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Jan 27, 2024

L'analyse multiomique montre que les lysosomes ont besoin de Retromer pour rester en bonne santé

09 juin 2023 Le complexe rétromère contrôle le tri, le transport et la

09 juin 2023

Le complexe rétromère contrôle le tri, le transport et l'élimination des protéines via le système endolysosome. Cela tourne mal dans les maladies neurodégénératives, mais comment cela reste incertain. Selon une étude multiomique menée par Peter Cullen et James Daly à l'Université de Bristol au Royaume-Uni, le métabolisme se décompose dans les cellules dépourvues de rétromère. Dans Nature Communications du 29 mai, ils ont signalé que les protéines de la membrane cellulaire sont mal triées, que les lysosomes sont gonflés de cargaison non digérée, que l'autophagie s'arrête et que la protéine précurseur amyloïde s'accumule. Cette sauvegarde incite les lysosomes à vider le contenu excédentaire à l'extérieur de la cellule via l'exocytose, ce qui pourrait permettre la propagation de cellule à cellule de protéines pathogènes, telles que les agrégats Aβ.

"Il existe des preuves claires liant rétromère à un rôle neuroprotecteur dans les maladies neurodégénératives. Ce manuscrit explore la complexité de la fonction rétromère et comment elle contribue à la neuroprotection", a déclaré Cullen à Alzforum.

"Ce nouveau travail passionnant du groupe Cullen vient de faire de grands progrès dans la découverte de ces mécanismes", a commenté Jessica Young de l'Université de Washington, Seattle.

Retromer régule le recyclage endosomal à la surface des cellules et leur mouvement rétrograde vers l'appareil de Golgi. Des mutations dans la protéine rétromère centrale VPS35 ont été associées à la maladie d'Alzheimer et à la maladie de Parkinson (Rovelet-Lecrux et al., 2015 ; actualités de juillet 2011). Le rétromère est épuisé dans le cerveau de la MA, post-mortem, tandis que dans les modèles cellulaires et animaux, la déficience du complexe est corrélée à une pathologie Aβ et tau pire (Small et al., 2005; Sullivan et al., 2011; Carosi et al., 2020).

Pour étudier systématiquement ce qui ne va pas lorsque le rétromère est désactivé, les co-premiers auteurs Daly et Chris Danson ont éliminé VPS35 dans des cellules de neurogliome humain, puis ont coloré les lysosomes avec LAMP1 et les endosomes précoces avec EEA1. Les deux organites avaient gonflé et se sont déformés dans les cellules knock-out. La microscopie électronique à transmission a montré des endolysosomes élargis bourrés de morceaux de membrane non digérés (voir image ci-dessous). Ce dernier rappelait les endolysosomes gonflés dans la MA, la MP et la démence à corps de Lewy (Cataldo et al., 2000 ; Shahmoradian et al., 2019 ; Crews et al., 2010).

Cullen et la commentatrice Julia TCW de l'Université de Boston ont été surpris que le ciblage d'une seule protéine rétromère provoque un phénotype aussi frappant. L'imagerie des cellules vivantes des knock-outs a capturé la division occasionnelle et lente des grands lysosomes autophagiques. Ce processus ramène les organites à leur taille d'origine, expliquant les nombreux organites gonflés.

Endolysosomes agrandis . Les lysosomes normaux (flèches rouges) et les endosomes (flèches bleues) sont petits et ronds (à gauche). Les cellules knock-out rétromères (au milieu) contenaient d'énormes endolysosomes déformés (flèches jaunes) remplis de débris (à droite). [Avec l'aimable autorisation de Daly et al., Nature Communications, 2023.]

Qu'est-ce qui n'allait pas dans ces lysosomes ? Les scientifiques ont analysé les protéomes de cellules entières et de lysosomes isolés. Dans le premier, 477 protéines associées aux lysosomes ont été enrichies et 246 ont été appauvries. De nombreuses enzymes hydrolytiques, telles que les protéases, les lipases et les nucléases, ont été diminuées, suggérant une capacité rabougrie à dégrader les déchets cellulaires.

Les lysosomes VSP35 négatifs ont été empilés avec plusieurs Rab GTPases hydrolytiques, qui régulent l'exocytose lysosomale et leur fusion avec des endosomes et des autosomes. Le protéome lysosomal manquait également de tous les composants du complexe BORC, des protéines qui déplacent les organites à travers le cytosol en s'accrochant aux microtubules.

Dimitrios Kapogiannis a été particulièrement intrigué par l'accumulation de protéines impliquées dans le traitement et le métabolisme de l'APP (commentaire ci-dessous). Cela reflète une découverte observée chez des souris dépourvues de VPS35 dans les neurones de l'hippocampe (nouvelles de janvier 2022).

D'autres protéines lysosomales enrichies cartographiées sur les réseaux et les voies de signalisation impliquées dans la MA, la MP et d'autres maladies neurodégénératives (image ci-dessous). Pour les auteurs, ces résultats suggèrent des lysosomes stagnants remplis d'APP qui ont fusionné avec des endosomes et des autosomes mais qui n'ont pas réussi à dégrader leur contenu ou à revenir à leur état d'origine.

Maladies Maladies. De nombreuses protéines enrichies en lysosomes sont tombées dans des voies associées à des maladies neurodégénératives ou à des processus apparentés. [Avec l'aimable autorisation de Daly et al., Nature Communications, 2023.]

Les lysosomes bloqués ont même affecté le protéome de la surface cellulaire. Dans les knock-out VSP35, les protéines transmembranaires étaient appauvries là où elles appartenaient - à la membrane - mais enrichies en lysosomes, ce qui suggère que le recyclage des protéines membranaires s'était sauvegardé. D'autre part, les protéines lysosomales, telles que LAMP1 et le transporteur de cholestérol lié à Nieman Pick de type C NPCI, se sont regroupées à la surface cellulaire, tout comme l'APP, la β-sécrétase 2 et les fragments APP C-terminaux que BACE produit. Les auteurs pensent que ces changements dans l'endroit où les protéines se retrouvent dans la cellule indiquent une exocytose des lysosomes.

En effet, la mesure du protéome des milieux cellulaires a révélé des niveaux élevés de protéines lysosomales, d'APP et d'autres substrats de sécrétases. Les auteurs soupçonnent que l'exocytose des lysosomes s'intensifie pour compenser l'accumulation de déchets. Ceci, à son tour, pourrait alimenter la propagation de cellule à cellule d'agrégats de protéines pathogènes. Les scientifiques pensent que les protéines de ce "sécrétome" pourraient être des biomarqueurs fluides du dysfonctionnement des lysosomes (voir l'actualité de décembre 2020). "Ces données suggèrent une sécrétion accrue non seulement des lysosomes, mais également des vésicules extracellulaires conventionnelles et des intermédiaires autophagosomiques", a noté Tsuneya Ikezu, Mayo Clinic, Jacksonville, Floride (commentaire ci-dessous).

Scott Small de l'Université de Columbia, à New York, pense que le sécrétome peut informer sur la diaphonie entre les cellules. "Je pense que le sécrétome est le plus pertinent pour les maladies neurodégénératives, car le contenu endo-lysosomal expulsé des neurones initie la communication avec la microglie et les astrocytes, et nous savons comment cela peut parfois se retourner contre nous", a déclaré Small.

ARN contre protéine. Seules 14 protéines (texte bleu) ont été régulées à la baisse ou à la hausse aux niveaux transcriptomique et protéomique dans les cellules entières. [Avec l'aimable autorisation de Daly et al., Nature Communications, 2023.]

La transcriptomique a révélé une déconnexion entre l'expression des gènes et la concentration en protéines. Sur les centaines de protéines perturbées dans les knock-out VPS35, seules 14 étaient régulées positivement ou négativement au niveau transcriptionnel (image ci-dessus). Cela surprit Cullen. La protéomique et la transcriptomique ne sont pas toujours étroitement corrélées. Cullen pense que la déconnexion ici indique que les problèmes causés par l'inactivation des rétromères résident dans la dégradation des protéines, et non dans la transcription. Le fait que les gènes codant pour les protéines lysosomales, telles que le récepteur membranaire sortiline, NPC1 et la protéase cathepsine D, aient été régulés positivement bien qu'ils n'apparaissent pas dans les lysosomes suggère des problèmes de trafic de protéines.

Tous les changements morphologiques, protéomiques et transcriptomiques dans les endolysosomes knock-out rétromères ont été inversés une fois que VPS35 a été réexprimé. "Cela nous indique que les changements que nous observons sont le reflet fidèle d'un effet ciblé de la perturbation rétromère", a déclaré Cullen.

Dans l'esprit de TCW, cela rend le rétromère intéressant en tant que cible médicamenteuse. "De nombreuses petites molécules activent la fonction rétromère, et il sera important de déterminer les principales protéines en amont et en aval ou les facteurs de transcription qui stimulent la fonction rétromère", a-t-elle déclaré à Alzforum (voir l'actualité de janvier 2020).—Chelsea Weidman Burke

L'association du complexe de tri multiprotéique, rétromère, avec des troubles neurodégénératifs, tels que la MA et la MP, est connue depuis longtemps. L'immense complexité de la voie, cependant, rend la dissection des mécanismes de cette association difficile.

Ce nouveau travail passionnant du groupe Cullen vient de faire de grands progrès dans la découverte de ces mécanismes. En utilisant des cellules KO VPS35 et en effectuant une immunoprécipitation lysosomale, ils ont méticuleusement détaillé les modifications des protéines associées aux organites endo-lysosomales et à la surface cellulaire. Les données indiquent que la perte de rétromère pourrait favoriser le stress cellulaire, entraînant une neurodégénérescence par échec de la résolution de la dynamique membranaire des lysosomes et une augmentation de l'exocytose lysosomale. Cela pourrait libérer des protéines potentiellement pathogènes à l'extérieur de la cellule où elles peuvent semer l'agrégation dans les cellules voisines.

Étonnamment, leurs données indiquent également un rôle du rétromère dans la régulation de l'identité lysosomale, qui, lorsqu'elle n'est pas acquise correctement, peut modifier les programmes métaboliques cellulaires. Plusieurs études ont utilisé des chaperons rétromères à petites molécules pour améliorer les phénotypes de la MA (Mecozzi et al, 2014 ; Young et al., 2018 ; Mishra et al., 2022). Une meilleure compréhension des processus complexes régulés par le rétromère dans la cellule facilitera certainement les études visant à cibler thérapeutiquement cette voie.

Mecozzi VJ, Berman DE, Simoes S, Vetanovetz C, Awal MR, Patel VM, Schneider RT, Petsko GA, Ringe D, Small SA. Les chaperons pharmacologiques stabilisent le rétromère pour limiter le traitement de l'APP . Nat Chem Biol. juin 2014;10(6):443-9. Epub 2014 avril 20 PubMed.

Young JE, Fong LK, Frankowski H, Petsko GA, Small SA, Goldstein LS. La stabilisation du complexe rétromère dans un modèle de cellules souches humaines de la maladie d'Alzheimer réduit la phosphorylation de la TAU indépendamment de la protéine précurseur de l'amyloïde . Rapports sur les cellules souches. 13 mars 2018;10(3):1046-1058. Epub 1 mars 2018 PubMed.

Mishra S, Knupp A, Kinoshita C, Martinez R, Theofilas P, Young JE.Pharmacologic Stabilization of Retromer Rescues Endosomal Pathology Induced by Defects in the Alzheimer's gene SORL1.2022 août 02 10.1101/2022.07.31.502217 (version 1) bioRxiv.

Des anomalies rétromères ont été impliquées dans la pathogenèse de la maladie d'Alzheimer, mais les mécanismes exacts restent flous. Cette nouvelle étude de Daly et al. offre de nouvelles informations précieuses en reliant le rétromère à la santé du système endo-lysosomal ; plus précisément, l'étude montre comment les cellules de neurogliome H4 éliminées pour le noyau, le composant VPS35 de Retromer, manifestent une gamme de changements morphologiques dans le système endo-lysosomal qui ressemblent à ceux observés dans la MA.

Je suis particulièrement intrigué par la découverte protéomique de l'enrichissement des protéines impliquées dans le traitement de l'APP, y compris une accumulation d'APP dans les lysosomes VPS35 KO, ainsi qu'une accumulation anormale d'APP clivée, ce qui suggère que des anomalies rétromères peuvent être en amont de l'accumulation d'Aβ.

Cependant, l'étude a ses limites, notamment le fait que le modèle principal est une lignée cellulaire néoplasique, qui peut ne pas récapituler complètement les événements dans les neurones normaux (bien que les auteurs aient tenté d'établir la pertinence physiologique de leur modèle en utilisant des neurones primaires du cortex de souris transfecté avec des plasmides de miARN Vps35-BFP et observé des changements morphologiques similaires).

J'ai également le sentiment qu'une occasion a été manquée en n'isolant pas les vésicules extracellulaires du surnageant de culture et en analysant leur protéome. Étant donné que de nombreuses protéines exosomales ont été identifiées par analyse protéomique de ce surnageant, il aurait été instructif de savoir quelles protéines sont associées à l'EV et lesquelles ne le sont pas.

Dans l'ensemble, il s'agit d'une étude intéressante et potentiellement percutante qui fournit de nouvelles informations et motive de nouvelles hypothèses.

Il s'agit d'une étude cellulaire très complète utilisant des approches multi-omiques pour comprendre comment la déficience en Vps35 conduit à l'accumulation de composants lysosomal. L'utilisation de Tmem192 étiqueté HA pour le marquage lysosomal pour effectuer LysoIP est une nouvelle approche qui, avec la protéomique conventionnelle de la cellule entière, la transcriptomique et la protéomique des protéines biotinylées à la surface de la cellule et dans le "sécrétome" du milieu de croissance, nous fournit un ensemble de données massif pour une analyse intégrée basée sur les omiques.

Parmi de nombreuses découvertes fascinantes, il était très intéressant d'apprendre que Rab27b est l'une des protéines les plus significativement enrichies dans la cellule et dans les lysosomes. Rab27b est un régulateur essentiel de la sécrétion des vésicules extracellulaires (EV) (Ostrowski et al., 2010), et peut également réguler la sécrétion non exosomale de l'a-synucléine (Underwood et al., 2020). Cette étude s'est concentrée sur l'accumulation lysosomale causée par la suppression de Vps35, mais l'ensemble de données montre également un enrichissement des marqueurs EV classiques CD9 et CD81 dans les lysosomes, CD9 dans les milieux de croissance et plusieurs autres tétraspanines (TSPAN4, TSPAN6) à la surface cellulaire. Ces données suggèrent une sécrétion accrue non seulement des lysosomes, mais également des EV conventionnels et des intermédiaires autophagosomiques.

La composition protéique du lysosome des cellules KO Vps35 montre également un enrichissement significatif des fragments C-terminaux de l'APP et des enzymes de traitement de l'APP, que l'on trouve également dans les véhicules électriques dérivés du cerveau (Perez-Gonzalez et al., 2012 ; Muraoka et al., 2020 ). TSPAN6 est augmenté dans le cerveau de la maladie d'Alzheimer et joue un rôle dans le tri du fragment C-terminal vers la sécrétion médiée par l'exosome (Guix et al., 2017), et peut également être impliqué dans l'accumulation du fragment C-terminal dans le lysosome des cellules Vps35 KO. Compte tenu du chevauchement frappant des protéines pathogènes trouvées dans le lysosome dysfonctionnel et les neurites dystrophiques, l'étude suggère un rôle critique pour Vps35 dans la formation de neurites dystrophiques entourant les plaques amyloïdes, comme on le voit dans les modèles d'amylose du cerveau et de la souris de la maladie d'Alzheimer humaine.

Ostrowski M, Carmo NB, Krumeich S, Fanget I, Raposo G, Savina A, Moita CF, Schauer K, Hume AN, Freitas RP, Goud B, Benaroch P, Hacohen N, Fukuda M, Desnos C, Seabra MC, Darchen F , Amigorena S, Moita LF, Thery C.Rab27a et Rab27b contrôlent différentes étapes de la voie de sécrétion des exosomes . Nat Cell Biol. 2010 janvier;12(1):19-30; sup pp 1-13. Epub 2009 6 décembre PubMed.

Underwood R, Wang B, Carico C, Whitaker RH, Placzek WJ, Yacoubian TA. La GTPase Rab27b régule la libération, la clairance autophagique et la toxicité de l'α-synucléine . J Biol Chem. 5 juin 2020;295(23):8005-8016. Epub 2020 Avr 29 PubMed.

Perez-Gonzalez R, Gauthier SA, Kumar A, Levy E.La voie de sécrétion de l'exosome transporte les fragments carboxyle-terminaux de la protéine précurseur amyloïde de la cellule dans l'espace extracellulaire du cerveau . J Biol Chem. 14 décembre 2012 ;287(51):43108-15. Pub Med.

Muraoka S, DeLeo AM, Sethi MK, Yukawa-Takamatsu K, Yang Z, Ko J, Hogan JD, Ruan Z, You Y, Wang Y, Medalla M, Ikezu S, Chen M, Xia W, Gorantla S, Gendelman HE, Issadore D, Zaia J, Ikezu T.Profilage protéomique et biologique des vésicules extracellulaires des tissus cérébraux humains de la maladie d'Alzheimer . Démence d'Alzheimer. 2020 juin;16(6):896-907. Epub 17 avril 2020 PubMed.

Guix FX, Sannerud R, Berditchevski F, Arranz AM, Horré K, Snellinx A, Thathiah A, Saido T, Saito T, Rajesh S, Overduin M, Kumar-Singh S, Radaelli E, Corthout N, Colombelli J, Tosi S, Munck S, Salas IH, Annaert W, De Strooper B. Tetraspanin 6 : une protéine pivot du corps vésiculaire multiple déterminant la libération d'exosomes et la dégradation lysosomale de fragments de protéines précurseurs amyloïdes . Mol Neurodegener. 10 mars 2017;12(1):25. Pub Med.

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