Petits mais puissants : les exosomes, nouveaux messagers intercellulaires dans la neurodégénérescence, partie 3

Exosomes dérivés des microglies : les cellules microgliales sont les macrophages du cerveau et de la moelle épinière. Ils représentent environ 10 % des cellules gliales.

Les microglies sont un type de cellule non neuronale du cerveau et constituent les cellules les plus abondantes du système nerveux. Dans le passé, on pensait que les microglies étaient des cellules de soutien aux neurones qui fournissaient principalement de l’oxygène et des nutriments.

Cependant, des études récentes ont montré que les microglies jouent un rôle important dans la santé humaine et la fonction cognitive. Des études ont montré que les microglies jouent un rôle essentiel dans le processus d’apprentissage et de mémoire.

Les microglies favorisent principalement la croissance et le développement des neurones en libérant une substance appelée facteur de croissance neuronale. Ce facteur de croissance aide non seulement les neurones à se connecter et à transmettre des informations, mais stimule également la génération de nouveaux neurones. Ces effets sont essentiels au maintien d’un apprentissage et d’une mémoire sains.

D’un autre côté, les microglies peuvent également éliminer les neurones et les synapses en excès dans le cerveau et favoriser le développement sain du système nerveux. Ce processus d’élimination peut aider à réduire les signaux parasites dans le cerveau et à améliorer la fonction cognitive.

De plus, les microglies peuvent protéger les neurones des dommages oxydatifs en favorisant l’arrivée d’oxygène et de nutriments dans le cerveau. Ces cellules jouent également un rôle très important dans la résistance à la dégénérescence cognitive et à la neurodégénérescence.

En bref, l’importance des microglies ne peut être sous-estimée. Ils peuvent à la fois protéger les neurones et faciliter le processus d’apprentissage et de mémoire. Nous devons protéger et améliorer le nombre et la fonction des microglies autant que possible pour garantir la santé et la vitalité de notre cerveau. On voit que nous devons améliorer la mémoire, et Cistanche peut améliorer considérablement la mémoire car il 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 que leur nombre soit relativement faible, ils remplissent des fonctions importantes de maintien de l'homéostasie en surveillant la présence d'infections tissulaires et de lésions dans le SNC.

Dans des conditions homéostatiques, les cellules microgliales sont maintenues dans un état de repos, mais elles analysent constamment leur environnement. Lorsqu’ils sont activés, ils exercent leur activité phagocytaire et peuvent libérer des molécules inflammatoires telles que des cytokines et des chimiokines.

Les microglies peuvent acquérir deux phénotypes, les sous-types M1 (type inflammatoire) et M2 (type pro-régénératif), en fonction des stimuli et peuvent basculer entre ces deux phénotypes opposés [140], illustrant leur remarquable plasticité.

Semblables aux neurones et aux autres cellules gliales, les microglies libèrent des exosomes pour communiquer avec les cellules voisines et les cellules à distance. La charge bioactive des exosomes microgliaux dépend du phénotype de la microglie libérée, soit pro-inflammatoire, soit pro-régénérative. Les exosomes microgliaux contiennent toutes les enzymes essentielles à la glycolyse anaérobie et à la production de lactate.

Par conséquent, il est proposé que le lactate conditionné dans les exosomes pourrait fonctionner comme une source d'énergie supplémentaire pour les neurones pendant l'activité synaptique (141). Les exosomes microgliaux régulent la transmission synaptique en favorisant la production de céramides et de sphingolipides dans les neurones.

L'amélioration du métabolisme des sphingolipides affecte positivement la neurotransmission excitatrice, présentant une nouvelle façon par laquelle les microglies influencent l'activité synaptique (142). Face à une infection et/ou à une blessure, les cellules microgliales s’engagent rapidement dans une réponse inflammatoire complexe et acquièrent un phénotype M1.

Les microglies désormais dotées d'un phénotype pro-inflammatoire (phénotype M1) libèrent des exosomes qui contribuent au développement de la neuroinflammation. Les preuves de l'implication des exosomes microgliaux dans la neuroinflammation proviennent d'une étude menée avec des lipopolysaccharides (LPS).

L'exposition des microglies au LPS, un composant majeur des bactéries à Gram négatif, augmente la libération d'exosomes enrichis en IL-1, une cytokine pro-inflammatoire, et de microARN tels que miR-155 et miR{{4} }. Le microARN 155 est un microARN régulateur important dans le système immunitaire et ses niveaux accrus sont détectés dans les maladies inflammatoires (143).

Dans une autre étude, des cellules microgliales ont été traitées avec du LPS qui a augmenté l’expression des niveaux de protéine du gène 2 régulé négativement N-myc (NDRG2). L'augmentation de la protéine NDRG2 a à son tour stimulé la microglie pour libérer des exosomes enrichis en miR-375. L'internalisation des exosomes enrichis en miR-375 a réduit la viabilité cellulaire des neurones N2A, indiquant la nature neurotoxique de ces exosomes (144).

Il semble que l’exposition au LPS modifie les microARN et les protéines contenues dans les exosomes. Les preuves de confirmation provenaient d’une étude impliquant des cellules BV2. Les cellules BV2 des souris C57 Black sont des cellules microgliales immortalisées. Lorsque les cellules BV2 ont été exposées au LPS, elles ont libéré des exosomes riches en cytokines pro-inflammatoires IL-6 et TNF et en protéines liées à la traduction et à la transcription.

Le profil protéomique des exosomes analysé par spectrométrie de masse a identifié 49 protéines uniques présentes dans les exosomes des cellules BV2 traitées au LPS par rapport aux cellules BV2 témoins.

Il convient de noter ici que les exosomes des microglies activées par le LPS contenaient 58 protéines, tandis que les exosomes des cellules BV2 témoins contenaient 37 protéines (145). La discussion qui précède démontre que les exosomes microgliaux sont importants pour faciliter les fonctions neuroprotectrices et neuroinflammatoires des microgliales dans le SNC.

4. Rôle des exosomes dans les maladies neurodégénératives

De nombreuses maladies neurodégénératives sont associées à l’accumulation de protéines anormales et mal repliées conduisant à un dysfonctionnement neuronal et glial progressif. Généralement, les maladies neurodégénératives commencent par un dysfonctionnement dans une région cérébrale distincte.

Lors de leur libération dans l'espace extracellulaire, les protéines mal repliées sont transférées vers des cellules saines et commencent à induire un mauvais repliement des protéines homologues endogènes comme un effet domino (160).

Ce processus « infectieux » conduit à l’amplification de la pathologie et à la propagation de la maladie à des zones plus larges du cerveau. La communication intercellulaire est importante dans la transmission et la progression des maladies neurodégénératives. Les exosomes libérés par toutes les cellules du cerveau sont devenus un acteur à part entière dans les communications neuro-gliales.

La capacité des exosomes à transporter et à transférer des charges bioactives telles que des lipides, des ARN et des protéines d'une cellule à une autre en fait un candidat attrayant en tant que médiateur de la neurodégénérescence. Ci-dessous, nous discutons de l’impact des exosomes dans les maladies neurodégénératives sélectives.

Maladie d'Alzheimer : La maladie d'Alzheimer est la forme la plus courante de démence neurodégénérative caractérisée par une perte progressive de la mémoire et des capacités cognitives.

Au cœur de la pathologie de la maladie d'Alzheimer se trouve la formation d'agrégats extracellulaires de -amyloïde (A ) connus sous le nom de plaques amyloïdes combinées à des enchevêtrements neurofibrillaires de tau. Les peptides (A ) sont dérivés du traitement protéolytique séquentiel de la protéine précurseur amyloïde (APP) par - et -sécrétases.

L'APP étant une protéine intracellulaire, une hypothèse a été formulée selon laquelle les lésions pathologiques des maladies neurodégénératives impliquent la propagation physique de la protéine mal repliée d'un neurone à l'autre (161).

Cependant, le(s) mécanisme(s) de transmission des protéines mal repliées restent une question intrigante. L'un des premiers rapports ayant commencé à faire la lumière sur les mécanismes possibles de la façon dont A est excrété dans l'espace extracellulaire est issu de l'étude menée par Rajendran et ses collègues [162].

En étudiant l'emplacement du clivage de l'APP, ils ont observé que le clivage de l'APP par la sécrétase se produit dans un sous-ensemble d'endosomes précoces avec un trafic ultérieur du peptide A vers des corps multivésiculaires.

Une petite fraction du peptide A associé à la membrane de l'exosome a été sécrétée dans l'espace extracellulaire. Les exosomes contenant des plaques amyloïdes avaient des protéines marqueurs exosomales, la flotilline -1 et Alix. Ainsi, le peptide A associé à la membrane des exosomes peut représenter un nouveau mécanisme contribuant à la formation de plaques amyloïdes dans l'espace extracellulaire (162).

Depuis cette observation initiale, l'APP complète et plusieurs de ses métabolites ainsi que plusieurs membres de la famille des sécrétases des protéases impliquées dans le traitement de l'APP ont été détectés dans les exosomes (163).

A peut exister dans différents états conformationnels qui ont des propriétés et des produits intermédiaires de formation de fibrilles différents. Parmi ceux-ci, les A de faible poids moléculaire et les protofibrilles ont été suggérés comme étant particulièrement neurotoxiques et agissent comme des germes pour l'agrégation des protéines (164, 165). Il a été démontré que les exosomes isolés des cerveaux post-mortem de patients atteints de la maladie d'Alzheimer présentaient des niveaux accrus d'oligomères A. Ces exosomes ont été internalisés lorsqu’ils ont été incubés avec des neurones en culture.

Plus important encore, ils étaient capables de propager les oligomères A à d’autres neurones, provoquant une cytotoxicité (166). Les premières observations ont été confirmées par l'incubation d'exosomes contenant de l'APP avec des cultures primaires de neurones normaux in vitro [167] et in vivo [168].

La question est de savoir pourquoi les oligomères A ou A sont-ils conditionnés dans des exosomes ? Les neurones détectent-ils la nature toxique des oligomères A ou A et tentent-ils donc d'éliminer les protéines toxiques des oligomères A ou A présents intracellulairement, similaires aux récepteurs de la transferrine dans les réticulocytes [7, 8] ? La monoubiquitination est nécessaire pour le tri en MVB/exosomes. Cela soulève une deuxième question : si A subit une ubiquitination pour être trié en MVB/exosomes. La protéine précurseur amyloïde (APP) a cinq résidus lysine (Lys-724, Lys-725, Lys-726, Lys-751 et Lys-763) en son C- extrémité de la borne [169].

Ces résidus ont été mutés individuellement ou en combinaison pour examiner l'effet sur le traitement de l'APP pour former un peptide A. L'ubiquitination de l'APP au niveau de Lys-726 médiée par la F-box et la protéine répétée riche en leucine2 (FBL2), un composant de l'ubiquitine ligase E3, a réduit la génération A (170). D'autre part, l'ubiquitination de l'APP à Lys -763 a séquestré l'APP dans le complexe de Golgi et a empêché la maturation de l'APP (171).

L'inhibition de l'ubiquitination par substitution des cinq résidus de lysine à l'arginine dans le fragment C-terminal de l'APP (C99) a empêché la dégradation efficace de l'APP et l'accumulation de protéines dans des structures d'apparence semblable à celles de Golgi. Cela a été attribué à un déficit de dégradation associée au réticulum endoplasmique. Le C99 subit un clivage par la -sécrétase pour produire A [172].

La mutation de trois résidus lysine (Lys-724, Lys-725 et Lys-726) a simultanément provoqué la rétention de la protéine dans la membrane limitante des endosomes au lieu d'être internalisée dans les vésicules intraluminales des MVB [173 ]. Lorsque les cinq résidus de lysine ont été mutés pour empêcher l'ubiquitination, la protéine n'a pas été triée efficacement en MVB/exosomes et une augmentation sélective de A 40 a été observée (174).

Cette découverte est comparable à la présence d'A 40 dans les dépôts amyloïdes dans l'angiopathie amyloïde cérébrale [175]. Bien qu'il soit évident que l'ubiquitination de l'APP peut diriger la protéine vers le MVB/exosomes, des preuves directes utilisant des cultures neuronales ou des modèles in vivo sont nécessaires pour prouver que les oligomères APP, A ou A sont monoubiquitinés pour leur ciblage sur le MVB/exosomes et qu'ils ne sont pas ubiquitinés. être ciblé pour la dégradation associée au réticulum endoplasmique (ERAD).

Une autre caractéristique pathologique de la maladie d'Alzheimer est la protéine tau anormalement phosphorylée dans les enchevêtrements neurofibrillaires (NFT). Tau est une protéine cytoplasmique connue pour stabiliser les microtubules. De plus en plus de preuves suggèrent que la protéine tau pathologique peut se propager entre les cellules, recrutant la protéine tau native pour former des agrégats. Des données plus récentes impliquaient les exosomes comme porteurs de la protéine tau (176, 177).

L'examen cellulaire a suggéré que les exosomes impliqués dans la pathologie tau provenaient de cellules microgliales. Les exosomes des microglies ont transféré la tauprotéine aux neurones. Pour obtenir des preuves expérimentales, des études ont été menées dans lesquelles soit la biogenèse des exosomes était inhibée, soit les cellules microgliales étaient dépourvues de tau. Les résultats de ces études ont montré une atténuation des dépôts de tau dans les neurones normaux (178).

Les auteurs ont suggéré que les microglies phagocytent les neurones cytopathiques contenant la protéine tau et recyclent la protéine tau à travers les exosomes, incriminant ainsi les exosomes dans la propagation de la maladie d'Alzheimer. Dans les cerveaux sains, plusieurs protéines kinases et phosphatases sont respectivement responsables de la phosphorylation et de la déphosphorylation de la protéine tau.

La dérégulation de ces enzymes importantes peut conduire à des schémas de phosphorylation anormaux de la protéine tau dans la MA. Une étude récente a comparé le transport de protéines exosomales par Nano-LC-MS/MS. Les exosomes ont été purifiés à partir de neurones de cellules souches pluripotentes d'origine humaine (CSPi) exprimant la forme mutante AD familiale A246E de la préséniline 1 (mPS1) et de neurones CSPi humains normaux.

Au total, 1 117 protéines ont été identifiées dans les deux groupes d’exosomes et 733 protéines étaient communes aux deux populations d’exosomes. Parmi les protéines différentiellement associées aux mPS1, les phosphatases et les protéines kinases et leurs niveaux de protéines associés aux exosomes mPS1 étaient significativement inférieurs à ceux des neurones témoins (179).

De plus, ces exosomes contenaient des protéines distinctes absentes des exosomes témoins. Plus précisément, les protéines distinctes étaient celles impliquées dans la structure et la fonction de la matrice extracellulaire, suggérant un autre mécanisme de propagation de la pathologie tau dans la MA [179]. La recherche sur la maladie d'Alzheimer a porté principalement sur les neurones.

Cependant, des études ont révélé que l'atrophie des astroglies se produit aux premiers stades du processus neurodégénératif. Le manque de soutien neuronal provenant des astroglies atrophiées entraîne des perturbations de la connectivité synaptique, une perte de synapses et un déséquilibre de l'homéostasie des neurotransmetteurs. À un stade ultérieur de la maladie d'Alzheimer, les astrocytes et les microglies s'activent et libèrent des molécules inflammatoires et des substances neurotoxiques. Les produits chimiques neurotoxiques entraînent une neuroinflammation et une mort neuronale conduisant à une atrophie du cerveau [180].

Dans les premiers stades de la maladie d'Alzheimer, les cellules microgliales activées par le récepteur Toll-like 4 acquièrent un rôle neuroprotecteur et éliminent A [181]. La phagocytose et la dégradation des dépôts de protéines bêta-amyloïdes polymorphes purifiées et A associées aux exosomes ont été confirmées à l'aide de cellules microgliales en culture (182, 183). Curieusement, les astrocytes semblent soulager les cellules microgliales de leur fonction neuroprotectrice. Les médias et leurs collègues ont remarqué que l'incubation avec le peptide A activait les cellules gliales et entraînait par la suite une inflammation (184).

Co-culture avec des astrocytes ou culture dans un milieu conditionné par des astrocytes, action phagocytaire des microglies inhibée. L'inhibition de la phagocytose microgliale était hautement spécifique puisque le milieu conditionné provenant des fibroblastes n'affectait pas l'activité phagocytaire microgliale. D'après ces études, il est évident que les astrocytes ont libéré des signaux sous la forme de facteurs solubles qui interféraient avec l'activité phagocytaire des microglies (182). Les rôles des astrocytes et des microglies peuvent être inversés suite à une stimulation chronique des microglies.

Plusieurs études indépendantes conduisent à la conclusion que les exosomes libérés par les neurones, les astrocytes et les microglies agissent comme des charognards et absorbent l'A soluble sans graines pour favoriser l'agrégation de A qui est internalisée par les microglies pour dégradation (185-187). Cette observation n'est pas surprenante étant donné la communication intercellulaire étroitement surveillée entre les cellules cérébrales (brièvement discutée dans la section 3).

Comme mentionné précédemment, les agrégats A interagissent avec les glycosphingolipides, les céramides et/ou la protéine PrPc ancrée au GPI (protéine prion cellulaire) présente à la surface des exosomes et sur les neurones (185, 187). Les exosomes neuronaux se lient A s'agrègent plus efficacement que les exosomes astrocytaires ou microgliaux en raison de la présence abondante du ganglioside GM1 et des glycosphingolipides sialylés, en particulier du trisialoganglioside GT1, à leur surface (188-190). Les exosomes astrocytes sont enrichis en céramide sphingolipide [187].

Les agrégats A liés aux exosomes astrocytaires sont internalisés par les neurones et sont dirigés vers les mitochondries, provoquant un regroupement de mitochondries et augmentant simultanément les niveaux de protéine de fission Drp-1. Au niveau de la membrane externe des mitochondries, l'exosomal A forme un complexe avec le transporteur ADP/ATP, le canal anionique 1 dépendant de la tension, et active les caspases.

Les caspases actives induisent une fragmentation des neurites et éventuellement la mort des cellules neuronales [191]. Pour mieux comprendre les interactions dynamiques possibles entre les protéines, les lipides et l'ARN dans la maladie d'Alzheimer, des techniques à haut débit ont récemment été appliquées. Cohn et ses collègues ont adopté une approche intégrative « omique » pour analyser les exosomes microgliaux (192).

Dans cette étude, les auteurs ont isolé des exosomes microgliaux du cortex pariétal de patients atteints de la maladie d'Alzheimer à un stade avancé. Ils ont effectué une analyse intégrative combinant des analyses protéomiques, transcriptomiques et lipidomiques. Ils ont utilisé la protéomique shotgun, qui fait référence à une analyse ascendante des protéines où les protéines sont caractérisées par l'analyse des peptides libérés de la protéine par protéolyse (193), la lipidomique ciblée et la technologie NanoStringnCounter, une technologie d'hybridation multiplex d'acides nucléiques (194).

En utilisant cette approche combinatoire, le groupe de recherche a montré une réduction significative des marqueurs microglies homéostatiques P2RY12 et TMEM119 et une augmentation des niveaux de marqueurs microglies associés à la maladie FTH1 et TREM2. De plus, les niveaux de protéine tau dans les exosomes microgliaux dérivés du cerveau de la MA étaient significativement plus élevés, ce qui suggère que les exosomes dérivés des microglies semblent jouer un rôle important dans la propagation de la pathologie tau.

Les protéines synaptiques et spécifiques aux neurones étaient également enrichies de manière différentielle dans les exosomes microgliaux dérivés du cerveau de la MA. Les auteurs ont cependant émis l'hypothèse que les protéines synaptiques et spécifiques de la myéline auraient été phagocytées avant de pénétrer dans les exosomes microgliaux. Les analyses lipidomiques ont révélé un phénotype pro-inflammatoire et un défaut potentiel de remodelage des chaînes acyles.

Enfin, les miARN associés aux voies de signalisation de la sénescence immunitaire et cellulaire ont été augmentés dans les exosomes microgliaux dérivés du cerveau de la MA (192). Ces données suggèrent qu'un changement significatif dans la composition moléculaire des exosomes reflète des changements dans la microglie cohérents avec un état pathologique. Nous avons accumulé une grande quantité de données impliquant les exosomes dans la maladie d'Alzheimer.

Une question importante est de savoir dans quelle mesure les exosomes favorisent ou empêchent la clairance des protéines mal repliées ? De plus, élucider les contributions apportées par les exosomes libérés par différentes cellules cérébrales favorisera davantage notre compréhension de la transmission des maladies.

Maladie de Parkinson : La maladie de Parkinson est l'un des troubles cérébraux liés à l'âge les plus courants. Elle est principalement considérée comme un trouble du mouvement, avec des symptômes typiques de tremblements au repos, de rigidité, de bradykinésie et d'instabilité motrice [195].

Le déclin cognitif, la dépression et la psychose sont également associés à cette maladie (196). Pathologiquement, elle se caractérise par la dégénérescence des neurones dopaminergiques nigrostriataux et la présence de corps de Lewy qui contiennent une protéine -synucléine mal repliée dans les neurones survivants. L'alpha-synucléine est détectée dans de nombreux fluides corporels, notamment le liquide céphalo-rachidien et le plasma (197, 198).

L'alpha-synucléine est trouvée dans un milieu de culture lorsque les cellules exprimant la -synucléine sont cultivées in vitro [199]. Étant donné que la -synucléine a été détectée de manière extracellulaire en l'absence de signal de tri extracellulaire, comment cette protéine atteint-elle l'espace extracellulaire ? Plusieurs chercheurs ont examiné le mécanisme de sécrétion de la -synucléine, y compris le rôle des exosomes dans la sécrétion et la pathologie de la -synucléine.

La première indication selon laquelle les exosomes pourraient effectivement être impliqués dans la pathogenèse est venue d'une étude in vitro utilisant des cellules SH-SY5Y exprimant la -synucléine. Les auteurs ont démontré la sécrétion extracellulaire de -synucléine via les exosomes de manière calcium-dépendante et ont suggéré leur implication dans la propagation de la pathologie de la maladie de Parkinson [200].

Suite à cette étude, des exosomes contenant de la -synucléine ont été identifiés à partir de différentes cellules, du liquide céphalo-rachidien et du plasma de patients atteints de la maladie de Parkinson (201-203). Cependant, il existe une grande variabilité rapportée dans différentes études [204]. Il est intéressant de noter que la quantité de -synucléine dans les exosomes est relativement faible par rapport à la -synucléine libre détectée dans le liquide céphalorachidien ou dans les milieux conditionnés.

Un examen attentif a révélé que les cellules de neurogliome exprimant la -synucléine utilisent deux voies pour libérer les oligomères de -synucléine, une à travers les exosomes et une seconde, la libération directe de la -synucléine libre sous forme d'oligomères (205).

Bien que les exosomes aient de faibles niveaux de -synucléine, les exosomes sont plus efficaces pour exercer leurs effets toxiques que la -synucléine libre. Les oligomères d'alpha-synucléine présents dans les exosomes ont été internalisés plus efficacement par les cellules de neurogliome H4 humain que les oligomères d'alpha-synucléine libres (205).

Dans le prolongement de cette étude, ce groupe de chercheurs a rapporté des résultats similaires en utilisant des exosomes purifiés à partir du liquide céphalo-rachidien de patients atteints de la maladie de Parkinson. Une absorption efficace de la -synucléine exosomale oligomérisée a été observée dans les cultures de cellules de neurogliome humain H4 par rapport aux oligomères de -synucléine libre (206).

Les preuves de la sécrétion de synucléine libre dans l'espace ou le liquide extracellulaire proviennent d'une étude examinant le rôle du tri des protéines vacuolaires 4 (VPS4) dans le chargement de la synucléine dans les corps multivésiculaires. Normalement, le VPS4 régule le tri des protéines vers les corps multivésiculaires. Dans la maladie de Parkinson, VPS4 dirige la -synucléine vers les lysosomes pour sa dégradation et vers le recyclage des endosomes pour la sécrétion extracellulaire de -synucléine (207).

Lorsque le dysfonctionnement lysosomal était inhibé, la libération de -synucléine conditionnée dans les exosomes augmentait les cellules SH-SY5Y en culture (208). La fraction endosomale de la -synucléine échappe à la dégradation dans des conditions de déficience lysosomale (209).

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