Les scientifiques ont découvert un mécanisme surprenant par lequel une enzyme cérébrale appelée OTULIN contrôle l'expression de la protéine tau, la protéine qui forme des enchevêtrements toxiques dans la maladie d'Alzheimer. Les résultats, publiés aujourd'hui dans Psychiatrie Génomiquerévèlent qu'OTULIN fonctionne non seulement comme prévu dans les voies de dégradation des protéines, mais joue également un rôle jusqu'alors inconnu en tant que régulateur principal de l'expression des gènes et du métabolisme de l'ARN.
L'équipe de recherche, dirigée par le Dr Kiran Bhaskar du Centre des sciences de la santé de l'Université du Nouveau-Mexique et le Dr Francesca-Fang Liao du Centre des sciences de la santé de l'Université du Tennessee, a fait cette découverte en étudiant comment les neurones éliminent les agrégats anormaux de tau. Leurs découvertes inattendues pourraient ouvrir de nouvelles voies thérapeutiques pour la maladie d’Alzheimer et les démences associées, touchant des millions de personnes dans le monde.
Nous avons décidé de tester si la stabilisation d'un type spécifique de chaîne d'ubiquitine aiderait à éliminer la protéine tau toxique des neurones. Au lieu de cela, nous avons découvert quelque chose de complètement inattendu : OTULIN agit comme un interrupteur principal contrôlant si la tau est même produite en premier lieu. »
Dr Kiran Bhaskar, Centre des sciences de la santé de l'Université du Nouveau-Mexique
Sommaire
La découverte révolutionnaire
L'équipe de recherche a initialement émis l'hypothèse que l'inhibition de l'activité enzymatique d'OTULIN améliorerait l'élimination de la protéine tau par les systèmes d'élimination des déchets cellulaires. Cependant, lorsqu'ils ont complètement éliminé le gène OTULIN dans les neurones, la protéine tau a complètement disparu – non pas parce qu'elle se dégradait plus rapidement, mais parce qu'elle n'était pas produite du tout.
« C'était un changement de paradigme dans notre façon de penser », a déclaré le Dr Liao. « Nous avons constaté que le déficit en OTULIN provoque la disparition de l'ARNm de la protéine tau, ainsi que des changements massifs dans la façon dont la cellule traite l'ARN et contrôle l'expression des gènes. »
L'étude a utilisé des neurones dérivés d'un patient atteint de la maladie d'Alzheimer sporadique à apparition tardive, qui ont montré des niveaux élevés de protéine OTULIN et de tau phosphorylé par rapport aux neurones témoins sains. Cette corrélation suggère qu'OTULIN pourrait contribuer à la progression de la maladie.
Principales conclusions
La recherche a révélé plusieurs informations cruciales :
D'abord, Lorsque OTULIN a été complètement retiré des cellules de neuroblastome, le séquençage complet de l’ARN a montré des changements spectaculaires dans l’expression des gènes : 13 341 gènes ont été régulés négativement et 774 ont été régulés positivement, avec des effets encore plus spectaculaires sur les transcrits d’ARN (43 003 régulés négativement, 1 113 régulés positivement). La comparaison des neurones de patients atteints de la maladie d'Alzheimer à des témoins sains a révélé que plus de 4 500 gènes et 5 600 transcriptions étaient exprimés de manière différentielle.
Deuxième, l'inhibition pharmacologique de l'activité enzymatique d'OTULIN avec un nouvel inhibiteur de petites molécules (UC495) a réduit les niveaux de tau phosphorylée dans les neurones de la maladie d'Alzheimer, suggérant un bénéfice thérapeutique potentiel sans élimination complète du gène.
Troisième, l'absence d'OTULIN a régulé positivement de nombreux gènes associés à la dégradation de l'ARN et à la régulation de la stabilité, notamment des composants du complexe CCR4-NOT et diverses protéines de liaison à l'ARN impliquées dans les maladies neurodégénératives.
Quatrième, le séquençage en masse de l'ARN des neurones d'Alzheimer a révélé une régulation négative significative de l'ARN long non codant d'OTULIN ainsi qu'une diminution de l'expression des membres de la famille du gène de l'antigène du mélanome (MAGE), qui activent les ligases d'ubiquitine impliquées dans le contrôle de la qualité des protéines.
Implications cliniques
Ces découvertes ont de profondes implications pour le traitement des tauopathies, un groupe de plus de 20 maladies neurodégénératives caractérisées par une accumulation de tau toxique.
« OTULIN pourrait servir de nouvelle cible médicamenteuse, mais nos résultats suggèrent que nous devons moduler soigneusement son activité plutôt que de l'éliminer complètement », a noté le Dr Bhaskar. « Une perte totale provoque des changements généralisés dans le métabolisme de l'ARN cellulaire qui pourraient avoir des conséquences inattendues. »
La recherche a démontré qu'une inhibition partielle avec UC495 réduisait les formes pathologiques de tau sans éliminer la protéine tau totale ni provoquer de toxicité apparente pour les neurones. Cela suggère qu’il existe une fenêtre thérapeutique dans laquelle l’activité d’OTULIN pourrait être ajustée à des niveaux bénéfiques.
L’équipe a également découvert que le déficit en OTULIN empêche le développement de l’auto-inflammation dans les neurones en régulant négativement les composants de la voie inflammatoire, fournissant ainsi des informations supplémentaires sur la façon dont les cellules équilibrent le contrôle de la qualité des protéines avec les réponses inflammatoires.
Impact plus large sur la biologie de l’ARN
Au-delà de la maladie d'Alzheimer, les résultats éclairent les mécanismes fondamentaux de la régulation du métabolisme de l'ARN dans les neurones. Les chercheurs ont identifié une régulation positive des répresseurs transcriptionnels comme YY1 et SP3 dans les cellules déficientes en OTULIN, ainsi que des modifications dans les ligases d'ubiquitine liant l'ARN RC3H2 et MEX3C qui contrôlent la stabilité de l'ARNm.
« Nous examinons essentiellement un point de contrôle jusqu'alors inconnu dans l'expression des gènes », a expliqué le Dr Liao. « OTULIN semble influencer les gènes exprimés et la durée de survie de leurs messages d'ARN dans les cellules. »
L’étude a également révélé des liens entre OTULIN et plusieurs protéines de liaison à l’ARN associées aux maladies neurodégénératives, notamment TDP-43, FMR1, ATXN2 et MSI1, suggérant des implications plus larges pour la compréhension de divers troubles cérébraux.
Méthodologie de recherche
L'équipe a utilisé des techniques de pointe, notamment l'édition du gène CRISPR-Cas9, l'induction de neurones pluripotents dérivés de cellules souches provenant de patients atteints de la maladie d'Alzheimer et de témoins sains, le séquençage global complet de l'ARN et la conception informatique de médicaments pour identifier l'inhibiteur OTULIN UC495.
Ils ont validé leurs résultats sur plusieurs types de cellules, y compris les neurones dérivés de patients et les cellules de neuroblastome humain, garantissant ainsi la reproductibilité et la pertinence pour la maladie humaine.
Prochaines étapes
Les chercheurs s’efforcent désormais de comprendre précisément comment OTULIN influence l’expression des gènes et le métabolisme de l’ARN au niveau moléculaire. Ils vérifient également si l'inhibition soigneusement calibrée d'OTULIN peut réduire la pathologie tau dans des modèles animaux de la maladie d'Alzheimer.
« Cette découverte ouvre une toute nouvelle direction de recherche », a déclaré le Dr Bhaskar. « Nous devons déterminer si le ciblage thérapeutique d'OTULIN peut réduire en toute sécurité l'accumulation de tau sans perturber les fonctions cellulaires essentielles. »
L'équipe étudie également pourquoi le long ARN non codant d'OTULIN est réduit dans les neurones d'Alzheimer et si la restauration de ses niveaux pourrait normaliser l'expression de la protéine OTULIN et la pathologie tau.
À propos de la recherche
Cette étude a été financée par les National Institutes of Health et a impliqué une collaboration entre le Centre des sciences de la santé de l'Université du Nouveau-Mexique, le Centre des sciences de la santé de l'Université du Tennessee et d'autres institutions. Les données complètes de séquençage de l'ARN ont été déposées dans des bases de données accessibles au public pour permettre aux scientifiques du monde entier de poursuivre leurs recherches.
Les résultats représentent des années de travail méticuleux combinant la biologie moléculaire, la biologie cellulaire, la génomique et les approches informatiques pour démêler la relation complexe entre les systèmes de contrôle de la qualité des protéines et les maladies neurodégénératives.
À propos de la maladie d'Alzheimer et des tauopathies
La maladie d'Alzheimer touche plus de 6 millions d'Américains et se caractérise par deux caractéristiques pathologiques : les plaques amyloïdes et les enchevêtrements de tau. La pathologie Tau est plus étroitement corrélée au déclin cognitif qu’à l’accumulation d’amyloïde, ce qui en fait une cible thérapeutique essentielle.
Les tauopathies englobent plus de 20 maladies cérébrales dans lesquelles la protéine tau forme des agrégats toxiques, notamment la démence frontotemporale, la paralysie supranucléaire progressive et l'encéphalopathie traumatique chronique. Les traitements actuels n’apportent qu’un léger soulagement symptomatique sans s’attaquer aux mécanismes sous-jacents de la maladie.
La découverte qu'OTULIN régule la protéine tau au niveau de l'expression des gènes, plutôt que de simplement contrôler sa dégradation, représente une avancée fondamentale dans la compréhension du développement de la pathologie tau et suggère de nouvelles stratégies d'intervention.
