CD Facteurs de risque et processus neurodégénératifs dans la maladie d'Alzheimer : rôles du REnouvellement des LIpides membranaires dans la Fonctionnalité du récepteur MC4R et intérêt d'un peptide ApoE-like encapsulé en nanoliposomes

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I- Contexte scientifique : état de l'art, résultats préliminaires Malgré les nombreuses recherches internationales entreprises, les causes de la maladie d'Alzheimer (MA) ne sont toujours pas clairement identifiées, mais elles sont sans aucun doute plurifactorielles et complexes. On sait notamment que cette démence est favorisée par divers facteurs de risque génétiques et environnementaux dont plusieurs impliquent les lipides (génotype APOE4, alimentation déséquilibrée en lipides, comorbidités). Plusieurs liens ont été rapportés entre la MA et des mécanismes impliqués dans les maladies métaboliques, comme la résistance cérébrale à la leptine ou à l'insuline [1-3] ou des déficits de signalisation du récepteur 4 de la mélanocortine (MC4R) dans le cerveau [4]. Ces récepteurs ont en commun d'être transmembranaires et multimériques, expliquant pleinement que leur structure et leur activité, tout comme leur trafic vésiculaire et leur disponibilité, puissent être significativement modifiés par l'environnement lipidique membranaire [5-9]. I-1 MC4R, un lien potentiel entre Alzheimer et obésité MC4R est un récepteur de la mélanocortine (POMC, α-MSH) connu pour son action dans la régulation de de l'équilibre énergétique et de l'appétit. Plusieurs mutations de MC4R ont été identifiées, dont certaines par les membres de notre groupe, et associées à une résistance du récepteur et à la sévérité de l'obésité [10]. L'activation de MC4R nécessite sa dimérisation, suggérant une influence de l'environnement membranaire sur l'initiation des voies de signalisation conduisant à l'activation de CREB dont le rôle dans la transmission de l'influx nerveux et les mécanismes impliqués dans la mémoire à long terme (LTP) sont largement décrits [11]. Quelques études récentes ont mis en évidence un lien prometteur entre MC4R et la MA, notamment en raison d'un circuit fonctionnel POMC/MC4R identifié dans l'hippocampe et dont la suppression exacerbe les déficits de LTP dans un modèle de souris transgéniques APP/PS1. Au contraire, l'activation de la signalisation associée à MC4R atténue ces troubles mnésiques [12]. Il a également été montré que l'activation de MC4R empêche les détériorations synaptiques et l'activation microgliale induites par le peptide amyloïde (Aβ) [13,14]. Ces données de la littérature suggèrent donc qu'une altération de la voie de la mélanocortine et du récepteur MC4R puissent être impliqués dans les mécanismes initiateurs de la MA, confortant l'existence de signatures moléculaires communes entre l'obésité et la MA. I-2 Alzheimer et altérations du renouvellement des lipides membranaires Dans les neurones bien davantage encore que dans les autres types cellulaires, la membrane plasmique représente un compartiment à part entière dont la composition et l'organisation influencent considérablement les fonctions cellulaires. La membrane neuronale est en effet caractérisée par une surface très étendue et par des teneurs en acides gras polyinsaturés oméga-3 (AGPI n-3) significativement plus élevées, favorisant entre autres la fusion des vésicules synaptiques contenant les neurotransmetteurs ainsi que le fonctionnement et le trafic des récepteurs, des transporteurs et des canaux ioniques indispensables notamment à la transmission de l'influx nerveux, à la plasticité synaptique et à la survie neuronale [15]. L'ensemble de ces éléments suggèrent que les facteurs de risques liés aux lipides et cités plus haut soient capables de moduler la composition et l'architecture des membranes neuronales, de favoriser l'installation de résistances cérébrales à l'insuline ou à la mélanocortine et l'altération de voies de signalisation, promouvant ainsi les processus neurodégénératifs associés à la MA. Les neurones étant des cellules post-mitotiques qui ne se renouvellent pratiquement pas, la persistance des fonctions de leurs membranes, tout comme leur intégrité et leur survie, reposent de façon essentielle sur le recyclage des lipides membranaires. On sait que les astrocytes jouent un rôle clé dans ce processus physiologique en assurant l'apport en cholestérol et en phospholipides sous formes de lipoprotéines de haute densité (HDL) fabriquées grâce à la lipidation de l'apolipoprotéine E (ApoE), notamment au niveau du transporteur membranaire ABCA1 (ATP-binding cassette A1) [16]. ABCA1 joue également un rôle dans la régulation des teneurs en cholestérol et en phospholipides membranaires, dans la réorganisation des rafts et dans la signalisation [17]. Dans le système nerveux central, la délétion du gène d'ABCA1 se traduit par une diminution du niveau d'ApoE qui coïncide avec une lipidation anormale de cette apolipoprotéine [18]. Le polymorphisme ε4 de l'ApoE (ApoE4), principal facteur de risque génétique de la MA, est par ailleurs décrit comme capable de diminuer le recyclage d'ABCA1 en favorisant sa séquestration dans les endosomes tardifs, diminuant sa disponibilité et son activité, contribuant ainsi, davantage encore, à la lipidation anormale d'ApoE [19]. Le variant ApoE4 présente un taux de lipidation inférieur à l'ApoE3, tant en ce qui concerne la teneur en cholestérol qu'en phospholipides, responsable d'un renouvellement insuffisant de la membrane lipidique des neurones. Par rapport aux souris modèles exprimant l'ApoE3, les souris ApoE4 présentent des taux cérébraux plus faibles de précurseurs et de métabolites du cholestérol, ainsi qu'une réduction du degré d'insaturation des acides gras (moins d'AGPI en faveur des monoinsaturés) [20]. On sait aussi que l'activité d'ABCA1 est étroitement liée à sa localisation membranaire. Il semblerait en effet qu'ABCA1 soit plutôt confinée dans les domaines rafts des membranes astrocytaires et que ce confinement et l'activité d'ABCA1 dépendent de la teneur en cholestérol non estérifié. Ces données suggèrent qu'un remodelage membranaire puisse réguler l'efflux du cholestérol astrocytaire par cette voie [21]. Pour mesurer l'impact de ces mécanismes impliquant ABCA1, il importe de souligner que le cholestérol ne traverse pas la barrière hémato-encéphalique. De ce fait, son homéostasie dans les neurones centraux est maintenue essentiellement grâce à sa synthèse astrocytaire et à une régulation fine de son renouvellement. Ainsi, un déficit d'approvisionnement des neurones en cholestérol comme en d'autres lipides membranaires diminue leur turn-over et favorise le vieillissement des membranes [22]. Si le taux de cholestérol n'est pas significativement différent dans le cerveau des patients Alzheimer relativement à des sujets ne présentant pas la maladie, sa synthèse et son catabolisme sont altérés. C'est ainsi qu‘une diminution de l'efflux du cholestérol, une accumulation de ses dérivés oxydés et une diminution de la conversion du cholestérol en 24S-cholestérol ont été mises en évidence dans les cerveaux Alzheimer [23]. Ces différences sont associées à plusieurs mécanismes impliqués dans la MA, comme l'augmentation du catabolisme amyloïdogène de la protéine précurseur APP, l'hyperphosphorylation de Tau, des dysfonctionnements mitochondriaux et des anomalies de l'autophagie, ainsi qu'un stress oxydant et de la neuroinflammation [23]. Par ailleurs, les taux de phospholipides cérébraux dont les phosphatidylcholines et les phosphatidyléthanolamines sont plus bas chez les patients Alzheimer, alors que les taux de céramides sont plus élevés. Il est également décrit une augmentation de la peroxydation des glycérophospholipides membranaires et une modification de la composition des rafts membranaires contribuant à l'altération de l'intégrité membranaire, de la signalisation neuronale et des fonctions synaptiques [24]. L'ensemble de ces données témoignent de façon claire l'importance structurale et fonctionnelle des lipides membranaires, tant en quantité qu'en qualité. I-3 Travaux préliminaires Nos précédents travaux ont contribué à démontrer que le vieillissement et la qualité des apports alimentaires en lipides peuvent modifier l'organisation et la microarchitecture des membranes, relocalisant en conséquence les protéines associées dans des domaines ne leur garantissant plus d'être fonctionnels. Nous nous sommes notamment intéressés à la dynamique des rafts lipidiques, domaines membranaires particuliers riches en cholestérol et en sphingolipides, et dont la composition lipido-protéique détermine de nombreux processus membranaires comme la transduction de signaux, la fonctionnalité des protéines et récepteurs associés ainsi que leur disponibilité en régulant notamment l'endocytose et le trafic vésiculaire. Le remodelage dynamique des rafts lipidiques implique non seulement la redistribution spatiale des composants lipidiques qui les composent, comme le cholestérol non estérifié, ou qui les entourent, comme les acides gras des phospholipides, mais aussi la ségrégation pertinente de partenaires protéiques dont l'association fonctionnelle est indispensable à la transduction du signal ou au trafic intracellulaire. Suite à ces phénomènes de redistribution, la fusion des rafts entre eux ou leur fission, et en conséquence la persistance de ces protéines partenaires colocalisées dans les rafts ou à l'inverse leur expulsion hors des rafts, représentent donc des mécanismes régulateurs particulièrement sensibles aux facteurs de risque de la MA que sont les lipides alimentaires, le génotype ApoE ou le vieillissement [11]. Ces mécanismes sont encore peu explorés, en dépit de l'impact pléiotropique déterminant qu'ils sont susceptibles d'induire sur de multiples cibles membranaires. Nos travaux antérieurs ont contribué à démontrer ce rôle, mettant en évidence que l'âge et les apports alimentaires en lipides influencent l'organisation membranaire des neurones, entraînant des effets régulateurs sur l'activité du récepteur du facteur neurotrophique ciliaire (CNTF) dont nous avions préalablement rapporté l'activité anti-Alzheimer dans un modèle de souris jeune [25]. Nous avons montré dans ce travail que la réponse du récepteur du CNTF est altérée dans le cerveau de souris âgées (18 mois) comparativement à des souris jeunes (6 mois), et que ce déficit de réponse résulte d'un remodelage délétère des rafts membranaires, responsable de la dispersion hors des rafts des sous-unités du récepteur du CNTF, synonyme de perte d'activité du récepteur et de vieillissement membranaire. En revanche, l'administration d'un régime alimentaire supplémenté en DHA ou acide docosahexaénoïque (C22:6, AGPI n-3) a permis de limiter ce remodelage membranaire défavorable lié à l'âge, maintenant alors un environnement propice à la colocalisation et à l'assemblage des sous-unités du récepteur dans les rafts, et par conséquent à la persistance des propriétés neuroprotectrices du CNTF [26]. Des études préliminaires suggèrent sans surprise que d'autres récepteurs membranaires comme le récepteur de l'insuline ou celui de la mélanocortine, soient soumis à ces mêmes contraintes qui pourraient expliquer l'installation de phénomènes de résistance [données non publiées]. Plus récemment, nous avons montré qu'un apport en DHA influence le trafic de la protéine précurseur du peptide amyloïde (APP). En modifiant l'environnement membranaire, le DHA empêche l'interaction entre l'un des fragments toxiques issus du clivage de l'APP (C99) et la protéine endosomale Rab5, ce qui permet de restaurer le recyclage de l'APP et son retour à la membrane plasmique plutôt que sa dégradation en peptides amyloïdes toxiques au sein des endosomes précoces dont le trafic est bloqué [27]. Les résultats issus de ces travaux nous ont permis de poser les bases de notre hypothèse qui consiste à penser que la membrane joue un rôle régulateur sur les protéines qui lui sont associées. Le maintien indispensable de ses fonctions fait d'elle une cible pertinente pour proposer des stratégies préventives de la MA. Dès lors, il semble indispensable d'élucider les mécanismes par lesquels des apports lipidiques spécifiques pourraient préserver une organisation membranaire favorable ou promouvoir des remodelages propices à la dynamique des rafts membranaires tout au long de la vie.

spécialité

Sciences de la Vie et de la Santé - BioSE

laboratoire

NGERE - Nutrition-Génétique et Exposition aux Risques Environnementaux