Tau et maladies neurodégénératives

La dégénérescence neurofibrillaire dans la maladie dÕAlzheimer

La dégénérescence neurofibrillaire résulte de l'accumulation intraneuronale de fibrilles. Dans la maladie dÕAlzheimer, les neurones en dégénérescence neurofibrillaire sont principalement des neurones pyramidaux et ils ont un aspect de flammèches. En microscopie électronique, les filaments intraneuronaux forment des paires de filaments appariées en hélice (PHF). Les lésions neurofibrillaires ne sont pas distribuées de façon homogène dans le cerveau des patients atteints de maladie d'Alzheimer. En effet, dans le cortex cérébral certaines régions sont préférentiellement atteintes alors que d'autres ne sont que peu ou pas touchées par le processus dégénératif. Dans l'écorce cérébrale, les lésions neurofibrillaires ont chacune une distribution régionale et laminaire caractéristique. Il semble donc que la pathologie n'intéresse que certains groupes particuliers de neurones. Cette destruction dÕune sous-population neuronale est responsable des signes cliniques observés . Par immunohistochimie, les neurones en dégénérescence neurofibrillaire sont marqués par des anticorps dirigés contre l'apolipoprotéine E, les glycosaminoglycannes/protéoglycannes, les neurofilaments, les protéines tau, et l'ubiquitine. Un consensus semble pourtant se dégager indiquant que les protéines microtubulaires tau sont les constituants majeurs de ces fibrilles. Les protéines tau Les constituants majeurs de la dégénérescence neurofibrillaire sont donc les protéines tau. Elles appartiennent à la famille des MAP (Microtubule-Associated Proteins). Elles sont principalement neuronales et jouent un rôle dans la polymérisation des microtubules.

Aspect moléculaire.

Le gène des protéines tau est localisé sur le chromosome 17, à la position 17q21. Le transcrit primaire contient 16 exons. Dans le cerveau, les exons 4A, 6 et 8 ne sont pas traduits. Les exons 2, 3 et 10 sont épissés de manière alternative et sont spécifiques du tissu cérébral adulte . L'épissage alternatif de ces 3 exons produit 6 combinaisons possibles (2-3-10-; 2+3-10-; 2+3+10-; 2-3-10+; 2+3-10+; 2+3+10+ ). Au niveau protéique, il y a donc six isoformes de protéines tau dans le cerveau adulte. Il faut noter que l'expression des protéines tau est régulée au cours du développement. Ainsi, une seule isoforme est présente à la naissance et ne comporte pas d'inserts codés par les exons 2, 3 ou 10, il s'agit de l'isoforme fÏtale. Après la naissance, les autres isoformes vont apparaître au cours du développement. La longueur de leurs séquences varie de 352 à 441 acides aminés. Sur électrophorèse en gel de polyacrylamide en présence de sodium dodécyl sulfate (SDS-PAGE), les protéines tau migrent entre 45 et 70 kDa.

Aspect biologiques et biochimiques

Les protéines tau sont très acides dans leur domaine N-terminal qui représente le domaine de projection, c'est-à-dire qu'il détermine l'espace entre des microtubules adjacents. La séquence codée par les exons 1-4 a un point isoélectrique de 4. Au contraire, le domaine C-terminal est très basique avec un point isoélectrique de l'ordre de 10. Le domaine de projection a un rôle mal connu. Il pourrait interagir avec la membrane plasmique et certains organites tels que les mitochondries . Le rôle du domaine C-terminal est beaucoup mieux connu puisque les séquences répétitives codées par les exons 9-12, constituent le domaine de liaison aux microtubules. Il existe d'ailleurs une forte homologie de séquences avec les autres membres de la famille des MAP. Les protéines tau possédant les quatre domaines de liaison aux microtubules (2-,3-,10+; 2+,3-,10+ et 2+,3+,10+) se lient plus facilement aux microtubules que celles n'en possédant que trois (2-,3-,10-; 2+,3-,10- et 2+,3+,10-) . Cependant, cette région pourrait avoir d'autres rôles particulièrement importants au niveau du développement. En effet, les protéines Eed (embryonic ectoderm development) se lient de façon très forte à cette région des protéines tau . Or, la protéine Eed, équivalent de Esc, répresseur à long terme de gènes homéotiques, chez la Drosophile, joue un rôle majeur dans le développement de la souris . Par ailleurs, les protéines tau pourraient être impliquées dans l'induction de cascades liées à l'hydrolyse du phosphaditylinositol 4,5-biphosphate. En effet, la séquence riche en Pro codée par l'exon 9 pourrait se lier à la phospholipase C-gamma et provoquer son activation en présence dÕacide arachidonique . Les protéines tau pourraient donc être bien plus que de simples protéines associées aux microtubules. Il existe une cinquantaine de résidus sérine et thréonine sur la protéine tau. Plus d'une vingtaine se sont révélés être phosphorylés. En particulier, les protéines tau sont phosphorylées de part et d'autre des domaines de liaison aux microtubules . La phosphorylation est donc la principale modification post-traductionnelle des protéines tau. Elle a une grande importance puisqu'elle permettrait aux protéines tau de réguler la polymérisation des microtubules . En effet, les protéines tau stabilisent les microtubules en se liant à leur constituant majeur, la tubuline, par l'intermédiaire de séquences répétitives Pro-Gly-Gly-Gly présentes dans les quatre domaines de liaison aux microtubules . Une phosphorylation des protéines tau, en particulier dans la région riche en Pro située en amont de ces motifs répétés, diminue leur affinité pour les microtubules entraînant la dépolymérisation de ces derniers . La phosphorylation de la Ser262 (selon la numérotation de l'isoforme la plus longue), située dans le premier domaine de liaison, modulerait également l'affinité des protéines tau aux microtubules . Il faut noter que les protéines tau sont différemment phosphorylées au sein de l'axone . Les kinases impliquées dans la phosphorylation de tau in vitro sont nombreuses. Parmi les plus communes, citons la cdc2 et la cdk5, la GSK3ß, les MAP kinases (erk1 et erk2), les MARK, la phosphorylase K, la pKA, la pKC, les SAP kinases (SAPK1g (JNK1), SAPK2a (p38), SAPK2b, SAPK3 et SAPK4) et la tau-tubuline kinase . Il y a également une balance phosphorylation-déphosphorylation médiée par les phosphatases 1, 2A et 2B . Une autre modification post-traductionnelle a été récemment rapportée: une O-glycosylation consistant en l'ajout d'un résidu de N-acétyl-glucosamine (GlcNAc) sur des résidus sérine ou thréonine. Il pourrait aussi y avoir une balance phosphorylation-O-glycosylation . Cette modification post-traductionnelle est retrouvée chez un ensemble de molécules (facteurs de transcription, protéines du cytosquelette...). Sa fonction nÕest pas complètement comprise mais elle jouerait un rôle dans la régulation de la transcription et du cycle cellulaire et dans l'assemblage de complexes protéiques .

Protéines tau et maladie d'Alzheimer

Historique

Dans la maladie dÕAlzheimer, les protéines tau sont les constituants antigéniques majeurs des PHF dans les neurones en dégénérescence . Chez les patients atteints de maladie dÕAlzheimer, une fraction des protéines tau est particulièrement insoluble. Ces protéines incorporées dans les PHF sont modifiées, nous les nommerons donc "tau-PHF", pour permettre de les distinguer des protéines tau dites "normales". La migration électrophorétique de ces tau-PHF sur SDS-PAGE est ralentie, et leur point isoélectrique est plus acide. Plusieurs équipes ont montré qu'une phosphorylation de ces protéines tau était responsable de ces modifications. Leur caractérisation biochimique par la technique des immunoempreintes, révéla la présence d'un triplet de protéines (tau 55, 64 et 69), également appelé A68 ou tau-PHF uniquement dans les cerveaux de patients atteints de la MA . Après déphosphorylation, les tau-PHF s'alignent avec les tau normales, ce qui suggère que les 6 isoformes des protéines tau sont anormalement phosphorylées . Plusieurs sites de phosphorylation sur les tau-PHF furent déterminés in vivo, par spectrométrie de masse et l'utilisation de sondes immunologiques spécifiques des tau-PHF dépendants de la phosphorylation . Les numéros d'acides aminés utilisés pour décrire les différents sites de phosphorylation correspondent à la numérotation de l'isoforme la plus longue des protéines tau humaines (2+,3+,10+). Ces sites de phosphorylation sont situés en dehors des régions de liaison aux microtubules, sauf la Ser 262. Ils sont essentiellement de type Ser-Pro ou Thr-Pro. Morishima-Kawashima et coll. ont démontré qu'il existait en plus, des sites non Ser/Thr-Pro phosphorylés. Actuellement, 21 sites de phosphorylation ont été décrits, dont 10 (soulignés) sont de type non Ser-Pro ou Thr-Pro: il s'agit des Thr 181, Ser 198, 199, 202, 205, 208, 210, Thr 212, Ser 214, Thr 217, 231, Ser 235, 262, 396, 400, 403, 404, 409, 412, 413 et 422 .

Phosphorylation anormale ou hyperphosphorylation?

En octobre 94, LÕéquipe de Lee et Trojanowski révéla que la phosphorylation n'avait rien d'anormale, puisque certains sites dits anormalement phosphorylés sont retrouvés dans des biopsies de tissu cérébral normal adulte si le délai post-opératoire est très court . Ainsi, des anticorps monoclonaux dépendants de la phosphorylation détectent dans les biopsies avec un délai post-opératoire court voire nul, un triplet de protéines tau hyperphosphorylées similaire à celui des tau-PHF. Ces résultats suggèrent que certains sites de phosphorylation Ser/Thr-Pro des tau-PHF sont normaux. Néanmoins, les anticorps monoclonaux dépendants de la phosphorylation AP422, AT100 et PHF-27, dirigés respectivement contre la Ser422, les Thr212 et Ser214, et les Thr231 et Ser235, ne détectent aucun triplet dans les biopsies. Ils sont donc spécifiques des tau-PHF, et démontrent qu'il existe une différence entre les tau-PHF et les protéines tau normalement phosphorylées. Une étude cinétique de déphosphorylation a également été entreprise sur le tissu biopsique, et montre qu'après 2 heures à température ambiante, les anticorps monoclonaux dépendants de la phosphorylation ne reconnaissent plus les protéines tau déphosphorylées. Si le délai post-opératoire ou post-mortem est donc supérieur à 2-3 heures, les phosphatases encore actives, vont rapidement déphosphoryler les protéines tau. Des études similaires montrent que cette phosphorylation des protéines tau est également présente dans du tissu cérébral de rat, et qu'elle disparaît très rapidement dès que le délai post-mortem augmente, . Ce phénomène de déphosphorylation n'avait jamais été observé jusqu'alors, puisque la plupart des études réalisées sur les protéines tau, se faisait sur du tissu autopsié ou sur du matériel purifié sans inhibiteur de phosphatases. Pour les autopsies, les délais post-mortem des échantillons varient énormément, mais ils sont toujours supérieurs à 2 heures. Dans le tissu cérébral normal obtenu à l'autopsie, l'analyse des protéines tau montre qu'elles ne sont pas phosphorylées. Au contraire, dans la MA, le triplet de protéines tau hyperphosphorylées (tau-PHF) est constamment retrouvé, quelque soit le délai post-mortem. Suite à ces résultats, l'hypothèse dÕune inactivation ou dÕune baisse de l'activité des phosphatases dans la maladie dÕAlzheimer a été suggérée . En conclusion, le terme d'hyperphosphorylation des protéines tau dans la MA est donc toujours valable. En effet, les tau-PHF sont beaucoup plus phosphorylées que les protéines tau purifiées des biopsies. Même si certains sites de phosphorylation sont retrouvés à la fois sur les tau-PHF et les protéines tau normales biopsiques, il existe des sites ou des conformations spécifiques aux tau-PHF. En effet, le marquage spécifique des tau-PHF obtenu avec certains anticorps dépendants de la phosphorylation tels que AP422, AT100 et PHF-27, montre que la phosphorylation est toujours impliquée dans la pathologie. Par ailleurs, les protéines tau-PHF sont hyperphosphorylées et possèdent un point isoélectrique beaucoup plus acide que les tau « biopsiques » . Il est vraisemblable que contrairement aux protéines tau « biopsiques », l'ensemble des sites potentiels de phosphorylation soit phosphorylé dans les protéines tau-PHF dans la maladie dÕAlzheimer. LÕhyperphosphorylation des protéines tau aboutit à leur incapacité à se lier aux microtubules. Cette incapacité de liaison aux microtubules résulterait essentiellement de leur phosphorylation. En effet, après déphosphorylation, les tau-PHF retrouveraient la capacité de se lier aux microtubules . Dans le neurone, la déstabilisation des microtubules perturberait des fonctions vitales, comme le transport axonal. Ainsi, le neurone ne pouvant plus assurer sa survie, dégénèrerait. Cependant, des questions peuvent se poser: Pourquoi les tau-PHF restent-elles phosphorylées et s'agrègent-elles? Il semble qu'il y ait plusieurs hypothèses: i) les phosphatases seraient inactives dans la MA; ii) les protéines tau emprisonnées dans les PHF seraient inaccessibles aux phosphatases ; iii) il existerait une conformation spécifique des tau-PHF entraînant leur agrégation; iv) il y aurait une anomalie d'adressage cellulaire (somato-dendritique ou axonal); v) il existerait d'autres modifications post-traductionnelles (N- ou O-glycosylation) , non-enzymatiques (glycation) ou encore l'ubiquitination qui seraient responsables de la formation des PHF.

Les co-facteurs dans l'agrégation des protéines tau dans la maladie dÕAlzheimer

Une autre hypothèse serait que l'hyperphosphorylation des protéines tau nÕest pas responsable de leur agrégation. DÕautres molécules pourraient jouer le rôle de co-facteurs comme dans le cas de l'agrégation du peptide Aß en filaments amyloïdes. Or, l'apolipoprotéine E et les glycosaminoglycannes/protéoglycannes sont retrouvés dans les neurones en dégénérescence neurofibrillaire. LÕallèle e2 de l'apolipoprotéine E est considéré comme neuroprotecteur. Une interaction entre les protéines tau a été mise en évidence avec l'apolipoprotéine E . De plus, cette dernière est retrouvée au sein des lésions neurofibrillaires aussi bien dans la maladie dÕAlzheimer que dans dÕautres maladies neurodégénératives . Les glycosaminoglycannes, partie glycannique des protéoglycannes, sont détectés dans les neurones en dégénérescence neurofibrillaire. Des résultats récents obtenus par l'équipe du Dr. Michel Goedert laissent penser que ce marquage pourrait être important. En effet, ils ont confirmé la présence de glycosaminoglycannes dans les lésions neurofibrillaires, mais les auteurs ont surtout mis en évidence une interaction protéines tau et glycosaminoglycannes. Cette interaction permet la formation de PHF in vitro . Les glycosaminoglycannes seraient responsables de l'hélicité des PHF . Pour notre part, nous avons pu constater que le marquage neuronal obtenu avec un anticorps spécifique de l'axe protéique des protéoglycannes était localisé dans les couches II-III et V-VI de l'isocortex associatif et donc en accord avec la distribution laminaire et régionale des lésions neurofibrillaires. Etant donné que l'anticorps reconnait un motif protéique, il est clair que la formation des PHF avec les glycosaminoglycannes peut se faire en présence du protéoglycanne complet . DÕautres co-facteurs polyanioniques tels que l'ARN et les acides gras pourraient aussi favoriser l'agrégation des protéines tau en filaments. En effet, la présence dÕARN dans les neurones en dégénérescence neurofibrillaire a été récemment décrite . Par ailleurs, il a été montré que l'ARN est capable dÕinduire l'agrégation des protéines tau in vitro . De même, certains acides gras favorisent l'agrégation des protéines tau en filaments . En conclusion, l'hyperphosphorylation des protéines tau perturberait le métabolisme neuronal mais dÕautres facteurs pourraient conduire à l'agrégation de ces protéines en filaments.

Les protéines tau et la dégénérescence neurofibrillaire dans dÕautres pathologies

Rappels

Dans la maladie d'Alzheimer, la dégénérescence neurofibrillaire est caractérisée biochimiquement par trois variants majeurs appelés tau 55, 64 et 69. Or, la dégénérescence neurofibrillaire est une figure pathologique rencontrée dans dÕautres maladies neurodégénératives caractérisées par des tableaux cliniques différents de ceux de la maladie dÕAlzheimer. Elle est retrouvée dans le vieillissement, la trisomie 21 et certaines maladies neurodégénératives telles que la dégénérescence corticobasale, la paralysie supranucléaire progressive, la maladie de Steinert et certains syndromes parkinsoniens (Parkinson post-encéphalitique, syndrome de l'île de Guam) . Elle est également marquée par des anticorps anti-protéines tau. Il faut cependant noter que ces anticorps marquent dÕautres structures pathologiques telles que les corps de Pick, et les cellules de Pick (ou neurones achromatiques) dans la maladie de Pick, et la dégénérescence neurofibrillaire et les neurites en dégénérescence dans toutes les maladies neurodégénératives. En collaboration avec le groupe de Patrick R Hof, nous avons pu analyser la distribution des lésions neurofibrillaires dans le cortex cérébral de sujets présentant le syndrome de l'île de Guam, un parkinson post-encéphalitique, et une démence pugilistique. Nous nous sommes également intéressés à la distribution dÕune autre inclusion neuronale constituée de protéines tau, les corps de Pick chez des sujets ayant une maladie de Pick . Des études similaires ont été réalisées pour la paralysie supranucléaire progressive (maladie de Steele-Richardson) et la dégénérescence corticobasale Chaque condition pathologique a sa propre distribution laminaire et régionale de lésions neurofibrillaires. Cette observation indique que différentes sous-populations neuronales sont affectées dans chaque maladie neurodégénérative. Ainsi, dans le syndrome de l'île de Guam, les lésions neurofibrillaires sont localisées dans les couches supragranulaires de l'isocortex associatif . Pour la maladie de Steele-Richardson, le cortex frontal est particulièrement affecté avec une préférence pour les couches profondes du cortex moteur primaire (Aire de Brodmann 4) . Il existe également des agrégations de protéines tau particulières comme dans la maladie de Pick, avec les corps de Pick localisés principalement dans la couche II de l'isocortex et les neurones granulaires du gyrus dentatus . Elle affecte des sous-populations neuronales particulières. De plus, certaines sous-populations cellulaires expriment des isoformes de protéines tau qui lui sont propres . Ainsi, les neurones qui dégénèrent dans la maladie d'Alzheimer sont principalement les neurones pyramidaux des couches II-III et V-VI de l'isocortex associatif exprimant les six isoformes de protéines tau. Dans la dégénérescence corticobasale, il s'agit plutôt d'une dégénérescence neuritique et les isoformes impliquées n'ont pas encore été identifiées. Dans la maladie de Pick, des corps de Pick sont trouvés dans les neurones granulaires du gyrus dentatus de l'hippocampe. Ces neurones ne contiennent pas les isoformes de protéines tau avec la séquence codée par l'exon 10 . Ces maladies neurodégénératives présentent également des lésions gliofibrillaires pour lesquelles le contenu en isoformes de protéines tau reste à définir . Par conséquent, dans le cas d'une dégénérescence d'une sous-population cellulaire particulière, la combinaison hyperphosphorylation-isoforme de protéines Tau pourrait conduire à la formation d'un profil électrophorétique particulier.

Tau cÕest trop...

Dans le syndrome de l'île de Guam, le profil électrophorétique des protéines tau est identique à celui rencontré dans la maladie dÕAlzheimer (AD). Il est composé dÕun triplet tau 55, 64 et 69 . Cependant, sa distribution régionale est différente. Il est présent aussi bien dans les régions corticales que sous-corticales. Dans un autre syndrome parkinsonien, le Parkinson post-encéphalitique, un triplet de protéines tau similaire à celui de la maladie dÕAlzheimer a été également identifié . Au contraire, la maladie de Steele-Richardson (PSP) a révélé un autre profil correspondant à la présence des variants tau 64 et 69. Ces variants sont également retrouvés dans la dégénérescence corticobasale . Au contraire, dans la maladie de Pick, deux autres variants appelés Tau 55 et 64 sont détectées . Vermersch et coll. ont observé un variant Tau 55 dans la maladie de Steinert . LÕéquipe de Michel Goedert a mis en évidence un triplet Tau 55, 64 et 69 dans une forme familiale de démence présénile avec lésion neurofibrillaire et un doublet Tau 64 et 69 dans une forme familiale de démence présénile avec lésions neuro- et gliofibrillaires . Un variant de plus haute masse moléculaire appelé Tau72 ou Tau74 est également parfois décrit. Une analyse plus fine des variants de protéines tau de la maladie dÕAlzheimer a été réalisée en électrophorèse bidimensionnelle et a permis l'identification de ce variant (Tau 74). Il est présent chez les sujets les plus sévèrement atteints et correspond à l'hyperphosphorylation de l'isoforme la plus longue . Cette isoforme est également la moins exprimée. En effet, il faut noter que certaines isoformes des protéines tau sont dites majeures: isoformes avec 3 ou 4 régions répétitives et sans insert, et isoformes avec 3 ou 4 régions répétitives avec un insert dans la partie amino-terminale. Par contre, les isoformes avec 3 ou 4 régions répétitives et 2 inserts dans la partie amino-terminale sont présentes mais en plus faible quantité. Par conséquent, la présence et la phosphorylation dÕisoformes particulières de protéines tau dans des sous-populations neuronales explique vraisemblablement les profils électrophorétiques observés dans les maladies neurodégénératives . Ceci vient dÕêtre clairement démontré dans le cas de la maladie de Pick où les corps de Pick sont constitués de l'agrégation dÕisoformes de protéines tau hyperphosphorylées sans la séquence codée par l'exon 10 présentes dans des sous-populations neuronales particulières .

Les protéines tau sont donc des marqueurs fiables de la dégénérescence neurofibrillaire. Elles permettent de distinguer des sous-populations neuronales particulièrement vulnérables dans les maladies neurodégénératives. LÕhyperphosphorylation des protéines tau perturbe le métabolisme neuronal et pourrait conduire à leur agrégation sous forme de filaments intraneuronaux. Cependant, des co-facteurs, similaires à ceux impliqués dans la formation des dépôts amyloïdes, tels que l'apolipoprotéine E, les glycosaminoglycannes/protéoglycannes et les acides gras favorisent aussi leur agrégation. LÕensemble de ces éléments représentent des pistes de choix pour rechercher des molécules ralentissant la progression de la maladie dÕAlzheimer et des syndromes apparentés.

ALZHEIMER WEB SITES:

• Unité 422 INSERM (groupe VCDN)

http://www.alzforum.org/members/index.html

Tau SITE:

http://bioinformatics.weizmann.ac.il/hotmolecbase/entries/tau.htm