Intégration cellulaire des signaux neuromodulateurs

Les neuromodulateurs produisent leurs effets sur les neurones par le biais de diverses cascades de signalisation intracellulaires, parmi lesquelles celle de l'AMP cyclique et de la protéine kinase A. Le striatum est une région du cerveau dans laquelle les neuromodulateurs tels que la dopamine jouent un rôle essentiel dans le contrôle moteur, l'apprentissage basé sur la récompense…, et ce système est altéré dans des pathologies neuropsychiatriques telles que la maladie de Parkinson, la schizophrénie, l'addiction…

L'équipe étudie la réponse neuronale aux neuromodulateurs par imagerie de biosenseurs. Cette approche méthodologique nouvelle apporte des données dynamiques sur les mécanismes moléculaires mis en jeu lors de l'intégration du signal au niveau intracellulaire, et permet de faire un lien au niveau cellulaire entre les éléments moléculaires et la fonction physiologique. En particulier, nous analysons le mécanisme d'action de nouvelles molécules inhibitrices de phosphodiestérases et qui visent à traiter la schizophrénie.

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Les neuromodulateurs tels que les monoamines (dopamine, noradrénaline, sérotonine…) ou les neuropeptides (enképhalines…) jouent un rôle critique dans la régulation de l'activité neuronale, et des dysfonctionnements dans ces systèmes neuromodulateurs sont liés à de nombreuses pathologies neuropsychiatrique, comme la maladie de Parkinson ou la schizophrénie. Les neuromodulateurs activent des récepteurs membranaires qui transmettent le signal dans l'espace intracellulaire par le biais de cascade de signalisation, comme par exemple la cascade de l'AMP cyclique et de la protéine kinase A (PKA). Ces événements hautement dynamiques régulent un grand nombre de propriétés neuronales comme la transmission synaptique, l'excitabilité membranaire ou l'expression de gènes…

Le prix Nobel de chimie a été attribué en 2008 à Roger Y. Tsien pour son travail fondateur sur les protéines fluorescentes et leur utilisation pour créer des biosenseurs codés génétiquement. Nous utilisons de tels biosenseurs pour mesurer en temps réel dans des préparations de tranches de cerveau les signaux intracellulaires AMPc/PKA. Nous étudions plus particulièrement le rôle fonctionnel des phosphodiestérases, les enzymes qui dégradent l'AMPc et déterminent ainsi la dynamique spatiale et temporelle du signal AMPc. Nous analysons comment ces processus sont altérés dans des situations pathologiques, et comment un traitement pharmacologique pourrait restaurer une fonction normale.

Résultats importants

En combinant l'imagerie de biosenseurs avec l'électrophysiologie au niveau des neurones pyramidaux du cortex, nous avons décrit l'atténuation et le ralentissement du signal PKA au cours de sa propagation depuis la membrane vers le cytosol somatique et finalement vers le noyau (Gervasi, 2007). L'imagerie biphotonique a mis en évidence une compartimentation de ce signal AMPc/PKA, avec un compartiment cytosolique dans lequel l'activité phosphodiestérase maintient un niveau d'AMPc très bas (sub-micromolaire), et un compartiment sous-membranaire où l'AMPc augmente rapidement et atteint des niveaux plus élevés. La phosphodiestérase de type 4 est une enzyme critique pour le maintien de cette compartimentation sub-cellulaire (Castro, 2010).

La dopamine active la voie de signalisation AMPc/PKA à la fois dans le cortex et dans le striatum. Nous avons montré que le striatum est une structure neuronale particulière dans laquelle le signal AMPc/PKA est remarquablement rapide et puissant: une unique stimulation de moins d'une seconde est suffisante pour déclencher un fort signal cytosolique et déclencher l'expression de c-Fos. Nous avons montré que cette réactivité particulière résulte d'une forte activité adénylyl cyclase, d'une faible activité phosphodiestérase et de la présence de la DARPP-32 (Castro, 2013). Nous pensons que cette capacité particulière des neurones du striatum est liée à la la fonction d'apprentissage du striatum, qui nécessite la détection de signaux dopaminergiques phasiques.

La phosphodiestérase 2 (PDE2) dégrade à la fois l'AMPc et le GMPc, et cette enzyme est activée par l'AMP. Nous avons montré dans le striatum que la PDE2 effectivement régule le niveau de GMPc. De plus, la PDE2 régule l'amplitude des signaux AMPc transitoires, un effet sous le contrôle du GMPc (Polito, 2013). La PDE2 est donc un médiateur d'interaction entre les signalisation par le monoxyde d'azote (NO•) et la dopamine.

Projets

Les neurones du striatum expriment des niveaux élevés de phosphodiestérase 10 (PDE10), ce qui fait de cette enzyme une cible thérapeutique intéressante. En effet, les inhibiteurs de PDE10 montrent des effets suggérant une activité antispychotique, mais le mécanisme d'action reste incertain. Nous analysons en ce moment l'effet fonctionnel de la PDE10 sur la dynamique du signal AMPc dans le striatum.

Les cascades de signalisation intracellulaires sont profondément altérées au cours de processus pathologiques tels que la maladie de Parkinson, par la prise de drogues ou lors de traitement chroniques par des antipsychotiques. Ces modifications adaptatives sont visibles au niveau génomique et protéomique, mais les conséquences fonctionnelles de ces modifications restent inconnues. Sur des animaux adultes représentant ces situations chroniques, nous analyserons les modifications adaptatives mises en jeu dans les neurones striataux, et testerons les drogues qui visent à corriger ces déséquilibres.

Collaborations

  • Isabelle Limon, team "phenotypic control of vascular smooth muscle cells", UMR8256, Paris.
  • Jean-Antoine Girault and Denis Hervé, Neurotransmission and Signal transduction, UMR-S839, Institut du Fer a Moulin, Paris
  • Fabienne Merola, Laboratoire de Chimie Physique, Université Paris-Sud, Orsay.
  • Kees Jalink, Cellular Biophysics team, The Netherlands Cancer Institute, Amsterdam.
  • Franck Riquet, Inflammation Research Center, VIB-UGent, Ghent, Belgium