Conséquences fonctionnelles de la sumoylation de la protéine FMRP (Fragile X Mental Retardation Protein). – SUMO-ID

La faisabilité de notre projet repose sur la combinaison des expertises techniques de l’équipe, aussi bien au niveau de la mesure des mouvements de protéines dans les cellules nerveuses que de l’identification des molécules importantes pour ces mouvements. Pour cette étude, nous utilisons des outils de microscopie dynamique qui permettent de mesurer les transports de molécules en temps réel dans les cellules qui composent le cerveau.

Nos résultats indiquent que les modifications par SUMO sont importantes pour réguler la morphologie des cellules nerveuses et que le contrôle précis de cette morphologie est indispensable pour le maintien de la communication entre les cellules du cerveau. A moyen terme, nos résultats permettront d’émettre de nouvelles hypothèses de travail pour comprendre et/ou intervenir dans des pathologies cérébrales provoquées par des défauts de communication et de morphologie des cellules nerveuses.

A plus long terme, notre travail établira comment SUMO agît sur la communication entre les cellules du cerveau en contrôlant la morphologie de ces mêmes cellules. Notre travail constituera également une base pour des études futures concernant le rôle de SUMO dans d’autres pathologies cérébrales dans lesquelles la communication entre cellules nerveuses est altérée. Nos travaux permettront également d’établir de nouvelles stratégies pour corriger les défauts de communication observés chez les patients atteints de déficiences intellectuelles.

Nos publications (journaux : ‘Biology of the Cell’ et ‘NeuroMolecular Medicine’) et résultats révèlent que la machinerie qui modifie les protéines des cellules nerveuses par la molécule SUMO est régulée par l’activité des cellules et essentielle au maintien de l’architecture neuronale.

Le retard mental, qui concerne 1 à 3% de la population, est la cause majeure de handicap chez l’enfant dans les pays développés. La moitié des cas est d’origine génétique et associée à des anomalies sur le chromosome X. Le syndrome de l’X-fragile est la forme la plus fréquente de retard mental héréditaire et résulte de l'expansion du triplet CGG dans la région 5’ non codante du gène FMR1. Cette anomalie conduit au 'silencing' transcriptionnel de ce gène et donc à la perte d'expression de la protéine correspondante, FMRP (Fragile X Mental Retardation Protein). Dans un cerveau sain, FMRP lie des ARN messagers spécifiques et assurerait une navette nucléocytoplasmique ainsi que le transport de ses ARNm cibles le long des dendrites et ce, par un mécanisme non encore élucidé. FMRP est également impliquée dans la formation et la maturation des épines dendritiques et dans des processus de plasticité synaptique notamment en contrôlant localement la traduction d'ARNm à la synapse. Les données actuelles convergent vers l'hypothèse d’une régulation fonctionnelle du complexe FMRP-ARNm par les récepteurs métabotropiques du glutamate de type I (mGluR1 et 5). En effet, leur activation lève l’inhibition synaptique de la traduction des ARNm par FMRP permettant ainsi l’expression de la dépression à long terme.

Nous avons mis en évidence au laboratoire que FMRP est un substrat de la sumoylation. La sumoylation est une modification post-traductionnelle qui consiste en l’ajout covalent d’une petite protéine appelée SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) sur un résidu lysine spécifique d’une protéine cible. Ce mécanisme enzymatique réversible conduit à la modulation de la fonction ou du trafic cellulaire de la protéine modifiée. La sumoylation régule toutes les fonctions nucléaires mais agît aussi comme un modulateur de la dégradation des protéines en entrant en compétition pour la modification de lysine cible de l’ubiquitination. Nous avons apporté il y a peu, la première démonstration d’un rôle de SUMO à la synapse (Martin et al, 2007 Nature). Ainsi, dans les neurones de l’hippocampe, la sous-unité GluR6 des récepteurs glutamate de type kaïnate est sumoylée. Les récepteurs sumoylés sont alors internalisés ce qui module la transmission synaptique dans l’hippocampe. FMRP étant un substrat de la sumoylation, l'objectif principal de ce programme est de déterminer quelles sont les fonctions physiologiques de cette modification post-traductionnelle.

La faisabilité de notre projet repose d’une part, sur nos nombreux résultats préliminaires, et d’autre part, sur la combinaison des expertises de l’équipe, aussi bien au niveau de la sumoylation synaptique, du transport nucléocytoplasmique des protéines et des ARNs, que sur les approches neuronales d’imagerie dynamique. De plus, les outils moléculaires nécessaires à la réalisation de ce projet ont déjà été construits et caractérisés au laboratoire. Enfin, notre collaboration interne avec l’équipe du Dr Barbara Bardoni, équipe reconnue internationalement dans le domaine de la physiopathologie du retard mental, nous donne accès aux anticorps dirigés contre FMRP et ses interacteurs, au modèle murin de la maladie, modèle qui mime la pathologie humaine au niveau des altérations de morphologie neuronale (nombre et forme des épines dendritiques) et des déficits cognitifs associés à la maladie. Cette collaboration constitue de fait une valeur ajoutée exceptionnelle à cette demande de financement ANR JCJC.