La régulation et la fonction des protéines Argonaute dans les dendrites des neurones hippocampiques

Abstract

Les processus contrôlant la traduction des ARN messagers en protéines jouent des rôles critiques dans la morphogenèse des neurones et à la plasticité de leurs synapses. La localisation de certains ARN messagers et leur traduction dans les dendrites sont orchestrées par une régulation particulièrement sophistiquée et adaptée à la morphologie compartimentée et à la nature excitable des neurones. Les microARN apparaissent comme des acteurs de premier plan dans les mécanismes de régulations impliqués. Les microARN sont de courts ARN non codants qui ciblent de façon spécifique les ARN messagers et régulent leur traduction en protéines. La voie des microARN est elle-même sous le contrôle d’une machinerie moléculaire au centre de laquelle se retrouvent les protéines Argonaute (AGO). Les mécanismes régulant les protéines AGO dans les neurones demeurent toutefois relativement peu connus.

La protéine Ago2, la protéine AGO la mieux caractérisée chez les organismes mammifères, subit différentes modifications qui modulent entre autres sa localisation, sa stabilité et son interaction avec l’ARN. Une telle régulation et ses impacts physiologiques n’ont cependant pas encore été décrits pour les neurones du système nerveux central. Ainsi, dans la première étude réalisée pour cette thèse, nous nous sommes penchés sur la régulation de l’état de phosphorylation et de la stabilité d’Ago2 par des récepteurs jouant un rôle de premier plan dans la transmission et la plasticité synaptiques, les récepteurs NMDA, dans des neurones provenant de l’hippocampe, une région cérébrale importante pour la mémoire. Nous avons trouvé que lors de l’activation de ces récepteurs, Ago2 est déphosphorylée et dégradée, notamment dans les dendrites. De plus, nous avons observé que cette régulation pouvait moduler la formation et la maturation des épines présentes sur les dendrites et qui constituent des sites synaptiques.

À part Ago2, l’autre forme prédominante de protéines AGO dans le cerveau est Ago1. Toutefois, très peu de données existent quant à la régulation et à la fonction de la protéine Ago1 dans les neurones. C’est pourquoi dans la deuxième étude réalisée pour cette thèse, nous nous sommes attardés à comparer la régulation et la fonction des protéines Ago1 et Ago2. Nous avons constaté que le niveau d’expression de la protéine Ago1 diminue de façon marquée au cours du développement neuronal, alors que le taux protéique d’Ago2 apparait plus stable. De plus, en manipulant le niveau d’expression de chacune de ces deux protéines à tour de rôle, nous avons mis en évidence une influence répressive d’Ago1 et une influence permissive d’Ago2 sur le développement et la maturation des dendrites.

En mettant en lumière le fonctionnement d’Ago1 et Ago2 dans les neurones hippocampiques, les résultats présentés dans cette thèse permettent de décrire de nouveaux mécanismes régulant les adaptations cellulaires nécessaires à l’homéostasie neuronale et la plasticité structurelle des dendrites. Dans une perspective plus large, les travaux effectués dans le cadre de ce projet de recherche contribuent à élucider certains des processus moléculaires sous-tendant le développement des fonctions cognitives.

The processes controlling the translation of messenger RNAs into proteins play a critical role in the morphogenesis of neurons and in the plasticity of their synapses. The localization of certain messenger RNAs and their translation in dendrites are orchestrated by a particularly sophisticated regulation which is adapted to the compartmentalized morphology and excitable nature of neurons. MicroRNAs appear to be key players in the regulation of mRNA translation and protein expression at synapses. MicroRNAs are short, non-coding RNAs that specifically target messenger RNAs and regulate their translation into proteins. The microRNA pathway is controlled by a molecular machinery at the center of which are Argonaute proteins (AGO). However, the mechanisms regulating AGO proteins in neurons remain largely unknown. Ago2, the best characterized AGO protein in mammalian organisms, undergoes various modifications regulating, among other things, its localization, its stability, and its interaction with RNA. Such regulation and its physiological impact have not yet been described in neurons of the central nervous system. Thus, in my first study, we analyzed the regulation of Ago2 phosphorylation and stability by NMDA receptors, which play a central role in synaptic transmission and plasticity in neurons from the hippocampus, an important brain region for memory formation. We found that upon activation of NMDA receptors, Ago2 is dephosphorylated and degraded. Moreover, we observed that this regulation modulates the growth and maturation of spines found on dendrites and that represent synaptic sites. Apart from Ago2, the other predominant form of AGO protein in the brain is Ago1. However, the regulation and function of Ago1 in neurons remains obscure. Therefore, in my second study, we focused on comparing the regulation and function of Ago1 and Ago2 proteins on neuronal development. We found that expression of Ago1 protein decreases during neuronal development, whereas Ago2 protein levels appear to be more stable. Moreover, by manipulating the expression rate for each of these two proteins, we demonstrated a repressive influence of Ago1 and a permissive influence of Ago2 on the development of dendrites. By shedding light on how Ago1 and Ago2 function in hippocampal neurons, the results presented in this thesis define novel mechanisms regulating cellular adaptations necessary for neuronal homeostasis and structural plasticity of dendrites. In a wider scope, the work accomplished in the context of this research project contributes to elucidate the molecular processes underlying the development of cognitive functions.