Nétrine

Les nétrines sont une classe de protéines impliquées dans le guidage axonal . Leur nom vient du mot sanskrit « netr », qui signifie « celui qui guide ». Les nétrines sont génétiquement conservées chez les vers nématodes , les mouches à fruits , les grenouilles , les souris et les humains . Structurellement, la nétrine ressemble à la laminine, une protéine de la matrice extracellulaire .

Les nétrines sont chimiotropes ; un axone en croissance se déplacera vers ou loin d'une concentration plus élevée de nétrine. Bien que le mécanisme détaillé du guidage axonal ne soit pas entièrement compris, on sait que l'attraction de la nétrine est médiée par les récepteurs de surface cellulaire UNC-40/DCC et que la répulsion est médiée par les récepteurs UNC-5 . Les nétrines agissent également comme facteurs de croissance , encourageant les activités de croissance cellulaire dans les cellules cibles. Les souris déficientes en nétrine ne parviennent pas à former la commissure hippocampique ou le corps calleux .

Un modèle proposé pour l'activité des nétrines dans la colonne vertébrale des embryons humains en développement est que les nétrines sont libérées par la plaque du plancher puis captées par des protéines réceptrices intégrées dans les cônes de croissance des axones appartenant aux neurones de la colonne vertébrale en développement. Les corps de ces neurones restent stationnaires tandis que les axones suivent un chemin défini par les nétrines, se connectant finalement aux neurones à l'intérieur du cerveau embryonnaire par le développement de synapses . Les recherches soutiennent que les nouveaux axones ont tendance à suivre des voies précédemment tracées plutôt que d'être guidés par les nétrines ou des facteurs chimiotropes associés.

La nétrine a été décrite pour la première fois chez le nématode Caenorhabditis elegans en 1990 et nommée UNC-6, selon le protocole de dénomination standard de C. elegans . Le premier homologue mammifère de l'UNC-6 a été découvert en 1994, où il s'est avéré être un signal de guidage vital pour les axones commissuraux des rongeurs dans la moelle épinière. En 2009, cinq nétrines de mammifères ont été identifiées. Les nétrines 1, 3 et 4 sont des protéines sécrétées, tandis que G1 et G2 sont des protéines liées à la membrane et attachées par des queues de glycophosphatidylinositol . Toutes les nétrines découvertes jusqu'à présent chez les invertébrés sont sécrétées.

La famille des nétrines est composée principalement de protéines sécrétées qui servent de signaux bifonctionnels : elles attirent certains neurones et en repoussent d'autres lors du développement du cerveau. Exprimées dans la ligne médiane de tous les animaux possédant une symétrie bilatérale , elles peuvent agir comme des signaux à longue ou courte portée lors de la neurogenèse . Pour remplir leurs fonctions, les nétrines interagissent avec des récepteurs spécifiques : DCC ou UNC-5 , selon qu'elles cherchent respectivement à attirer ou à repousser les neurones.

La structure secondaire des nétrines est très bien conservée, et elle possède plusieurs domaines homologues à la laminine à l'extrémité amino-terminale. Le domaine C-terminal est celui où se trouve la plupart des variations entre les espèces et contient différents acides aminés qui permettent l'interaction avec des protéines spécifiques dans la matrice extracellulaire ou à la surface cellulaire. Les différences en termes de structure et de fonction ont conduit à l'identification de plusieurs types différents de nétrines, notamment la nétrine-1, la nétrine-3 et la nétrine-G.

La nétrine-1 se trouve dans la plaque du plancher et dans les cellules neuroépithéliales de la région ventrale de la moelle épinière, ainsi que dans d'autres endroits du système nerveux, notamment le mésoderme somatique , le pancréas et le muscle cardiaque. Son rôle principal est dans le guidage axonal, la migration neuronale et la morphogenèse de différentes structures ramifiées. On a observé que les souris présentant des mutations dans le gène de la nétrine-1 manquaient d'axones commissuraux du cerveau antérieur et de la moelle épinière. La nétrine-1 et -3 ont été décrites comme ayant une expression exclusive dans les cellules cancéreuses.

La nétrine-3 est différente des autres nétrines. Bien qu'elle soit exprimée au cours du développement du système nerveux périphérique dans les neurones moteurs, sensoriels et sympathiques, elle est très limitée dans le système nerveux central. Des études sur la nétrine-3 ont observé une capacité réduite à se lier au DCC par rapport à la nétrine-1. Cela suggère qu'elle agit principalement par l'intermédiaire d'autres récepteurs.

Les nétrines-G sont sécrétées mais restent liées à la surface extracellulaire de la membrane cellulaire par le glycophosphatidylinositol (GPI). Elles sont exprimées principalement dans le système nerveux central, dans des endroits tels que le thalamus et les cellules mitrales du bulbe olfactif . Elles ne se lient pas au DCC ou à l'UNC-5, mais au ligand NGL-1, ce qui entraîne une cascade de transduction intracellulaire. Les deux versions, la nétrine-G1 et la nétrine-G2, ne se trouvent que chez les vertébrés. On pense qu'elles ont évolué indépendamment des autres nétrines afin de faciliter la construction du cerveau.

Les protéines DCC et UNC-5 interviennent dans les réponses de la nétrine-1. La protéine UNC-5 est principalement impliquée dans la signalisation de la répulsion. La DCC, qui est impliquée dans l'attraction, peut également servir de cofacteur dans la signalisation de la répulsion lorsqu'elle est éloignée de la source de la nétrine-1. La DCC est fortement exprimée dans le système nerveux central et associée à la lame basale des cellules épithéliales. En l'absence de nétrine-1, ces récepteurs sont connus pour induire l'apoptose .

Les cônes de croissance situés à l'extrémité des axones en développement pendant l'embryogenèse sont responsables de l'allongement de l'axone pendant la migration . L'allongement se produit en réponse à des facteurs tropiques et atropiques présents dans l'environnement environnant. Les nétrines sont l'un de ces facteurs tropiques sécrétés par les cellules cibles axonales qui fonctionnent comme une protéine de guidage axonale cruciale chez les organismes vertébrés et invertébrés. Des études sur de nombreux organismes, notamment les souris, les rats, les poussins, le nématode Caenorhabditis elegans , la mouche à fruits Drosophila melanogaster et le poisson zèbre Danio rerio, ont indiqué que les nétrines sécrétées sont bifonctionnelles, ce qui signifie qu'elles peuvent agir comme attractifs ou répulsifs pour diriger l'extension axonale. De plus, de nombreuses études ont caractérisé les nétrines comme des signaux à courte et longue portée, agissant à proximité immédiate ou éloignée de leur cellule source (la cellule cible axonale).

Des études sur le développement du système nerveux central (SNC) dans des modèles de poussins et de rongeurs ont identifié la protéine nétrine-1 comme un signal de guidage axonal vertébré particulièrement important. Plus important encore, il a été observé que les cellules spécialisées de la plaque du plancher situées sur la ligne médiane ventrale du cerveau embryonnaire sécrètent de la nétrine-1, ce qui a entraîné un gradient protéique. Ce gradient est plus concentré sur la ligne médiane ventrale et devient de plus en plus diffus à mesure que vous vous déplacez dorsalement. Des recherches supplémentaires sur des souris déficientes en nétrine ont révélé que lorsque la nétrine s'associe au récepteur Deleted in Colorectal Cancer (DCC) sur le cône de croissance axonal, une réponse attractive est initiée. Ceci a été en outre confirmé par une absence observée de développement de la commissure ventrale (c'est-à-dire du corps calleux ) chez des souris dépourvues de nétrine-1 ou de DCC. Des résultats similaires ont été observés dans des expériences avec l'homologue de la nétrine-1 UNC-6 découvert chez C. elegans La même expression précoce et la même formation d'un gradient de concentration protéique émanant de la ligne médiane ventrale sont observées dans les cellules épidermiques du ver en développement. Les données suggèrent que ce gradient est essentiel à la fonction à long terme de l'UNC-6 dans le guidage de la migration circonférentielle initiale des axones vers la ligne médiane ventrale et que le récepteur UNC-40 assure la médiation de la réponse attractive. Au fur et à mesure que des axones supplémentaires atteignent la ligne médiane, l'expression temporelle et spatiale de l'UNC-6 devient de plus en plus restreinte, ce qui indique qu'après un guidage dorso-ventral plus général des axones, l'UNC-6 est davantage impliqué dans la direction des axones vers des emplacements plus spécifiques.

Récemment, les scientifiques ont caractérisé de nombreux mécanismes cellulaires par lesquels la liaison de la nétrine-1 au DCC motive l'attraction axonale par au moins trois voies de signalisation indépendantes. Dans les trois voies, on observe que la nétrine-1 provoque l' homodimérisation du DCC qui déclenche la cascade de chimioattraction. Dans la première voie, la kinase d'adhésion focale (FAK) est liée au DCC et les deux subissent une phosphorylation de la tyrosine lors de la liaison de la nétrine-1 qui induit le recrutement et la phosphorylation de Src et Fyn , ce qui est supposé conduire à une augmentation des seconds messagers Rac1 et Cdc42 favorisant ainsi l'extension du cône de croissance. Dans une deuxième voie possible, la protéine de transfert du phosphatidylinositol α (PITP) se lie au DCC phosphorylé, ce qui induit la phospholipase C (PLC) pour augmenter le rapport AMPc / GMPc . Cette augmentation de l'AMPc par rapport au GMPc active les canaux ^calciques de type L ainsi que les canaux potentiels récepteurs transitoires (TRPC), provoquant un afflux de Ca2+ extracellulaire ^. Des preuves suggèrent que cette augmentation du calcium est responsable de l'activation des Rho GTPases, de Cdc42 Rac1 et du facteur de transcription nucléaire NFAT , qui peuvent tous initier l'extension du cône de croissance. Des études supplémentaires ont également montré que la signalisation induite par la nétrine entre les cibles en aval du DCC NcK et la protéine du syndrome de Wiskott-Aldrich WASP déclenche Rac1 et Cdc42 et par la suite la croissance axonale.

Il a été démontré que le DCC chez les vertébrés et le UNC-40 chez C. elegans déclenchent une réponse répulsive plutôt qu'attrayante lorsqu'ils sont associés au récepteur de la nétrine Unc5. Dans le même gradient de la ligne médiane ventrale évoqué ci-dessus, la nétrine-1 agit comme un chimio-répulsif pour les axones des motoneurones trochléaires, dirigeant ainsi leur croissance dorsalement (loin de la ligne médiane ventrale). L'inhibition par anticorps du DCC dans la moelle épinière embryonnaire de Xénope a inhibé à la fois l'attraction et la répulsion in vitro. De même, de multiples défauts ont été observés chez les mutants unc-40 de C. elegans ; cependant, les erreurs dans les schémas de migration ont été plus profondément affectées par les mutations du gène unc-5, ce qui indique que la liaison de l'homologue de la nétrine-1 UNC-6 au récepteur UNC-5 seul peut repousser la croissance axonale. Dans les systèmes vertébrés et invertébrés, la chimiorépulsion à courte portée dans laquelle la concentration de nétrines est élevée semble se produire principalement via le récepteur UNC-5, tandis que les effets répulsifs à longue portée à des concentrations plus diffuses nécessitent une coordination entre DCC (UNC-40 chez C.elegans ) et UNC-5.

On émet actuellement l'hypothèse que la chimiorépulsion à longue distance implique l'initiation de la voie de l'acide arachidonique lors de l'interaction de la nétrine-1 avec le complexe DCC/UNC-5. Cette voie augmente les niveaux intracellulaires de 12-HPETE (acide 12-hydroxy-5, 8, 10, 14-eicosatétraénoïque), ce qui induit la signalisation du GMPc et provoque ensuite une diminution du rapport AMPc/GMPc. La réduction de ce rapport inhibe la conductance calcique à travers les canaux calciques de type L (LCC) et aboutit finalement à une répulsion du cône de croissance par une activation possible de la famille de gènes homologues de Ras, membre A (RhoA) . Un mécanisme similaire médié par RhoA est proposé pour la chimiorépulsion à courte distance par lequel la liaison de la nétrine-1 aux homodimères UNC-5 induit à elle seule une phosphorylation de la tyrosine nécessitant FAK et Src, ce qui active par conséquent RhoA. Un mécanisme supplémentaire suggère que la liaison de la tyrosine phosphatase Shp2 au complexe nétrine-1/UNC-5 peut également déclencher une chimiorépulsion via RhoA.

De nombreuses études ont montré que la nétrine-1 , l'UNC-40, l'UNC-6 et l'UNC-5 sont impliquées dans la migration de la glie au cours de l'embryogenèse . Pendant la phase migratoire chez Drosophila melanogaster , la glie périphérique embryonnaire (ePG) exprime l'UNC-5. Chez les organismes dépourvus d'UNC-5, l'ePG s'arrête pendant la migration ou ne parvient pas à migrer. La ​​signalisation UNC-6 chez C. elegans , couplée au récepteur UNC-40 sur les neurones, favorise la synaptogenèse et assemble les extrémités gliales autour de la synapse.

Bien qu'à l'origine, on pensait que la nétrine était spécifiquement impliquée dans le guidage axonal du système nerveux central, de nouvelles recherches ont établi un lien entre la nétrine et la régulation du cancer, le développement et la formation de tissus non neuronaux, ainsi que la détection du cancer et d'autres maladies.

Il a été découvert que la nétrine joue un rôle clé dans le développement et la régulation de la maturité des tissus extérieurs au système nerveux. Parmi les tissus non nerveux impliqués figurent les poumons, le placenta, le système vasculaire, le pancréas, les muscles et les glandes mammaires. La nétrine contribue à la morphogenèse tissulaire en contrôlant la migration cellulaire en développement et l'adhésion cellulaire dans différents organes.

Lors du développement des glandes mammaires, les extrémités en croissance du réseau canalaire sont constituées de deux couches constituées de cellules épithéliales luminales et de cellules de la coiffe. Les cellules luminales sécrètent de la nétrine 1, qui se lie au récepteur néogénine (un homologue de DCC ) sur les cellules de la coiffe. Cela permet l'adhésion entre les deux couches cellulaires, ce qui est nécessaire à la morphogenèse appropriée des bourgeons terminaux (TEB) dans les glandes mammaires. La perte du gène codant pour la nétrine 1 ou la néogénine conduit à la formation incorrecte des (TEB), suggérant qu'au lieu d'agir comme une molécule de guidage comme dans les systèmes neuronaux, la nétrine 1 sert d'adhésif dans le tissu mammaire.

Au cours de la morphogenèse du poumon embryonnaire, les cellules épithéliales expriment la nétrine 1 et la nétrine 4. Ces nétrines entourent les bourgeons endodermiques de la membrane basale , empêchant les cellules de l'extrémité distale d'exprimer DCC et UNC5B. Cela permet un développement normal du poumon et empêche la sur-ramification et le bourgeonnement potentiellement dangereux.

Au cours du développement pancréatique , la nétrine 1 est exprimée dans les cellules canalaires épithéliales et se localise sur la membrane basale. La nétrine 1 s'associe à plusieurs éléments de la matrice extracellulaire , notamment le collagène IV , la fibronectine et les protéines intégrales α6β4 et α3β1. Ces éléments de la matrice extracellulaire sont responsables de l'adhésion et de la migration des cellules épithéliales, ce qui suggère que la nétrine 1 est associée au guidage des cellules épithéliales dans le pancréas embryonnaire.

La nétrine est considérée comme une molécule vitale pour la prolifération des réseaux vasculaires. De nombreuses études ont montré que la nétrine a des effets différents sur ces vaisseaux ramifiés. Les cellules de l'extrémité endothéliale du tissu vasculaire présentent des propriétés similaires au cône de croissance présent dans le tissu neuronal. Des études ont montré que ces mêmes cellules de l'extrémité endothéliale expriment également l'UNC5B, auquel la nétrine 1 peut se lier, inhibant ainsi l'angiogenèse . En revanche, plusieurs études montrent que la nétrine 1 favorise en fait la ramification des vaisseaux sanguins. Parallèlement à cette recherche, il a été découvert que la nétrine 4 est responsable de la croissance dans le système vasculaire lymphatique . Dans l'ensemble, ces études montrent que les effets régulateurs de la nétrine dépendent du type de tissu vasculaire. Récemment, la nétrine a été impliquée dans l'angiogenèse dans le placenta, la rendant vitale pour la survie du fœtus. Cette découverte a des implications dans le futur traitement des maladies vasculaires dans le placenta.

Chez l'adulte, la nétrine est impliquée dans la régulation du mouvement des cellules souches et de l'inflammation. On a découvert que la nétrine 1 inhibait la migration des leucocytes vers les zones enflammées du corps. Cela prouve que la régulation positive de la nétrine protège les tissus lésés d'une inflammation excessive. De plus, la migration des cellules souches neurales adultes et des cellules souches de la moelle épinière adultes vers la colonne vertébrale dépend de la nétrine 1. On sait peu de choses sur le mécanisme contrôlant l'inhibition ou l'attraction de ces cellules souches.

Dans divers cancers humains, il a été démontré que la nétrine est surexprimée. Il a également été démontré que certains récepteurs sont sous-exprimés dans ce processus. Les récepteurs de la nétrine DCC et UNC5H sont responsables de la régulation apoptotique . L'absence de nétrine 1 est responsable de l'apoptose, tandis que la présence de nétrine 1 conduit à une inhibition de la voie apoptotique . Cette voie est unique et indépendante des voies des récepteurs mitochondriaux et de mort qui conduisent à la mort cellulaire contrôlée. Cela a été observé dans l'épithélium du côlon humain, où des niveaux plus élevés de mort cellulaire naturelle dans la partie supérieure des villosités étaient corrélés à un gradient plus faible de nétrine-1. Cela a lié le rôle de la nétrine à la mort et à la croissance des tissus. Le suppresseur de tumeur p53 est responsable de l'expression de la nétrine-1, ce qui implique que la nétrine pourrait être la voie par laquelle p53 régule le cycle cellulaire . Étant donné que la nétrine est si influente dans la régulation de la mort cellulaire, le gène qui code pour la nétrine ( NTN1 ) est considéré comme un oncogène .

Comme il a été démontré que la nétrine-1 est régulée à la hausse dans les tumeurs, des recherches récentes ont tenté d'identifier la nétrine-1 comme un biomarqueur de l'apparition du cancer dans le corps humain. Il a été constaté que la nétrine peut être trouvée à des niveaux supérieurs à la normale dans le plasma sanguin des patients atteints de cancer du rein, du foie, de la prostate, de méningiome cérébral, d'adénome hypophysaire, de glioblastome et du sein. La nétrine-3 semble être spécifiquement exprimée dans le neublastome (une tumeur pédiatrique) et dans le cancer du poumon à petites cellules (SCLC) où elle est corrélée à un mauvais pronostic pour le patient.

Il reste encore de nombreuses questions sans réponse concernant la famille des molécules de la nétrine. On ne sait toujours pas avec certitude quel rôle jouent les homologues vertébrés de l'UNC-5 dans la chimiorépulsion . Bien que l'on connaisse beaucoup de choses sur l'expression de la nétrine au cours du développement, on en sait encore peu sur sa régulation au cours du développement ultérieur du cerveau. Les souris knockout pour la nétrine montrent qu'il reste beaucoup à apprendre sur les nombreux rôles de la nétrine dans le guidage axonal.

Une autre ligne importante de recherche actuelle cible la nétrine comme traitement de diverses maladies, notamment le cancer, l'infarctus du myocarde et la maladie d'Alzheimer . Dans les organismes modèles aviaires et murins souffrant de neuroblastome , l'interférence avec la boucle autocrine de la nétrine-1 dans les tumeurs malignes conduit à la mort cellulaire. Cela pourrait conduire à d'éventuelles thérapies alternatives résultant d'essais futurs. Des traitements similaires concernant la régulation négative de la nétrine-1 sont également étudiés pour les cancers métastatiques du sein et colorectaux. Des études récentes suggèrent également que la nétrine joue un rôle cardioprotecteur en libérant du gaz NO . Chez la souris, la nétrine a également été associée à la régulation du peptide (Aβ) , qui est responsable des plaques amyloïdes dans la maladie d'Alzheimer.