L es progrès de la biochimie, de la biologie moléculaire et. Les tauopathies Tauopathies SUMMARY SUMMARY COMMENT EST NÉ LE CONCEPT DE TAUOPATHIE?

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1 Les tauopathies Tauopathies T. Lebouvier*, P. Damier*, P. Derkinderen* P O I N T S F O R T S P O I N T S F O R T S Les protéines tau jouent un rôle clé en physiologie neuronale, en particulier dans le transport axonal. Elles sont aussi marqueurs et acteurs dans plusieurs pathologies neurodégénératives, regroupées sous le terme de tauopathies. La phosphorylation de la protéine tau est un élément essentiel dans le processus neurodégénératif des tauopathies. Une meilleure compréhension de la pathogénie des tauopathies devrait permettre des avancées thérapeutiques pour l ensemble de ces maladies. Mots-clés : Microtubules Tau Tauopathies Phosphorylation Paralysie supranucléaire progressive Dégénérescence cortico-basale Maladie d Alzheimer. SUMMARY SUMMARY Tau is a microtubule-associated protein that is abundant in the central nervous system where it is predominantly expressed in axons. One of the well-defined functions of tau is to bind to and stabilize microtubules. Apart from its physiological role, tau is also the main component of paired helical filaments which are aggregated structures found in neurofibrillary tangles in the brains of patients with Alzheimer s disease. Neurofibrillary tangles are found in a number of other diseases termed tauopathies which include frontotemporal dementia with Parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17), Pick s disease, progressive supranuclear palsy and corticobasal degeneration. The presence of tau deposits in all of these neurodegenerative diseases and particularly in FTDP-17, whose patients have mutations in the tau gene itself, suggests that tau has an important role in the processes which lead to loss of neurons. The biochemical characteristics of the tauopathies as well as the pathways leading to cell death in these neurodegenerative disorders will be discussed in this review. L es progrès de la biochimie, de la biologie moléculaire et de la génétique permettent d envisager une nouvelle classification des maladies neurodégénératives. Ces pathologies ont en commun des lésions cérébrales formées par des agrégats anormaux de protéines. On définit ainsi, selon la nature des protéines en cause, les tauopathies (agrégats anormaux intracellulaires de protéine tau), les synucléinopathies (agrégats anormaux intracellulaires de synucléine) et les amyloïdopathies (agrégats anormaux extracellulaires de peptide ß-amyloïde). Au sein de ces agrégats, les protéines, qu il s agisse de tau, de la synucléine ou du peptide ß-amyloïde, forment des assemblages fibrillaires et sont au moins en partie résistantes à la protéolyse (1). La maladie de Parkinson, la démence à corps de Lewy diffus, les atrophies multisystématisées font partie des synucléinopathies, alors que la paralysie supranucléaire progressive (PSP), la dégénérescence corticobasale (DCB) et certaines démences frontotemporales (DFT) appartiennent aux tauopathies. La maladie d Alzheimer, * Service de neurologie, centre d investigations cliniques et INSERM U643, CHU de Nantes. caractérisée par des dépôts extracellulaires de peptide ß-amyloïde et des dépôts intracellulaires de protéine tau, rentre à la fois dans le cadre des tauopathies et des amyloïdopathies. COMMENT EST NÉ LE CONCEPT DE TAUOPATHIE? Les lésions intracellulaires caractéristiques de la maladie d Alzheimer, appelées dégénérescence neurofibrillaire (DNF), sont connues depuis le début du XX e siècle, mais leur nature biochimique n a été définie qu au milieu des années 1980 : la DNF résulte de l agrégation anormale d une protéine normalement associée aux microtubules, la protéine tau (2). Ces lésions ne sont toutefois pas spécifiques de la maladie d Alzheimer. Des agrégats de protéine tau ont été mis en évidence, entre autres, chez les patients atteints de PSP, de DCB, du complexe Parkinsondémence de l île de Guam et dans certains cas de DFT (encadré). Selon les maladies, les agrégats de protéine tau adoptent différentes formes (les corps de Pick de la maladie de Pick, les 14

2 touffes gliales de la PSP, etc.) et se répartissent dans différents types cellulaires (le plus souvent au sein des neurones mais parfois également dans les cellules gliales) ou différentes régions cérébrales (le cortex entorhinal dans la démence d Alzheimer débutante, le mésencéphale dans la PSP, etc.). ENCADRÉ Les principales tauopathies Maladie d Alzheimer Paralysie supranucléaire progressive (PSP) Dégénérescence corticobasale (DCB) Certaines démences fronto-temporales (DFT) dont la maladie de Pick* Trisomie 21 Démence/syndrome parkinsonien des boxeurs Complexe démence-syndrome parkinsonien de l île de Guam Syndromes parkinsoniens postencéphalitiques Maladie de Niemann-Pick de type C Panencéphalite sclérosante subaiguë * La plupart des DFT ne sont pas des tauopathies mais présentent des lésions neuronales avec gliose non spécifiques. L implication physiopathologique directe de la protéine tau a été établie à la fin des années 1990 grâce aux avancées de la génétique. En effet, si la simple présence de la protéine tau au sein des lésions de DNF en fait un marqueur précieux du processus dégénératif, elle ne suffit pas à établir un lien de causalité. Or il a été démontré en 1997 qu une tauopathie familiale la démence frontotemporale avec syndrome parkinsonien liée au chromosome 17 (DFTP-17) est consécutive à une mutation sur le gène de tau (3, 4). Cette découverte, confirmant le rôle central de tau dans le processus neurodégénératif, a depuis été complétée : plus de 30 mutations sur le gène codant pour tau et à l origine de tauopathies familiales ont été décrites (5). LES PROTÉINES TAU EN PHYSIOLOGIE L implication des protéines tau en pathologie ne doit pas éluder leur fonction, qui est importante, dans la physiologie du neurone (6, 7). Ces protéines appartiennent aux microtubule associated proteins (MAP). Les microtubules, qui forment l un des trois réseaux fibreux du cytosquelette, sont un assemblage de monomères de tubuline en équilibre dynamique : ces derniers s associent ou se dissocient librement à l extrémité du microtubule. Le rôle des MAP est de stabiliser les polymères de tubuline et d empêcher leur dissociation. La protéine tau, dont l expression est limitée au système nerveux, est la principale MAP retrouvée dans les axones. Elle contribue à la stabilité du cytosquelette, elle régule la croissance axonale au cours du développement et elle est impliquée dans le transport axonal. Le gène de la protéine tau est situé sur le bras long du chromosome 17. Il existe dans le cerveau humain adulte six isoformes de la protéine tau, générées par l épissage alternatif des exons 2, 3 et 10 d un transcrit primaire. L expression des isoformes est régulée au cours du développement : à la naissance, seule est exprimée l isoforme la plus courte (dénommée isoforme fœtale), qui ne comporte aucune des insertions codées par les exons 2, 3 ou 10. Les autres apparaissent progressivement au cours de la croissance. Les six isoformes, dont les longueurs (de 352 à 441 acides aminés) diffèrent, peuvent être séparées par électrophorèse à partir d un lysat de cerveau. Après migration dans un gel de polyacrylamide en présence de sodium dodécyl sulfate (SDS-PAGE), les protéines tau révélées par un anticorps se répartissent en six bandes distinctes, correspondant à des protéines de 45 à 65 kda (figure 1). L épissage alternatif de l exon 10 a des conséquences fonctionnelles majeures. Les exons 9, 10, 11 et 12 codent, en effet, pour des domaines conservés, appelés domaines de liaison aux microtubules (6), situés à l extrémité carboxy-terminale. Ainsi, les trois isoformes de tau dépourvues de la séquence codée par l exon 10 possèdent trois domaines de liaison aux microtubules (3R) et les trois isoformes comportant cette séquence possèdent quatre de ces domaines répétés (4R). Les isoformes 4R ont une interaction plus forte avec les microtubules, renforçant ainsi leur stabilité. La principale modification post-traductionnelle de tau est sa phosphorylation sur des résidus sérine, thréonine et tyrosine (figure 2). Plus de vingt sites de phosphorylation sur sérine et thréonine ont été décrits sur tau et ces phosphorylations diminuent l affinité de tau pour la tubuline, augmentant ainsi la quantité de protéine tau libre dans le cytosol, c est-à-dire non liée à la tubuline (7, 8). Les deux principales enzymes capables de phosphoryler tau sur sérine et thréonine sont la glycogen synthase kinase 3ß [GSK3ß] (9) et la cyclin-dependent kinase 5 [cdk5] (10). Sur les cinq résidus tyrosine présents sur tau, trois sont phosphorylés (tyrosine 18, 197 et 394, selon la numérotation en acides aminés de l isoforme la plus longue de tau), mais seule la phosphorylation de la tyrosine 394 a été attestée en conditions physiologiques (11, 12). Elle pourrait jouer un rôle dans le développement et la croissance axonale. LES PROTÉINES TAU EN PATHOLOGIE Au sein des lésions de DNF, dans la maladie d Alzheimer comme dans les autres tauopathies, la protéine tau est non seulement hyperphosphorylée mais anormalement phosphorylée : elle n est pas phosphorylée sur la majorité des sites physiologiques, elle l est sur des sites qui ne sont pas normalement phosphorylés [figure 2] (6-8). Les mécanismes moléculaires précis conduisant à cette hyperphosphorylation ne sont pas connus. Même si cela a été débattu, l hyperphosphorylation de la protéine tau sur résidus sérine et thréonine est un phénomène précoce et essentiel à la survenue des lésions de DNF. 15

3 A B N.3R 410 1N.4R 412 1N.3R 0N.4R kda 2N.3R,1N.4R 1N.3R, 0N.4R kda Extrémité amino-terminale, N Extrémité carboxy-terminale, C Figure 1. Les différentes isoformes des protéines tau et leur profil de migration électrophorétique. A. Chez l homme, le gène des protéines tau est localisé sur le chromosome 17. À partir d un unique ARN messager, 6 isoformes de la protéine tau sont générées par épissage alternatif des exons 2, 3 et 10. L exon 2 ne pouvant être épissé indépendamment de l exon 3, on calcule bien six combinaisons possibles ( [352 acides aminés, aa] ; [381 aa] ; [410 aa] ; [383 aa] ; [412aa] ; [441 aa]). Les exons 9, 10,11 et 12 codent pour des sites conservés appelés domaines de liaison aux microtubules. Un code est classiquement utilisé pour identifier les différentes isoformes de tau : l épissage alternatif des exons 2 et 3 donne des isoformes de tau avec deux (2N.), une seule (1N.) ou aucune (0N.) des régions codées par ces exons, le N signifiant que ces exons codent pour des régions situées à l extrémité amino-terminale de la protéine. L épissage alternatif de l exon 10 donne des isoformes de tau avec 3 (XN3R) ou 4 (XN4R) sites de fixation aux microtubules, le R signifiant repeat pour 3 repeats ou 4 repeats isoforms. B. Les 6 isoformes de la protéine tau, qui diffèrent par leur taille et leur poids moléculaire, peuvent être séparées par électrophorèse sur gel de polyacrylamide en présence de SDS. Les isoformes les plus longues et lourdes migrent le plus lentement, à l inverse des isoformes les plus courtes et légères. Par immunoblot utilisant un anticorps anti-tau, on visualise 6 bandes représentant les 6 isoformes non phosphorylées. Leur poids moléculaire varie de 45 à 65 kda (ligne 1). La phosphorylation de ces isoformes sur sérine et thréonine retarde leur migration électrophorétique (shift) ; les isoformes 0N.4R et 1N.3R phosphorylées comigrent sur une bande unique, de même que les isoformes 1N.4R et 2N.3R. Ainsi, les protéines tau phosphorylées migrent sous la forme de 4 bandes Y18 T181 S202 T231 Y394S396 S422 T205S214 S404 Figure 2. Principaux sites de phosphorylation de la protéine tau. Il existe plus de 20 sites de phosphorylation sur résidus sérine (S) ou thréonine (T) sur tau, et 3 sites de phosphorylation sur tyrosine (Y) ont été plus récemment mis en évidence. Quelques-uns de ces sites parmi les mieux connus et les plus étudiés sont mentionnés sur la figure. En noir sont représentés les résidus phosphorylés en condition physiologique et pathologique, et en rouge sont représentés ceux phosphorylés en condition pathologique au sein des lésions de DNF. La numérotation des acides aminés reconnus est celle de l isoforme la plus longue (441 acides aminés). Des formes familiales de tauopathies (les DFTP-17) sont causées par des mutations sur le gène codant pour tau. D un point de vue phénotypique, les patients présentent une association de démence comportementale et de syndrome parkinsonien, un tableau clinique proche de celui des DFT, des PSP ou des DCB sporadiques (5). Les mutations sont localisées soit dans la partie codante du gène, soit dans la séquence intronique (non codante) qui suit l exon 10. De façon remarquable, la quasitotalité des mutations localisées dans la partie codante sont situées à proximité des domaines répétés et provoquent une diminution de l affinité de la protéine tau pour les microtubules. Les mutations situées sur l intron qui suit l exon 10, en modifiant l épissage alternatif, changent le ratio entre les protéines 3R et 4R (5). Bien que l accumulation anormale de protéines tau en soit le dénominateur commun, il est désormais établi qu il existe une hétérogénéité biochimique au sein des tauopathies. Dans la maladie d Alzheimer, les six isoformes de tau participent aux lésions de DNF. Cependant, dans d autres tauopathies, seules certaines isoformes sont retouvées dans les agrégats pathologiques. Dans la PSP et la DCB, il s agit des trois isoformes à quatre répétitions (13), alors que dans la maladie de Pick, les isoformes 3R sont les seules impliquées [figure 3] (14). Née de ces constatations, une classification biochimique distingue les tauopathies suivant le profil électrophorétique des protéines tau agrégées. 16

4 2N.3R,1N.4R 1N.3R, 0N.4R 2N.3R 1N.3R 1N.4R 0N.4R Tauopathies familiales Mutation sur le gène codant pour tau Augmentation des formes "libres" de protéine tau ou modification du ratio 3R/4R Tauopathies sporadiques Activation de kinases de tau en particulier GSK3ß et cdk5 Mécanisme? Alzheimer Pick PSP DCB Figure 3. Profil électrophorétique des protéines tau anormalement phosphorylées dans les tauopathies. Les 6 variants anormalement phosphorylés de protéines tau qui forment un quadruplet dans la maladie d Alzheimer sont également détectés dans la trisomie 21 et le syndrome parkinsonien postencéphalitique. Dans la maladie de Pick, seules les isoformes hyperphosphorylées à trois domaines de liaison aux microtubules (3R) s agrègent et apparaissent sur un immunoblot utilisant un anticorps anti-tau sous forme de triplet (bandes inférieures). En revanche, dans la PSP et la DCB, seules les isoformes de protéines tau anormalement phosphorylées à quatre domaines de liaison aux microtubules (4R) s agrègent et sont visualisées sur un immunoblot anti-tau par un triplet (bandes supérieures). QUEL SCÉNARIO PROPOSER POUR EXPLIQUER LA MORT NEURONALE DANS LES TAUOPATHIES? Dans les maladies neurodégénératives sporadiques ou familiales que l on regroupe sous le terme de tauopathies, les protéines tau sont donc à la fois marqueurs et acteurs du processus de DNF. Une publication récente montre que la surexpression d une forme hyperphosphorylée de tau dans des neurones suffit à induire la mort cellulaire par apoptose (15). En extrapolant, on peut penser que la présence d inclusions intraneuronales de protéine tau hyperphosphorylée est la cause de la mort neuronale dans les tauopathies. Il reste toutefois à identifier les voies de signalisation cellulaire menant à l hyperphosphorylation et à l agrégation de tau pour que le scénario soit complet (7). Dans les formes familiales de tauopathie, les mutations connues sur le gène de tau diminuent son affinité pour les microtubules ou modifient l équilibre entre les formes 3R et 4R. En conséquence, la quantité de protéines tau libres augmente et celle de protéines tau liées aux microtubules diminue. Sous sa forme libre, la protéine a tendance à spontanément s agréger au sein des neurones. Elle serait également plus accessible aux sérine/thréonine kinases, donc plus phosphorylée, ce qui diminue encore son affinité pour les microtubules. Il se crée ainsi un véritable cercle vicieux (figure 4) conduisant à l agrégation. Dans les tauopathies sporadiques, de loin les plus fréquentes, le scénario est plus incertain. Nous l avons vu, la phosphorylation de tau joue très vraisemblablement un rôle clé dans la mort neuronale, mais il est difficile de l intégrer dans une cascade allant d événements extracellulaires à la mort neuronale. Si l on peut admet que l hyperphosphorylation de tau favorise son agrégabi- P P PP PP P P Agrégation de protéines tau hyperphosphorylées Anomalies du flux axonal Mort cellulaire par apoptose Figure 4. Mécanismes proposés du dysfonctionnement neuronal et de la mort cellulaire au cours des tauopathies. Dans les DFTP-17, les mutations du gène codant pour tau diminuent l affinité de tau pour les microtubules ou modifient le rapport entre les isoformes 3R et 4R. Cela a pour conséquence d augmenter les formes libres, c est-à-dire non liées aux microtubules de tau. Ces formes libres ont une tendance spontanée à s autoagréger, et sont plus facilement phosphorylées par les kinases, ce qui renforce encore leur agrégabilité. Dans les tauopathies sporadiques, on suppose que l hyperphosphorylation de tau joue aussi un rôle clé, mais les événements déterminant cette phosphorylation ne sont pas connus. L agrégation anormale de tau hyperphosphorylée pourrait déclencher la mort cellulaire, soit directement, soit en perturbant le transport axonal. lité en diminuant son affinité pour les microtubules, les voies de signalisation induisant cette phosphorylation anormale restent à découvrir (figure 4). Un phénomène d excitotoxicité active-t-il certaines kinases telles que GSK3ß, ou, au contraire, existe-t-il une diminution de l activité de certaines phosphatases? CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Le regroupement de maladies aussi différentes que la démence d Alzheimer et la PSP au sein d une même entité peut surprendre. Toutefois, la classification biochimique de ces pathologies neurodégénératives a pour avantage de stigmatiser leur pathogénie commune, et laisse espérer un traitement neuroprotecteur commun à l ensemble des tauopathies. Des modèles animaux de tauopathies ont déjà été développés chez la drosophile ou la souris, par surexpression des formes humaines sauvages ou mutées de protéine tau, ou par surexpression des kinases de tau. Ces manipulations génétiques provoquent dans les modèles les plus convaincants une neurodégénérescence avec des inclusions intraneuronales, un déclin cognitif ou des anomalies motrices (16). Ces progrès permettent d envisager un criblage pharmacologique à grande échelle de traitements capables d interrompre le processus dégénératif, par exemple en diminuant l agrégabilité de tau. Récemment, le lithium, qui inhibe GSK3ß, s est montré intéressant dans un de ces modèles (17). 17

5 R É F É R E N C E S B I B L I O G R A P H I Q U E S 1. Lovestone S, McLoughlin DM. Protein aggregates and dementia: is there a common toxicity? J Neurol Neurosurg Psychiatry 2002;72: Brion JP, Passareiro H, Nunez J et al. Immunological determinants of tau proteins are present in neurofibrillary tangles of Alzheimer s disease. Arch Biol (Brux)1985;95: Hutton M, Lendon CL, Rizzu P et al. Association of missense and 5 -splice-site mutations in tau with the inherited dementia FTDP-17. Nature 1998;393: Poorkaj P, Bird TD, Wijsman E et al. Tau is a candidate gene for chromosome 17 frontotemporal dementia. Ann Neurol 1998;43: Goedert M, Jakes R. Mutations causing neurodegenerative tauopathies. Biochim Biophys Acta 2005;1739: Buée L, Bussière T, Buée-Scherrer V et al. Tau protein isoforms, phosphorylation and role in neurodegenerative disorders. Brain Res Rev 2000;33: Johnson GV, Stoothoff WH. Tau phosphorylation in neuronal cell function and dysfunction. J Cell Sci 2004;117: Lovestone S, Reynolds CH. The phosphorylation of tau: a critical stage in neurodevelopment and neurodegenerative processes. Neuroscience 1997; 78: Hanger DP, Hughes K, Woodgett JR et al. Glycogen synthase kinase 3 induces Alzheimer s disease-like phosphorylation of tau: generation of paired helical filament epitopes and neuronal localisation of the kinase. Neurosci Lett 1992;147: Patrick GN, Zukerberg L, Nikolic M et al. Conversion of p35 to p25 deregulates cdk5 activity and promotes neurodegeneration. Nature 1999;402: Lee G, Thangavel R, Sharma VM et al. Phosphorylation of tau by fyn: implications for Alzheimer s disease. J Neurosci 2004;24: Derkinderen P, Scales TM, Hanger DP et al. Tyrosine 394 is phosphorylated in Alzheimer s paired helical filament tau and in fetal tau with c-abl as the candidate tyrosine kinase. J Neurosci 2005;25: Sergeant N, Wattez A, Delacourte A. Neurofibrillary degeneration in progressive supranuclear palsy and corticobasal degeneration: tau pathologies with exclusively exon 10 isoforms. J Neurochem 1999;72: Sergeant N, Delacourte A, Buee L. Tau protein as a differential biomarker of tauopathies. Biochim Biophys Acta 2005;1739: Fath T, Eidenmuller J, Brandt R. Tau-mediated cytotoxicity in a pseudohyperphosphorylation model of Alzheimer s disease. J Neurosci 2002;22: Lee VM, Kenyon TK, Trojanowski JQ. Transgenic animal models of tauopathies. Biochim Biophys Acta 2005;1739: Noble W, Olm V, Takata K et al. Cdk5 is a key factor in tau aggregation and tangle formation in vivo. Neuron 2003;38: A U T O - É V A L U A T I O N A U T O - É V A L U A T I O N I. La protéine tau : a. n a aucune fonction physiologique connue b. est une protéine associée aux microtubules c. est essentiellement neuronale d. est le principal composant des lésions de dégénérescence neurofibrillaire II. Sont des tauopathies : a. la maladie d Alzheimer b. la paralysie supranucléaire progressive c. la maladie de Parkinson d. les démences à corps de Lewy Petites annonces >> 29 FINISTÈRE Pour réserver cet emplacement, contactez dès maintenant le service Annonces professionnelles Tél. : Fax : Le Centre Hospitalier des Pays de Morlaix (Finistère) Zone d attraction de h., proximité mer Scanner IRM CHU : 30 minutes Gare TGV, aéroport à 30 minutes RECHERCHE : UN NEUROLOGUE (tous statuts) Renseignements : Directeur des affaires médicales : Ou Dr Hourmant : Candidatures : Centre hospitalier Direction des affaires médicales BP Morlaix Cedex Fax : Résultats : 1 : b, c, d ; II : a, b. 18