Implication du domaine intracellulaire du précurseur de la protéine amyloïde dans la modulation de la plasticité synaptique

Abstract

Alzheimer's disease is the most common type of dementia in the elderly; it is characterized by early deficits in learning and memory formation and ultimately leads to a generalised loss of higher cognitive functions. While amyloid beta (Aβ) and tau are traditionally associated with the development of Alzheimer disease, recent studies suggest that other factors, like the intracellular domain (APP-ICD) of the amyloid precursor protein (APP), could play a role.

In this study, we investigated whether APP-ICD could affect synaptic transmission and synaptic plasticity in the hippocampus, which is involved in learning and memory processes. Our results indicated that overexpression of APP-ICD in hippocampal CA1 neurons leads to a decrease in evoked AMPA-receptor and NMDA-receptor dependent synaptic transmission. Our study demonstrated that this effect is specific for APP-ICD since its closest homologue APLP2-ICD did not reproduce this effect. In addition, APP-ICD blocks the induction of long term potentiation (LTP) and leads to increased of expression and facilitated induction of long term depression (LTD), while APLP2-ICD shows neither of these effects.

Our study showed that this difference observed in synaptic transmission and plasticity between the two intracellular domains resides in the difference of one alanine in the APP-ICD versus a proline in the APLP2-ICD. Exchanging this critical amino-acid through point-mutation, we observed that APP(PAV)-ICD had no longer an effect on synaptic plasticity. We also demonstrated that APLP2(AAV)-ICD mimic the effect of APP-ICD in regards of facilitated LTD.

Next we showed that the full length APP-APLP2-APP (APP with a substitution of the Aβ component for its homologous APLP2 part) had no effect on synaptic transmission or synaptic plasticity when compared to the APP-ICD. However, by activating caspase cleavage prior to induction of LTD or LTP, we observed an LTD facilitation and a block of LTP with APP-APLP2-APP, effects that were not seen with the full length APLP2 protein. APP is phosphorylated at threonine 668 (Thr668), which is localized directly after the aforementioned critical alanine and the caspase cleavage site in APP-APLP2-APP. Mutating this Thr668 for an alanine abolishes the effects on LTD and restores LTP induction. Finally, we showed that the facilitation of LTD with APP-APLP2-APP involves ryanodine receptor dependent calcium release from intracellular stores.

Taken together, we propose the emergence of a new APP intracellular domain, which plays a critical role in the regulation of synaptic plasticity and by extension, could play a role in the development of memory loss in Alzheimer’s disease.

La maladie d’Alzheimer est la forme la plus commune de démence liée au vieillissement ; elle est caractérisée par des déficits précoces d’apprentissage et de mémorisation et entraîne à terme une perte généralisée des fonctions cognitives supérieures. Alors que l’amyloïde-bêta (Aβ) et la protéine tau sont traditionnellement associées au développement de la maladie d’Alzheimer, des études récentes suggèrent que d’autres facteurs, tels que le domaine intracellulaire (APP-ICD) du précurseur de la protéine amyloïde (APP), pourraient jouer un rôle. Dans notre étude, nous avons testé si l’APP-ICD pourrait affecter les mécanismes de transmission ou de plasticité synaptique dans l’hippocampe, qui sous-tendent les processus d’apprentissage et de mémorisation. Nos résultats ont indiqué que la surexpression de l’APP-ICD dans des neurones du CA1 de l’hippocampe entraînait une diminution de la transmission synaptique dépendante des récepteurs AMPA et NMDA. Notre étude a montré que cet effet était spécifique de l’APP-ICD puisque son plus proche homologue l’APLP2-ICD n’a pas eu cet effet. De plus, l’APP-ICD entraînait un blocage de la potentialisation à long terme (LTP), une augmentation de l’expression et une facilitation de l’induction de la dépression à long terme (LTD), mais l’APLP2-ICD n’a eu aucun de ces effets. Notre étude a montré que cette différence observée en transmission et en plasticité synaptique entre les deux peptides réside dans le changement d’une seule alanine dans l’APP-ICD pour une proline dans l’APLP2-ICD, et que l’APP(PAV)-ICD n’avait pas d’effet sur la plasticité synaptique. Nous avons aussi démontré que l’APLP2(AAV)-ICD mimait l’effet de l’APP-ICD pour la facilitation de la LTD. Ensuite nous avons montré que la longue forme APP-APLP2-APP (APP avec un changement de la séquence de l’Aβ pour celle homologue de l’APLP2) ne montrait pas d’effet en comparaison avec l’APP-ICD, ni sur la transmission synaptique ni sur la plasticité synaptique. Cependant, en activant le clivage par les caspases préalablement à l’induction de la LTD ou la LTP, nous avons observé une facilitation de la LTD et un iii blocage de la LTP avec l’APP-APLP2-APP, des effets que nous n’avons pas reproduit avec la longue forme APLP2. La thréonine 668 phosphorylable se trouve immédiatement après l’alanine et le site de clivage par les caspases dans l’APP-APLP2-APP. La mutation de la Thr668 pour une alanine a aboli son effet sur la LTD et restauré la LTP. Finalement, nous avons montré que la facilitation de la LTD par l’APP-APLP2-APP dépendait de la libération de calcium intracellulaire par les récepteurs ryanodines. En conséquence, nous proposons l’émergence d’un nouveau domaine de l’APP jouant un rôle critique, en plus de l’Aβ, dans les processus à la base de l’apprentissage et qui en conséquence pourrait jouer un rôle dans le développement de la maladie d’Alzheimer.