B : Les kinases.
De très nombreuses kinases sont susceptibles de phosphoryler Tau
in vitro ou in vivo. Ces différentes kinases, généralement
spécifiques de certains sites au sein de la protéine, peuvent
être classées en deux familles en fonction de leur spécificité
d’action. On distingue ainsi les kinases dites PDPK pour «
Proline Directed Protein Kinase » et dirigées contre des
sites Ser*-Pro ou Thr*-Pro et les kinases dirigées contre d’autres
sites Ser* ou Thr* appelées kinases non-PDPK (Tableau 1). Il est
important de noter que des tyrosines kinases peuvent également
phosphoryler les protéines Tau (Williamson et al., 2002).
Les PDPK :
Dans cette famille, on distingue :
> les MAPK pour « Mitogen Activated Protein Kinase » (Goedert
et al., 1997 ; Reynolds et al., 1997),
> les SAPK pour « Stress Activated Protein Kinase » (Goedert
et al., 1997 ; Reynolds et al., 1997 ; 2000 ; Buée-Scherrer et
Goedert., 2002),
> La DYRK pour « dual-specificity tyrosine phosphorylated and
regulating kinase (Woods et al., 2001),
> Les protéines de la famille des Cdks pour « Cyclin dependent
kinases » (Baumann et al., 1993 ; Illenberger et al., 1998 ; Michel
et al., 1998 ; Preuss et al., 1998 ; Vincent et al., 1998., Lu et al.,
1999 ; Ahlijanian et al., 2000 ; Van Den Haute et al., 2001). Cette dernière
famille qui inclut la Cdk1 (ou Cdc2), la Cdk2 et la Cdk5 est particulièrement
intéressante compte tenu des récentes découvertes
concernant la relation entre la maladie d’Alzheimer ainsi que d’autres
maladies neurodégénératives et le cycle cellulaire.
Les kinases non PDPK :
Les kinases non PDPK ont pour propriété de
phosphoryler les Thréonines et Sérines qui ne sont pas suivies
d’une Proline. On distingue :
> les GSK3 a et b pour « Glycogen Synthase Kinase 3 alpha et
beta » (Brandt et al., 1994 ; Moreno et al., 1995 ; Sperber et al.,
1995 ; Lovestone et al., 1996 ; Hong et al., 1997 ; Munoz-Montano et al.,
1997 ; Utton et al., 1997 ; Illenberger et al., 1998 ; Michel et al.,
1998 ; Wang et al., 1998 ; Zheng-Fischhöfer et al., 1998; Godemann
et al., 1999 ; Leroy et al., 2000 ; Planel et al., 2001).
> La TTK pour « Tau Tubulin Kinase » (Tomizawa et al.,
2001).
> La protéine régulant l’affinité de Tau
pour les microtubules ou p110-MARK pour « Microtubule-Affinity Regulating
Kinase ». (Drewes et al., 1995 ; 1997 ; Jenkins et al., 2000 ; Biernat
et al., 2002).
> La protéine kinase dépendante du complexe Calcium/Calmoduline
ou CaMKII pour « Calcium/Calmoduline-dependent protein kinase II
» (Johnson ., 1992).
> La protéine dépendante de l’AMPc ou PKA (Johnson.,
1992 ; Scott et al., 1993 ; Zheng-Fischhöfer et al., 1998 ; Jensen
et al., 1999 ; Jicha et al., 1999).
> La PKC pour « Protein kinase C » (Baudier et al., 1987).
> La PKN, une protéine dont l’activité dépend
des acides gras et qui possède un domaine catalytique analogue
à la PKC (Taniguchi et al., 2001).
> La Phosphorylase kinase, une enzyme impliquée dans la glycogénolyse
(Paudel et al., 1997).
> Enfin, les Caséine Kinase I et II ou CKI et CKII (Greenwood
et al., 1994).
La phosphorylation des protéines Tau est très complexe à
étudier et dépend de nombreux facteurs. En effet, l’utilisation
d’anticorps spécifiques de la phosphorylation des protéines
Tau a révélé une relation entre la phosphorylation
de ces protéines et leur conformation. Ainsi, de façon réciproque,
la phosphorylation et la conformation s’influencent menant ainsi
la protéine Tau à être un substrat plus ou moins accessible
à différentes kinases ou phosphatases. Certains phosphoépitopes
dans la molécule demandent une phosphorylation séquentielle
pour être générés. De nombreux sites de phosphorylation
sont ainsi dits « conformationnels » et dépendent de
l’action de différentes kinases pour être obtenus (Buée-Scherrer
et al., 1996 ; Carmel et al., 1996 ; Jicha et al., 1997 ; Ksiezack-Reding
et al., 2000). Par ailleurs, de nombreuses études ont pu montrer
que l’activité de certaines kinases est influencée
par une préphosphorylation de Tau, voire par l’action de cofacteurs
comme les polyanions ou autres (Singh et al., 1995 ; Wang et al., 1998,
Taniguchi et al., 2001, Woods et al., 2001). Ces derniers modifieraient
également la conformation de Tau, la rendant cette fois plus accessible
à certaines kinases. La protéine Tau est donc un substrat
pour de nombreuses kinases, dont l’activité dépend
d’un état de préphosphorylation de la protéine
ou d’une conformation particulière de celle-ci. Ceci suggère
que la conformation de la molécule soit elle-même un régulateur
de son état de phosphorylation et donc de son activité.
Enfin, l’étude de la phosphorylation des protéines
Tau in vivo et l’identification précise des mécanismes
cellulaires à son origine est difficile à appréhender
si l’on tient compte du fait que l’activité des kinases
in situ est dépendante de leur propre état de phosphorylation.
Ainsi, l’activité des kinases au niveau cellulaire est dépendante
de l’activité d’autres kinases en amont. Ces dernières,
appartenant à des cascades de transduction du signal, peuvent donc
influencer directement ou indirectement l’état de phosphorylation
des protéines Tau bien qu’elles n’interagissent pas directement
avec elles.
C : Les phosphatases :
L’état de phosphorylation des protéines
Tau est dépendant de la balance Kinases/Phosphatases dont les activités
sont hautement régulées en fonction de la physiologie cellulaire.
Les protéines Sérine/Thréonine phosphatases sont
donc absolument indispensables pour la régulation de l’activité
et/ou de la localisation des protéines Tau. De plus, ces protéines
phosphatases régulent la phosphorylation des protéines Tau
non seulement en agissant directement sur la molécule mais également
en déphosphorylant et donc en inactivant les protéines kinases
susceptibles de phosphoryler les protéines Tau (Planel et al.,
2001).
Dans le cerveau humain, il existe de nombreuses Sérine/Thréonine
phosphatases (Pour revue, Price et Mumby., 1999). Ces protéines
participent à de nombreuses cascades de transduction qui modulent
l’activité neuronale. Les Sérines et Thréonines
phosphatases sont des métalloenzymes catalysant la déphosphorylation
de leur substrat en une seule étape. On distingue au niveau du
tissu cérébral deux familles de protéines phosphatases.
La première classe regroupe les Protéines Phosphatases (PP)
1 (PP1), 2A (PP2A), 2B (PP2B) et enfin celles plus récemment découvertes
(PP4, PP5, PP6 et PP7). Toutes ces phosphatases présentent un domaine
phosphatase commun et se distinguent de part leur spécificité
de substrat et leur localisation intracellulaire. La seconde classe qui
comprend la phosphatase 2C comprend des isoformes qui ont peu d’homologie
de séquence avec la première famille. Dans cette description,
nous nous intéresserons essentiellement aux protéines phosphatases
impliquées dans la régulation de l’état de phosphorylation
des protéines Tau i.e., PP1, PP2A et enfin PP2B (ou calcineurine).
La protéine Phosphatase 1 : PP1.
Bien que présente à travers l’ensemble du tissu cérébral,
trois isoformes de PP1 sont exprimées à différents
niveaux dans certaines régions du cerveau humain (Pour revue Price
et Mumby., 1999). Au niveau du neurone, PP1 est retrouvée au niveau
dendritique ce qui suggère des mécanismes de ciblage de
cette protéine. Ainsi, la PP1 est présente dans les fractions
membranaires et les jonctions synaptiques. Elle est également associée
avec les neurofilaments et les microtubules. Comme la phosphorylation
des neurofilaments entraîne leur dépolymérisation,
la PP1 associée aux neurofilaments régule donc leur stabilité.
De la même manière, cette phosphatase module la stabilité
des microtubules en régulant l’état de phosphorylation
des protéines Tau. En effet, les protéines Tau ciblent PP1
au niveau des microtubules (Liao et al., 1998). Cette phosphatase déphosphoryle
alors les protéines Tau sur les Ser198/199/202/396 et 404 (Bennecib
et al., 2000), ce qui renforce la stabilité des microtubules. Il
est toutefois important de noter que cette déphosphorylation se
fait indirectement à travers une régulation de kinases comme
GSK3, Cdk5 et Cdc2, contrairement à PP2A qui elle déphosphoryle
ces mêmes sites mais directement (Bennecib et al., 2000).
En plus de ses fonctions de régulation dans la stabilité
des neurofilaments et des microtubules, PP1 est impliquée dans
de nombreuses fonctions dans les neurones. Elle régule notamment
l’activité de la CamKII très abondante dans le cerveau
et impliquée dans l’expression de gènes, la synthèse
de neurotransmetteurs et dans les réarrangements du cytosquelette
neuronal. Enfin, la PP1 régule les cascades de transduction de
signal dépendantes de la dopamine à travers la régulation
de la protéine nommée DARPP-32 (Pour revue, Price et Mumby.,
1999).
La Protéine Phosphatase 2A : PP2A.
La PP2A a également de nombreux rôles dans les neurones.
Elle est notamment associée avec les neurofilaments et catalyse
la déphosphorylation des isoformes NF-M et NF-L. Cette activité,
couplée à celle de PP1 régule donc la polymérisation
ainsi que la stabilité des neurofilaments neuronaux. De plus, comme
la PP1, la PP2A régule également la polymérisation
des microtubules via la déphosphorylation des protéines
MAP2 et Tau. Concernant la déphosphorylation des protéines
Tau par la PP2A, elle est différente de la PP1, autant au niveau
des sites impliqués que pour la localisation de cette activité.
En effet, PP2A déphosphoryle Tau directement sur les Ser 198/199/202/396/404
et 422 (Bennecib et al., 2000). De plus, cette déphosphorylation
se fait sur les protéines Tau solubles puisque la PP2A fixe Tau
sur leur domaine de liaison aux microtubules rendant ainsi la liaison
des protéines Tau aux microtubules impossible (Sontag et al., 1999).
Les protéines Tau alors déphosphorylées et cytosoliques
lient et polymérisent les microtubules. Enfin, la PP2A régule
également indirectement la phosphorylation des protéines
Tau à travers la régulation de la CamKII. En effet, une
inhibition de l’activité de cette phosphatase conduit à
une suractivité de la CamKII et à une phosphorylation des
protéines Tau aux Ser262 et 356 (Bennecib et al., 2001), sites
très importants pour l’interaction de Tau avec les microtubules
(Schneider et al., 1999). Enfin, cette inhibition de la CamKII par la
PP2A est également impliquée dans la plasticité synaptique
(Fukunaga et al., 2000).
La Protéine Phosphatase 2B : PP2B.
La PP2B ou Calcineurine est une enzyme dimérique composée
d’une sous-unité catalytique (A) et d’une sous-unité
régulatrice (B). La sous-unité catalytique est activée
par sa liaison au complexe calcium/calmoduline. La déphosphorylation
stimulée par le calcium de protéines cibles module alors
de nombreuses activités neuronales (Pour revue, Price et Mumby.,
1999). Concernant leur implication dans l’architecture du cytosquelette
neuronal, la PP2B régulerait également la stabilité
des microtubules en déphosphorylant les protéines Tau. Toutefois,
le rôle de cette phosphatase sur Tau reste controversé. En
effet, avec PP2A, la calcineurine est une des phosphatases majeures de
Tau in vitro. Elle pourrait ainsi restaurer la capacité des Tau
hyperphosphorylées à lier les microtubules (Billingsley
et Kincaid., 1997). Cette enzyme permettrait ainsi la déphosphorylation
des Ser 46, 199, 202, 235, 396 et 404 ainsi que des Thr 181 et 231 (Gong
et al., 1994 ; Garver et al., 1999). Toutefois, d’autres études
minimisent le rôle de cette phosphatase dans la régulation
de la phosphorylation de Tau et au contraire mettent en avant les activités
de PP1 et PP2A (Tanaka et al., 1998 ; Gong et al., 2000).
Le rôle de ces trois protéines phosphatases dans la régulation
de l’état de phosphorylation des protéines Tau et donc
indirectement dans la polymérisation des microtubules a été
renforcé par l’inhibition spécifique de ces protéines
dans des modèles cellulaires et animaux. En effet, ces trois phosphatases
agissent de concert pour déphosphoryler certains sites sur les
protéines Tau et sous différentes formes de celles-ci (i.e.
les protéines Tau liées aux microtubules ou solubles dans
le cytoplasme). Ainsi, des inhibiteurs aspécifiques de ces trois
phosphatases comme l’acide okadaïque (AO) entraîne une
phosphorylation dite « anormale » des protéines Tau
ainsi que la dissociation des structures microtubulaires à l’intérieur
du neurone menant celui-ci vers la mort neuronale par apoptose (Caillet
et Delacourte., 1996 ; Mailliot et al., 1998 ; Mudher et Perry., 1998
; Van Dam et al., 1998 ; Bussière et al., 1999 ; Ksiezack-Reding
et al., 2000). Ces données indiquent qu’une inhibition des
activités phosphatases dans un neurone induit la phosphorylation
anormale des protéines Tau rencontrée dans la maladie d’Alzheimer
et autres Tauopathies (Voir dans le chapitre de la phosphorylation anormale
des protéines Tau). Elles permettent également d’affirmer
qu’une modification de la balance kinases/phosphatases mène
à une perturbation de la fonction des protéines Tau qui
se voient anormalement phosphorylées. Ces protéines ne peuvent
dès lors plus assurer leur fonction, menant ainsi le neurone probablement
à la mort
.D : Les cofacteurs de phosphorylation.
Des études récentes mettent en évidence des cofacteurs
augmentant ou réduisant la phosphorylation des protéines
Tau. Ainsi, les niveaux intracellulaires de calcium, d’AMPc et de
phospholipides vont moduler la phosphorylation des protéines Tau
en activant des kinases comme la CamKII et la PKA (Baudier et al., 1987
; Baudier et Cole., 1987 ; Fleming et Johnson., 1995). La PKA est également
stimulée par l’a-synucléine ou la protéine 14-3-3z
qui créent un pontage entre la protéine Tau et la kinase
augmentant ainsi la phosphorylation dépendante de la PKA sur les
Ser262 et 356 (Jensen et al., 1999 ; Hashiguchi et al., 2000). De la même
façon des polyanions comme l’héparine, la tubuline,
l’ARN et des poly(Glu) catalysent la phosphorylation des protéines
Tau (Moreno et al., 1995 ; Hasegawa et al., 1997 ; Zheng-Fischhöfer
et al., 1998). Ces cofacteurs induisent probablement un changement de
la structure tridimensionnelle des protéines Tau, les rendant selon
toute vraissemblance meilleurs substrats pour certaines kinases.
Il est également important de signaler que la phosphorylation des
protéines Tau est modulée par l’état physiologique
de la cellule. En effet, dans des conditions de stress cellulaire ou même
lors de signaux mitotiques, la phosphorylation des protéines Tau
est accrue de manière considérable (Pope et al., 1994 ;
Preuss et al., 1998 ; Buée-Scherrer et al., 2002). Ces premières
observations sur la phosphorylation mitotique de Tau ont été
récemment renforcées par la découverte de protéines
mitotiques, comme Pin1, associées avec les protéines Tau
anormalement phosphorylées et agrégées dans les neurones
en dégénérescence neurofibrillaire (Lu et al., 1999
; Thorpe et al., 2001). Cette protéine, initialement identifiée
pour son rôle dans le cycle cellulaire et notamment dans la régulation
de la phase mitotique (Lu et al., 1996, Crenshaw et al., 1998 ; Winkler
et al., 2000), rendrait aux protéines Tau anormalement phosphorylées
leur capacité à lier les microtubules (Goedert et al., 1999
; Lu et al., 1999). Toutefois, l’implication de cette protéine
dans les maladies neurodégénératives reste encore
a être confirmée. Ces constatations appuient l’hypothèse,
pour ces maladies neurodégénératives, d’une
réentrée aberrante des neurones dans un cycle cellulaire
délétaire conduisant à une hyperphosphorylation des
protéines Tau et finalement à la mort neuronale (Voir chapitre
de la phosphorylation mitotique de Tau) (Vincent et al., 1996 ; Kondratick
et Vandré., 1996 ; Vincent et al., 1997 ; Preuss et al., 1995,
1998 ; Vincent et al., 1998 ; Ding et al., 2000 ; Harris et al., 2000
; Husseman et al., 2000 ; Tomashevski et al., 2001 ; Yang et al., 2001).
II.1.2.2c : La phosphorylation : un régulateur
de la fonction des protéines Tau.
A : Généralités.
La phosphorylation est une modification post-traductionnelle des protéines
qui entraîne un changement de leur activité moléculaire.
Cette phosphorylation permet entre autres de moduler l’activité
catalytique d’un enzyme ou de modifier la reconnaissance d’une
protéine pour son substrat ou son ligand. Ainsi, dans des cascades
de transduction de signal la phosphorylation de certaines protéines
entraîne une modification de leur capacité à lier
d’autres molécules en amont ou en aval de la cascade. Cette
phosphorylation est un acteur indispensable pour amplifier le signal de
transduction et obtenir une réponse cellulaire en fonction du stimulus
extracellulaire considéré. D’autre part, les cellules
utilisent également cette phosphorylation pour moduler l’assemblage
et la dépolymérisation de l’architecture de leur cytosquelette
en fonction de leur état physiologique ou de la phase du cycle
cellulaire engagée. A titre d’exemple, la stabilité
des structures microtubulaires est très variable au cours du cycle
cellulaire. Ainsi, en interphase, les cellules adoptent une structure
microtubulaire permettant de contrôler leur forme et leur physiologie.
Une fois leur division entamée, ces cellules voient leur microtubules
interphasiques se dépolymériser et laisser la place aux
microtubules dits « mitotiques » qui vont permettre la ségrégation
des chromosomes et la cytodiérèse. Ces phénomènes
de modification de l’architecture cellulaire, dépendante de
la phosphorylation, sont indispensables pour la viabilité des cellules.
Dans un neurone, la phosphorylation des protéines Tau est également
hautement régulée et entraîne une modification de
leur fonction.
B : La phosphorylation des protéines Tau et l’interface
microtubules/membrane plasmique.
Les protéines Tau interagissent avec la membrane plasmique à
travers leur domaine Nt ou « domaine de projection » (Cf chapitre
sur la structure des protéines Tau). Cette liaison implique en
particulier les domaines SH3 des tyrosines kinases non recepteur de la
famille Src (Brandt et al., 1995 ; Jenkins et Johnson., 1998 ; Lee et
al., 1998). Cette interaction est regulée par l’état
de phosphorylation des protéines Tau. Ainsi, la phosphorylation
des Tau sur certains résidus (Ser199/202, Thr231 et Ser396/404),
retrouvée dans la maladie d’Alzheimer et autres Tauopathies,
empècherait la liaison des protéines Tau avec la membrane
plasmique (Maas et al., 2000). Cette absence de liaison contribuerait
à l’accumulation somato-dendritique des protéines Tau,
la rupture du cytosquelette axonal et finalement à la mort neuronale
comme observée dans les maladies neurodégénératives.
Ce domaine de projection peut également être phosphorylé
sur des résidus tyrosine notamment en réponse à un
traitement des cellules par le peptide amyloïde (Williamson et al.,
2002). Cette cascade implique les protéines de la famille Src comme
Fyn, qui peut elle-même activer la GSK3b (Lesort et al., 1999).
Enfin, il semble que le domaine N-terminal de Tau agisse également
comme un catalyseur de la propre phosphorylation de la protéine
(Greenwood et al., 1994).
C : La phosphorylation des protéines Tau : un facteur
d’assemblage des microtubules.
La liaison des protéines Tau aux microtubules implique le domaine
C-terminal de la molécule. Cette interaction stabilise le réseau
de microtubules neuronal permettant notamment le bon fonctionnement du
transport axonal (Figure 13). Cette fonction est régulée
par l’état de phosphorylation de la molécule sur certains
sites particuliers. En effet, des expériences in vitro et in vivo
ont pu démontrer que les protéines Tau phosphorylées
étaient moins aptes à lier les microtubules et à
les polymériser en comparaison d’isoformes non phosphorylés
(Brandt et al., 1994 ; Utton et al., 1997 ; Xie et al., 1998). Toutefois,
tous les sites de phosphorylation ne sont pas impliqués dans la
régulation de la liaison aux microtubules. En fait, seuls certains
sites régulent la liaison des protéines Tau aux microtubules
en fonction de leur état de phosphorylation. Ils comprennent :
la Thr205 et les Ser202, 214, 262, 324 et 356. La phosphorylation de ces
sites seule ou en combinaison provoque une forte diminution des interactions
Tau / Microtubules. Les kinases phosphorylant ces sites, i.e., la pKA,
la Phosphorylase Kinase, la GSK3b et la MARK, ainsi que leur antagonistes,
les phosphatases, régulent donc indirectement la stabilité
des microtubules en modifiant la phosphorylation de Tau sur ces sites
(Biernat et al., 1993 ; Scott et al. 1993; Drewes et al., 1995 ; Lovestone
et al., 1996 ; Drewes et al., 1997 ; Paudel., 1997 ; Xie et al., 1998
; Biernat et Mandelkow., 1999 ; Schneider et al., 1999 ; Gong et al.,
2000 ; Jenkins et Johnson., 2000 ; Bennecib et al., 2001 ; Biernat et
al., 2002).
Ce fragile équilibre dans la phosphorylation de ces sites est crucial
pour la cellule. En effet, le dynamisme des microtubules est indispensable
pour la viabilité des neurones non seulement durant la neurogénèse
mais également pour le transport axonal (Figure 13).
C-1 : Transport axonal et phosphorylation des protéines
Tau.
Un dynamisme de la structure microtubulaire au sein de l’axone est
indispensable à la survie de la cellule neuronale. En effet, le
réseau microtubulaire joue un rôle important pour le maintien
de la morphologie cellulaire, dans le trafic intracellulaire, dans l’établissement
de la polarité cellulaire, la croissance neuritique et la différenciation
(Cf prochain chapitre). Concernant le trafic intracellulaire, les microtubules
servent de « Rails » pour le transport de mitochondries (Morris
et Hollenbeck., 1995), les lysosomes, les peroxisomes et autres organelles.
De plus, les microtubules sont importants dans l’établissement
et la fonctionnalité du réticulum endoplasmique (Ebneth
et al., 1998).
Le transport dépendant des microtubules est assuré par des
protéines motrices telles que la kinésine et la dynéine.
Ainsi, la kinésine est responsable du transport axonal antérograde
et la dynéine du rétrograde (Figure 13). Les rails formés
par les microtubules doivent être très dynamiques et labiles
afin de pouvoir assurer le transport d’organelles. Ainsi, la surexpression
de protéines Tau dans des cellules en culture inhibe le transport
dépendant de la kinésine de mitochondries, de vésicules
et du réticulum endoplasmique (Ebneth et al., 1998). Les auteurs
suggèrent que la surexpression des protéines Tau dans ces
cellules entraîne une rigidification des microtubules provoquant
un transport intracellulaire perturbé. De même, la phosphorylation
et la déphosphorylation des protéines Tau est impliquée
dans le dynamisme des microtubules et permettrait de régir le transport
de macromolécules au sein de l’axone (Mercken et al., 1995
; Black et al., 1996 ; Mandell et Banker., 1996).
C-2 : Différenciation et phosphorylation des protéines
Tau.
La formation et la croissance des neurites d’une cellule neuronale
ainsi que la différenciation avec l’apparition des axones
est dépendante de la polymérisation des microtubules et
le transport axonal (Vega et Solomon., 1997). Certaines études
ont ainsi pu démontrer que les protéines Tau ont un rôle
fondamental dans l’établissement de la polarité des
cellules neuronales (Black et al., 1996 ; Kempf et al., 1996 ; Dawson
et al., 2001). Il semblerait en outre que le développement des
prolongements de type axonal nécessite la phosphorylation des résidus
Ser262/356 au sein du domaine de liaison aux microtubules et soit au contraire
inhibé par une phosphorylation des Tau dans leur domaine riche
en proline (Biernat et Mandelkow., 1999 ; Biernat et al., 2002). Au sein
même de l’axone naissant, il y a un gradient de phosphorylation
des protéines Tau croissant du niveau proximal vers le distal (Figure13).
Ce gradient permet un dynamisme microtubulaire plus intense au niveau
des cônes de croissance et au contraire d’avoir une stabilité
microtubulaire renforcée au niveau de la région proximale
de l’axone en croissance (Black et al., 1996 ; Mandell et Banker.,
1996). Ces travaux suggèrent que les protéines Tau jouent
un rôle fondamental dans la croissance et la stabilité axonale.
Il semble donc que le rôle des protéines Tau lors de la formation
des axones, au cours du développement embryonnaire, soit étroitement
régulé par leur état de phosphorylation.
Toutefois, l’inactivation de Tau ne semble pas affecter la dynamique
des MTs dans les axones en croissance de certains types de cellules neuronales
comme les neurones sympathiques (Tint et al., 1998). Les auteurs suggèrent
que dans ce type cellulaire, d’autres MAPs pourraient compenser l’absence
de la protéine Tau. Ainsi, il semble que MAP1B et Tau puissent
avoir les mêmes fonctions pour la croissance axonale (Rocha et Avila.,
1995 ; Black et al., 1996) puisque la suppression de ces deux protéines
entraîne la perte totale de la croissance axonale alors que seule
l’une d’entre elle n’a pas ou peu d’effet (DiTella
et al., 1996).
C-3 : Phosphorylation des protéines Tau et développement
cérébral.
Le développement embryonnaire du système nerveux central
est un processus dynamique important au cours duquel s’installe une
polarité neuronale indispensable au fonctionnement à aux
communications intraneuronales qui seront à l’origine de notre
comportement. La phosphorylation des protéines Tau durant ce processus
est essentielle pour réguler la stabilité des microtubules
et donc pour établir la polarité axonale comme décrite
précédemment. Ainsi, la maturation des neurones durant le
développement embryonnaire est étroitrement lié à
l’état de phosphorylation des protéines Tau. Il est
toutefois important de noter que cet état de phosphorylation des
protéines Tau est sujet à une régulation temporelle
au cours de l’embryogénèse.
En effet, les protéines Tau fœtales sont très
phosphorylées notamment sur des sites importants pour leur liaison
aux microtubules comme la sérine 262 (Brion et al., 1993 ; Kenessey
et Yen., 1993 ; Seubert et al., 1995 ; Liu et Yen., 1996). Au cours de
la maturation cérébrale, les phosphatases sont induites
et entraînent une déphosphorylation des protéines
Tau (Mawal-Dewan., 1994 ; Dudek et Johnson., 1995 ; Rosner et al., 1995).
A titre d’exemple, dans les premiers stades de développement
embryonnaire, les protéines Tau sont dans un état de phosphorylation
proche de celui des maladies neurodégénératives (Brion
et al., 1993 ; Kennessey et Yen., 1993 ; Burack et Halpain., 1996 ; pour
revue Jordan-Sciutto et Browser., 1998). Lors de l’embryogénèse
et du développement fœtal qui lui fait suite, la phosphorylation
importante des protéines Tau a ainsi donné naissance à
la notion de « phospho-épitopes mitotiques ». Certains
sites de phosphorylation sont spécifiques du tissu fœtal et
ne sont pas retrouvés dans le tissu cérébral adulte
(Jicha et al., 1997). Cet état de phosphorylation avancé
des protéines Tau couplé à la présence unique
de l’isoforme fœtale (3R) assurerait un dynamisme crucial des
microtubules pendant le développement embryonnaire des neurones.
En effet, au cours du développement cérébral
embryonnaire, l’établissement des structures cervicales nécessite
de nombreuses divisions cellulaires des cellules progénitrices
(figure 14). Lors de ces divisions, un remaniement complet des structures
microtubulaires assure la ségrégation des chromosomes et
la cytodiérèse. La mitose s’accompagne ainsi d’un
remaniement important des microtubules, processus nécessitant la
perte d’interaction de ces structures et les protéines qui
leur sont associées (Belmont et al., 1990 ; Verde et al., 1992
; Ookata et al., 1995). Dans des modèles cellulaires, les cellules
neuronales en division montrent une phosphorylation des protéines
Tau fortement augmentée (de l’ordre de 40 fois) et notamment
en mitose (Pope et al., 1994 ; Preuss et al., 1995, Preuss et Mandelkow.,
1998). Cette phosphorylation mitotique des protéines Tau les détacherait
des microtubules rendant ces derniers plus dynamiques. La phosphorylation
importante des protéines Tau est donc un élément
clé pour la régulation de la division cellulaire des cellules
neuronales progénitrices durant les premiers stades de l’embryogénèse.
Cet état de phosphorylation mitotique des protéines Tau
serait sous la direction de certaines kinases et phosphatases dont les
activités sont hautement régulées en fonction des
phases du cycle cellulaire.
Des kinases de la famille des Cdks (i.e, Cdc2 ou Cdk1 et Cdk2 ), protéines
impliquées dans le cycle cellulaire (Figure 14), sont des acteurs
indispensables pour assurer la division neuronale en phosphorylant les
protéines Tau et donc en favorisant la dépolymérisation
des microtubules (Baumann et al., 1993 ; Illenberger et al., 1998 ; Vincent
et al., 1998 ; Kastner et al., 2000). Ces kinases, associées spécifiquement
à leur cycline respective, interviennent à des moments très
précis du cycle cellulaire et phosphorylent spécifiquement
leurs cibles assurant ainsi un « timing » des différentes
phases du cycle. Leur activité, étroitement liée
aux différentes phases du cycle cellulaire, entraîne une
phosphorylation des protéines Tau différentielle au cours
de la division cellulaire rendant ainsi les microtubules plus ou moins
dynamiques (Figure 14). De la même manière, les phosphatases
comme PP1 et PP2A auraient un rôle différent mais crucial
pour contrôler la stabilité des microtubules pendant la mitose
(Tournebize et al., 1997). L’activité différentielle
de ces protéines phosphatases pendant le cycle cellulaire modifierait,
tout comme celle des Cdks, l’état de phosphorylation des protéines
Tau. Il est également important de noter que certaines phosphatases
comme la PP2A modifieraient indirectement la phosphorylation des protéines
Tau durant le cycle cellulaire. En effet, cette protéine est également
capable de réguler l’activité des Cdk comme la Cdc2
une protéine impliquée dans la régulation de la phase
mitotique et dans la phosphorylation de Tau (Karaïskou et al., 1999).
Lors de la différenciation neuronale, une inhibition
de Cdks, ainsi que de leurs partenaires les cyclines, et une déphosphorylation
des protéines Tau s’opèrent assurant ainsi la croissance
axonale et la maturation neuronale (Dobashi et al., 1995 ; Yan et Ziff.,
1995 ; Li et al., 1997 ; Park et al., 1998 ; Dobashi et al., 2000 ; Tikoo
et al., 2000). Cette inhibition spécifique est due notamment à
des protéines inhibitrices nommées CDKIs pour « Cyclin
Dependent Kinase Inhibitors ». Elles incluent les protéines
de la famille Ink4, p21Cip1 ou p21Waf1 et p27Kip1 (Park et al., 1997 ;
Yan et Ziff., 1997 ; Zindy et al., 1997 ; Erhardt et Pittman., 1998 ;
Watanabe et al., 1998 ; Perez Juste et al., 1999 ; Watanabe et al., 1999
; Zindy et al., 1999 ; Dotto., 2000).
Une autre kinase de la famille des Cdks, nommée Cdk5
est également impliquée dans la maturation, la différenciation
neuronale et la phosphorylation des protéines Tau. Cette kinase,
dont l’activité est « neurone spécifique »,
ne semble pas réguler le cycle cellulaire mais est indispensable
à la survie, la différenciation et à la maturation
neuronale (Oshima et al., 1996 ; Xiong et al., 1997). Cette kinase présente
des caractéristiques différentes des autres membres de la
famille des Cdks, autant dans sa spécificité de substrat
que dans son implication neuronale :
> En effet, même si Cdk5 ne participe pas à
la régulation du cycle cellulaire, sa présence est absolument
indispensable à la survie des neurones (Tanaka et al., 2001). Elle
ne s’associe pas aux cyclines comme les autres membres de sa famille,
mais à d’autres protéines activatrices, neuronales
spécifiques, nommées p25, p35, p39 et Munc-18 (Tomizawa
et al., 1996 ; Poon et al., 1997 ; Patrick et al., 1998 ; Han et Morgan.,
1999). Ces cofacteurs, qui ne présentent pas d’homologie de
séquence avec les cyclines adoptent pourtant une conformation similaire
à ces dernières lors de leur liaison avec Cdk5 (Tang et
al., 1997). Cette association permet à Cdk5 d’avoir une spécificité
de substrat bien particulière et de ne pas être inhibée
par les CDKIs (Lee et al., 1996). Il est important de noter que p25 est
la forme clivée de p35 et serait responsable d’une dérégulation
de l’activité catalytique de Cdk5, présente notamment
dans la maladie d’Alzheimer (Cf chapitre de la MA).
> Durant les divisions successives de la neurogénèse,
il ne semble pas y avoir d’activité Cdk5, bien qu’elle
soit associée à p35. Lors de l’arrêt de la phase
proliférative, le complexe Cdk5/p35 s’active et entraîne
le bon positionnement des neurones dans les couches corticales ainsi que
la maturation neuronale (Figure 15). Ainsi, des modèles murins
ont pu démontrer que l’absence de Cdk5 chez la souris conduit
à une corticogénèse anormale, une pathologie neuronale
et finalement à la mort périnatale de l’animal (Ohshima
et al., 1996). Cdk5 serait cruciale pour la migration et l’adhésion
neuronale ainsi que pour le dynamisme du cytosquelette neuronal lors de
ces processus (Oshima et al., 1999 ; Homayouni et Curran., 2000 ; Walsh
et Goffinet., 2000). Lors de la corticogénèse, les neurones
post-mitotiques expriment Cdk5/p35, qui inhibe l’adhésion
médiée par la N-cadhérine, ce qui entraîne
le détachement des neurones (figure 15) (Kwon et al., 2000). S’ensuit
la migration des neurones, dépendante de Cdk5, à travers
les couches corticales pré-établies (Wenzel et al., 2001).
Une fois arrivés sur la couche supérieure, les neurones
sont en contact avec la réeline sécrétée par
les cellules de Cajal-retzius qui inhibe la migration des neurones en
inhibant Cdk5/p35. Cette inhibition permet le rétablissement de
l’adhésion neuronale dépendante de la N-Cadhérine,
ce qui achève la migration des neurones et initie l’adhésion
homotypique entre les neurones arrivants et les neurones déjà
installés sur les couches corticales (Homayouni et Curran., 2000
; Ohshima et al., 2001).
> En plus de cette fonction pour la migration neuronale,
Cdk5 est également impliquée dans la différenciation
en controlant l’axonogénèse et la croissance neuritique
(Lazaro et al., 1996 ; Nikolic et al., 1996 ; Connell-Crowley et al.,
2000 ; Li et al ., 2000).
> D’autres études ont pu démontrer
que Cdk5 participe également au métabolisme des neurofilaments
et module la signalisation dopaminergique dans les neurones (Veeranna
et al., 1995 ; Bibb et al., 1999 ; Grant et al., 2001). Cette kinase participe
enfin à la mort cellulaire par apoptose en réarrangeant
le cytosquelette neuronal (Ahuja et al., 1997).
La phosphorylation des protéines Tau est donc impliquée
dans de nombreux processus neuronaux à tous les stades de notre
dévelopement pré et post natal. Il est intéressant
de noter que cette phosphorylation des protéines Tau est corrélée
aux différentes phases du cycle cellulaire, voire au cours de la
différenciation, et donc directement ou indirectement aux protéines
kinases de la famille des Cdks. Toutefois, dans la maladie d’Alzheimer
et autres Tauopathies, les protéines Tau sont agrégées
en fibrilles. Sous cette forme, elles présentent un état
de phosphorylation très important avec l’apparition de nouveaux
sites de phosphorylation qui ne sont jamais rencontrés dans une
cellule saine, qu’elle soit embryonnaire, en développement
ou adulte. Il semble donc que certains paramètres pathologiques
vont influencer la phosphorylation de ces protéines Tau et/ou participer
à leur fibrillogénèse.
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