Rôles dans les pathologies chroniques

3.2.1. Sclérose latérale amyotrophique

La sclérose latérale amyotrophique ou SLA est caractérisée par une perte progressive et spécifique des motoneurones, qui transmettent l’information du cerveau aux muscles, dans le cerveau, le tronc cérébral ainsi que dans la moelle épinière conduisant à une paralysie et à une mort prématurée. Des formes familiales et sporadiques de la pathologie sont décrites. Les formes familiales des pathologies sont observées dans 10 % des cas. Deux gènes, SOD1 et ALS2 sont la cible de mutations et sont en cause dans ces formes familiales. D’ailleurs plus de 100 mutations touchent le gène codant pour la superoxyde dismutase ou SOD1, une enzyme antioxydante qui catalyse la conversion de l’anion superoxyde en peroxyde d’hydrogène. Ces mutations causent une neurodégénérescence à travers de nombreux facteurs tels que : le mauvais repliement de protéine, l’altération de la réponse au stress oxydant ou déstabilisation du cytosquelette Des souris transgéniques qui expriment le gène mutant SOD1 humain développent des symptômes similaires à l’ALS, mort spécifique des motoneurones, faiblesse progressive et mort précoce (Kiernan M.C. et al., 2011).

Les premières preuves de l’implication des Caspases dans l’ALS proviennent de croisements d’animaux ALS avec des souris CASP-1-/- ou les animaux résultant du croisement présentent une durée de vie augmentée de 9 % et une progression de la maladie ralentie à 50 %. De plus, l’injection en ICV de z-VAD-fmk, qui cible CASP-1 et CASP-3 notamment, montre un effet neuroprotecteur et étend la durée de vie des animaux de 22 % (Li M. et al., 2000). Un rôle apoptotique pour les formes familiales d’ALS est suggéré par l’activité apoptotique dans des lignée cellulaires neuronales mutées pour SOD1. D’ailleurs, l’activation de CASP-1 et -3 a pu être mise en évidence dans des échantillons de moelle épinière de patients ALS ainsi que chez les souris mutantes SOD1. Un mécanisme proposé pour l’effet des CASP-1 et -3 est le

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suivant : la CASP-1 pourrait initier la mort cellulaire par deux voies ; soit en augmentant la production d’Il-1b soit en activant directement la CASP-3 (Yuan J. et al., 2000).

3.2.2. Maladie de Huntington

La maladie de Huntington (MH) est une forme autosomale dominante causée la dégénérescence de neurones dans le néostriatum et le cortex. Ces dommages entraînent des mouvements involontaires (chorée de Huntington), des symptômes psychiatriques, des altérations cognitives associés à de la démence. La pathologie a pour cause une mutation du gène (chromosome 4q16) codant la Huntingtine (htt), une protéine de 350 kDa, où l’insertion d’une séquence CAG au niveau de l’exon 1 entraîne l’insertion d’une séquence poly-glutamine (35 à 120 répétitions) en N-ter de la protéine Huntingtine (Bertram L. et al., 2005 ; Ross C.A. et al., 2011). La caractéristique de HD chez les humains et les modèles animaux est l’accumulation de fragments N-ter d’htt suggérant donc qu’une protéolyse excessive associée ou non à une mauvaise élimination de ces fragments soient la cause de HD. Par ailleurs, l’expansion de polygultamine résulte en la perte des neurones GABAergiques au niveau du striatum et la perte de neurones glutamatergiques au niveau des neurones corticaux qui projettent sur le striatum. Or, il s’avère que les fragments de htt sont abondants au niveau des projections des neurones corticaux, suggérant donc qu’une accumulation de htt dans ces neurones peut conduire à un dysfonctionnement des réseaux cortex-striatum et pourrait constituer un événement précoce de la pathologie. Toutefois, il est important de noter que la présence de ces fragments ne se traduit pas forcément en pathologie. Enfin, la translocation nucléaire de l’htt est associée à une forte toxicité in vitro et in vivo, plus précisément, un fragment en particulier pourrait être responsable de la neurodégénérescence dans HD. Dans des modèles animaux de la pathologie, YAC 128, la translocation nucléaire des fragments de mhtt coïncide avec l’apparition de la dysfonction motrice chez ces animaux, soutenant le rôle d'un fragment htt nucléaire spécifique dans l'initiation du dysfonctionnement neuronal.

In vitro, les CASP-3 et -6 clivent htt et la mutation de cinq sites potentiels de clivage de ces

protéases bloque la cytotoxicité de l’htt de souris (mhtt) in vitro. Chez les modèles YAC 128, il a pu être montré que le clivage de mhtt au niveau de l’acide aminé 586 par CASP-6 est requise pour le développement des marques pathologiques et comportementales inhérentes à HD. En effet, une élimination sélective de ce site de clivage est suffisante pour protéger des dysfonctions neuronales et de la dégénérescence in vivo. Ces observations sont donc en

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accord avec les faits énoncés précédemment où un seul fragment, celui généré par le clivage de mhtt au niveau du site IVLD586G par CASP-6, constitue l’élément déclencheur à l’origine de la cytotoxique qui induit dysfonction neuronale et la neurodégénérescence dans HD (Graham R.K. et al., 2006 ; Warby S.C. et al., 2008 ; Bulat N. et al., 2009).

3.2.3. Maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus répandue chez les adultes. Elle se caractérise par une perte sévère des neurones dopaminergiques au niveau de la substance noire et par la présence d’inclusions cytoplasmiques constituées d'agrégats d’a-synucléine (corps de Lewy). Ces atteintes se manifeste par des troubles progressifs du mouvement comprenant la triade classique : tremblements, bradykinésie et rigidité (Bertram L. et al., 2005). L’analyse post-mortem des cerveaux de patients révèle que les neurones dopaminergiques présentent les caractéristiques d’une mort par apoptose (fragmentation de l’ADN, condensation de la chromatine, ...). De plus, l’expression de CASP-3 a été rapportée dans la substance noire après autopsie. Des modèles in vivo et in vitro de PD suggèrent également un rôle de l’apoptose dans la pathologie humaine. L’administration de 1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) chez la souris entraîne une dégénérescence sélective des neurones dopaminergiques dans la substance noire. Cette administration est également associée à l’activation de CASP-3 ainsi que de la fragmentation de l’ADN. De plus, l’expression de BAX est aussi augmentée après l’administration de MPTP, d’ailleurs les souris délétées pour l’expression de BAX sont résistantes à cet agent. Dans les lignées PC12, le 1-Methyl-4-phenylpyridinium ion ou MPP+, un métabolite du MPTP, cause la mort des neurones dopaminergique en activant la CASP-3. Enfin, l’injection de MPTP dans des souris sauvages, conduit à l’activation de la CASP-3 mais aussi de CASP-8 et -9 ainsi qu’au clivage de BID et au relargage de cytochrome c dans la substance noire. Ces éléments suggèrent donc que la CASP-3 pourrait être l’effecteur final de la mort par apoptose dans les processus neurodégénératifs caractéristiques de la MP. Une voie possible de l’activation des Caspases suite au traitement des souris avec du MPTP pourrait être la suivante : l’administration du MPTP résulte en le relargage de cytochrome c et permet la formation de l’Apoptosome qui entraîne l’activation de CASP-9 et par conséquent l’activation de CASP-3. Cette dernière peut alors cliver ses substrats pour conduire à l’apoptose. La CASP-3 pourrait également activer la CASP-8, pour

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qu’elle puisse à son tour cliver et activer BID pour faire une boucle d’amplification du signal apoptotique (Viswanath V. et al., 2001 ; Venderova KL. Et al., 2012).

3.2.4. Maladie d’Alzheimer

En 1906, Alois Alzheimer décrit une forme particulière de maladie, caractérisée par une détérioration cognitive progressive, des symptômes focaux, des hallucinations, illusion, et des problèmes de sociabilité chez Augustine Deter, la première patiente diagnostiquée pour la maladie d’Alzheimer (AD).

3.2.4.1. Physiopathologie

Pathologie neurodégénérative progressive associée à une perte de la mémoire, une désorientation spatiale ainsi qu’à une détérioration graduelle des capacités intellectuelles, la maladie d’Alzheimer est du point de vue cellulaire, caractérisée par un processus neurodégénératif chronique et progressif résultant de l’accumulation intra et extracellulaire d’agrégats de protéines : b-amyloïde (Ab) et de Tau hyperphosphorylée. Malgré le manque de connaissance sur les voies de signalisation impliquées dans le processus pathologique, les deux marqueurs de la pathologie, eux sont bien connus, à savoir l’accumulation de neurofibrilles issus de l’agrégation de Tau, dans le neurone et les plaques amyloïdes formées d’Ab à l’extérieur du neurone. L’accumulation de ces agrégats protéiques conduit à une dysfonction synaptique et à une mort neuronale. En condition physiologique, Tau est une protéine soluble, localisée principalement au niveau des axones, indispensable à l’activité neuronale puisqu’elle facilite la formation et la stabilisation des microtubules du cytosquelette, une fonction nécessaire pour le transport axonal. En condition pathologique, Tau est anormalement phosphorylée et ne peut donc plus se lier aux microtubules et se retrouve séquestrée au niveau des neurofibrilles pour former des agrégats à l’intérieur du neurone. Plus précisément, Tau forme des paires de filaments (10 nm de diamètre) hélicoïdaux qui s’agrègent ensuite pour former les enchevêtrements de neurofibrilles qui s’accumulent dans le soma et les dendrites (Figure 25 B). Ces modifications entrainent une instabilité des microtubules et donc une perturbation du transport axonal conduisant par la suite à la mort du neurone (Goedert M. et al., 2006 ; Spires-Jones T.L. et al., 2009). Dans la cascade amyloïde, les peptides Ab sont produits suite au clivage de la protéine précurseur amyloïde, ou APP en anglais. Le gène localisé sur le chromosome 21, code pour une protéine transmembranaire qui possède un long domaine intracellulaire et une courte région

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cytoplasmique, présente de manière prédominante au niveau du RE. Il existe trois isoformes de cette protéine, l’isoforme APP695 prédominant dans les neurones et les isoformes APP751 et 770 exprimé de manière ubiquitaire dans tous les tissus, mais avec une abondance particulière dans le cerveau (Zeng H. et al., 2006). La voie dite « non amyloïdogénique » ou non pathologique, implique le clivage de l’APP par l’a-sécrétase dans le domaine Ab prévenant ainsi de la formation potentielle des peptides cytotoxiques (De Strooper B. et De Strooper B. et al., 2010) (Figure 25 A). En revanche, dans la voie dit « amyloïdogénique » ou pathologique, l’APP subit deux étapes successives de clivage par les b- et g- sécrétases. L’APP est tout d’abord clivé par la b-sécrétase qui condit à la libération de sAPPb en extracellulaire tandis que le fragment restant CTFb (ou C99) in intracellulaire, est clivé par la g- sécrétase et entraîne la libération de peptides amyloïdes Ab1-40 et d’Ab1-42 monomériques qui s’oligomérisent ou forment des fibrilles qui s’agrègent en plaques amyloïdes cytotoxiques caractéristiques qui se déposent entre les neurones (Figure 25 A). Ces deux peptides sont retrouvés dans les plaques amyloïdes bien que le peptide Ab1-42, présente un fort potentiel à former des oligomères toxiques qui se retrouvent par la suite accumulés au niveau de ces plaques. L’Ab1-42 peut facilement former des fibrilles et se dépose très précocement chez les patients AD ou atteints du syndrome de Down. Les espèces monomériques ne sont pas cytotoxique mais la formation de fibrilles et particulièrement la forme oligomérique, liée au mauvais repliement rendent l’Abtoxique (Viola K.L. et al., 2015). L’accumulation de ces plaques est associée l’hyperphosphorylation de Tau ainsi qu’à la perturbation des fonctions mitochondriales, la dérégulation de l’homéostasie du calcium, la perte synaptique et les perturbations cognitives (Puzzo D. et al., 2015).

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Figure 25. Marqueurs de la Maladie d’Alzheimer.

(A) Représentation schématique des voies non amyloïdogénique et amyloïdogénique. Dans la voie non

amyloïdogénique, non pathologique, le clivage de l’APP par l’a-sécrétase permet la libération d’un fragment sAPPa en extracellulaire, le fragments CTFa à la membrane est ensuite clivé par la g- sécrétase pour former deux peptides P3 et AICD non toxiques. La voie pathologie ou amyloïdogénique est initiée par le clivage de l’APP par la b-sécrétase qui condit à la libération de sAPPb en extracellulaire. Le fragment restant CTFb est clivé par la g- sécrétase et entraîne la libération de peptides amyloïdes Ab monomériques qui s’oligomérisent pour former ensuite les plaques caractéristiques amyloïdes cytotoxiques qui se déposent entre les neurones. (B) Représentation schématique de la dérégulation de Tau dans la maladie d’Alzheimer. En condition physiologique Tau permet la stabilisation des microtubules dans les neurones. En condition pathologique, l’hyperphosphorylation de Tau compromet ses fonctions et empêche sa fixation aux microtubules. Tau hyperphosphorylée est ensuite séquestrée au niveau des neurofibrilles. La réduction du nombre de Tau conduit à l’instabilité des microtubules impactant ainsi le transport axonal (Bachurin S.O.

et al., 2017). (C) Illustration d’une coupe transversale entre les cerveaux d’une personne saine et d’un

patient atteint de la Maladie d’Alzheimer. Réduction considérable du cortex avec un rétrécissement particulièrement important au niveau de l’hippocampe. Il est également à noter un grossissement des ventricules, d’après www.alz.org.

3.2.4.2. Dépôts des plaques amyloïdes et des neurofibrilles

À des stades précoces de la pathologies les structures ciblées sont en premier lieu le cortex entorhinal et l’Hippocampe, on parle alors d’une atteinte de la voie perforante. De plus, au niveau fonctionnel, les stades très précoces de la pathologie sont caractérisés par une dysfonction synaptique (Angulo S.L. et al., 2017).

Les premiers enchevêtrements de neurofibrilles (NFT en anglais) apparaissent au niveau du cortex entorhinal et de la zone CA1 de la corne d’Ammon de l’Hippocampe (Stade I et II). Ensuite les NFTs apparaissent et se développent au niveau du système limbique c’est à dire au niveau de subiculum (structure de l’hippocampe), de l’amygdale, du thalamus et du claustrum (stade III et VI). Enfin, les NFTs se propagent sur tout le néocortex, impactant les aires associatives (mémoire, langage, planification) puis les aires sensorielles et motrices (stade V-VI) (Braak H et al., 1991, 1994, 2006) (Figure 26A).

A

B

99

Thal et al., en 2002 ont proposé une progression des dépôt amyloïdes en cinq étapes. (1) Les plaques envahissent d’abord le néocortex, (2) puis évoluent vers le cortex entorhinal et l’hippocampe, l’amygdale et les cortex insulaire et cingulaires. (3) Ensuite, les dépôts se propagent au niveau du striatum, du thalamus, de l’hypothalamus et de la matière blanche. (4) Les plaques atteignent finalement une partie du tronc cérébral avant d’envahir le cervelet et le pont, partie centrale et renflée du tronc cérébral (5) (Figure 26B) (Serrano-Pozo A. et al., 2011).

Figure 26. Stades de dépots des

enchevetrement de neurofibrilles et de plaques amyloides.

(A) Représentation schématique de dépôts des NTFs au cours du temps. Les zones colorées indiquent la distribution des NFTs et les contrastes rendent compte de la densité de NFTs accumulées sur les régions. (B) Représentation schématique du dépôt des plaques amyloïdes au cours du temps d’après Thal et al., 2002, en coupe coronale (1), transversale (2) et sagitale (3). Ici les cind étapes sont résumées en trois stades : atteinte du néocortex (rouge) puis atteinte du système limbique (orange) et enfin à des stades plus tardifs atteinte du tron cébéral et du cervelet (jaune).

(Amyg : Amygdale ; EC : cortex entorhinal, CA1 : Corne d’Ammon (Hippocampe) ; Cg : cortex cingulaire ; 3-1-2 : aire sensorielle, 17 : aire visuelle ; 18 : aire associative)

3.2.4.3. Une pathologie multifactorielle

De nombreuses théories sont avancées pour expliquer les causes de cette pathologie, mais toutes mènent à la même conclusion, qu’AD est une pathologie multifactorielle et qu’un seul médicament ne peut pas être suffisant pour lutter contre la progression de la maladie. Outre les théories de Tau et l’hypothèse amyloïde d’autres théories sont avancées : les facteurs chimiques conduisant à un mauvais métabolisme du métal et à une altération des voies de signalisation, les dérèglements vasculaires, les facteurs aggravants comme le diabète, la tension et le cholestérol, les facteurs environnementaux et infectieux, ainsi que les prédispositions génétiques. Ces dernières incluent les mutations dans les gènes codants l’APP et les présénilines (PSEN) et les variations alléliques pour l’apolipoprotéine E (ApoE).

Transentorhinal

(I-II) ^Limbic(III-IV) ^Neocortex(V-VI)

1 2 3

A

100

Une faible proportion des cas AD est due à des mutations génétique conduisant à une transmission autosomale dominante et concerne les gènes APP (chromosome 21) (Chartier-Harlin M.C. et al., 1991) ; PSEN1 et 2, localisés sur les chromosomes 14 et 1 respectivement (Borchelt D.R. et al., 1996). Les patients présentant ces mutations au niveau de ces gènes montrent un développement prématuré de la maladie. Environ 85% des formes familiales correspondent à une mutation de PSEN1 tandis que les mutations sur APP et PSEN2 sont moins fréquentes. En tout, 157 mutations sont référencées sur PSEN1, contre 10 sur PSEN2. Les formes sporadiques représentent la majorité des cas et se manifestent tardivement, au-delà de 65 ans et ne semble pas être sous l’influence de facteurs génétiques.

3.2.4.4. Impact sociétal et économique

Aux États-Unis entre 2010 et 2011, les conséquences économiques de la Alzheimer

sont estimées à 215 milliards de dollars. Les ventes de médicaments pour le traitement de la maladie a atteint 8,3 milliards. Entre 2002 et 2012 c’est 413 essais cliniques sur 224 médicaments potentiels qui ont été conduits ; soit 124 études en phase I, 206 études en phase II et 83 en phase III. Depuis, 2007 lorsque la FDA (Food Drug and Administration) a obligé l’enregistrement des essais cliniques c’est seulement 54 études qui sont entrées en phase III (Bachurin S.O. et al., 2017).

Actuellement en France, d’après les données de France Alzheimer, la maladie d’Alzheimer est la 4ème cause de mortalité en France avec 900.000 personnes atteintes. C’est aussi, 1 nouveau cas qui est diagnostiqué toutes les 3 minutes, soit 616 nouveaux cas par jour donc près de 225.000 nouveaux cas diagnostiqué chaque année. 1 Patient sur 2 est diagnostiqué, dont 1 sur 3 qui l’est au stade précoce. Parmi les personnes atteintes, 32.000 ont moins de 65 ans, soit 3,1 % des cas référencés. Une maladie donc bien réelle avec des conséquences multiples puisque 9,9 milliards d’euros sont consacrés à la prise en charge médicale et médico-sociale en France, avec un coût annuel par patient évalué à 22,099 € soit 12,146 assumés par la famille et 4.225€ apporté par le Conseil général. La maladie d’Alzheimer c’est aussi plus de 10 millions d’euros consacré à la recherche depuis 1988 et aucun traitement curatif pour guérir de la maladie ni aucun traitement préventif. Si rien ne change, 1 français sur 4 de plus de 65 ans sera concerné par la maladie en 2020.

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3.2.4.5. Caspases dans les cerveaux AD

Dans les analyses post-mortem des cerveaux de patients AD, une augmentation de l’expression des ARNm de nombreuses Caspases (-1, -2, -3, -5, -6, -7, -8 et -9) a été mise en évidence en comparaison avec des cerveaux sains. Au niveau protéique, il est à noter une augmentation de l’expression de CASP-2 (Jean Y.Y. et al., 2013), CASP-9 et des CASP-3 et -6 clivées (Troy C.M. et al., 2011 ; 2015).

3.2.4.6. Caspases et clivage de l’APP

L’APP possède 3 sites potentiels de clivage pour les CASP-3, -6, -7 et -8 (Figure 27). Par exemple, dans des cultures de neurones en absence de sérum, la CASP-6 est activée et peut cliver l’APP pour permettre la libération d’un fragment de 6,5 kDa qui contient le fragment Ab. Par conséquent les Caspases semblent jouer un rôle important dans la neurotoxicité induite par le peptide Ab. D’ailleurs, les plaques amyloïdes sont enrichies en Ab résultant du clivage par les Caspases (Gervais F. et al., 1999 ; LeBlanc A. et al., 1999 ; Pellegrini et al., 1999). En plus du rôle cytotoxique d’Ab, la libération du fragment C99 ou CTFb, en intracellulaire suite au clivage par la b-sécrétase s’avère être également toxique pour les neurones in vitro. De plus, l’expression de ce fragment dans les cerveaux de souris conduit aux dépôts d’Ab et à une neurodégénérescence ainsi qu’à une altération du comportement et des défauts synaptiques. Les Caspases sont également capables de cliver C99 en C31 et ce dernier fragment semble être également cytotoxique pour la cellule.

Figure 27. Sites de clivages putatifs des Caspases sur la protéine précurseur amyloïde.

Représentation de la séquence de la protéine précurseur amyloïde. Localisation des sites de clivages des Caspases (-1, -3, -6, -7 et -8). Les trois sites de clivage sont indiqués en dessous de la séquence en gras avec le nombre se référant à l’Asp en P1. La région contenant le peptide Ab est agrandie au dessu de la séquence. Les sites de clivage des a-, b- et g- sécrétases sont également renseignés.D’après Gervais F.G. et al., 1999.

102

3.2.4.7. Caspases et clivage de Tau

Les Caspases sont également capables de cliver Tau. D’ailleurs, la CASP-6 active colocalise avec les neurofibrilles dans le cortex et l’hippocampe chez l’humain. Les CASP1, -3, -6, -7 et -8 sont capables de cliver Tau en C-ter au niveau du motif DMVD421-S, in vitro. Avec toutefois un clivage plus efficace par les CASP-3, -7. De plus, ce clivage favorise la formation de filaments in vitro. Le clivage par les Caspases au niveau de l’Asp-421 entraîne la libération d’un fragment C-ter de 20 acides aminés qui préviendrait de l’assemblage des filaments in

vitro. En effet, en absence de clivage, ce dernier peut se replier sur la région de liaison au

microtubule empêchant ainsi la polymérisation à partir de cette région. Ce clivage a lieu dans