Chapitre7. Une description structurale de la protéine Tau
Figure 7.1–Propagation des lésions dans le cerveau.Les lésions se propagent des régions inférieures vers les régions dites primaires, qui reçoivent les informations sensorielles ou motrices. La figure extraite de [152]
10stades présentés en figure7.1. Historiquement, la communauté scientifique s’est prin- cipalement focalisée sur l’étude des plaques amyloïdes comme marqueurs de la maladie d’Alzheimer. Courant des années1990, au vu des travaux effectués dans ce domaine, la communauté médicale a révisé ces critères en incluant aussi la dégénérescence neurofi- brillaire dans le diagnostic de la maladie. Le modèle actuel de la maladie suggère une forte corrélation entre les deux processus menant à la formation des deux agrégats : plaques amyloïdes et enchevêtrements neurofibrillaires.
7.1.3 Les plaques amyloïdes
Les plaques amyloïdes sont dues à l’agrégation de la protéine β-amyloïdes à l’exté- rieur des cellules neuronales. Ces plaques ont été identifiées comme des marqueurs de la maladie d’Alzheimer. Les études concernant l’agrégation en fibrilles de la protéine β-amyoïdes sont d’actualité en RMN, nous indiquons à titre d’indicatif quelques publi- cations récentes [59,60] mais nous ne développerons pas ce sujet plus amplement, nous nous focaliserons sur la protéine Tau et les enchevêtrements neurofibrillaires.
7.1.4 Les enchevêtrements neurofibrillaires
La dégénérescence neurofibrillaire est marquée par la présence d’enchevêtrements fibrillaires. Le composant majeur de ces derniers est la protéine Tau. Cette protéine est abondamment présente dans les neurones et très soluble, elle participe notamment à la stabilisation des microtubules1. On n’ignore encore les mécanismes déclenchant la pathogénicité de la protéine mais il a été mis en évidence les caractéristiques suivantes : la protéine Tau devient hyperphosphorylée et agrégée sous forme d’enchevêtrements fibrillaires insolubles. La contribution de cette protéine sous sa forme pathogène à la mort des cellules neuronales est suffisamment significative pour souligner la nécessité de comprendre en détail le rôle de cette protéine dans sa forme physiologique et par la suite déterminer les mécanismes pouvant mener à l’agrégation [16].
7.1.5 Les mécanismes aboutissant à la mort neuronale
La protéine Tau dans son état physiologique participe à la stabilisation des micro- tubules au sein des neurones en agissant sur la polymérisation ou la dépolymérisation de ces derniers. La protéine interagit avec la tubuline et favorise la polymérisation de
1. Les microtubules sont des fibres constitutives du cytosquelette de la cellule
7.1. Contexte
la tubuline en microtubule. Ce mécanisme est régulé par phosphorylation. Notons que la phosphorylation de Tau agit sur la régulation de l’assemblage des microtubules mais aussi sur la croissance des neurites et le transport au sein des axones.
Dans son état physiologique, dans un neurone, il existe un juste équilibre entre les mécanismes de phosphorylation et de déphosphorylation de la protéine Tau. Bien qu’étant encore inconnus, un facteur, ou de multiples facteurs, peuvent rompre cet équilibre et favoriser l’hyperphosphorylation de la protéine. Cela se traduit par la perte de ses fonctions biologiques. De manière générale, plus la protéine Tau est phospho- rylée, moins elle agit avec le microtubule. Un excès de phosphorylation peut même déstabiliser le microtubule. Les protéines Tau hyperphosphylées s’agrègent progressi- vement sous forme de filaments pathologènes qui deviennent eux-mêmes ce que l’on appelle des enchevêtrements fibrillaires, ces derniers contribuent à la mort des neurones [23,24,29].
La chronologie exacte des ces évènements reste hypothétique, cependant des cher- cheurs ont pu simultanément observer l’accumulation progressive de protéines Tau sous forme de filaments pathogènes et d’autre part l’hyperphophorylation de ces pro- téines. L’étude des mécanismes de phosphorylation est particulièrement délicate car la protéine Tau contient de nombreux sites de phosphorylation. On compte ainsi 85 résidus potentiellement phosphorylisables (45 serines, 35 thréonines et 5 tyrosines).
Tout l’enjeu consiste alors à identifier le rôle de chaque site et les kinases associées afin de comprendre le mécanisme global.
7.1.6 Vers une approche thérapeutique
Les perspectives thérapeutiques se sont récemment focalisées sur la régulation de la phosphorylation de la protéine Tau. L’hypothèse triviale étant qu’en régulant, i.e.
diminuant, la phosphorylation de la protéine il serait possible de ralentir la propagation de maladie. Cette piste est cependant discutable, une inhibition complète de la phos- phorylation pourrait aussi avoir des conséquences néfastes sur le fonctionnement du neurone.
Le premier point consiste à identifier les sites de phosphorylation actifs et les kinases associées. Ces dernières peuvent être divisées en deux groupes :
- Les kinases qui phosphorylent les motifs Ser-Pro et Thr-Pro. Cela comprend la Glycogen Synthase Kinase-3-Beta (GSK3B), la Cyclin-dependent Kinase 5 (CDK5) et des kinases activées par un stress tel que la c-Jun N-terminal kinase (JNK) et les kinases de la famille p38mitogen-activated kinase.
- Les sites Sérines et Thréonines non suivis d’une Proline. Cela inclus les protéines kinases A (PKA) et C (PKC), et les kinases calcium calmodulin-dependent kinase II (CaM kinases II) [153].
De nombreux sites ont pu être identifiés (figure7.2) mais il faut supposer l’existence de sites de phosphorylation supplémentaires dans les conditions physiologiques du cerveau humain par rapport à ceux présents lors d’étude post-mortem car la protéine Tau extraite d’une biopsie de tissu devient rapidement déphosphorylée après excision.
Les sites de phosphorylation de Tau dans le cerveau semblent avoir un cycle rapide de processus de phosphorylation et déphosphorylation.
Différentes stratégies thérapeutiques sont envisagées : les plus nombreuses
Chapitre7. Une description structurale de la protéine Tau
Figure 7.2–Les sites potentiels de phosphorylation de la protéine Tau.Il existe80sites potentiels de phosphorylation (Ser ou Thr) sur la protéine Tau. Certains sont des sites dits "normaux" de phospho- rylation reconnus par des anticorps anti-tau dépendant de la phosphorylation. La phosphorylation régule les interactions avec les microtubules. Notamment, les sites reconnus par l’anticorps12ǫ8sont cruciaux dans la liaison de Tau aux microtubules. Les sites dits "pathologiques" sont ceux de la phosphorylation anormale des protéines Tau qui caractérisent les tauopathies. Trois ont été identifiés et reconnus par les anticorps AT100, PHF-27/TG3 et AP422/988. La numérotation des acides aminés reconnus est celle de l’isoforme la plus longue (441acides aminés). Figure extraite de [154].
consistent à inhiber indépendamment des kinases spécifiques afin de bloquer le pro- cessus de cascade qui implique la phosphorylation. L’hypothèse sous-jacente étant l’existence d’une hiérarchie des différentes kinases, certaines kinases pourraient avoir un rôle primordial dans ce processus. Il a ainsi été mis en évidence le rôle prépondérant de CDK1 qui agit sur CDK5 qui agit à son tour sur la kinase GSK3B. Ces modèles n’ont cependant pas la possibilité d’être validés in vivo. Une stratégie alternative à l’inhibition spécifique d’une kinase serait de cibler une multitude de kinases afin de faire diminuer le niveau de phosphorylation.
7.1.7 Séquence de la protéine Tau
Du point de vue de la séquence, Tau se divise en 4 domaines :
- La domaine N-terminal (résidus 1 à 150) possède 0, 1, ou 2 exons (0N, 1N, 2N).
- Le domaine riche en Proline (résidus 150 à 240) et positivement chargé contrôlant indirectement l’association de Tau aux microtubules via des processus de phos- phorylation.
- Le domaine d’appariement de Tau aux microtubules (résidus 240 à 370) formés de 3 ou 4 régions (3R, 4R) de 13 ou 14 acides aminés possédant des séquences très similaires. Ces régions sont par ailleurs séparées par un motif caractéristique Pro-Gly-Gly-Gly.
- Le domaine C-terminal (résidus 370 à 440) contenant des régions acides et ba- siques qui contrôle indirectement l’appariement de Tau aux microtubules via des processus de phosphorylation
Dans le système nerveux humain, Tau est présente sous six isoformes qui diffèrent par l’inclusion d’exons près de l’extrémité N-terminale et la présence de trois ou quatre régions identiques correspondant aux zones d’interaction avec le microtubule dans la moitié de l’extrémité C-terminale de Tau. Ces isoformes sont communément appelés 3R0N, 3R1N, 3R2N, 4R0N, 4R1N et 4R2N la nomenclature correspondant aux nombres
7.1. Contexte
de régions présentes. Il convient de noter que Tau contient cinq acides aminés (Glycine, Lysine, Proline, Serine et Thréonine) représentant la moitié de sa séquence.
7.1.8 Un résumé des mécanismes connus
Figure 7.3–Schéma récapitulatif des mécanismes associés à Tau.La dynamique des microtubules (équilibre tubuline-microtubules) est assurée par l’échange entre les formes de Tau peu ou non phosphory- lées et les formes phosphorylées. Figure extraite de [154].
Dans un neurone, la dynamique des microtubules (équilibre tubuline-microtubules) est assurée par l’échange entre les formes de Tau peu ou non phosphorylées et les formes phosphorylées. Les protéines Tau présentent donc une immunoréactivité différente pour les anticorps décrits sur la figure précédente selon son degré de phosphorylation. Dans un neurone en dégénérescence neurofibrillaire, il y a hyperphosphorylation et ou phos- phorylation anormale des six isoformes de protéine Tau et augmentation de l’immu- noréactivité des protéines tau pour certains anticorps et/ou apparition de nouveaux épitopes (reconnus par exemple par les anticorps AT100) (figure7.3).
Chapitre7. Une description structurale de la protéine Tau