Protéine prion : la molécule aux nombreuses formes et visages, partie 1

Résumé : La protéine prion cellulaire (PrPC) est une protéine ancrée au glycosylphosphatidylinositol (GPI) que l'on trouve en abondance dans la membrane externe des neurones. Grâce à ses caractéristiques structurelles (une queue flexible et un noyau structuré), la PrPC interagit avec un large éventail de partenaires.

Ces dernières années, de nombreuses études ont montré que les protéines prions cellulaires entretenaient une relation importante avec le développement et le maintien de la mémoire animale.

Le prion cellulaire (virus de l'herpès simplex, HSV) est un virus largement présent dans la population humaine et est considéré comme l'un des agents pathogènes les plus importants des maladies neurologiques et des maladies cutanées. Le HSV-1 et le HSV-2 sont les deux types de virus les plus courants chez l'homme.

Une étude récente a montré que la protéine virale HSV-1 peut favoriser le développement et le maintien de la mémoire chez les humains et les animaux. Les résultats de cette étude ont montré que l'infection par le HSV-1 survient principalement aux tout premiers stades de la vie humaine, et que les protéines virales s'accumulent dans le système nerveux humain et régulent la libération de neurotransmetteurs et la transmission synaptique. Ces effets régulateurs contribuent à améliorer la fonction de mémoire cérébrale et à améliorer la cognition spatiale et l’attention.

De plus, la protéine virale HSV-1 a également une certaine relation avec la réponse immunitaire et la réponse antivirale de l'organisme. Des études ont montré que l'influence de la protéine virale HSV-1 active la réponse immunitaire de l'organisme et agit activement sur les « cellules T mémoire » de l'organisme, renforçant ainsi la défense antivirale de l'organisme. Cette découverte revêt une importance considérable pour explorer la relation entre le HSV-1 et l'immunité animale.

En bref, la relation entre la protéine cellulaire du virus prion et la mémoire offre un vaste espace de recherche pour de futures recherches sur la mémoire, le fonctionnement du système nerveux et la réponse immunitaire, et devrait jouer un rôle important dans la prévention et le traitement des maladies associées. On voit que nous devons améliorer la mémoire, et Cistanche peut améliorer considérablement la mémoire car Cistanche peut également réguler l'équilibre des neurotransmetteurs, comme en augmentant les niveaux d'acétylcholine et de facteurs de croissance, qui sont très importants pour la mémoire et l'apprentissage. En outre, Cistanche peut également améliorer la circulation sanguine et favoriser l'apport d'oxygène, ce qui peut garantir que le cerveau reçoive suffisamment de nutrition et d'énergie, améliorant ainsi sa vitalité et son endurance.

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Bien qu'il ait été proposé que la PrPC soit impliquée dans de nombreuses fonctions physiologiques, seule l'homéostasie de la myélinisation des nerfs périphériques a été confirmée jusqu'à présent comme une fonction authentique.

Un mauvais repliement de la PrPC provoque des maladies à prions et il a été démontré que la PrPC médie la neurotoxicité induite par des oligomères riches dans les maladies d'Alzheimer et de Parkinson ainsi que la neuroprotection dans l'ischémie.

Lors du clivage protéolytique, la PrPC est transformée en formes libérées et attachées de PrP qui peuvent, en fonction des caractéristiques structurelles contenues dans la PrPC, présenter des propriétés protectrices ou toxiques.

Dans cette revue, nous présenterons les propriétés des protéines prions et des fragments de protéines prions, ainsi que leur implication dans les partenaires en interaction et les voies de signal dans la myélinisation, la neuroprotection et les maladies neurodégénératives.

Mots clés : protéine prion ; des fragments de protéines prions ; neuroprotection; myélinisation; accident vasculaire cérébral ischémique; maladie neurodégénérative.

1. Introduction

La protéine prion (PrP) est une glycoprotéine omniprésente hautement conservée. Il existe sous deux formes ; l'isoforme normale ou cellulaire, PrPC, et l'isoforme infectieuse associée à la maladie de la tremblante, PrP, PrPSc.

Le rôle pathologique de la PrPSc a été largement étudié dans les maladies à prions et a été examiné dans plusieurs articles [1–3]. La PrPC est exprimée dans une variété d’organes et de tissus différents avec des niveaux d’expression élevés dans les systèmes nerveux central et périphérique.

Il est abondamment présent à la surface cellulaire des neurones [4–6] et est impliqué dans de nombreux mécanismes physiologiques. La fonction de la protéine reste à élucider ; néanmoins, des études intensives relient la PrPC à l'homéostasie de la myéline [7], à la neuroprotection [8,9], au rythme circadien [10,11], à l'homéostasie des ions métalliques [12,13], à l'homéostasie mitochondriale [14] et à la signalisation intercellulaire [6,15]. ,16].

Dans les neurones, la PrPC est présente dans les compartiments présynaptiques et postsynaptiques des terminaisons axonales où elle est impliquée dans le transport axonal antérograde et rétrograde [17-20]. La PrPC est clivée au niveau de la membrane cellulaire par des protéases, formant des formes libérées et attachées.

Ces dernières années, les protéines prions et les formes libérées par des protéines prions ont retenu l'attention en corrélation avec la neuroprotection dans les maladies neurodégénératives.

Dans cette revue, nous présentons les protéines prions et leurs formes libérées, résumons leur implication dans la myélinisation, la neuroprotection et les maladies neurodégénératives, et discutons des découvertes les plus récentes dans ce domaine.

2. Protéine prion

La PrPC humaine mature est composée d'un domaine N-terminal flexible non structuré (résidus d'acides aminés 23 à 120) et d'un domaine C-terminal structuré (résidus d'acides aminés 121 à 231).

Il est ancré à la membrane cellulaire avec une ancre glycosylphosphatidylinositol (GPI) [21,22]. Le domaine N-terminal flexible contient une région octarepeat tandis que le domaine structuré est constitué de trois hélices, de deux feuillets, d'une liaison disulfure reliant les cystéines 179 et 214, et deux N-glycanes sur les résidus d'acides aminés 181 et 197 [23,24] (Figure 1).

La PrPC peut se transformer en une isoforme PrPSc riche en feuilles, sujette à la conversion autocatalytique et à l'agrégation en agrégats insolubles (22, 25, 26). Une accumulation anormale de la protéine pathologique dans le cerveau peut provoquer le développement d'encéphalopathies spongiformes transmissibles (EST), également appelées maladies à prions.

Les maladies à prions comprennent la maladie de Creutzfeldt-Jakob (MCJ), le syndrome de Gerstmann-Sträussler-Scheinker (GSS), l'insomnie familiale mortelle (FFI) et le kuru chez l'homme, l'encéphalopathie spongiforme bovine chez les bovins, la tremblante des chèvres et des moutons et la maladie débilitante chronique chez les cervidés.

Toutes les maladies à prions sont des troubles neurodégénératifs rares et mortels. Les caractéristiques cliniques et neuropathologiques des maladies à prions chez l'homme sont similaires à celles de la maladie d'Alzheimer (MA), telles qu'une perte rapide de mémoire et une perte des fonctions cérébrales ainsi que la démence, une déformation spongiforme du cerveau, des changements de personnalité et des difficultés de mouvement [15,27]. .

Bien que les maladies à prions surviennent en raison de l'accumulation d'agrégats toxiques de PrPSc dans le cerveau, le mécanisme qui sous-tend la conversion de la PrPC en PrPSc et le développement de la maladie à prions reste inconnu.

En plus d'être un substrat pour le développement des maladies à prions, la PrPC peut servir de récepteur pour les oligomères amyloïdes-(A) cytotoxiques [20,28] et les agrégats toxiques solubles de protéine tau dans la MA et d'autres tauopathies [29,30].

Il existe également des études opposées sur la liaison à la PrPC des oligomères de -synucléine (-syn) dans la maladie de Parkinson (MP) et d'autres synucléinopathies, ouvrant le débat sur le rôle de la PrPC dans la toxicité de la -synucléine (30-33).

3. Fragments de protéines prions

La PrPC peut subir quatre clivages post-traductionnels, formant des fragments de PrP (Figure 1). Le clivage - et le clivage - se produisent dans le domaine N-terminal non structuré, tandis que le clivage - et l'excrétion de la PrP se produisent dans le domaine C-terminal structuré.

Outre les clivages mentionnés, la PrPC a été clivée dans des conditions expérimentales avec la phospholipase C, qui a clivé la PrPC au sein de l'ancre GPI [34,35]. Le site de clivage, la longueur du fragment et la fixation de la membrane permettent aux fragments de participer à divers mécanismes.

3.1. -Clivage

Le clivage - est le clivage le plus étudié de la PrPC. Il se produit dans des conditions physiologiques dans la région hydrophobe centrale de la PrPC mature (résidus d'acides aminés 105 à 120 dans la séquence humaine 111/112) [36-38] (Figure 1).

Le clivage libère un fragment N1 d'environ 11 kDa tandis que la partie C1 d'environ 18 kDa reste attachée à la membrane cellulaire par l'ancre GPI [36,39]. Pour l’instant, il n’existe pas d’enzyme unique responsable du clivage [24,40].

Bien que des sites de clivage aient été déterminés concernant les espèces, le clivage - est tolérant aux variations de séquence dans cette région tant que son hydrophobie reste préservée (38).

Des études ont montré que le clivage dans le cerveau humain, les modèles murins et les cultures neuronales se produit en présence des enzymes ADAM10 et ADAM17 [41-43]. ADAM10 contribue à une production constitutive de N1 alors qu'ADAM17 participe principalement à la formation de N1 lors de la stimulation [44 ,45]. Il a également été démontré que ADAM8 clive PrPC pour former N1 et C1 dans les muscles (46).

Le rôle de ADAM8, ADAM10 et ADAM17 dans le clivage a également été soutenu dans une étude biophysique (47). Le fragment N1 a une stabilité relativement faible ; néanmoins, il s'est avéré présent dans les fluides corporels, les homogénats de tissus ou les surnageants de cultures cellulaires (39, 48, 49).

On pensait initialement que le clivage avait lieu dans les compartiments endosomiques acides [50,51], mais des études ultérieures ont démontré que le clivage se produisait lors du trafic vésiculaire de la PrPC le long de la voie sécrétoire [52,53].

Le clivage utilise la PrPC comme substrat, conduisant à sa réduction de la surface cellulaire. Comme la PrPC est également un substrat pour la réplication du prion et un médiateur clé de la toxicité dans les maladies à prions, la MA et d'autres maladies neurodégénératives, le clivage a un effet biologique positif.

La partie N-terminale flexible de la PrPC est essentielle pour l'interaction de la protéine avec les partenaires de liaison qui régulent l'absorption de la PrPC lors du trafic (54, 55). Manquant de N1, C1 forme des complexes sur la membrane cellulaire [56] et est plus stable et persistant à la surface cellulaire que la PrPC [50].

Le fragment C1 peut être clivé à la surface cellulaire et libéré dans l'espace extracellulaire [57]. C1 s'est avéré inhiber la réplication du prion chez la souris [58, 59] alors que le fragment N1 est neuroprotecteur [60, 61] ; l'absence de clivage est toxique tant pour les cellules que pour les souris [47, 62].

3.2. -Clivage

Le clivage - a lieu à la fin de la région de répétition octapeptide N-terminale du site de clivage -. Le clivage - est principalement observé dans des conditions pathologiques et est similaire au clivage -. Il semble agir de manière protectrice.

Il se déroule autour du résidu d'acide aminé 90, formant le fragment N2 (~ 9 kDa) et le fragment C2 (~ 20 kDa) [36, 37, 48, 63] (Figure 1). Le clivage de la PrPC est médié par les espèces réactives de l'oxygène (ROS) [37, 63–66].

En éliminant les ROS, le clivage protège les cellules du stress oxydatif (65). Outre les ROS, le clivage est induit par les calpaïnes [67], les protéases lysosomales [68,69], voire ADAM8 [47].

La protéinase K clive le noyau résistant à la protéase de la PrPSc (PrP27-30) près de la position 90, créant un fragment d'une longueur similaire à celle de C2. Semblable au fragment C1, le fragment C2 peut également être expulsé de la surface cellulaire (70).

La formation d'un tel fragment indique que les protéases impliquées dans le clivage - pourraient également être impliquées dans les tentatives cellulaires de dégradation de la PrPSc [71, 72].

3.3. -Clivage

Le clivage protéase de la PrPC le plus récemment découvert est le clivage -. Le site de clivage dans la PrPC reste à déterminer, mais les tailles du fragment N3 libéré (~ 20 kDa) et du fragment C3 ancré au GPI (~ 5 kDa) suggèrent que le clivage des protéines se produit dans la région située entre les résidus d'acides aminés 170 et 200 [73, 74] (Figure 1).

Des études indiquent que le clivage se produit tardivement dans la voie de sécrétion d'une protéine non glycosylée en présence de membres de la famille des métalloprotéases matricielles (MMP) [73].

La raison pour laquelle le clivage se produit uniquement sur la PrPC non glycosylée serait due à l'encombrement stérique des protéases par les glycanes à proximité du site de clivage proposé (40, 75).

Il a été constaté que le clivage existe dans différentes espèces, tissus et modèles de culture cellulaire. La détermination de son rôle nécessite des études plus approfondies, bien qu'une indication d'une augmentation des quantités de fragment C3 dans un cerveau atteint de MCJ puisse conduire à une éventuelle signification pathogène (73).

3.4. Excrétion de protéines prions

Il existe également un clivage important de la PrP à proximité de l'extrémité C-terminale. Le clivage libère la PrP dans l'espace extracellulaire, laissant un petit nombre de résidus d'acides aminés à la surface cellulaire.

Le clivage a été décrit dans les premières recherches [35,39,76,77] mais a reçu davantage d'attention ces dernières années en raison de l'implication de la PrP excrétée dans les maladies [40,63,78-83].

Semblable au clivage -, l'excrétion de la PrP se produit en présence d'enzymes de la famille ADAM. Des expériences in vitro et in vivo suggèrent que ADAM9 et ADAM10 sont impliqués dans le processus de clivage et d'excrétion de la PrP [47,84–86] où ADAM10 est la principale excrétion de la PrP et ADAM9 est le modulateur de l'activité d'ADAM10 [24 ].Shed PrP a été déterminé pour la première fois chez des hamsters.

Dans le cerveau des hamsters infectés par des prions, la shedPrP représentait environ 15 % des molécules de PrPSc [76]. Une analyse plus approfondie a montré qu'ADAM10 clivait la PrP entre Gly228 et Arg229 et formait la PrP qui se terminait à Gly228 (84).

Une analyse explorant le profil du site de clivage d'ADAM10 a révélé que le clivage n'est pas induit par une séquence unique (87).

Par conséquent, l’ADAM10protéase peut produire des variantes de la PrP excrétée en fonction de la séquence et de la conformation de la protéine. Jansen et ses collègues ont décrit l'existence de formes de PrP non ancrées se terminant par Tyr225 et Tyr226 chez des patients atteints de maladie à prions (88).

Les auteurs ont caractérisé deux patients atteints de maladie à prions qui portaient des mutations stop aux positions Y226X et Q227X et ont exprimé les formes respectives. En utilisant un anticorps monoclonal V5B2 [89] qui se lie spécifiquement à un fragment de PrP se terminant par Tyr226, nous avons parallèlement décrit l'existence d'une forme libre de PrP nommée PrP226* [90-94].

La distribution de la PrP226* dans le cerveau humain a été associée à la distribution de la PrPSc [90,94]. En raison de l'existence de plusieurs formes de diffusion, nous avons émis l'hypothèse que le site protéolytique dans la séquence humaine n'est pas exclusivement situé entre les résidus d'acides aminés 228 et 229 mais est situé à proximité de l'extrémité C-terminale [95] (Figure 1).

Récemment, Linsenmeier et al. ont publié une étude approfondie sur le mécanisme stimulant l'excrétion protéolytique de la PrPC (81). À l’aide de modèles animaux et de contrôles, ils ont montré que l’excrétion de PrP était négativement corrélée à la conversion des prions et que l’excrétion de PrP était abondamment présente dans les plaques amyloïdes.

Ils ont également étudié l'influence de la liaison des anticorps dirigés par la PrP à la PrPC sur la propension à l'excrétion. La liaison d'anticorps anti-PrP entiers au domaine structuré C-terminal de la PrPC ou de dérivés d'anticorps à chaîne unique, dirigée vers des épitopes répétitifs dans la région octarepeat du domaine N-terminal, a stimulé l'excrétion, lorsque la liaison des anticorps anti-PrP entiers à l'octarepeat La région du domaine N-terminal a verrouillé la structure du domaine N-terminal et a évoqué le regroupement de surface de la PrPC, l'endocytose et la dégradation dans les lysosomes (81).

4. Protéine prion et myélinisation

La PrPC est abondamment exprimée dans le système nerveux central (SNC) et le système nerveux périphérique [4,5]. Des études sur les cerveaux de primates, de rongeurs et de souris transgéniques ont montré qu'il est enrichi le long des axones et dans les terminaisons présynaptiques où il est impliqué dans le transport axonal antérograde et rétrograde [4,17,18,96-98].

Les délétions dans la région de clivage de la PrPC ont montré une démyélinisation sévère à la fois dans la moelle épinière et dans la substance blanche cérébelleuse in vivo [99,100]. Plus tard, il a été confirmé que la PrPC axonale et son clivage sont nécessaires à la pro-myélinisation dans le système nerveux périphérique [101].

En utilisant un modèle de souris co-isogénique PrP-knockout, Kuffer et al. ont découvert que la PrPC axonale favorise le maintien de la myéline en trans via la liaison au récepteur d'adhésion couplé à la protéine G Adgrg6 sur les cellules de Schwann avec une queue flexible N-terminale [7].

Ils ont également confirmé que les souris dépourvues de PrPC développaient une neuropathie démyélinisante chronique, ce qui suggère que l'homéostasie de la myélinisation dans le système nerveux périphérique est une véritable fonction physiologique de la PrPC (7).

Il a été constaté que le maintien de la myéline était régulé par la liaison d'un fragment de PrPC libéré à l'extrémité N-terminale (vraisemblablement N1 ou PrP excrétée) à Adgrg6 sur les cellules de Schwann.

L'interaction a activé Adgrg6, augmenté les niveaux cellulaires d'AMPc et déclenché une cascade de signalisation favorisant la myélinisation (7). La régulation du maintien de la myéline périphérique par la PrPC a été confirmée dans cinq souches différentes de modèles de souris knock-out par la PrP qui ont développé une neuropathie périphérique d'apparition tardive (101-103).

Récemment, il y a eu une tentative de développement d'un traitement pour les maladies démyélinisantes périphériques basé sur la liaison entre le domaine N-terminal de PrPC et Adgrg6 (104). Dans cette étude, ils ont construit une molécule d'immunoadhésine constituée de deux domaines N-terminaux flexibles de PrPC liés au fragment acristallisé (Fc) de l'immunoglobuline G1 (FT2Fc) (104).

La molécule a montré des propriétés pharmacocinétiques favorables et un potentiel in vitro, mais n'a pas réussi à avoir d'effet thérapeutique sur les premiers signes moléculaires de démyélinisation chez les souris knock-out pour la PrP (104).

La PrPC a également été étudiée en relation avec le développement et la régénération de la myéline périphérique après des lésions nerveuses (105). Comme la PrP s'est avérée superflue dans ce mécanisme, on pourrait présumer que la PrP n'a pas de rôle majeur dans le processus de réparation des nerfs périphériques ou que son absence pourrait être compensée par d'autres ligands [105].

La myélinisation et d'autres rôles physiologiques de la PrPC ont été étudiés de manière intensive sur des modèles animaux présentant une expression du gène PrP inactivée ou inhibée.

Des études ont montré des effets négatifs limités chez les souris [102, 106-109], les bovins [110] et les chèvres [68, 111, 112], tandis que des études sur des souris ou des chèvres knock-out par PrP ont montré des défauts du système nerveux et une sensibilité au stress oxydatif [6, 101, 111, 113]. Plusieurs modèles de souris PrP-knockout ont été générés avec un fond mixte (106, 109, 114-116).

Comme les études ne sont pas reproductibles entre les modèles, cela pourrait soulever la question de savoir si les phénotypes observés étaient réellement dus à des polymorphismes dans les gènes flanquant la Prnp ou au résultat de l'absence de PrPC. Pour éviter ce problème, il serait conseillé de répéter les expériences clés en utilisant des souris PrPknockout co-isogéniques.

Bien que le rôle de la PrPC dans le SNC doive être élucidé, la PrPC et les fragments libérés par la PrPC sont indispensables à l'homéostasie de la myéline nerveuse périphérique, mais ils peuvent être indispensables à la récupération nerveuse.

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