Mechanisms of Neuronal Death in Neurodegenerative Diseases PDF

28/09/23 BOUTAHAR Système neurosensoriel UE6 DEBOST Lily-Rose GRANGER Elina Mécanismes de mort neuronale au cours des maladies neurodégénératives I. Introduction MORTS CELLULAIRES  Autophagie 3 programmées (MCP= mort cellulaire programmée) Mécanismes  Apoptose  Mort cytoplasmique  Se font d...

28/09/23 BOUTAHAR Système neurosensoriel UE6 DEBOST Lily-Rose GRANGER Elina Mécanismes de mort neuronale au cours des maladies neurodégénératives I. Introduction MORTS CELLULAIRES  Autophagie 3 programmées (MCP= mort cellulaire programmée) Mécanismes  Apoptose  Mort cytoplasmique  Se font de manière séquentielle et contrôlée, après un stress ou une incapacité de répondre aux besoins physiologiques de la cellule.  Mort accidentelle non contrôlée Nécrose  Désorganisée et néfaste car le contenu cytoplasmique est déversé dans le milieu extérieur → forte réaction inflammatoire, impactant les autres cellules du milieu. CAUSES DES MALADIES NEURODEGENERATIVES Généralités Excitotoxicité  Arrivent tardivement au cours de la vie  Multifactorielles  Excès de glutamate  Facteur majeur Stress oxydatif Agrégation de protéines Déséquilibre de facteurs de croissance Activation des récepteurs de mort Inhibition des complexes de la mitochondrie Déséquilibre des flux calciques  Accumulation de radicaux libres au niveau des cellules par réductions partielles après accumulation d’électrons (via la mitochondrie)  (Tau dans Alzheimer, SOD dans SLA…) : mutées ou mal-repliées  Carence de facteurs neurotrophique, trouble de BDNF et NGF pour  Parkinson et Alzheimer  Ex : Fas de la famille des TNFα  Accumulation de stress oxydatif entrainant la dégénérescence  Neuronale / Les mécanismes des maladies neurovégétatives ne sont pas encore bien connus, les traitements sont difficiles à trouver. En effet, trouver la cause de ces maladies est complexe. Lorsqu’un facteur déclenche la maladie cela déclenche une cascade d’autres facteurs qui s’accumulent ce qui potentialisent le nombre de cible thérapeutique Le plus souvent, les maladies neurodégénératives sont des formes sporadiques (multifactorielles) nécessitant un traitement multiple. Mais d’un point de vue clinique, on ne distingue pas les formes familiales des formes sporadiques 1 II. Rôles critiques de l’apoptose ROLES CRITIQUES DE L’APOPTOSE Nécessaire au maintien de l’homéostasie cellulaire  Développement embryonnaire, réseau neuronal efficace, système immunitaire.  Véritable nécessité à en faire disparaitre certaines pour permettre une transmission efficace des messages.  Néfaste après un stress Déséquilibre entre mort et survie cellulaire  Excès d’apoptose entraine l’apparition de maladies dégénératives  Déficit contribue à maintenir en vie des cellules qui auraient dû mourir c’est ce qui entraine l’apparition de cancers et de maladies auto-immunes. III. Rôles critiques de la mort neuronale Au cours du développement du système nerveux (synaptogenèse) les cellules qui n’ont pas reçu suffisamment de facteurs neurotrophiques vont mourir (=apoptose physiologique) et les cellules ayant reçu suffisamment de facteurs neurotrophiques vont survivre (intervention de multiples facteurs pour autoriser la synaptogenèse). En réponse à un stress le neurone doit être éliminé de façon programmée pour éviter les dommages des cellules avoisinantes par le contenu cellulaire contrairement à la nécrose. IV. Différents mécanismes de mort cellulaire au cours de maladies neurodégénératives 1. 3 types de mécanismes de MCP dans les maladies neurodégénératives 3 TYPES DE MCP DANS LES MALADIES NEURODEGENERATIVES Type I : apoptose  Condensation de la chromatine, fragmentation nucléaire et formation de corps apoptotiques Type II : autophagie  Favorisé par des vacuoles autophagiques et invagination cytoplasmique Type III : cytoplasmique  Stress et gonflement du réticulum endoplasmique et de la mitochondrie 2 A. Mort cellulaire programmée par apoptose APOPTOSE  Caractérisée par une cascade de séquence déterminée par la cellule entrainant la mort neuronale (autodestruction cellulaire). Définition  Autodestruction des cellules de manière séquentielle qui vont entrer en mort cellulaire.  Condensation de la chromatine (qui n’est plus fonctionnelle).  Fragmentation nucléaire Caractéristiques  Formation de corps apoptotiques  Passage de la phosphatidylsérine du feuillet interne au feuillet externe de la membrane plasmique.  Pas de réaction inflammatoire pour éviter le déversement à l’extérieur et de contaminer l’environnement, les cellules voisines ACTEURS DE L’APOPTOSE  Régulent la mort cellulaire Protéines de la famille BCL-2  Divisées en 2 groupes : o Groupe anti-apoptotique : Bcl-2, Bcl-XL. o Groupe pro-apoptotique : Bax, Bak, et prot BH3 only.  Beaucoup d’entre elles ont une action sur la mitochondrie.  Protéases apoptogènes à cystéine : interviennent dans la phase finale de l’apoptose (destruction des protéines du cytosquelette)  Elles sont initialement présentes dans un état de procaspase inactives composé d’un grand prodomaine, d’une grande sous-unité, d’un domaine de liaison et d’une petite sous-unité. Elles possèdent une propriété de clivage strict après l’aspartame.  Elles vont subir un double clivage o Le 1e sépare la petite et la grande sous unité. Caspases o Le 2e sépare le prodomaine de la grande sous unité.  Elles deviennent actives matures par clivage et dimérisation des de 2 grandes sous-unités et 2 petites sous-unités. Caspases initiatrices  Caspases 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12 et 13 avec un grand pro-domaine.  Les caspases initiatrices activent les caspases effectrices  Caspase 3, 6 qui possèdent un petit pro-domaine. Caspases effectrices  Protéases responsables des phénomènes biochimiques altérant l’intégrité de la cellule et son cytosquelette. MECANISME D’APOPTOSE : 2 VOIES PRINCIPALES Voie extrinsèque  Implique des récepteurs de mort faisant partie de la super famille des TNF (Fas). o Activation par Fas-ligand → activation des caspases initiatrices (caspase 8) qui activent par la suite des caspases effectrices (caspase 3) grâce à un adaptateur (FASS). 3  Les caspases effectrices altèrent l’intégrité cellulaire et conduisent à l’apoptose (cytosquelette détruit, formation de corps apoptotiques)  Intervention de la mitochondrie  En conditions normales, l’intégrité de la mitochondrie est maintenue grâce aux protéines de surface anti-apoptotiques (Bcl-2) qui empêchent la fixation de protéines pro-apoptotiques (Bax et Bak). Qui lorsqu’elles s’associent forment des canaux de perméabilité. Voie intrinsèque  Lors d’un stress, la formation de protéines pro-apoptotiques (BH3only) bloque l’action de Bcl-2.  D’autres protéines pro-apoptotiques (Bax et Bak) s’associent pour former un canal dans la membrane mitochondriale → libération du cytochrome C. Le cytochrome C, (chaine phosphorylation oxydative) libéré dans le cytoplasme, s’associe à d’autres protéines telles qu’Apaf-1 et à des procaspases 9 pour former l’apoptosome (= caspase 9 active). L’apoptosome active les caspases effectrices (caspase 3) induisant les mécanismes d’apoptose B. Mort cellulaire programmée par autophagie AUTOPHAGIE  Intervient lors de déficits en nutriments dans le milieu extérieur, permet de dégrader des éléments pour produire de l’énergie  Ensemble de mécanismes cataboliques aboutissant à la destruction de constituants cellulaires altérés (protéines mal-repliées, organites non-fonctionnels) par le lysosome. Généralités  Permet le maintien de l’homéostasie grâce au renouvellement des constituants cellulaires. Mais un excès d’autophagie entraîne la mort cellulaire.  Complémentaire à la voie de dégradation du protéasome dans le cadre normal de fonctionnement cellulaire. Parfois dans les neurones, on a une sur activation de ce processus par un stress intense. La mort neuronale est induite par un excès d’autophagie Microautophagie Catégories d’autophagie Autophagie dépendante des chaperonnes ADC (Hsp70 et 90)  Invagination cytoplasmique au niveau du lysosome permettant la dégradation des protéines à longue durée de vie.  Existe dans tous les types cellulaires  Mécanisme plus spécifique  Reconnaissance spécifique des protéines par les chaperonnes par un motif de ciblage (lié à l’altération par le stress oxydatif).  La protéine est amenée au niveau du lysosome par des protéines chaperonnes pour être transloquée et détruite/hydrolysée dans le lysosome.  Séquestration d’une partie du cytoplasme par une vésicule à double membrane appelée autophagosome. Macroautophagie ou autophagie Signalisation de l’autophagie  Fusion de l’autophagosome avec le lysosome, autophagolysosome dont le contenu sera dégradé. formant un  Permet l’élimination d’agrégats protéiques, des éléments pathogènes, et des mitochondries  Les protéines mTOR répondent à une carence en nutriments et à des situations de stress. 4  La protéine mTOR inhibe l’autophagie sauf en période de déplétion en nutriments ou la protéine sera inhibée par une AMPk favorisant ainsi l’autophagie et le catabolisme de protéine cytosolique, afin de remettre à disposition des acides aminés.  Certaines drogues comme la rapamycine, inhibent mTOR et stimule l’autophagie. C. Mort cellulaire programmée cytoplasmique MORT CELLULAIRE PROGRAMMEE CYTOPLASMIQUE 2 mécanismes possibles  Dysfonctionnement mitochondrial  Stress du réticulum endoplasmique  Ca2+ contenu dans le réticulum endoplasmique et la mitochondrie (réservoirs)  Rôle dans la neurodégénérescence  Rôle vital : messager secondaire dans la transduction des signaux Rôle du Ca2+ o Ex : IP3 permet la libération par le RE de Ca2¨+ (grâce à la dégradation de phospholipides membranaire). Ce flux de Ca2+ active des protéines telle que les calmodulines impliquées dans la signalisation cellulaire.  Rôle dans la libération des neurotransmetteurs : le flux de Ca2+ permet l’exocytose des vésicules synaptiques dans la fente synaptique  Excès de calcium : cytotoxicité (peut entrainer mort cellulaire par apoptose ou nécrose) DYSFONCTIONNEMENT MITOCHONDRIAL Généralités Chaine respiratoire mitochondriale = source majoritaire de radicaux libres (ROS) et très consommatrice d’énergie surtout au niveau cérébral.  Par transport d’électrons, issu de composés réducteurs (NADH, FADH2) jusqu’à l’oxygène  Normalement, la fuite d’électrons est limitée Production d’ATP o Production de radicaux libres (anions superoxydes) par réduction partielle de l’oxygène o Peut altérer les composants de la cellule, notamment la mitochondrie  Normalement : systèmes de détoxification de la cellule (glutathion peroxydase, SOD, catalase) Perturbation de l’homéostasie calcique  Augmentation de la fuite d’électrons et de la production de radicaux libres et une réduction de la formation d’ATP. Tout cela déclenche des signaux de mort cellulaire. 5  Perméabilisation de la mitochondrie = ouverture de pores de transition de perméabilité mitochondriale en réponse à la baisse de Ca2+ et à la baisse de potentiel transmembranaire. 2 types de perméabilisation et d’altération de la membrane mitochondriale o Entraine la libération de cytochrome C qui s’associe à PAF1 et caspase 1 pour constituer l’apoptosome.  Formation de pores par les protéines d’activation des protéines pro-apoptotiques telles que BH3-only (bloquent Bcl2 anti-apoptotique) et oligomérisation de Bak et Bax pour former un canal libérant le cytochrome C qui va constituer l’apopostome 9 et activer les caspases effectrices. DYSFONCTIONEMENT / STRESS AU NIVEAU DU RE  Réserve de Ca²+ Rôles du RE 3 types de protéines « senseur » de stress  Repliement des protéines une fois traduites. o Si les repliements se font mal, il va y avoir une accumulation de protéines mal repliées ce qui va engendrer un stress.  Régulées par BIP : protéine chaperonne qui régule négativement les senseurs  Normalement : BIP est accrochée au domaine amino-terminal de ces 3 protéines senseurs.  L’accumulation de protéines mal repliées (stress) va entrainer le détachement de BIP des 3 senseurs ce qui va les rendre active. PERK  Oligodimérisation et autophosphorylation qui entraine une phosphorylation des facteurs d’initiation de la traduction (if2).  Blocage de la traduction. Afin que la cellule ait le temps de procéder aux réparations, en stoppant la production de protéines anormales.  Clivage au niveau du Golgi par S1P et S2P (protéases). ATF6  Migration dans le noyau (facteur de transcription) et activation des gènes impliqués dans le repliement des protéines (augmentation de la synthèse de protéines chaperonnes). o Pour essayer de rattraper les protéines qui ont été mal repliées En présence de stress, BIP se détache et entraine des modifications : IRE1  Endo-ribonucléase qui permet l’épissage d’un ARNm codant pour XBP1 (facteur qui active les gènes impliqués dans la dégradation des protéines).  Afin d’éliminer des protéines mal repliées dont on ne peut pas améliorer le repliement (augmentation de la synthèse des protéines de dégradations) 6  Tout cela est mis en place pour que la cellule retrouve des conditions normales.  Si le stress est contrôlé, l’inhibition de BIP va être remis en place et la machine se remet en route.  Si le stress est trop important, la cellule va vers la mort cellulaire programmée. Conséquences o PERK et ATF6 vont activer la voie de la protéine « CHOP », et bloquer Bcl2. o Libération du cytochrome C de la mitochondrie aboutissant à l’apoptose. o L’apoptose peut aussi être entrainée par la voie JNK indépendante des caspases (par IRE1). o Au niveau de la membrane, la caspase 12 active directe la caspase 3 pour entrer dans la voie de l’apoptose. 2. Autres mécanismes de mort cellulaire dans les maladies ND SCLEROSE LATERALE AMYOTROPHIQUE  Maladie neurodégénérative sporadique et multifactorielle, induisant une perte des motoneurones du tronc cérébral, du cortex et de la moelle épinière. Définition o Installation progressive d’un déficit moteur au niveau des bras et des jambes, d’une insuffisance respiratoire, d’une difficulté pour parler et/ou pour avaler.  Décès causé par la dénervation des muscles respiratoires.  La SLA survient aux alentours de 50 ans et la médiane de survie est de 36 mois.  Liée au stress oxydatif, à l’excitotoxicité dûs à l’accumulation de glutamate au niveau de la fente synaptique et une absence de recapture de celui-ci par les astrocytes.  Entraine : Liée au stress oxydatif et à l’excitotoxicité o Mort des neurones (mécanisme prédominant dans la SLA) o Déséquilibre des facteurs neurotrophiques o Inflammation o Agrégation protéique (super-oxyde-dismutase et TDP 43 impliqué dans le métabo des ARN) o Facteurs de susceptibilité génétique et aux auto-anticorps.  Seul TTT pouvant retarder l’avancée de la SLA (de quelques mois). TTT : Riluzol o Antagoniste du glutamate qui diminue son accumulation cytotoxique dans la fente synaptique. o Dans un but thérapeutique on bloque les récepteurs au glutamate. o Seul traitement possible et donc insuffisant qui ne permet pas d’éradiquer la SLA.  Déclenchée par une mutation sur le gène codant pour l’enzyme superoxyde dismutase (SOD) entrainant un gain de fonctions toxiques → réduction partielle de l’O2 et formation de radicaux (normalement la SOD élimine ou transforme les radicaux libres). Forme familiale : 10% des malades  Dans ce cas, la SOD va s’avérer toxique et accélérer le stress oxydant par peroxydation, catalyse inverse ou nitration de tyrosine.  L'enzyme SOD à Cu-Zn est un homodimère. Les deux sous-unités interagissent essentiellement par des mécanismes hydrophobes et électrostatiques.  Réduction mono électrique de l’oxygène qui entraine formation d’anions et la glutathion péroxydase et SOD vont la transformer en molécule d’eau. 7 AUTRES MECANISMES DE MORT CELLULAIRE DANS LES MALADIES NEURODEGENERATIVES  Mort anarchique accidentelle Mort par nécrose  Rupture de l’intégrité cellulaire qui déverse son contenu dans l’organisme entrainant une réaction inflammatoire non contrôlée et délétère pour les cellules voisines. o A l’inverse, l’apoptose ne déclenche pas de réaction inflammatoire.  L’inhibition des caspases in vivo retarde la dégénérescence des neurones dans des modèles de souris SLA et Huntington. Mort cellulaire programmée comme thérapeutique o La surexpression de BCL2 (protéine anti-apoptotique) dans des modèles de souris retarde les symptômes.  La minocycline inhibe la libération du cytochrome C et a un effet neuroprotecteur dans les modèles de souris SLA, Parkinson et Huntington.  On ne peut pas arrêter l’évolution de la maladie car il faudrait des traitements multifactoriels et agir le plus précocement possible (diagnostic précoce difficile)  Le problème de ces traitements sont les doses : si on bloque trop la mort cellulaire on risque de voir se développer des phénomènes de cancérisation. V. Conclusion CONCLUSION Rôles de la mort neuronale Mécanismes de mort neuronale Dérégulation de la mort cellulaire  Le développement embryonnaire : le réseau neuronal se met en place en fonction des facteurs neurotrophiques, entrainant soit la mort neuronale, soit la persistance du neurone.  La réponse à un stress : l’élimination des cellules contenant trop de protéines altérées permet de maintenir l’homéostasie.  Mort cellulaire programmée (MCP) : apoptose, autophagie, mort cytoplasmique.  Nécrose (néfaste)  Mort anarchique des neurones et survenue de maladies neurodégénérative. 8 VI. QCM QUESTION N°1 : A. Un excès d’apoptose entraîne l’apparition de cancers et de maladies auto-immunes B. L’apoptose correspond à une MCP type II tandis que la MCP type I à l’autophagie C. La voie extrinsèque de l’apoptose implique des récepteurs de mort faisant partie de la super famille des TNF D. L’apoptose, l’autophagie et la nécrose sont les 3 types de mort cellulaire programmée E. L’apoptose entraîne une réaction inflammatoire QUESTION N°2 : A. Bax et Bak sont des protéines anti-apoptotiques B. L’autophagie est un ensemble de mécanismes cataboliques aboutissant à la destruction de constituants cellulaires altérés par le lysosome C. Il existe un traitement pour guérir de la sclérose latérale amyotrophique D. Le dysfonctionnement mitochondrial est un type de mécanisme de mort cellulaire programmée cytoplasmique E. PERK et ATF6 sont des protéines « senseurs » de stress Réponses 1 : BC A. FAUX : Un excès d’apoptose entraîne l’apparition de maladies neurodégénératives B. VRAI C. VRAI D. FAUX : L’apoptose, l’autophagie et la mort cytoplasmique sont les 3 types de mort cellulaire programmée. E. FAUX : L’apoptose n’entraîne pas de réaction inflammatoire Réponses 2 : BDE A. FAUX : Bax et Bak sont des protéines pro-apoptotiques B. VRAI C. FAUX : Juste pour retarder la maladie D. VRAI E. VRAI Questions de l’année dernière QUESTION N°1 : Concernant les morts cellulaires programmées (MCP), cochez-la (ou les) proposition(s) exacte(s) : A. La nécrose est un modèle de mort cellulaire programmé et contrôlé. B. La mort cellulaire cytoplasmique correspond à une MCP type II. C. La neurodégénérescence est uni factorielle. D. L’apoptose possède un rôle bénéfique lors de l’embryogénèse. E. Une excitotoxicité entraîne une mort cellulaire programmée. QUESTION N°2 : Concernant les MCP, cochez-la (ou les) proposition(s) exacte(s) : A. La voie intrinsèque fait intervenir l’apoptosome, le cytochrome C et la caspase 9. B. Dans l’apoptose, Bcl-2 est anti-apoptotique. C. L’autophagie possède une voie d’activation intrinsèque, via les caspases, et extrinsèque. D. Il existe 2 types d’autophagie : la macro et la micro-autophagie E. La protéine mTOR est inhibée en période de jeûne alimentaire prolongé 9 Réponses 1 : DE A : FAUX : La nécrose est un modèle de mort cellulaire anarchique. B : FAUX : La mort cellulaire cytoplasmique correspond à une MCP type III. C : FAUX : La neurodégénérescence est multifactorielle. D : VRAI E : VRAI Réponses 2 : ABE A : VRAI B : VRAI C : FAUX : L’apoptose possède une voie d’activation intrinsèque, via les caspases, et extrinsèque. D : FAUX : Il existe 3 types d’autophagie : la macro, la micro-autophagie et celle médiée par des chaperonnes E : VRAI 10