Caractérisation de la vulnérabilité sélective des neurones dopaminergiques dans le contexte de la maladie de Parkinson

Abstract

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative dont les symptômes moteurs caractéristiques sont causés par la mort des neurones dopaminergiques de la substance noire compacte (SNc) dans le mésencéphale. Dans environs 15% des cas, des mutations dans des gènes encodant des protéines telles que Parkin, Pink1, DJ-1, α-synucléine, LRRK2 ou GBA, sont responsable de l’apparition de la maladie. Ces gènes sont impliqués dans des processus physiologiques comme la mitophagie, la fonction lysosomiale, la réponse au stress oxydatif, la présentation antigénique mitochondriale ou le transport axonal. De manière intéressante, ces processus ont tous un impact direct ou indirect sur la capacité des neurones à produire l’énergie nécessaire à leur survie, ainsi que sur leur niveau basal de stress oxydatif. Une des questions centrales dans l’étude de la MP est de savoir pourquoi des altérations dans des processus aussi généraux mènent à la mort sélective de petits groupes de neurones dans le cerveau, tels que les neurones dopaminergiques de la SNc. La comparaison de ces neurones à leurs voisins de l’aire tegmentaire ventrale (VTA) qui sont eux aussi dopaminergiques, mais bien moins affectés dans la MP, est un des exemples les plus flagrants de cette vulnérabilité sélective.

Une hypothèse récente suggère que certaines caractéristiques propres aux neurones dopaminergiques de la SNc mettraient une immense pression sur leurs capacités bioénergétiques, ce qui les rendrait sélectivement vulnérables à tout stress supplémentaire. Par exemple, ces neurones auraient tendance à former des dérivés toxiques de la dopamine dans des conditions de stress, ce qui impacterait négativement leur capacité à produire efficacement leur énergie. Ils auraient aussi un patron de décharge de type « pacemaker » impliquant des courants calciques très énergivores. Finalement, ils posséderaient une arborisation axonale particulièrement élaborée, nécessitant une quantité phénoménale d’énergie pour y propager les potentiels d’action et y induire la relâche de neurotransmetteurs. Une de nos hypothèses est que ces caractéristiques rendent les neurones dopaminergiques de la SNc particulièrement actifs au niveau bioénergétique et les poussent à la limite de leurs capacités énergétiques. Tout stress cellulaire supplémentaire, tel que ceux associés aux altérations génétiques énoncées précédemment, à l’exposition à des toxines environnementales ou tout simplement au vieillissement, pourrait alors mener à leur mort.

De manière intéressante, il semble que l’élaboration d’un axone à l’arborisation ultra-complexe soit une caractéristique commune aux populations neuronales affectées dans la MP, telles que les neurones dopaminergiques de la SNc, les neurones cholinergiques du noyau pédonculopontin ou les neurones noradrénergiques du locus coeruleus, contrairement à la présence de dopamine ou de courants calciques liés à une décharge ou de type « pacemaker ». Il est donc plus probable que cette caractéristique soit centrale dans la vulnérabilité sélective des populations neuronales dans la MP. Malheureusement, aucune comparaison directe de la taille de l’arborisation axonale de ces neurones avec des populations neuronales épargnées n’est à ce jour disponible, tout comme l’impact de la modulation de la taille de cette arborisation sur les besoins énergétiques et la vulnérabilité des neurones.

Pour commencer à évaluer cette possibilité, nous avons comparé, par culture cellulaire, les neurones dopaminergiques de la SNc à ceux de la VTA et montré qu’ils sont particulièrement actifs au point de vue bioénergétique, avec peu de capacité de réserve, et qu’ils possèdent une arborisation axonale de taille bien plus importante. À l’aide de la sémaphorine 7A, un facteur de guidage axonal, nous avons réduit la taille de cette arborisation et réduit du même coup les besoins énergétiques et la vulnérabilité de ces neurones. Dans un deuxième temps, nous avons évalué ces mêmes paramètres chez des neurones de souris KO pour Parkin, Pink1 ou DJ-1 et montré que les neurones de la SNc KO pour Parkin sont plus vulnérables aux conditions de culture et sont moins efficaces pour produire leur énergie. Dans un dernier temps, nous avons démontré, in vivo cette fois, que les neurones dopaminergiques de la SNc ont une arborisation axonale de taille plus importante que ceux de la VTA et avons utilisé le KO conditionnel du récepteur D2 pour augmenter encore plus l’étendue de cette arborisation axonale. Dans ce modèle, nous avons montré que les neurones de la SNc sont plus vulnérables aux lésions à la 6-OHDA, mais pas à la surexpression d’α-synucléine.

Dans son ensemble, cette thèse amène pour la première fois des preuves directes que la taille de l’arborisation axonale est un facteur majeur dans la vulnérabilité sélective des neurones dopaminergiques de la SNc dans le contexte de la MP.

Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disease whose characteristic motor symptoms are caused by the death of midbrain dopaminergic neurons of the subtantia nigra pars compacta (SNc). In about 15% of cases, mutations in gene products such as Parkin, Pink1, DJ-1, α-synuclein, LRRK2 or GBA are responsible for the onset of the disease. These genes are involved in physiological processes such as mitophagy, lysosomal function, oxidative stress response, mitochondrial antigen presentation or axonal transport. Interestingly, these processes are all directly or indirectly related to the ability of neurons to produce the energy they need for survival and to their level of basal oxidative stress. One of the central questions in the study of PD is why alterations in such ubiquitous processes lead to the selective death of small groups of neurons in the brain, such as the dopaminergic neurons of the SNc. The comparison of these neurons with their neighbours of the ventral tegmental area (VTA), which are also dopaminergic but much less affected in PD, is one of the most striking examples of this selective vulnerability.

One recent hypothesis suggests that certain characteristics specific to SNc dopaminergic neurons induce a tremendous pressure on their bioenergetic capacities and increase basal oxidative stress, which could make them selectively vulnerable to any additional stress. For example, these neurons are thought to form toxic derivatives of dopamine under stress conditions, which could negatively impact their ability to efficiently produce their energy. They also have a pacemaking firing pattern implicating energy intensive calcium currents. Finally, they are thought to have a particularly elaborated axonal arborization, requiring a phenomenal amount of energy to propagate the action potentials and induce release of neurotransmitters. One of our hypotheses is that these characteristics make SNc dopaminergic neurons particularly active bioenergetically and push them to the limit of their energetic capacities. Any subsequent cellular stress, such as those associated with the previously mentioned genetic alterations, exposure to environmental toxins or simply aging, could then lead to their death.

Interestingly, the development of an ultra-complex axonal arborization is a potentially shared feature of neuronal populations affected in PD, including dopaminergic neurons of the SNc, cholinergic neurons of the pedunculopontine nucleus or noradrenergic neurons of the locus coeruleus. It is therefore possible that this characteristic is central to the selective vulnerability of certain neuronal populations in PD. Unfortunately, no direct comparison of the axonal arborization size of these neurons with spared neuronal populations is currently available, neither is the impact of the modulation of the axonal arborization size on energy requirements and neuronal vulnerability.

To begin to evaluate this possibility, we compared the dopaminergic neurons of the SNc to those of the VTA in culture and showed that they are particularly bioenergetically active, with little spare capacity, and have a much larger axonal arborization size. Using semaphorin 7A, an axon guidance factor, we reduced the size of this axon and at the same time reduced the energy requirements and vulnerability of these neurons. In a second step, we evaluated these same parameters in SNc neurons from Parkin, Pink1 or DJ-1 KO mice and showed that SNc neurons from Parkin KO mice are more vulnerable to culture conditions and are less efficient in producing their energy. Lastly, we demonstrated, in vivo this time, that dopaminergic neurons of the SNc have a larger axonal arborization than those of the VTA and used the conditional KO of the D2 receptor to further increase the size of this axon. In this model, SNc neurons were more vulnerable to 6-OHDA lesions, but not to overexpression of α-synuclein.

Overall, this thesis provides for the first-time direct evidence that axonal arborization size is a major factor in the selective vulnerability of dopaminergic neurons of the SNc in the context of Parkinson's disease.