces H. sapiens, D. melanogaster et C. elegans. Les études génétiques montrent que les mutants des gènes Highwire et Rpm-1 ont un développement synaptique anormal au niveau

des jonctions neuromusculaires. Ainsi, chez le C. elegans les boutons synaptiques

apparaissent « en passant » le long de l’axone au contact des cibles synaptiques. Chez les mutants du gène Rpm-1 les synapses sont deux fois moins nombreuses, plus volumineuses et présentent des structures altérées (Zhen et al., 2000 ; Schaefer et al., 2000). Chez la drosophile les boutons synaptiques sont générés au contact de la cible et peuvent éventuellement être le point de départ d’une nouvelle arborisation. Chez les mutants du gène

INTRODUCTION

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Highwire les embranchements et les boutons synaptiques sont désorganisés et deux fois plus nombreux (Wan et al., 2000). Au niveau moléculaire, il a été montré que Highwire interagit avec la protéine Med qui est un élément de la voie de signalisation des BMPs (McCabe et al., 2004 ; Wu et al., 2005). Ces résultats indiquent que Highwire et Rpm-1 sont impliqués dans l’organisation et la croissance des synapses. Enfin, nous citerons les travaux récents concernant l’ubiquitine ligase E3 Cullin-3. Ces travaux montrent que dans les neurones des

corps pédonculés de drosophiles mutantes ayant perdu la fonction du gène Cullin-3, les

neurones ne terminent pas leur morphogenèse et les axones ont une arborisation anarchique et augmentée (Zhu et al., 2005). D’une façon générale les mécanismes biochimiques exacts qui participent à la différentiation neuronale ne sont pas encore tous connus mais les différents travaux cités précédemment renforcent clairement l’idée que le système ubiquitination couplé ou non à la dégradation par le protéasome 26S joue un rôle très important dans la croissance et l’orientation des neurites en développement.

BUT DU TRAVAIL

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