Groupe de Recherche sur l’Alcool et les Pharmacodépendances Facteurs neurotrophiques et plasticité cérébrale Jérôme Jeanblanc, Ph.D. Groupe de Recherche sur l’Alcool et les Pharmacodépendances

Plan Facteurs neurotrophiques Définition et catégories Stimulation de la synthèse des Protéines Voies de signalisations impliquées Plasticité cérébrale Neurogénèse – migration cellulaire - LTP - LTD Importance du BDNF dans la formation/maintien de la LTP Quid des précursseurs? Exemple du proBDNF Est-ce que les précursseurs des facteurs neurotrophiques ont un rôle à jouer? Si oui lequel?

Facteurs neurotrophiques Toute molécule ayant un effet sur le développement et la survie des cellules nerveuses peut être considérée comme un facteur neurotrophique Un facteur neurotrophique régule la prolifération, la survie (neuroprotection), la migration et la différenciation des cellules nerveuses Le premier facteur neurotrophique à avoir été identifié est le Nerve Growth Factor (NGF) dans les années 50. Les autres facteurs neurotrophiques ont été identifiés seulement à partir des années 80 avec le Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF - 1982), le Fibroblast Growth Factor (FGF – 1986) et la familles de neurotrophines (NT-3 – 1990; NT-4 – 1991).

Facteurs neurotrophiques Catégories/Familles Neurotrophines NGF BDNF NT-3, NT-4/5, NT-6 Neurokines (cytokines spécialement exprimées dans le système nerveux) Tumor Necrosis Factor (TNF) Ciliary neurotrophic factor familly … Fibroblast Growths Factors Transforming Growth Factors GDNF Neurturin (homologue du GDNF) Persephin Insulin-like growth Factors Nouvelle famille spécialisée dans l’action sur le système dopaminergique Cerebral Dopamine Neurotrophic Factor (CDNF) Mesencephalic Astrocyte-derived Neurotrophic Factor (MANF)

Facteurs neurotrophiques Modes de signalisation Exemple de la voie du BDNF Le BDNF est synthétisé d’abord sous la forme d’un précurseur, appelé proBDNF qui peut lui-même se lier aux récepteurs

Facteurs neurotrophiques Modes de signalisation

Facteurs neurotrophiques Modes de signalisation

Facteurs neurotrophiques Modes de signalisation

Facteurs neurotrophiques Modes de signalisation Exemple du GDNF The GDNF family: Signalling, biological functions and therapeutic value Matti S. Airaksinen & Mart Saarma Nature Reviews Neuroscience 3, 383-394 (May 2002)

Facteurs neurotrophiques Modes de signalisation Exemple du GDNF

Facteurs neurotrophiques Fonction principale

Plasticité cérébrale Prolifération et différenciation A l’origine le cerveau se développe à partir de 5 vésicules formant le tube neural. Dans la différenciation il ya 2 phénomènes possibles: Le lignage déterminé: les cellules précurseurs donnent un type cellulaire donné déterminisme génétique Le lignage non-déterminé: les cellules précurseurs peuvent données naissance à différents types cellulaires intervention de facteurs extérieurs souvent sécrétés par les cellules voisines Par exemple: Application de FGF => différenciation neuronale Application de NGF => induction du phénotype sympathique

Plasticité cérébrale L’application locale de BDNF augmente l’arborisation dendritique Surexpression de BDNF par un neurone sur la morphologie des arbres dendritiques des neurones adjacents. Cortex visuel de furet en culture. Les neurones sont transfectés par un ADNc codant pour le BDNF et un ADNc codant pour la red fluorescent protéine (pour visualiser les neurones surexprimant le BDNF). Horch HW, Katz LC. BDNF release from single cells elicits local dendritic growth in nearby neurons. Nat Neurosci 2002; 5: 1177-84

La reconstruction des arbres dendritiques a permis de déceler une augmentation du nombre de points de branchement et de longueur des dendrites orientés vers le neurone surexprimant le BDNF 36 heures après la transfection.

Plasticité cérébrale Rôle spécifique du BDNF puisqu’il n’y a pas d’augmentation du nombre d’épines dendritiques à proximité de neurones transfectés avec de l’ADNc codant le NGF Ces résultats montrent que le BDNF peut agir de façon locale sur les arborisations dendritiques, en favorisant leur croissance et leur complexité.

Plasticité synaptique LTP: Long Term Potentiation Augmentation de l’efficacité de la transmission synaptique après stimulation répétée Apparaît après stimulation particuliere (Stimulation Haute Fréquence 3 x 1sec à 100Hz) Peut persister plusieurs heures voire plusieurs jours

Plasticité synaptique LTD: Long Term Depression Diminution de l’efficacité de la transmission synaptique après stimulation Apparaît après stimulation particuliere (Stimulation Basse Fréquence 900 x 1Hz) Peut persister plusieurs heures voire plusieurs jours

dans la formation/maintien de la LTP Importance du BDNF dans la formation/maintien de la LTP Différents stades de LTP Early LTP Late LTP

dans la formation/maintien de la LTP Importance du BDNF dans la formation/maintien de la LTP Rôle du BDNF sur la « fatigue synaptique » Fatigue synaptique: réduction de l’amplitude des potentiels post-synaptiques excitateurs après plusieurs stimulations Quand du BDNF est appliqué sur des tranches d’hippocampe de ratons, dont les niveaux de BDNF sont très faibles, la fatigue synaptique est atténuée et la LTP facilitée Au contraire, sur des tranches d’hippocampe de souris KO pour le BDNF, la fatigue synaptique est augmentée et la LTP plus difficile à induire En jouant sur l’expression du récepteur du BDNF (TrkB) aux niveaux pré- ou post-synaptiques, il a été mis en évidence que l’action du BDNF sur la fatigue synaptique se fait au niveau pré-synaptique. Altération de protéines pré-synaptique associées aux vésicules (synaptobrevine et synaptophysine) et diminution du nombre de vésicules immédiatement prêtes à être libérées

dans la formation/maintien de la LTP Action sur la Early-LTP Importance du BDNF dans la formation/maintien de la LTP Le BDNF peut également altérer la plasticité synaptique sans jouer sur la fatigue synaptique L’application d’anticorps anti-BDNF pendant 4 minutes (débutant 2 minutes avant la stimulation haute fréquence) bloque l’induction de LTP Au contraire l’application de concentrations très faibles de BDNF (nanomolaires) induit une dépolarisation extrêmement rapide facilitant l’induction de la LTP Cette action rapide du BDNF se fait par l’activation d’un canal Na+ (Nav 1.9) directement couplé au récepteur TrkB Pas besoin de synthèse de nouvelle protéine, mais action directe sur l’équilibre ionique membranaire donc très rapide Action sur la Early-LTP

dans la formation/maintien de la LTP Importance du BDNF dans la formation/maintien de la LTP Late-LTP Les premières observations ont été réalisées sur des tranches d’hippocampe de souris BDNF Het Il est possible d’obtenir une early-LTP chez ces souris, mais lorsqu’on continue d’enregistrer l’activité synaptique, on s’aperçoit que la LTP diminue rapidement (~30 - 60 minutes) puis disparaît D’autres études ont utilisé des perfusions du fragment TrkB-Fc à différent time-points après l’induction de la LTP La LTP est réversée quand les TrkB-Fc sont appliqués de la 30ème à la 60ème minute mais plus si ils sont appliqués de la 70ème à la 100ème minutes La Late-LTP (phénomène également appelé maintenance de la LTP) est donc dépendante de l’activation de la voie de signalisation du BDNF et nécessite du temps  synthèse protéique

dans la formation/maintien de la LTP Importance du BDNF dans la formation/maintien de la LTP Parmi les protéines synthétisées après stimulation de la voie de signalisation du BDNF, une en particulier semble jouer un rôle important dans la LTP: Arc En effet Arc joue un rôle primordial dans la formation des molécules d’actine fibrillaires, indispensables pour les changements morphologiques des éléments pré- et post-synaptiques

dans la formation/maintien de la LTP Importance du BDNF dans la formation/maintien de la LTP

Rôle du ProBDNF dans la LTD Réduction de l’activité synaptique après stimulation basse fréquence Moins bien décrite que la LTP Permet de diminuer l’efficacité de synapses spécifiques et donc permet de rendre silencieuses des transmissions synaptiques Le ProBDNF ne se fixe pas sur TrkB mais sur le récepteur p75NTR

Rôle du ProBDNF dans la LTD Pas de LTD chez les souris p75NTR KO LTP normale chez les souris p75NTR KO Nature Neuroscience volume 8, number 8, August 2005

Rôle du ProBDNF dans la LTD Pas de LTD si pas de p75NTR LTD normale Effet du proBDNF L’application de proBDNF augmente la LTD chez les jeunes souris p75NTR+/+ au niveau de l’hippocampe mais pas chez les souris p75NTR -/-

Rôle du ProBDNF dans la LTD Chez la souris adulte, le proBDNF permet d’induire une importante et stable LTD

Résumé Les facteurs neurotrophiques sont indispensables à tous les stades de l’évolution de l’individu A l’âge adulte toujours indispensable pour l’induction et le maintien de la plasticité synaptique en particulier en ce qui concerne le BDNF (NGF, GDNF aussi très importants, mais pas forcément sur les mêmes types cellulaires) BDNF facilite la LTP (induction, maintien) de manière immédiate (action sur des canaux sodiques) ou à long terme (action sur la synthèse protéique  modifications morphologiques De manière intéressante et intrigante, le proBDNF facilite lui la LTD