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Home All issues Volume 40 / No 2 (Février 2024) Med Sci (Paris), 40 2 (2024) 167-175 Full HTML
Open Access
Issue
Med Sci (Paris)
Volume 40, Number 2, Février 2024
Page(s) 167 - 175
Section M/S Revues
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2023220
Published online 27 February 2024

© 2024 médecine/sciences – Inserm

Licence Creative CommonsArticle publié sous les conditions définies par la licence Creative Commons Attribution License CC-BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0), qui autorise sans restrictions l'utilisation, la diffusion, et la reproduction sur quelque support que ce soit, sous réserve de citation correcte de la publication originale.

Vignette (© Pierre Génin).

L’optineurine

L’optineurine (OPTN pour optic neuropathy inducing protein) est une protéine cytosolique de 577 acides aminés (de masse moléculaire 67 kDa), impliquée dans des fonctions cellulaires aussi diverses que la régulation de la voie de signalisation impliquant NF-κB (nuclear factor-kappa B), le trafic membranaire, l’exocytose, le transport vésiculaire, la réorganisation du cytosquelette, le contrôle du cycle cellulaire, la réponse au stress du réticulum endoplasmique (RE), ou encore l’autophagie [1]. La diversité de ces fontions est assurée par le large éventail de proteines avec lesquelles l’OPTN interagit. La structure de l’OPTN, présentant des homologies avec celle de NEMO (NF-κB essential modulator, le modulateur essentiel de la voie de signalisation de NF-κB), comporte deux domaines en superhélice, un domaine C-terminal UBD (ubiquitin-binding domain), retrouvé dans les protéines de la famille ABIN (A20 binding and inhibitor of NFκB) et la protéine CEP55 (centrosomal protein 55), et un doigt de zinc permettant à l’OPTN de se lier à des protéines modifiées par ubiquitination. Cependant, l’OPTN diverge de NEMO par la présence d’une région « insert » de 166 acides aminés située dans sa région N-terminale. Cette région contient un domaine leucine-zipper et une région LIR (LC3-interacting region) qui lie les membres de la famille LC3 (microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3) et GABARAP (GABA type A receptor-associated protein).

Des mutations de l’OPTN ont été associées au glaucome à tension normale et à la sclérose latérale amyotrophique, et des variations d’expression de son gène ont également été liées au développement de la maladie de Paget des os1 et à la maladie de Crohn (une maladie inflammatoire chronique du tube digestif). En plus de son rôle dans la xénophagie, processus cellulaire conduisant à la destruction des pathogènes cytosoliques, et l’agrégophagie, pour celle des agrégats de protéines, l’OPTN a également été identifiée comme un des récepteurs essentiels de la mitophagie, un mécanisme d’autophagie sélectif de dégradation et de recyclage des mitochondries défectueuses.

De par l’importance croissante des études montrant l’impact des dérèglements des fonctions mitochondriales dans le développement des maladies neurodégénératives, cette revue décrit les liens mis en évidence récemment entre le rôle clé de la protéine OPTN dans la régulation de l’homéostasie des mitochondries et les maladies associées à cette fonction.

Les fonctions mitochondriales

Au sein de la cellule, la fonction principale de la mitochondrie est la phosphorylation oxydative qui permet la production d’ATP. Celle-ci nécessite le couplage entre le transfert d’électrons dans la membrane mitochondriale interne et la translocation de protons à travers cette même membrane. Outre leur rôle dans la production d’énergie sous forme d’ATP, les mitochondries sont impliquées dans de nombreux autres processus, comme le métabolisme des acides aminés et celui des lipides, l’homéostasie calcique, mais aussi dans d’autres fonctions cellulaires, comme l’induction de l’apoptose, l’inflammation tissulaire ou encore la signalisation antivirale. Le métabolisme énergétique mitochondrial contrôle en particulier le rythme du développement neuronal, et un dysfonctionnement de ce métabolisme conduit à une maladie neurodéveloppementale [2].

La dynamique mitochondriale (Figure 1A)

Le maintien de l’intégrité fonctionnelle des mitochondries est un processus dynamique qui fait intervenir leur biogénèse, leur fusion, leur fission, leur transport bidirectionnel, et la mitophagie. L’état énergétique cellulaire est étroitement lié à la morphologie du réseau mitochondrial : un réseau fusionné, dans lequel les mitochondries sont reliées entre elles, est associé à une production énergétique plus importante qu’un réseau fissionné, dans lequel les mitochondries sont individualisées [3]. À l’inverse, la fission mitochondriale participe à l’activation de l’apoptose et augmente le flux mitophagique (c’est-à-dire le déplacement des mitochondries au sein du cytoplasme). Dans les cellules non neuronales, un stress énergétique léger induit la fusion mitochondriale, ce qui permet de maintenir la viabilité cellulaire. Dans les cellules neuronales, un réseau hautement interconnecté est généralement observé dans le soma et le compartiment dendritique, facilitant la réponse à une demande énergétique élevée et au maintien des réservoirs de calcium (Ca2+) dans les régions à forte densité de synapses [4]. Les mitochondries situées dans les axones ont ainsi une taille réduite, probablement pour favoriser leur transport sur des distances plus longues avant d’atteindre les sites présynaptiques où elles apportent l’énergie permettant la libération des neurotransmetteurs. Dans les neurones, la biogenèse mitochondriale fait intervenir un mécanisme propre à ces cellules : le processus de remplacement des mitochondries situées à une longue distance de l’axone à partir du soma nécessite en effet plusieurs jours pour être achevé [5].

thumbnail Figure 1.

Structure et dynamique mitochondriales. A. Les mitochondries se composent d’une membrane externe et d’une membrane interne, délimitant trois milieux distincts : le cytoplasme de la cellule, l’espace intermembranaire mitochondrial et la matrice mitochondriale. Chaque mitochondrie contient plusieurs dizaines de nucléoïdes, chacun portant une ou plusieurs copies de l’ADN mitochondrial. B-D. Le maintien de l’intégrité fonctionnelle des mitochondries est un processus dynamique, constitué de la biogénèse, de la fusion, de la fission, du transport bidirectionnel et de la mitophagie. B. La fusion des membranes mitochondriales est médiée par trois GTPases de la superfamille des dynamines : Mfn1, Mfn2, pour la membrane externe, et Opa1 pour la membrane interne, alors que la fission mitochondriale fait intervenir la GTPase liée à la dynamine, Drp1. C. Lors de la mitophagie, la protéine myosine VI est recrutée aux mitochondries endommagées et ubiquitinées, favorisant l’assemblage d’une « cage » composée d’actine pour isoler et prévenir une nouvelle fusion des mitochondries dysfonctionnelles [54]. D. Le transport des mitochondries dépend principalement du réseau de microtubules. Les moteurs moléculaires se lient aà la surface des mitochondries via les protéines réceptrices Miro1 et Miro2, deux GTPases transmembranaires qui interagissent avec les kinésines par l’intermédiaire des protéines Milton (Trak1 et Trak2). Les complexes Miro-Milton-kinésine assurent le transport antérograde des mitochondries le long des microtubules jusqu’au site de demande énergétique. Le transport rétrograde est quant aà lui dépendant du complexe Miro-Milton-dynéine/dynactine. GTPase : guanosine triphosphatase ; Mfn1/2 : mitofusin 1/2 ; Opa1 : optic atrophy 1 ; Drp1 : dynamin-related protein 1 ; Miro1/2 : mitochondrial Rho GTPases 1/2 ; TRAK1/2 : trafficking kinesinbinding protein 1.

La fission et la fusion mitochondriales (Figure 1B)

Les molécules impliquées dans la fission (c’est-à-dire la fragmentation mitochondriale) et la fusion des mitochondries sont bien caractérisées. La fission mitochondriale fait intervenir la GTPase liée à la dynamine Drp1 (dynamin-related protein 1) qui est recrutée à la membrane externe des mitochondries grâce aux récepteurs Mff (mitochondrial fission factor) et MIEF (mitochondrial elongation factor) (MIEF1/MiD51 et MIEF2/MiD49). La fusion des membranes mitochondriales implique quant à elle, trois autres GTPases de la superfamille des dynamines : Mfn1, Mfn2 (mitofusin 1/2), pour la membrane mitochondriale externe, et Opa1 (optic atrophy 1) et ses isoformes pour la membrane mitochondriale interne [3].

Le transport bidirectionnel (Figure 1D)

Le transport des mitochondries nécessite l’activité de moteurs moléculaires associés au réseau de microtubules, bien que le transport le long d’autres éléments du cytosquelette puisse également se produire. Les moteurs moléculaires sont connectés à la surface de la mitochondrie par l’intermédiaire des protéines réceptrices Miro (mitochondrial Rho GTPase) 1 et Miro2, deux GTPases transmembranaires localisées dans la membrane externe de la mitochondrie. Miro1 et Miro2 interagissent avec des kinésines2 par l’intermédiaire des protéines Milton, également connues sous le nom de Trak1 et Trak2. Ces complexes Miro-Milton-kinésine assurent le transport antérograde des mitochondries (du soma vers la terminaison), le long des microtubules, jusqu’au site de demande énergétique. Le transport rétrograde (de la terminaison vers le soma) est quant à lui assuré par le complexe Miro-Milton-dynéine/dynactine. La dynamique du transport mitochondrial est régulée par la signalisation calcique, la demande énergétique locale, la stabilité des microtubules et l’état des mitochondries [6]. À noter que l’augmentation du trafic mitochondrial, i.e. la reprise du transport des mitochondries stationnaires endommagées depuis les axones vers le compartiment somato-dendritique, protège contre la dégénérescence axonale [7].

La mitophagie

Rôle physiologique de la mitophagie

La mitophagie représente un mécanisme de contrôle qualité permettant la reconnaissance des mitochondries défectueuses, âgées ou en excès, et leur élimination sélective [3]. Il existe un équilibre étroitement régulé entre dégradation et biogénèse des mitochondries, en lien avec les signaux métaboliques cellulaires. L’accumulation de mitochondries endommagées étant toxique pour la cellule, elles seront rapidement éliminées par mitophagie. En plus de l’élimination sélective des mitochondries endommagées, la mitophagie est également nécessaire pour ajuster le nombre de mitochondries aux besoins métaboliques de la cellule, pour assurer l’homéostasie des mitochondries, et à certains stades de différenciation cellulaire, comme lors du développement des globules rouges. La mitophagie est particulièrement importante dans les neurones, car en l’absence de division cellulaire, ces cellules accumuleraient des mitochondries endommagées et inefficaces, constituant une menace pour leur viabilité [8].

Mitophagie et survie cellulaire

L’élimination des mitochondries endommagées est importante pour la survie des cellules et pour prévenir l’accumulation des espèces réactives de l’oxygène (ROS) et l’induction de l’apoptose [3]. La mitophagie a en effet été associée à la mort cellulaire et aux lésions tissulaires. Par ailleurs, la mitochondrie joue un rôle clé dans l’orchestration de l’apoptose, notamment à la suite d’un stress environnemental. Les signaux pro-apoptotiques intracellulaires déclenchent la perméabilisation de la membrane mitochondriale, conduisant à la libération cytosolique de facteurs induisant l’apoptose (tels que le cytochrome c) [9].

Mitophagie et Inflammation

La mitophagie est impliquée dans de nombreuses voies de signalisation contrôlant l’immunité, innée et acquise. Elle joue un rôle important pour limiter les signaux pro-inflammatoires induits par des motifs moléculaires associés aux pathogènes (PAMP), tels que les lipopolysaccharides bactériens (LPS), ou par des motifs moléculaires associés au danger (DAMP), tels que l’ATP extracellulaire ou l’accumulation de protéines mal repliées [10]. L’inflammation a été reliée à la mitophagie, principalement au niveau de l’inflammasome NLRP3 (NLR family, pyrin domain-containing 3). Cette plateforme multiprotéique joue un rôle clé dans la réponse immunitaire innée par sa capacité à induire la production de cytokines pro-inflammatoires comme l’IL (interleukine)-1b et l’IL-18. Les mitochondries sont de puissants activateurs du système immunitaire grâce à leur capacité, lorsqu’elles sont endommagées, à générer des ROS qui sont des médiateurs importants de l’activation de l’inflammasome NLRP3. Des défauts de la mitophagie sont ainsi responsables de l’augmentation des niveaux de ROS et de l’activation élevée de l’inflammasome. Inversement, l’activation de l’inflammasome peut conduire à l’accumulation de mitochondries endommagées, soulignant les interconnexions entre l’inflammasome et la mitophagie [11]. Il existe également un lien entre la signalisation impliquant NF-κB (un facteur de transcription impliqué dans la production de cytokines proinflammatoires) et la mitophagie [12]. Des données récentes ont montré que la protéine NEMO est recrutée dans les mitochondries endommagées de manière dépendante de Parkin, selon une évolution temporelle similaire à celle de l’OPTN, mais à une localisation distincte [13]. Le recrutement de NEMO permet la signalisation via NF-κB et la production de cytokines proinflammatoires. Ces résultats suggèrent que la mitophagie et la signalisation NF-κB sont activées comme des voies parallèles en réponse au stress mitochondrial.

Les mécanismes moléculaires de la mitophagie (Figures 1C,2)

L’élimination des mitochondries peut être constitutive (pour le maintient de l’homéostasie cellulaire) ou induite (à la suite de dommages ou de stress). Lorsqu’une mitochondrie est dépolarisée ou endommagée, la protéine kinase PINK1 (PTEN-induced kinase 1) s’accumule à sa surface et phosphoryle les chaînes d’ubiquitine déjà présentes. La E3 ubiquitine-ligase Parkin est alors recrutée et augmente la concentration locale d’ubiquitine, afin de promouvoir le recrutement des récepteurs de l’autophagie qui relient physiquement les mitochondries à éliminer à la membrane des autophagosomes. La protéine kinase activée par l’AMP (AMPK) facilite l’élimination des mitochondries endommagées en favorisant la fission grâce à la phosphorylation du facteur de fission mitochondrial (Mff). AMPK agit également en inhibant la voie mTORC qui favorise la croissance et régule négativement la fonction des kinases ULK (Unc-51-like kinase) 1/2 [10]. La nature et l’origine des récepteurs de la mitophagie peuvent varier en fonction du type de mitophagie : certains récepteurs sont des protéines ou des lipides localisés dans la membrane mitochondriale, tandis que d’autres sont des protéines non mitochondriales qui se lient à la fois à des protéines ubiquitinées à la surface de la mitochondrie (via leur UBD [ubiquitin binding domain]) et aux membres de la famille des protéines LC3/GABARAP (appelés également ATG8 [autophagy related gene 8]) associés au phagophore (via la région LIR). Cinq récepteurs cytosoliques ont été identifiés : p62/SQSTM1 (sequestosome-1), NBR1 (neighbor of BRCA1 gene 1), Tax1BP1 (Tax1 binding protein 1), NDP52 (nuclear dot protein 52 kDa) et OPTN. Parmi eux, seuls les 2 derniers sont requis pour permettre la mitophagie par la voie classique qui implique PINK1 et Parkin [14]. L’OPTN et NDP52 présentent des distributions tissulaires et une régulation fonctionnelle distinctes. En effet, l’OPTN est fortement exprimée dans le cerveau, ce qui n’est pas le cas de NDP52. D’un point de vue fonctionnel, la kinase TBK1 (TANK-binding kinase-1) agit comme un régulateur de la mitophagie, en phosphorylant l’OPTN sur plusieurs sites pour renforcer son interaction avec LC3 et augmenter son interaction avec les chaînes d’ubiquitine décorant les mitochondries [15]. Cependant, le mécanisme par lequel NDP52 et l’OPTN participent à la mitophagie apparaît plus complexe. Une étude récente, réalisée in vitro, indique que l’OPTN peut agir via deux axes distincts, OPTN-ATG8 et OPTN-ATG9A, pour amorcer la formation locale de membrane autophasomale, alors que NDP52 utilise les voies NDP52-ATG8 et NDP52-FIP200 (FAK family-interacting protein of 200 kDa) [16]. L’interaction entre l’OPTN et ATG9A serait indépendante de TBK1 et requise pour permettre la fonction de l’OPTN dans la mitophagie [17]. TBK1 apparaît essentielle également pour le recrutement du complexe ULK1/2, alors que la fonction de NDP52 est dépendante, soit du complexe ULK1/2, soit de TBK1 lorsque ce complexe est absent.

thumbnail Figure 2.

Mécanismes moléculaires de la mitophagie. Lors d’un stress mitochondrial, l’importation de la kinase PINK1 dans la membrane interne des mitochondries est bloquée, entraînant l’accumulation de PINK1 non clivée sur la membrane externe (1). PINK1 phosphoryle la E3 Ubiquitine (Ub) ligase cytosolique Parkin (2), qui est alors recrutée aux mitochondries (3). Une fois activé par PINK1, Parkin conjugue des chaînes d’Ub aux protéines mitochondriales de la membrane externe qui sont, à leur tour, phosphorylées par PINK1. Les chaines d’Ub ainsi formées constituent des plateformes pour le recrutement des récepteurs de la mitophagie tels que la protéine OPTN (4). La phosphorylation des adaptateurs d’autophagie par la kinase TBK1 augmente leurs activités de liaison à l’Ub et leurs affinités pour les protéines LC3/GABARAP localisées à la membrane des autophagosomes en formation (5). PINK1 : phosphatase and tensin homolog-induced putative kinase 1 ; TBK1 : TRAF family member-associated NF-kappa-B activator-binding kinase 1 ; OPTN : optic neuropathy-inducing protein ; LC3 : microtubule-associated protein 1A/1B - light chain 3 ; GABARAP : Gamma-aminobutyric acid receptor-associated protein ; ROS : reactive oxygen species ; Ub : ubiquitine.

L’OPTN et les maladies neurodégénératives (Figure 3)

Des dysfonctionnements de la mitophagie, en lien avec des mutations et/ou des variations de l’expression de l’OPTN, sont associés à plusieurs maladies, en particulier des maladies neurodégénératives.

thumbnail Figure 3.

Maladies associées à l’optineurine. Des mutations de l’OPTN ont été associées au développement de certaines formes de glaucome. Les mutants E50K et M98K induisent la mort des cellules ganglionnaires de la rétine. Le mutant E50K perturbe l’autophagie et induit une réduction du transport axonal (représenté par les éléments en vert), alors que le mutant M98K induit l’autophagie du récepteur de la transferrine provoquant la mort sélective des cellules rétiniennes. L’impact du mutant E50K sur l’autophagie pourrait être attribué à son interaction renforcée avec TBK1. Le mutant H486R bloque l’interaction d’OPTN avec la déubiquitinase CYLD, abolissant ainsi sa capacité à inhiber la voie de signalisation de NF-κB induite par des cytokines proinflammatoires ou par les lipopolysaccharides. Le lien entre des mutations R96L, Q398X, E478G de l’OPTN et le dévelopement de la sclérose latérale amyotrophique (SLA) est particulièrement documenté. L’expression des mutants E478G et Q398X est responsable d’une neuroinflammation liée à une forte activité de NF-κB et d’une inhibition de la mitophagie. Dans le cas du mutant R96L, seule une accumulation importante d’agrégats TDP-43 ubiquitinés a été observée. L’OPTN est couramment détectée, avec une localisation comparable à celle du marqueur autophagique LC3, dans les corps de Lewy (dépôts anormaux d’alphasynucléine) caractéristiques de la maladie de Parkinson. L’OPTN est également retrouvée dans les agrégats protéiques de la maladie de Huntington et interagit avec la protéine Htt, mutée dans cette maladie. La forme altérée d’Htt délocalise l’OPTN et son partenaire d’interaction Rab8 de l’appareil de Golgi, conduisant à une perturbation du trafic post-Golgien. L’OPTN a été détectée dans les accumulations intracellulaires cérébraux de peptides Ab-amyloiïdes et Tau caractéristiques de la maladie d’Alzheimer. Associée à la mutation Tau-P301L, l’expression de l’OPTN limiterait l’apoptose, améliorerait la viabilité cellulaire et augmenterait l’élimination de la protéine Tau cytosolique. TBK1 : TRAF family member-associated NF-kappa-B activator-binding kinase 1 ; OPTN : optic neuropathy-inducing protein ; CYLD : cylindromatosis ; SLA : sclérose latérale amyotrophique ; LC3 : microtubule-associated protein 1A/1B- light chain 3 ; ROS : reactive oxygen species ; Htt : huntingtine ; TDP-43 : TAR DNA-binding protein 43 ; NF-κB : nuclear factor kappa-B ; Fe : atome de fer.

Le glaucome à angle ouvert

Le glaucome est la seconde cause de cécité bilatérale irréversible dans le monde. Cette neuropathie est caractérisée par la perte progressives des cellules ganglionnaires de la rétine (RGC) qui constituent le nerf optique [18].

Des mutations affectant le gène codant l’OPTN ont été associées au développement de trois formes de glaucome : glaucome à tension normale (NTG), glaucome juvénile et glaucome primaire à angle ouvert [19]. Parmi les mutations cliniquement rapportées, une dizaine d’entre elles ont été définies comme causales, en particulier les mutations H26D, E50K, M98K, T202R ou H486R3. Les mutants E50K et M98K ont été les plus étudiés. Ces mutations induisent la mort des cellules ganglionnaires de la rétine [19, 20].

Les études visant à comprendre le rôle de l’OPTN dans le développement du glaucome ont cherché à définir les conséquences biologiques des mutations de cette protéine. Le mutant E50K affecte la dégradation de TDP-43 (TAR DNA-binding protein 43), dont les agrégats sont associés à la neurodégénérescence, et pourrait jouer un rôle important dans la maladie rétinienne glaucomateuse [21]. Cette mutation aggrave également le déficit en facteurs neurotrophiques de la rétine, entraîne des dysfonctionnements énergétiques liés à l’âge, ainsi que des perturbations de l’autophagie dans les cellules ganglionnaires de la rétine (RGC) [22, 23]. L’impact de ce mutant sur l’autophagie peut être attribué à son interaction renforcée avec TBK1 [24]. OPTN-E50K modifie également la production de ROS et entraîne une accumulation massive de mitochondries extracellulaires le long du nerf optique [25]. Le mutant E50K induit également une réduction du transport axonal rétrograde et antérograde, phénomène précurseur de la dégénérescence axonale des RGC [26]. Un mécanisme alternatif, appelé transmitophagie, sert à dégrader les mitochondries en dehors de l’axone des RGC, en les transportant dans les astrocytes avoisinants. Il a été montré récemment que ce mécanisme implique l’OPTN et son efficacité serait augmentée par la mutation E50K [25]. La mutation OPTN-M98K est, quant à elle, une mutation gain-de-fonction induisant l’autophagie du récepteur de la transferrine (TFRC), ce qui provoque la mort sélective des cellules rétiniennes [27]. Une autre mutation (H486R) bloque l’interaction entre l’OPTN et la déubiquitinase CYLD (cylindromatosis), ce qui abolit la capacité de CYLD à inhiber la voie de signalisation de NF-κB induite par des cytokines proinflammatoires ou par le LPS [28]. L’insertion de deux paires de bases dans le gène OPTN (691-692insAG ou 2bpIns-OPTN), associée à la fois au glaucome et à la sclérose latérale amyotrophique, amplifie l’activité de TBK1 et induit une perturbation de l’autophagie susceptible de déclencher la mort cellulaire [29]. Les mécanismes moléculaires associés à la mort des cellules ganglionnaires de la rétine sont toutefois encore très mal compris.

Sclérose latérale amyotrophique et démence fronto-temporale

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative liée à la perte progressive des motoneurones cérébraux et spinaux. Elle est parfois associée à un déclin cognitif caractérisé par une démence fronto-temporale. Au niveau cellulaire, la SLA se caractérise par l’accumulation d’agrégats protéiques ubiquitinés dans les neurones moteurs, contenant notamment la protéine TDP-43 et éventuellement l’OPTN [30]. Il a été montré récemment que des mutations de protéines contenant un domaine LIR, telles que p62 et OPTN, contribuent aux formes familiales de démence fronto-temporale et de sclérose latérale amyotrophique [31]. D’un point de vue mécanistique, plusieurs études ont suggéré que les granules de stress (agrégats de protéines cytoplasmiques induits par un stress) constituent les sites originels de la formation des agrégats pathogènes dans les neurones de la SLA [32]. La majorité (90 %) des formes de SLA sont sporadiques, et 10 % sont héréditaires. Des mutations de SOD1, TDP-43, FUS, ou C9ORF72 sont présentes dans deux cas familiaux sur trois, et des mutations des gènes UBQLN2, p62/SQSTM1, TBK1 ou OPTN ont été également rapportées [33]. Le lien entre OPTN et SLA est particulièrement documenté. Une diminution de l’expression de son ARNm a été observée dans le sang d’un seul patient présentant une SLA et une démence fronto-temporale, alors qu’une augmentation de son expression a été associée à d’autres mutations de gènes responsables de SLA, suggérant un effet neuroprotecteur compensatoire [34]. Les trois mutations les plus fréquentes de l’OPTN responsables de SLA sont R96L, Q398X et E478G4. L’expression des mutants OPTN-E478G et OPTN-Q398X est responsable d’une neuroinflammation avec une sécrétion accrue d’IL-1b (due à la perte d’inhibition de NF-κB) [35]. Elle perturbe également le recrutement de l’OPTN aux chaînes d’ubiquitine et inhibe la mitophagie [36]. D’un point de vue clinique, l’utilisation d’anti-IL-1b améliore la symptomatologie de souris transgénique OPTN-E478G [37]. L’expression chez la souris d’une mutation (OPTN-470T5), qui inhibe également la liaison aux ubiquitine, n’a pas permis d’observer de neurodégénerescence, que ce soit chez la souris jeune ou âgée [38]. Quant à l’effet de la mutation R96L-OPTN, seule une accumulation importante d’agrégats TDP-43 ubiquitinés a été observée [39]. Comme pour le glaucome, les mutations d’OPTN peuvent être associées à d’autres mutations, comme celles affectant TBK1, et induire alors des maladies plus précoces et/ou associées à une démence fronto-temporale [34, 40].

La maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson est caractérisée par une perte progressive des neurones moteurs dopaminergiques de la substance noire, entraînant, entre autres, une akinésie (difficulté à initier le mouvement), une hypertonie des membres, ainsi que des tremblements. Comme pour la SLA, cette pathologie est majoritairement sporadique (90 %) et héréditaire dans 10 % des cas. Une dizaine de gènes a été impliquée dans les formes familiales de Parkinson : PARK1-4 (SNCA ; α-synucléine), PARK8 (leucine-rich repeat kinase enzyme, LRRK-2), PARK2 (Parkin), PARK6 (PINK1), PARK7 (DJ-1), PARK9 (ATP13A2) et aussi les gènes codant la glucocérébrosidase (GBA), PARK17 (VPS35), PARK18 (EIF4G1) et PARK16, suggérant un lien fort entre cette maladie et des dysfonctionnements mitochondriaux [41]. L’accumulation de l’a-synucléine joue un rôle majeur dans la pathogenèse de la maladie de Parkinson car son accumulation provoque un stress oxydant, une perturbation du potentiel membranaire des mitochondries, une fragmentation mitochondriale, une dérégulation de l’homéostasie calcique et, in fine, une augmentation de la libération du cytochrome c, conduisant à la dégénérescence des neurones dopaminergiques. Bien qu’il soit courant de détecter l’OPTN dans les corps de Lewy, caractéristiques de la maladie, seuls quatre cas d’une même famille présentant une mutation OPTN-K328E6, en lien avec le développement de Parkinson, ont été rapportés [42]. L’OPTN exerce sa fonction mitophagique en aval de PINK1 et de Parkin, qui ont été formellement impliqués dans le parkinsonisme. Son recrutement aux mitochondries dépolarisées dans les neurones dopaminergiques dépend de la protéine DJ-1 (ou PARK7), autre gène de susceptibilité à la maladie de Parkinson [43]. Il a été démontré que le pesticide Roténone et l’herbicide Paraquat, qui ciblent sélectivement le complexe I de la chaîne respiratoire mitochondriale, sont responsables de maladies de Parkinson induites [44]. Dans un modèle murin de la maladie de Parkinson, l’OPTN est enrichie dans les neurones dopaminergiques du mésencéphale ; son expression est augmentée par l’exposition au Roténone et elle présente une localisation cellulaire comparable à LC3 et aux agrégats d’a-synucléine [45].

La maladie de Huntington

La maladie de Huntington est caractérisée par une neurodégénérescence, notamment au niveau du striatum, conduisant à des troubles moteurs, cognitifs et psychiatriques. L’OPTN a été identifiée dans les agrégats protéiques retrouvés dans la maladie de Huntington. Elle interagit avec l’huntingtine (Htt), une protéine mutée dans la maladie de Huntington [46]. L’huntingtine joue un rôle crucial dans la régulation du trafic post-Golgien vers la membrane plasmique et les lysosomes, et sa déplétion affecte l’organisation spatiale des endosomes tardifs et des lysosomes. Cette fonction de l’huntingtine semble dépendre de l’OPTN et de la petite GTPase Rab8, puisqu’une forme altérée de l’huntingtine, présentant une expansion anormale de polyglutamine (mHtt), délocalise l’OPTN et Rab8 de l’appareil de Golgi qui, à son tour, altère le trafic post-Golgien vers les lysosomes [47]. L’OPTN participe à la formation des agrégats et a un rôle cytoprotecteur dans des cellules neuronales et non neuronales présentant des agrégats des protéines mutantes (mHtt et mAtax-3 [ataxine-3 mutée]) [48].

La maladie d’Alzheimer

La maladie d’Alzheimer est une maladie neurodégénérative entraînant des troubles cognitifs et un déclin de la mémoire. Elle est liée à l’accumulation cérébrale de peptides Aβ (β-amyloïde) et de la protéine Tau, ainsi que des dysfonctionnements mitochondriaux. L’OPTN a été détectée dans les enchevêtrements neurofibrillaires et les neurites dystrophiques présents dans les cellules de patients [49]. Lorsque la maladie d’Alzheimer est associée à la mutation Tau-P301L7, l’OPTN joue un rôle particulièrement important pour limiter l’apoptose, améliorer la viabilité cellulaire et augmenter la clairance de la protéine Tau cytosolique [50]. La maladie d’Alzheimer est également associée à des perturbations métaboliques, en particulier l’accumulation de cholestérol dans le cerveau. Celle-ci entraîne une diminution du flux mitophagique en lien avec un défaut de recrutement d’OPTN aux mitochondries [51]. Dans un modèle murin de la maladie d’Alzheimer, la surexpression de PINK1, par thérapie génique, a permis d’augmenter la mitophagie dépendante d’OPTN et du récepteur autophagique NDP52 (nuclear dot protein 52), limitant la perte de synapses induite par les peptides Aβ et le déclin cognitif associé [52]. Le ciblage de l’OPTN a également permis la clairance des dépôts de peptides Aβ dans les os de souris servant de modèle de la maladie d’Alzheimer [53]. En effet, l’inhibition de l’expression de l’OPTN et de p62 augmente la densité et la résistance osseuse, favorise la clairance des peptides Aβ dans le tissu osseux et maintient l’homéostasie osseuse.

Les autres maladies neurodégénératives

La maladie de Pick, une maladie neurodégénérative associée à une démence, est caractérisée par une dégénérescence lobulaire fronto-temporale due à l’agrégation de protéine Tau dans des inclusions pathogéniques appelées corps de Pick, dans lesquelles l’OPTN peut être présente. Il en est de même pour l’atrophie multi-systémique, où la présence de l’OPTN est retrouvée dans les inclusions cytoplasmiques gliales associées aux neurones pyramidaux [49].

Conclusion

Un nombre croissant d’études place les dysfonctionnements mitochondriaux au centre de la physiopathologie des maladies neurodégénératives. La protéine OPTN joue un rôle essentiel dans le processus de mitophagie, une voie cruciale pour la régulation de l’homéostasie des mitochondries. Une altération de l’OPTN est associée à diverses maladies neurodégénératives, telles que le glaucome et la sclérose latérale amyotrophique, provocant soit une perte de la fonction autophagique et mitophagique, soit favorisant la fonction autophagique. Ces perturbations peuvent entraîner une accumulation de mitochondries endommagées et d’agrégats protéiques caractéristiques de ces maladies. Bien que les mécanismes impliqués nécessitent encore des investigations approfondies dans nombre de ces maladies, l’OPTN et les protéines qui lui sont associées offrent un axe de recherche prometteur pouvant faire émerger de nouvelles cibles thérapeutiques d’intérêt.

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

1

La maladie de Paget des os, se caractérise par une réparation osseuse anormalement rapide, ce qui peut occasionner l’affaiblissement et une croissance excessive des os.

2

Les kinésines font partie des moteurs moléculaires linéaires qui se déplacent le long des microtubules dans les cellules.

3

H26D : substitution de l’histidine [H] en position 26 en acide aspartique [D], E50K : substitution de l’acide glutamique [E] en position 50 en lysine [K], M98K : substitution de la meèthionine [M] en position 98 en lysine [K], T202R : substitution de la threèonine [T] en position 202 en arginine [R], H486R : substitution de l’histidine [H] en position 486 en arginine [R].

4

R96L : substitution de l’arginine [R] en position 96 en leucine [L], Q398X : substitution de la glutamine [Q] en position 398 par un acide aminé quelconque, E478G : substitution de l’acide glutamique [E] en position 478 en glycine [G].

5

Introduction d’un codon d’arrêt prématurée en position 470 conduisant à une protéine OPTN tronquée de son domaine de liaison aux ubiquitines.

6

K328E : substitution de la lysine [K] en position 328 en acide glutamique [E].

7

P301L : substitution de la proline [P] en position 301 de la protéine Tau en leucine [L].

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Liste des figures

thumbnail Figure 1.

Structure et dynamique mitochondriales. A. Les mitochondries se composent d’une membrane externe et d’une membrane interne, délimitant trois milieux distincts : le cytoplasme de la cellule, l’espace intermembranaire mitochondrial et la matrice mitochondriale. Chaque mitochondrie contient plusieurs dizaines de nucléoïdes, chacun portant une ou plusieurs copies de l’ADN mitochondrial. B-D. Le maintien de l’intégrité fonctionnelle des mitochondries est un processus dynamique, constitué de la biogénèse, de la fusion, de la fission, du transport bidirectionnel et de la mitophagie. B. La fusion des membranes mitochondriales est médiée par trois GTPases de la superfamille des dynamines : Mfn1, Mfn2, pour la membrane externe, et Opa1 pour la membrane interne, alors que la fission mitochondriale fait intervenir la GTPase liée à la dynamine, Drp1. C. Lors de la mitophagie, la protéine myosine VI est recrutée aux mitochondries endommagées et ubiquitinées, favorisant l’assemblage d’une « cage » composée d’actine pour isoler et prévenir une nouvelle fusion des mitochondries dysfonctionnelles [54]. D. Le transport des mitochondries dépend principalement du réseau de microtubules. Les moteurs moléculaires se lient aà la surface des mitochondries via les protéines réceptrices Miro1 et Miro2, deux GTPases transmembranaires qui interagissent avec les kinésines par l’intermédiaire des protéines Milton (Trak1 et Trak2). Les complexes Miro-Milton-kinésine assurent le transport antérograde des mitochondries le long des microtubules jusqu’au site de demande énergétique. Le transport rétrograde est quant aà lui dépendant du complexe Miro-Milton-dynéine/dynactine. GTPase : guanosine triphosphatase ; Mfn1/2 : mitofusin 1/2 ; Opa1 : optic atrophy 1 ; Drp1 : dynamin-related protein 1 ; Miro1/2 : mitochondrial Rho GTPases 1/2 ; TRAK1/2 : trafficking kinesinbinding protein 1.
Dans le texte
thumbnail Figure 2.

Mécanismes moléculaires de la mitophagie. Lors d’un stress mitochondrial, l’importation de la kinase PINK1 dans la membrane interne des mitochondries est bloquée, entraînant l’accumulation de PINK1 non clivée sur la membrane externe (1). PINK1 phosphoryle la E3 Ubiquitine (Ub) ligase cytosolique Parkin (2), qui est alors recrutée aux mitochondries (3). Une fois activé par PINK1, Parkin conjugue des chaînes d’Ub aux protéines mitochondriales de la membrane externe qui sont, à leur tour, phosphorylées par PINK1. Les chaines d’Ub ainsi formées constituent des plateformes pour le recrutement des récepteurs de la mitophagie tels que la protéine OPTN (4). La phosphorylation des adaptateurs d’autophagie par la kinase TBK1 augmente leurs activités de liaison à l’Ub et leurs affinités pour les protéines LC3/GABARAP localisées à la membrane des autophagosomes en formation (5). PINK1 : phosphatase and tensin homolog-induced putative kinase 1 ; TBK1 : TRAF family member-associated NF-kappa-B activator-binding kinase 1 ; OPTN : optic neuropathy-inducing protein ; LC3 : microtubule-associated protein 1A/1B - light chain 3 ; GABARAP : Gamma-aminobutyric acid receptor-associated protein ; ROS : reactive oxygen species ; Ub : ubiquitine.
Dans le texte
thumbnail Figure 3.

Maladies associées à l’optineurine. Des mutations de l’OPTN ont été associées au développement de certaines formes de glaucome. Les mutants E50K et M98K induisent la mort des cellules ganglionnaires de la rétine. Le mutant E50K perturbe l’autophagie et induit une réduction du transport axonal (représenté par les éléments en vert), alors que le mutant M98K induit l’autophagie du récepteur de la transferrine provoquant la mort sélective des cellules rétiniennes. L’impact du mutant E50K sur l’autophagie pourrait être attribué à son interaction renforcée avec TBK1. Le mutant H486R bloque l’interaction d’OPTN avec la déubiquitinase CYLD, abolissant ainsi sa capacité à inhiber la voie de signalisation de NF-κB induite par des cytokines proinflammatoires ou par les lipopolysaccharides. Le lien entre des mutations R96L, Q398X, E478G de l’OPTN et le dévelopement de la sclérose latérale amyotrophique (SLA) est particulièrement documenté. L’expression des mutants E478G et Q398X est responsable d’une neuroinflammation liée à une forte activité de NF-κB et d’une inhibition de la mitophagie. Dans le cas du mutant R96L, seule une accumulation importante d’agrégats TDP-43 ubiquitinés a été observée. L’OPTN est couramment détectée, avec une localisation comparable à celle du marqueur autophagique LC3, dans les corps de Lewy (dépôts anormaux d’alphasynucléine) caractéristiques de la maladie de Parkinson. L’OPTN est également retrouvée dans les agrégats protéiques de la maladie de Huntington et interagit avec la protéine Htt, mutée dans cette maladie. La forme altérée d’Htt délocalise l’OPTN et son partenaire d’interaction Rab8 de l’appareil de Golgi, conduisant à une perturbation du trafic post-Golgien. L’OPTN a été détectée dans les accumulations intracellulaires cérébraux de peptides Ab-amyloiïdes et Tau caractéristiques de la maladie d’Alzheimer. Associée à la mutation Tau-P301L, l’expression de l’OPTN limiterait l’apoptose, améliorerait la viabilité cellulaire et augmenterait l’élimination de la protéine Tau cytosolique. TBK1 : TRAF family member-associated NF-kappa-B activator-binding kinase 1 ; OPTN : optic neuropathy-inducing protein ; CYLD : cylindromatosis ; SLA : sclérose latérale amyotrophique ; LC3 : microtubule-associated protein 1A/1B- light chain 3 ; ROS : reactive oxygen species ; Htt : huntingtine ; TDP-43 : TAR DNA-binding protein 43 ; NF-κB : nuclear factor kappa-B ; Fe : atome de fer.
Dans le texte

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