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Numéro
Med Sci (Paris)
Volume 26, Numéro 8-9, Août-Septembre 2010
Page(s) 703 - 705
Section Nouvelles
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2010268-9703
Publié en ligne 15 août 2010

Le système nerveux humain adulte se compose d’environ 100 milliards de neurones, chacun se connectant à plus de 1 000 cibles cellulaires générant ainsi un circuit très complexe. L’établissement de la connectivité neuronale au cours de l’embryogenèse représente une étape fondamentale pour le bon fonctionnement du système nerveux et s’effectue de manière hautement spécifique. Le développement de ces connexions implique l’extension des neurites vers leurs cibles synaptiques et la formation de branchements axonaux permettant la construction de réseaux neuronaux.

L’arborisation des axones et des dendrites

Le processus qui guide les axones vers leur destination finale fait intervenir des molécules de signalisation présentes dans l’environnement qui jouent un rôle répulsif ou attractif détecté par le cône de croissance, structure motile à l’extrémité de l’axone [1]. Une fois la cible atteinte, l’axone perd son cône de croissance et acquiert une structure terminale branchée dans laquelle vont se former les contacts synaptiques. L’arborisation des axones et des dendrites, qui contrôle à la fois le nombre de partenaires cellulaires établis par un neurone et le nombre de connexions synaptiques avec chaque cible, est une étape déterminante dans le développement des circuits neuronaux [2]. Ce processus est contrôlé par des mécanismes à la fois extrinsèques et intrinsèques. En effet, comme c’était le cas dans le guidage des axones, des molécules de signalisation extracellulaires fournissent des informations spatiales nécessaires au branchement et induisent l’activation de programmes transcriptionnels spécifiques à un type de cellule et qui contrôlent la structure du branchement. De plus, plusieurs mécanismes de transduction du signal relient les signaux extracellulaires à des voies de signalisation aboutissant au remaniement du cytosquelette impliqué dans la formation du branchement [2].

Importance de la dégradation de protéines ubiquitinylées dans le développement neuronal

Au cours de ces dix dernières années, il est apparu que l’un des mécanismes utilisés pour réguler le développement des circuits neuronaux est la dégradation des protéines par la voie ubi quitine/protéasome (UPS) [3, 13]. Ce mécanisme fait intervenir le marquage des protéines destinées à la dégradation par des chaînes de poly-ubiquitine grâce à l’action concertée de plusieurs enzymes telles que l’enzyme d’activation de l’ubiquitine (E1), l’enzyme de conjugaison de l’ubiquitine (E2) et une ubiquitine ligase (E3). Les protéines ainsi marquées sont reconnues par le protéasome 26S et dégradées [4]. Nedd4 (neural precursor cell expressed, developmentally down-regulated 4) appartient à la famille des ubiquitines ligases E3 qui possèdent un domaine HECT (homologous to E6-AP carboxy terminus). Ces ligases sont composées d’un domaine amino-terminal C2 de liaison aux phospholipides régulant leur localisation intracellulaire, un domaine WW impliqué dans les interactions protéines-protéines et un domaine carboxy-terminal HECT, partie catalytique de l’enzyme qui lie l’ubiquitine au substrat [5]. Chez les invertébrés, Nedd4 est impliquée dans de nombreux processus de développement neuronal : guidage axonal, synaptogenèse et formation de la jonction neuromusculaire [6-9]. Cependant, bien que la protéine soit fortement exprimée dans les neurones de mammifères, sa fonction dans la formation des connexions neuronales reste encore largement inexplorée.

Rôle central de l’ubiquitine ligase Nedd4

L’implication du système UPS dans le guidage des cônes de croissance des cellules ganglionnaires rétiniennes (CGR) de Xénope en réponse à des molécules de signalisation extracellulaires telles que la nétrine [14] a d’abord été démontrée par D.S. Campbell et C.E. Holt [10]. J. Drinjakovic et al., dans la même équipe, ont ensuite étudié le rôle in vivo du système UPS et de la ligase Nedd4 dans le développement des connexions neuronales [11]. Dans ce travail, nous avons démontré le rôle du système UPS dans le guidage et le branchement des axones in vivo par électroporation d’un mutant dominant négatif de l’ubiquitine dans les CGR d’embryons de xénope. L’introduction de ce dominant négatif ne perturbe pas le mécanisme qui guide les axones de la rétine vers leur destination, le tectum. Cependant, une fois la cible des axones atteinte, leur branchement ne se fait plus correctement et ceux-ci gardent leur structure de cône de croissance. Le rôle de la ligase Nedd4 dans la fonction du système UPS dans le branchement axonal a été ensuite recherché. Nous avons montré que Nedd4 est exprimée dans les axones des CGR et que l’inhibition de sa fonction in vivo par injection d’un dominant négatif ou d’un morpholino induit des défauts importants de branchement des axones, défauts similaires à ceux observés avec le dominant négatif de l’ubiquitine.

Le substrat de Nedd4 impliqué dans la formation du branchement axonal a de plus été identifié. Nedd4 interagit avec la phosphatase de PIP3 (phosphatidylinositol 3, 4, 5 triphosphate) nommée PTEN (phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome 10). C’est un substrat connu de Nedd4 qui en contrôle le niveau d’expression dans les axones des CGR. PTEN est un régulateur négatif de la voie de signalisation PI3K (phosphatidylinositol 3 kinase) impliquée dans la dynamique du cytosquelette neuronal et le processus qui guide les axones. Une observation-clé est que la surexpression de PTEN inhibe le branchement axonal des CGR, mimant le phénotype observé lorsque Nedd4 est inhibée, tandis que son inhibition restaure le branchement axonal. Enfin, le traitement des CGR par la nétrine induit la rétraction des cônes de croissance rétiniens de façon dépendante du sytème UPS et provoque une diminution rapide de l’expression de PTEN.

L’ensemble de ces résultats conduit au modèle suivant : la nétrine exprimée dans le tectum pourrait induire au niveau du cône de croissance la dégradation de PTEN via la ligase Nedd4. La voie de signalisation PI3K serait ainsi activée, ce qui enclencherait la réorganisation du cytosquelette et permettrait la formation du branchement axonal (Figure 1). Parallèlement à cette étude, le travail de H. Kawabe et al. a montré que l’enzyme Nedd4 est aussi impliquée dans le branchement dendritique via la dégradation d’un autre substrat, la protéine GTPase Rap2A [12]. Ces résultats démontrent le rôle central de la ligase Nedd4 dans le développement des branchements neuritiques et ouvrent de nouvelles perspectives quant à la spécificité cellulaire des couples ligases/substrats dans le développement des connexions neuronales.

thumbnail Figure 1

Représentation schématique de l’implication du couple Nedd4/PTEN dans le branchement axonal. Des signaux extracellulaires régulent la formation du branchement axonal par le système UPS. L’activation de l’ubiquitine ligase Nedd4 induit la dégradation de son substrat PTEN par le protéasome, ce qui entraîne l’activation de la voie de signalisation PI3K et, en conséquence, favorise le branchement axonal.

Conflit d’intérêts

L’auteur déclare n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

Références

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  7. Myat A, Henry P, McCabe V, et al. Drosophila Nedd4, a ubiquitin ligase, is recruited by Commissureless to control cell surface levels of the roundabout receptor. Neuron 2002 ; 35 : 447-59. [Google Scholar]
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  9. Sieburth D, Ch’ng Q, Dybbs M, et al. Systematic analysis of genes required for synapse structure and function. Nature 2005 ; 436 : 510-7. [Google Scholar]
  10. Campbell DS, Holt CE. Chemotropic responses of retinal growth cones mediated by rapid local protein synthesis and degradation. Neuron 2001 ; 32 : 1013-26. [Google Scholar]
  11. Drinjakovic J, Jung H, Campbell DS, et al. E3 ligase Nedd4 promotes axon branching by downregulating PTEN. Neuron 2010 ; 65 : 341-57. [Google Scholar]
  12. Kawabe H, Neeb A, Dimova K, et al. Regulation of Rap2A by the ubiquitin ligase Nedd4-1 controls neurite development. Neuron 2010 ; 65 : 358-72. [Google Scholar]
  13. Andermarcher E, Bossis G, Farras R, et al. La dégradation protéasomique. De l’adressage des protéines aux nouvelles perspectives thérapeutiques. Med Sci (Paris) 2005 ; 21 : 141-9. [Google Scholar]
  14. Mehlen P, Rama N. Nétrine-1 et guidage axonal : signalisation et traduction asymétrique. Med Sci (Paris) 2007 ; 23 : 311-5 [Google Scholar]

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Liste des figures

thumbnail Figure 1

Représentation schématique de l’implication du couple Nedd4/PTEN dans le branchement axonal. Des signaux extracellulaires régulent la formation du branchement axonal par le système UPS. L’activation de l’ubiquitine ligase Nedd4 induit la dégradation de son substrat PTEN par le protéasome, ce qui entraîne l’activation de la voie de signalisation PI3K et, en conséquence, favorise le branchement axonal.

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