CD Modulation de la réponse gliale dans la Maladie d'Alzheimer via la régulation d'ApoE

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1. Généralités La microglie et les astrocytes sont deux types de cellules gliales qui jouent un rôle essentiel dans le système nerveux central (SNC) en maintenant l'homéostasie du milieu et en soutenant la fonction des neurones. Le dialogue entre les astrocytes et les cellules de la microglie est un processus clé pour un SNC fonctionnel, une altération de cette communication pouvant entrainer des processus neurodégénératifs. Dans ce contexte, il a été démontré que l'activation de la glie modifie la communication avec les neurones et déclenche une cascade d'événements pro-inflammatoires contribuant aux maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer (MA) 1–3. La réponse inflammatoire dans la MA agit comme une 'épée à double tranchant'. Pendant les phases initiales de la MA, la neuroinflammation représente un mécanisme d'autodéfense protégeant le cerveau, en favorisant la réparation des tissus et l'élimination rapide des stimuli nocifs. Au fur et à mesure que la maladie progresse, une réponse inflammatoire soutenue a des effets néfastes, alimentant la neurodégénérescence 4,5. Bien que les événements neuroinflammatoires ne soient pas exclusivement limités au cerveau, des dysfonctionnements immunitaires périphériques se produisant tôt dans la maladie, la microglie et les astrocytes s'engagent dans dialogue fin et étroit et représentent les principaux acteurs cellulaires de la réponse neuroinflammatoire dans la MA. La MA est fortement associée à l'accumulation d'enchevêtrements neurofibrillaires de tau hyperphosphorylée (p-tau) et à l'agrégation d'amyloïde beta (Aβ) dans le cerveau, qui peuvent être observés de nombreuses années avant la manifestation de la maladie 6–10. Les pathologies tau et amyloïde sont toutes deux associées à la neuro-inflammation et à la neurodégénérescence 7,11. De manière intéressante, il a été montré qu'une dérégulation de l'homéostasie lipidique est retrouvée à différents stades de la MA 12–14. En effet, les lipides étant les constituants des membranes cellulaires, des modifications du métabolisme de ces derniers et notamment de celui du cholestérol ont un impact non négligeable sur l'action des peptides Aβ , la rupture de la barrière hémato-encéphalique (BHE), le dysfonctionnement mitochondrial, le stress oxydatif, l'inflammation et la neurodégénérescence 12,14–17. Au niveau cellulaire, l'activation pro-inflammatoire des astrocytes et des cellules de la microglie sont étroitement liée à une déstabilisation de l'homéostasie lipidique gliale 18, mais les mécanismes sous-jacents restent mal compris. A) Lipides et facteurs de risques dans la MA : les apolipoprotéines. Les lipides et notamment le cholestérol sont essentiels à la fonction et à la structure du cerveau. En effet, le cholestérol ne traversant pas la BHE, ce dernier est synthétisé dans le cerveau, en particulier par les astrocytes. En effet, au stade adulte les neurones réduisent fortement leur synthèse de cholestérol et importent ce dernier des cellules astrocytaires environnantes via des lipoprotéines riches en ApoE qui sont captées par des récepteurs spécifiques tels que le LDLR (low density lipoprotein receptor), LRP1 (Low density lipoprotein receptor-related protein 1) et le LSR (lipolysis stimulated lipoprotein receptor). Ce cholestérol d'origine glial participe à la formation et au fonctionnement des synapses 19, permet l'organisation de la membrane plasmique neuronale et l'agrégation de divers récepteurs transmembranaires via la formation des radeaux lipidiques (rafts) et favorise ainsi la signalisation cellulaire. Ce trafic de cholestérol est donc essentiel à la survie neuronale et toute perturbation du dialogue astrocyte/neurone va impacter cette homéostasie et avoir des conséquences délétères pour le système nerveux central (SNC). Dans ce contexte, l'apolipoprotéine E (ApoE) joue un rôle important pour le maintien de l'homéostasie lipidique, à travers le transport du cholestérol et des lipides entre les cellules. Dans le SNC, ApoE est retrouvée sur les particules de lipoprotéines de haute densité (HDL High-density lipoproteins) captées par les neurones. Chez l'homme, ApoE est codée par trois allèles différents : ε2, ε3 et ε4. Chaque isoforme présente des affinités de liaison distinctes pour différentes classes de lipoprotéines et leurs récepteurs. De plus, les polymorphismes d'ApoE représentent le plus grand facteur de risque génétique connu des formes tardives de la MA 20. Par rapport à l'allèle le plus courant, ε3, une seule copie de ε4 est associée à un risque trois fois plus élevé de développer la MA, tandis que deux copies de ε4 entraînent une augmentation du risque de maladie d'un facteur 15 20. ApoE4 est associé à la fois à un dysfonctionnement métabolique et à une réponse pro-inflammatoire accrue. Les porteurs de l'allèle ε4 d'ApoE sont plus susceptibles de développer une hypercholestérolémie et une hypertriglycéridémie 21 qui ont un impact significatif sur le risque de MA plus tard dans la vie 22. Les patients porteur d'au moins un allèle ApoE4 présentent une plus faible teneur en ApoE dans les particules HDL plasmatiques et ce plus faible taux d'ApoE est corrélé avec de moins bonnes performance cognitives 23. Ces travaux suggèrent que la composition des particules de lipoprotéines peut avoir un impact sur les fonctions cognitives. Or, l'isoforme ApoE4 déstabilise considérablement le métabolisme lipidique astroglial et microglial, entraînant une activation pro-inflammatoire des cellules gliales 24. De nombreuses études établissent un lien entre la faible capacité de lipidation d'ApoE4 et l'accumulation de cholestérol intracellulaire 25–27 consécutive à une réduction de l'efflux par rapport aux autres variants tels qu'ApoE3 28 ; ApoE joue également un rôle dans la clairance d'Aβ par la microglie. Les lipoprotéines riches en ApoE servent en effet de transporteur d'Aβ et sont reconnues par les récepteurs présents à la surface des cellules microgliales (TREM2 et ApoER2) 29 L'isoforme ApoE4 a été démontré comme moins efficace pour lier les récepteurs présents sur la microglie30, favorisant l ‘accumulation d'amyloïde-β dans le milieu, son agrégation et la formation de plaques séniles. Au final ApoE4 est associée à une accumulation de cholestérol dans les cellules gliales, à une diminution de la fonction lysosomale 27, à une augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires 27, à une altération de l'absorption de l'Aβ et de sa clairance 26. Enfin, l'isoforme ApoE4 a un impact sur les neurones et perturbe la connectivité synaptique. Ces corrélations suggèrent que les modifications du trafic intercellulaire de cholestérol notamment via APoE4 sont associées à la forme tardive de la MA. La modulation du métabolisme des lipides via ApoE pourrait être utilisée pour atténuer les processus neurodégénératifs dans la forme tardive de la MA. Pour ce faire, nos travaux cherchent donc à définir le lien causal et mécanique entre la dérégulation du cholestérol glial, les processus inflammatoires et neurodégénératifs. B) Les cellules gliales : acteurs majeurs de l'homéostasie cérébrale, implication dans la MA Le rôle des cellules gliales dans le SNC et en particulier dans la physiopathologie de la maladie d'Alzheimer (MA) sont récemment devenus un sujet d'intérêt en raison de leur rôle crucial dans le maintien de l'homéostasie cérébrale. • Cellules de la microglie et astrocytes Les cellules de la microglie sont des macrophages, cellules immunitaires innées résidentes, qui remplissent de nombreuses fonctions au sein du SNC. Ils ont ainsi essentiels à (1) la défense du SNC à travers la détection des signaux de danger (e.g molécule associées aux pathogènes, les PAMPs et associées au danger, les DAMPs), la phagocytose (élimination des cellules mortes), la présentation d'antigènes, la sécrétion de cytokines anti et pro-inflammatoires. Elles participent également au remodelage du SNC à travers la synaptogenèse, l'élagage synaptique au cours du développement et l'élimination des synapses médiée par le complément dans le cerveau adulte. En condition non pathologique, elles sont dites quiescentes, arborent une forme ramifiée, expriment faiblement les complexes majeurs d'histocompatibilité (CMH) de classe I et II et les molécules de co-stimulation comme le CD86 et le CD40. Elles ont pour fonction de maintenir l'homéostasie cérébrale et de surveiller le SNC afin de détecter toute intrusion de pathogène. Suite à l'intrusion d'un pathogène, d'une blessure physique du SNC ou de la présence de molécules toxiques, elles s'activent est leur morphologie devient plus compacte (forme amiboïde). Leur activation va entraîner leur prolifération et une augmentation de leur mobilité, de leur activité de phagocytose, de l'expression des molécules de CMHII. Cette activation va entraîner la production de cytokines pro-inflammatoires (IL-1, Il-6, IL-12 et TNFα), de ROS (espèce réactive à l'oxygène) et de NO (oxydes nitriques) susceptibles d'entraîner des dégâts importants sur les neurones. Des mécanismes de régulation sont alors nécessaires pour limiter l'inflammation du SNC, à travers la sécrétion de cytokines anti-inflammatoires comme l'IL-10 et le TGFβ et de facteurs neurotrophiques. Les cellules de la microglie surveillent constamment leur microenvironnement et leur état d'activation est régulé de manière très fine grâce au dialogue avec les astrocytes et les neurones. Les astrocytes fournissent des nutriments aux neurones, éliminent les déchets cellulaires, limitent l'accumulation de produits métaboliques et en régulent le phénotype de la microglie. Ils contrôlent très finement l'homéostasie du cholestérol grâce à la synthèse de novo du cholestérol et son acheminement vers les neurones, incapables d'en synthétiser eux même. Ce cholestérol est délivré sous forme de lipoprotéines contenant ApoE, l'ApoE servant de ligand aux récepteurs des lipoprotéines pour le transport des lipides et participe à la clairance du peptide Aβ, principal composant des plaques amyloïdes, l'une des caractéristiques de la MA. • Implication dans la maladie d'Alzheimer ApoE4, le facteur de risque majeur des formes sporadiques de MA est directement corrélé à un dysfonctionnement glial notamment au niveau de l'homéostasie lipidique. Comme indiqué plus haut, la présence d'ApoE4 dans les modèles de MA, a été associée à une diminution de la clairance Aβ médiée par la glie 30, à un élagage synaptique défectueux 31 et à une activation pro-inflammatoire des cellules gliales 32–34. Deux études récentes ont également démontré qu'ApoE4 altère la réponse des cellules microgliales dans des modèles murins de la MA 35,36. De manière intéressante, les cellules de la microglie, expriment très peu ApoE en condition non pathologiques mais son expression est augmentée dans ces dernière dans la MA. ApoE4 déstabilise également de manière significative le métabolisme lipidique des astrocytes, y compris la formation de gouttelettes lipidiques 37 et l'augmentation de la synthèse du cholestérol malgré la séquestration lysosomale du cholestérol 38. En outre, la production accrue de lipoprotéines ApoE/ApoJ par les astrocytes ApoE4 activés est neurotoxique et directement liée à la modification de la composition en acides gras des lipoprotéines 39, ce qui démontre l'importance de l'homéostasie lipidique astrogliale dans la limitation du risque de MA 40. Dans ce contexte, de nombreuses études ont porté sur les récepteurs de l'ApoE et leur rôle dans la fonction neuronale et la plasticité synaptique 41–43. Cependant, très peu d'études se sont focalisées spécifiquement sur le récepteur LSR qui est fortement exprimé dans le SNC en particulier dans les astrocytes. Notre projet vise donc à mieux comprendre les interactions ApoE/LSR et à identifier des cibles et des leviers afin de moduler la réponse gliale lors de processus neurodégénératifs. 2. Résultats obtenus au laboratoire sur le sujet. Nos travaux précédents ont confirmé le rôle du cholestérol d'origine astrocytaire comme un facteur essentiel à la formation et la fonction des synapses dans le SNC 44,45. Par la suite nous nous sommes intéressés au récepteur aux lipoprotéines LSR dont nos collaborateurs sur ce projet ont démontré qu'il était essentiel à l'homéostasie du cholestérol en périphérie et dans le SNC. Ainsi les souris hétérozygote lsr +/- présentent une dyslipidémie 46 et une sensibilité accrue à l'obésité 47. Elles ont également, au niveau cérébral, des perturbations de l'homéostasie du cholestérol avec des accumulations lipidiques au cours du vieillissement 48. Les souris lsr +/-présentent un déclin cognitif lié à l'âge qui est exacerbé par l'exposition au peptide Aβ 49. Lors de la thèse du Dr El Hajj, nous avons démontré que le récepteur LSR est majoritairement exprimé dans les astrocytes et que son expression diminue avec l'âge 50. Nous avons généré un mutant KO conditionnel pour lsr spécifiquement au niveau des astrocytes et observé des modifications des gènes impliqués dans l'homéostasie du cholestérol 51. Lors d'une batterie de test comportementaux les souris déficientes présentaient une atteinte de la mémoire sociale associée à un déficit olfactif. Ces souris présentent également un déficit de la mémoire visuelle et une atteinte de la mémoire à court terme. Les atteintes de la mémoire spatiale et de l'apprentissage complètent le tableau des troubles mnésiques qui ressemble à celui observé chez les patients de la MA. Outre ces aspects, les souris présentaient d'autres atteintes cognitives retrouvées également chez les patients MA, une néophobie associée à de l'anxiété ainsi que des perturbations du cycle veille/sommeil et une certaine apathie. Enfin, les analyses histologiques ont mis en évidence une augmentation du nombre et de la ramification des astrocytes démontrant une activation gliale. Récemment, des études in vitro sur des lignées d'astrocytes exprimant l'ApoE humaine nous ont permis de mieux comprendre le lien entre le récepteur LSR et cette apolipoprotéine. Nous avons pu montrer que le LSR astrocytaire agit comme un senseur du taux de lipoprotéine dans le milieu un modulateur du relargage d'ApoE. En cas d'augmentation de lipoprotéines dans le milieu, l'expression de LSR est augmenté et induit une réduction de l'efflux d'ApoE dans le milieu. Inversement si le lsr est inhibé par siRNA, l'ApoE augmente dans le milieu, modifiant la composition des lipoprotéines relarguées 52. Enfin, dans le cadre du programme LUE biomolécules, nous avons montrés que le traitement des cellules au xanthohumol, un polyphénol aux propriétés anti-inflammatoires, augmente l'expression de LSR. Le LSR est donc un récepteur de lipoprotéines riches en ApoE impliqué dans l'homéostasie du cholestérol astrocytaire et dont le déficit ou le dysfonctionnement contribuerait au processus inflammatoire et au déclin cognitif au cours de la MA. Le couple LSR /ApoE constituerait donc une cible au niveau glial pour moduler et influer le devenir du cholestérol astrocytaire mais aussi pour le dialogue astrocyte/microglie afin de limiter le risques de vieillissement pathologique du SNC.

spécialité

Sciences de la Vie et de la Santé - BioSE

laboratoire

NGERE - Nutrition-Génétique et Exposition aux Risques Environnementaux