Les travaux réalisés par les équipes de Benoit Schneider et  Odile Kellermann (Unité Inserm 747 « Cellules Souches, Signalisation et Prions », Université Paris Descartes) ainsi que de Jean-Marie Launay (Unité Inserm 942 Hôpital Lariboisière et fondation FondaMental), publiés cette semaine dans Nature Medicine, mettent au jour une enzyme, la kinase PDK1, impliquée dans l’accumulation, dans les neurones, des protéines pathologiques caractéristiques des maladies à prions et de la maladie d’Alzheimer. Les chercheurs démontrent que le blocage pharmacologique de cette enzyme exerce un effet bénéfique contre ces pathologies.

Le détail de ces travaux est publié dans la revue Nature Medicine

Les maladies à prions (maladie de Creutzfeld-Jakob chez l’homme) et la maladie d’Alzheimer sont associées à l’accumulation dans le cerveau de protéines anormales : la protéine prion scrapie (PrP^Sc) dans le cas des maladies à prions et les peptides amyloïdes Ab dans la maladie d’Alzheimer. La PrP^Sc et les peptides Ab exercent un effet toxique dans le cerveau en provoquant la mort des neurones, à l’origine des principaux signes cliniques caractéristiques de ces maladies.

Depuis quelques années, il est connu que la production des protéines pathologiques PrP^Sc et Ab40/42  a pour origine un défaut du clivage physiologique de la protéine prion  entière non pathologique (PrP^C) ou de la protéine précurseur des peptides amyloïdes (APP). Cependant, on ne savait pas, jusqu’alors, expliquer pourquoi ce clivage, qui normalement protège les neurones, est altéré dans les maladies à prions et la maladie d’Alzheimer.

Aujourd’hui, les travaux menés par Benoit Schneider, chercheur CNRS de l’Unité Inserm 747 « Cellules Souches, Signalisation et Prions », Université Paris Descartes et Jean-Marie Launay (Unité Inserm 942, Hôpital Lariboisière) en collaboration avec d’autres équipes françaises travaillant sur les prions viennent d’identifier une chaîne de réactions qui bloque le clivage bénéfique de la PrP^C et APP par l’alpha-sécrétase TACE (acronyme pour TNFa Converting Enzyme). Les chercheurs dévoilent comment la dérégulation de TACE contribue à la neurodégénérescence en provoquant l’accumulation des protéines pathologiques PrP^Sc et Ab40/42 et en exacerbant la sensibilité des neurones à l’inflammation.

Dans des conditions physiologiques normales, TACE est présente à la surface des neurones, où elle exerce son activité de clivage à la fois vis-à-vis de la PrP^C, de APP et des récepteurs au facteur inflammatoire TNFa (TNFR), ce qui limite considérablement la production des protéines pathologiques PrP^Sc et Ab et protège les neurones des effets délétères induits par TNFa.

Neurones d’Hippocampes de souris à 7 jours – © Inserm/L.Peris

Dans les neurones infectés par les prions pathogènes comme dans les neurones « Alzheimer », la protéase TACE n’est plus localisée à la surface cellulaire, mais est séquestrée à l’intérieur des neurones. Cette internalisation empêche TACE de cliver ses substrats et d’exercer son activité neuroprotectrice. Les chercheurs dévoilent pour la première fois que la kinase PDK1 joue un rôle clé dans le contrôle de la localisation de TACE. La suractivation de PDK1 est responsable de la séquestration de TACE dans les neurones malades (infectés par les prions et Alzheimer) comme dans le cerveau des patients atteints de la maladie d’Alzheimer.

Le blocage pharmacologique de PDK1 renvoie TACE à la surface des neurones et restaure son rôle neuroprotecteur. L’inhibition de PDK1 parvient à protéger les neurones de la neurodégénérescence en restaurant les clivages physiologiques de la PrP^C, APP et TNFR par TACE.

© Benoit Schneider & Mathéa Pietri, Août 2013.

« Grâce à nos travaux sur l’infection par les prions, nous avons pu identifier PDK1 comme une nouvelle cible thérapeutique non seulement pour la maladie de Creutzfeld-Jakob mais aussi pour la maladie d’Alzheimer »

L’action de PDK1 sur TACE a été mise en évidence in vitro sur une lignée neuronale et des cultures de neurones provenant du cerveau de souris après infection par les prions, puis in vivo sur des modèles animaux. Un traitement par un inhibiteur pharmacologique de PDK1 permet d’atténuer les déficits moteurs et de prolonger la durée de vie des souris infectées par les prions pathogènes. Ensuite, en exploitant trois modèles de souris « Alzheimer », les chercheurs ont montré que ce traitement améliore aussi les troubles cognitifs des animaux et identifient PDK1 comme cible thérapeutique pour la maladie d’Alzheimer.

« Etant donné la rareté et l’efficacité réduite des traitements disponibles pour lutter contre les maladies à prions et la maladie d’Alzheimer, ces résultats offrent de nouvelles perspectives thérapeutiques pour le traitement de ces maladies neurodégénératives », concluent les chercheurs.

Ces travaux apportent un nouvel éclairage sur les mécanismes de neurodégénérescence induits par l’accumulation de protéines anormales. L’enjeu est maintenant de comprendre comment ces protéines toxiques conduisent à la dérégulation de PDK1, ce qui permettra d’identifier d’autres acteurs, c’est-à-dire de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles, qui contribuent à la dégénérescence neuronale.

Une publication dans le cadre des recherches sur la dystrophie musculaire facio-scapulo-humérale (FSHD), une des dystrophies musculaires les plus fréquentes, vient de paraître dans PLOS Genetics. L’équipe de Françoise Helmbacher de l’Institut de biologie du développement de Marseille (CNRS/ Aix-Marseille Université), soutenue par l’AFM-Téléthon en collaboration avec des chercheurs de l’Inserm, a identifié le gène FAT1 comme un nouvel acteur dans le développement des muscles et particulièrement chez les malades atteints de FSHD.

Le gène FAT1 permet la synthèse de la protocadhérine FAT1 qui est une protéine impliquée dans divers processus morphogénétiques. Ce gène agit dans les cellules musculaires en développement. Chez la souris, son ablation entraîne des défauts des muscles de la face et de la région des épaules, ainsi qu’une fonte musculaire précoce au stade adulte. En plus des anomalies musculaires, la dérégulation du gène FAT1 entraîne des défauts vasculaires dans la rétine et des malformations de l’oreille interne. L’ensemble de ces défauts ressemble fortement aux symptômes rencontrés dans la FSHD chez l’homme.

© Inserm/UPMC/CNRS/AIM

Les chercheurs ont donc exploré le lien entre la FSHD et ce gène FAT1 chez l’Homme. Ils ont retrouvé une baisse significative du niveau d’expression du gène dans les muscles FSHD au stade fœtal et des anomalies de ce gène sont retrouvées plus fréquemment chez les patients FSHD que chez les personnes non atteintes. Cette association concerne non seulement la forme classique (FSHD1), attribuée à une anomalie sur le chromosome 4 impliquant un fonctionnement excessif du gène DUX4, mais aussi les cas de FSHD non associés à DUX4. Les chercheurs ont montré que le gène DUX4 est également capable d’exercer un effet de répression du gène FAT1 dans des cellules musculaires.

Ainsi, sous l’apparente complexité de cette maladie, ces découvertes placent le gène FAT1 comme un dénominateur commun des différents mécanismes génétiques responsables de la FSHD, et en conséquence comme une nouvelle cible thérapeutique. L’ablation sélective du gène FAT1 chez la souris représente un moyen unique de mimer fidèlement les symptômes de la FSHD chez l’homme. Ce modèle animal va permettre de renforcer les connaissances sur la pathogénèse de cette maladie.

L’étude a été menée par l’équipe de Françoise Helmbacher de l’Institut de biologie du développement de Marseille (CNRS/ Aix-Marseille Université), en collaboration avec le laboratoire de Nicolas Levy (Inserm/ Aix-Marseille Université UMR 910, La Timone, Marseille, équipe Marc Bartoli), avec les participations de Julie Dumonceaux (Institut de Myologie, Paris), de Flavio Maina (IBDM), Frederique Magdinier (Inserm UMR 910), et Linda Geng (Fred Hutchinson Cancer Research Center, USA).

L’équipe dirigée par Daniel Aberdam au sein de l’Unité Inserm 976 «Immunologie, dermatologie, oncologie » a réussi à restaurer in vitro la fonction des cellules de cornée saines à partir de cellules de patients aveugles souffrant de dysplasie ectodermique. Ces résultats publiés dans PNAS représentent la première étape pour tenter de restaurer la vision de ces patients. 

Photo: © Serimedis/Inserm

Les dysplasies ectodermiques sont des syndromes rares caractérisés par un développement anormal de la peau et d’autres dérivés de l’ectoderme comme les dents, les ongles ou encore la cornée. Certaines formes de la maladie sont associées aux mutations du gène p63 qui engendrent la perte de la vision chez ces patients.

Daniel Aberdam et ses collaborateurs ont dans un premier temps reprogrammé des cellules de patients atteints de cécité en cellules souches pluripotentes induites (iPSC) porteuses du défaut génétique. Dans un second temps, ils ont utilisé un protocole que l’équipe avait mis au point en 2003 pour différencier les cellules souches pluripotentes en cellules de la peau et de la cornée. Cela leur a permis de vérifier que ce modèle cellulaire reproduisait la maladie puisque les cellules pluripotentes mutées ne sont plus capables de produire des cellules de cornée. «Nous avons observé que les  iPSC obtenues à partir des cellules des patients atteints de dysplasie ectodermique peuvent se développer en progéniteurs ectodermiques mais ne parviennent pas à se développer plus avant en kératinocytes ni en cellules cornéennes normales » explique Daniel Aberdam. Les cellules malades, même retransformées en cellules capables de redonner tous les types de cellules possibles, conservent donc le défaut initial dans leur code génétique.

Contourner le défaut génétique

 La création de ce modèle a ensuite permis aux chercheurs d’ observer finement ce qui se passait dans la cellule iPSC au moment de son engagement dans une voie de différenciation. Ils ont trouvé qu’une petite molécule, appelée PRIMA-1/APR-246, déjà utilisée en thérapie cancéreuse[1] permet de restaurer une différenciation normale.

Grâce à cette molécule, il semble donc possible d’inverser la différenciation cornéenne altérée et restaurer la voie de signalisation associée au gène p63.

« Notre étude suggère l’éventuelle capacité de PRIMA-1/APR-246 à restaurer les déficiences visuelles de certains patients atteints du syndrome de dysplasie ectodermique, capacité qui doit être testée bientôt » conclut Daniel Aberdam. Dans la mesure où la molécule PRIMA-1 est bien tolérée dans les essais cliniques en injection systémique, l’équipe envisage, avec le service ophtalmologiste de l’hôpital St-Louis, de planifier des essais cliniques sur des patients atteints de dysplasie ectodermale liée à p63.

Ce modèle cellulaire pourrait également servir de base pour le criblage de molécules- médicaments susceptibles de cibler d’autres mutants p63.

Photo : ©D.Aberdam/Inserm

Illustration de l’effet de Prima sur la production de cellules de cornée à partir d’iPSC de patients après 10 jours de différenciation. Les deux marqueurs spécifiques de la cornée: la cytokératine K12 (en rouge) et le facteur de transcription pax-6 (en vert) sont bien présents dans l’image la plus à droite, signe que la production de cellules de cornée est bien restaurée.

Les chercheurs de l’INERIS et de l’Inserm (équipe dirigée par Olivier Kah au sein de l’Unité Inserm 1085 « Institut de recherche, sante, environnement et travail ») viennent de développer un test chez le poisson permettant de détecter les effets perturbateurs endocriniens de certains contaminants de l’environnement. Les chercheurs basent leurs travaux sur un gène s’exprimant dans le cerveau qui réagit fortement à certains perturbateurs endocriniens. Pour faciliter la mesure de ce gène, ils utilisent un gène rapporteur fluorescent. Réalisé sur les embryons de poisson zèbre qui sont translucides, les effets sont observables dans le cerveau lorsque les embryons sont exposés à des polluants perturbateurs. Les résultats de ces travaux sont publiés dans la revue Plos One.

Observation de la fluorescence dans le cerveau de l’embryon de poisson induite par l’expression du gène cyp19a1b couplé à la GFP. Copyright Inserm, O. Kah

Ces 20 dernières années, de nombreuses études ont prouvé les effets néfastes de composés artificiels sur la capacité des organismes à se reproduire. Certains polluants (nonylphénols, bisphénol A, pesticides, résidus pharmaceutiques,…) présents dans les eaux de surface, les effluents industriels ou les sédiments ont la capacité de mimer les effets des œstrogènes. Ils modifient par ce biais les processus biologiques contrôlés par les œstrogènes et liés aux fonctions de reproduction et de croissance des organismes, avec des conséquences potentiellement néfastes pour la santé des êtres vivants et de leur descendance. Ces substances sont appelées « perturbateurs endocriniens » (PE).

Les polluants à activité œstrogénique agissent aussi sur le cerveau

L’originalité des travaux des chercheurs de l’Inserm et de l’INERIS réside dans le fait que l’étude des effets des perturbateurs endocriniens porte sur un gène exprimé exclusivement au niveau du cerveau, démontrant la susceptibilité du système nerveux à ces polluants. Les résultats obtenus par les chercheurs confirment qu’un certain nombre de substances affecte, chez l’embryon de poisson, l’activité des cellules souches du cerveau, des cellules capitales pour le développement du système nerveux central. Cet effet passe par l’expression d’un gène spécifique dans le cerveau extrêmement sensible aux œstrogènes : le gène cyp19a1b.

Un modèle de poisson zèbre pour caractériser les PE

A partir de ces observations, les équipes de l’INERIS et de l’Inserm ont mis au point un test de détection de cette activité œstrogénique au moyen d’un modèle de poisson transgénique. Ce modèle de poisson zèbre transgénique (1), permet d’identifier les effets des polluants sur une enzyme issue du gène cyp19a1b, l’aromatase, responsable de la synthèse des œstrogènes dans l’organisme.

En utilisant un rapporteur fluorescent, la GFP (Green Fluorescent Protein), le cerveau des embryons de poisson devient fluorescent lorsqu’ils sont exposés à des substances mimant les œstrogènes.

21 composés (e.g. œstrogènes naturels ou de synthèse, alkylphénols, bisphénols) sur les 45 testés ont induit une fluorescence, à des degrés variables. Les capacités métaboliques du modèle permettent de détecter des substances comme certains androgènes et certains progestatifs synthétiques (utilisés dans les pilules contraceptives).

Un tel test présente un intérêt pour l’évaluation de substances chimiques, comme le requiert le règlement REACh (2). Cet outil vient compléter les dispositifs in vitro existants ; il a l’avantage d’intégrer le devenir des polluants dans l’organisme, y compris en tenant compte de leur métabolisme, ce que les tests cellulaires ne permettent pas toujours. En raison de sa sensibilité, il pourrait aussi s’envisager pour la surveillance des milieux aquatiques.

Les recherches de l’INERIS et de l’Inserm ouvrent enfin des perspectives nouvelles dans le champ d’étude des perturbateurs endocriniens au niveau du système nerveux central.

Pour les chercheurs, il semble que ce test simple, robuste et sensible trouvera de nombreuses applications dans le cadre de l’évaluation des risques liés aux perturbateurs endocriniens de nature œstrogénique.

Financées par le Ministère chargé de l’Ecologie et l’Agence Nationale de la Recherche, les recherches menées par l’INERIS et l’Inserm ont vocation à caractériser le potentiel PE de ces substances chimiques, qui entrent dans la composition de médicaments, cosmétiques, produits phytosanitaires, plastiques, etc.

Notes

(1) en collaboration avec le Professeur B.C. Chung de l’Academia Sinica à Taiwan.

(2) Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemical substances : règlement du Parlement Européen et du Conseil n°1907/2006 du 18 décembre 2006, concernant l’enregistrement, l’évaluation et l’autorisation des substances chimiques, ainsi que les restrictions applicables à ces substances.

Découverts en 1882 par Walther Flemming, les chromosomes, supports de l’information génétique, continuent à livrer leurs secrets 130 ans plus tard ! Pour preuve, l’équipe d’Edith Heard du laboratoire Génétique et biologie du développement (Institut Curie/CNRS/Inserm) en collaboration avec celle de Job Dekker (UMass Medical School, Worcester, USA) vient de mettre au jour une nouvelle organisation de ces bâtonnets d’ADN qui se trouvent dans le noyau de nos cellules. Les chromosomes forment une succession de « pelotes » dans lesquelles se regroupent plusieurs gènes qui peuvent ainsi être régulés de manière coordonnée au cours du développement. En clair ces « pelotes » isolent des groupes de gènes intervenant de façon concertée lors d’étapes cruciales du développement de l’embryon, mais aussi à l’âge adulte. Nature présente ces travaux innovants en ligne le 11 avril 2012.

Le support du matériel génétique, les chromosomes, confinés dans un espace de quelques micromètres, peuvent mesurer une fois dépliés jusqu’à la longueur d’un bras. Si l’on comparait le noyau d’une cellule à une balle de tennis, un chromosome mesurerait 5 kilomètres. Et il n’y en a pas qu’un seul ! Chez les humains, par exemple on compte 23 paires de chromosomes dans chaque noyau cellulaire. Les chromosomes se compactent, se replient, s’enchevêtrent et s’entremêlent au cœur du noyau.

Alors les chromosomes, un plat de spaghettis dans le noyau des cellules ? « Pas tout à fait » explique Elphège Nora, post-doctorant à l’Institut Curie qui a réalisé ce travail. « Les chromosomes possèdent une réelle organisation spatiale et celle-ci est essentielle à leur fonctionnement. »

Un chromosome, ça ressemble…. à une série de pelotes !

L’équipe d’Edith Heard, directrice CNRS du laboratoire Génétique et biologie du développement (Institut Curie/CNRS/Inserm) en collaboration avec celle de Job Dekker (UMass Medical School, Worcester, USA) vient en effet de découvrir une nouvelle règle d’organisation spatiale. « Les chromosomes forment une succession de « globules », des sortes de « pelotes » d’une taille de 100 000 paires de bases à 1 million de paires de bases » explique la chercheuse. Pour mémoire, la paire de base (abrégée par les fameux A, C, G, T) est l’unité du génome et un chromosome peut, chez les humains, mesurer plus d’une centaine de millions de paires de bases.

« Mais la grande nouveauté, c’est que cette organisation spatiale reflète l’organisation fonctionnelle du chromosome » ajoute Edith Heard. Cette organisation permet de regrouper dans une même « pelote » jusqu’à une dizaine de gènes (1), voire plus. On trouve également dans ces « pelotes » des séquences dites régulatrices, qui peuvent contrôler – tels des interrupteurs – l’activité des gènes qu’elles contactent physiquement. Ainsi compactés ensemble au sein de la même pelote chromosomique, un groupe de gènes – bien que s’étalant sur plusieurs centaines de milliers de paires de bases – peuvent donc partager les mêmes séquences régulatrices, et leur activité peut ainsi s’en trouver coordonnée.

« Nous savons depuis des décennies que l’ADN est enroulé autour des nucléosomes pour former la structure « classique » dite du collier de perles. Notre nouvelle étude indique que cette structure se replie pour former une nouvelle organisation dans laquelle plusieurs gènes sont regroupés en pelote » explique Job Dekker, co-directeur du programme de Biologie des Systèmes à l’université du Massachussetts (University of Massachusetts Medical School). « Cette organisation des chromosomes constitue un degré de repliement jusqu’à présent inconnu, et nous pensons qu’elle représente un principe d’organisation fondamental des génomes. »

Cette découverte lève le voile sur une grande inconnue de la génétique, à savoir comment une altération à un endroit du génome peut perturber l’expression de gènes situés à plusieurs dizaines, voire milliers de paires de bases.

Un dommage au sein d’une « pelote » peut en effet avoir des conséquences sur tous les gènes qu’elle contient. Alors cet agencement ne sensibilise-t-il pas plus la cellule qu’il ne la protège ? « Cette organisation permet de rapprocher plusieurs éléments distants pour les soumettre aux mêmes influences. Ainsi à certains moments du développement il devient possible d’orchestrer finement l’activité de gènes très éloignés sur le chromosome linéaire mais qui sont en réalité très proches dans le noyau de la cellule. » explique Elphège Nora. « Une seule mutation peut donc avoir des effets sur tout un groupe de gènes si elle affecte l’organisation d’une de ces « pelotes» chromosomique« .

« Le noyau d’une cellule est rempli de gènes et la cellule doit impérativement savoir à quel moment allumer ou éteindre ceux-ci, complète Job Dekker. En regroupant les gènes dans des pelotes qui les isolent, la cellule a trouvé une solution pour réguler de manière coordonnée des groupes de gènes sans interférer avec les autres. »

Le point de vue d’Edith Heard

L’organisation spatiale, un coupe-file à travers le chromosome

« Ces principes ont été découverts en étudiant une portion essentielle du chromosome X, le centre d’inactivation (dont l’équipe d’Edith Heard est spécialiste). Grâce à la publication en parallèle de l’équipe de Bing Ren à l’Université de San Diego (Californie, Etats-Unis), nous pouvons extrapoler la nouvelle organisation que nous avons découverte sur le chromosome X à l’ensemble des chromosomes, non seulement chez la souris mais aussi chez l’humain.

Ainsi, au-delà de l’avancée fondamentale, ces études ouvrent de nombreuses perspectives pour la compréhension de certaines pathologies, comme les maladies génétiques. En effet, celles-ci sont dues à des mutations de la séquence d’ADN qui entraînent le dérèglement de l’activité de certains gènes. Or, il arrive que ces mutations ne se trouvent pas directement dans le gène déréglé, mais dans son voisinage chromosomique. Jusqu’alors, trouver cette mutation dans le chromosome relevait du problème de l’aiguille dans la botte de foin. Grâce à cette découverte, les recherches pourront maintenant être canalisées vers la portion du chromosome la plus susceptible d’interagir avec le gène déréglé, c’est-à-dire à la pelote chromosomique à laquelle il appartient. »

Note

(1) Les gènes sont les régions du génome qui dictent la composition des protéines