Enquête sur un acteur inattendu dans la vie des neurones : le kinétochore

Une découverte inattendue

Complexe protéique situé au niveau du centromère des chromosomes, le kinétochore assure leur liaison aux microtubules et permet leur séparation lors de la division cellulaire. « Le kinétochore n'avait aucune fonction connue en dehors de la mitose et de la méiose » rappelle Thomas Schwarz en introduction de son séminaire au GIN. « Personne ne l'avait étudié dans le système nerveux. Pourquoi l'aurait-on fait ? Les neurones, comme chacun sait, ne se divisent pas ». 

Pourtant, en étudiant les mécanismes qui régissent la formation et la maturation des synapses chez la drosophile, Thomas Schwarz et son équipe font une découverte surprenante. Cherchant les gènes impliqués dans ce processus, ils identifient une mutation qui perturbe le développement des jonctions neuromusculaires. Le responsable ? MIS12, un gène codant pour une protéine du kinétochore !

« Je me suis dit : Guoli a fait une erreur dans ses expériences génétiques. Ce n'est pas possible ! », se souvient Thomas Schwarz, évoquant sa réaction lorsque son postdoctorant, Guoli Zhao, lui a présenté les résultats.
Mais il n’y avait pas d’erreur… 

Alors, pour confirmer leur découverte, l'équipe s'intéresse à d'autres protéines du kinétochore. Et presque toutes les mutations testées produisent des anomalies similaires dans le développement des jonctions neuromusculaires. 

De la drosophile aux neurones de mammifères

De plus en plus intrigués, les chercheurs poursuivent leurs investigations chez les mammifères. 

En diminuant l'expression de plusieurs protéines du kinétochore (notamment MIS12, DSN1 et NDC80) dans des neurones de rongeurs, ils observent des modifications surprenantes de leur morphologie : les axones s'allongent, les cônes de croissance s'élargissent et, surtout, les épines dendritiques deviennent plus nombreuses. Or, ces petites excroissances présentes à la surface des dendrites accueillent la plupart des synapses excitatrices.

Mais comment des protéines connues pour leur rôle dans la division cellulaire pourraient-elles influencer la morphologie des neurones ? Ils soupçonnent alors un complice : les microtubules, structures du cytosquelette qui participent notamment à l'organisation et à la croissance des neurones.

En effet, les chercheurs constatent que la diminution de certaines protéines du kinétochore s'accompagne d'une augmentation de la dynamique des microtubules.
« À ce stade, nous nous demandions quel rapport tout cela pouvait bien avoir avec la formation des épines dendritiques », explique Thomas Schwarz.

Une collaboration décisive avec Grenoble

L'enquête prend alors un nouveau tournant grâce à une rencontre. Lors d'un congrès, un collègue conseille à Thomas Schwarz de contacter Leticia Peris, chercheuse au Grenoble Institut des Neurosciences, spécialiste des microtubules dans le compartiment synaptique. 

Depuis de nombreuses années, Leticia Peris s'intéresse à leur dynamique et à leur rôle dans la stabilité des connexions neuronales. Elle étudie notamment leurs incursions transitoires dans les épines dendritiques.

La collaboration s'engage. Grâce à son expertise et aux techniques d’imagerie du GIN, Leticia Peris montre, avec ses doctorantes Aditi Sharma, Martina Aleman et son collègue Yves Goldberg, que la suppression de certaines protéines du kinétochore, notamment NDC80 et DSN1, augmente la fréquence de ces incursions dans les épines dendritiques. 

Cette observation permet enfin de relier les deux phénomènes : en pénétrant plus fréquemment dans les épines dendritiques, les microtubules favoriseraient leur stabilisation, expliquant ainsi leur nombre accru. 
« Cette collaboration a vraiment été la pièce maîtresse qui nous a permis de relier ce que nous savions des microtubules aux changements observés dans la morphologie des neurones », souligne Thomas Schwarz.

À lire également : Le kinétochore, un acteur inattendu des connexions neuronales

Une nouvelle énigme : la survie des neurones

Les chercheurs disposaient désormais d'une explication cohérente du rôle des protéines du kinétochore dans la morphologie des neurones. « J'aurais très bien pu prendre ma retraite à ce moment-là en me disant : voilà, nous avons compris ! », plaisante Thomas Schwarz. Mais Guoli Zhao décide de pousser les investigations plus loin.

Puisque la suppression de NDC80 favorise la croissance des axones, Guoli Zhao se demande si elle pourrait également faciliter leur régénération après une lésion. Pour le vérifier, il supprime cette protéine dans les cellules ganglionnaires de la rétine de souris adultes. Le résultat est saisissant : au fil des semaines, de nombreux neurones disparaissent. 

Des expériences complémentaires sur des neurones en culture confirment que la suppression de NDC80 entraîne leur mort par apoptose. « Ma réaction a été : nous n'arriverons jamais à comprendre ce qui se passe ici », reconnaît Thomas Schwarz. Comment une protéine dont la disparition favorise la croissance des prolongements neuronaux peut-elle être également indispensable à leur survie ?

Pour comprendre ce paradoxe, Guoli Zhao reprend une expérience qui avait permis d'établir le rôle de NDC80 dans la formation des épines dendritiques. Il réintroduit dans les neurones privés de cette protéine une version modifiée de NDC80, incapable de se lier aux microtubules. Et cette fois, surprise : contrairement à ce qui avait été observé pour les épines dendritiques, cette version modifiée suffit à empêcher la mort des neurones !

Les chercheurs tiennent un nouvel indice : les fonctions de NDC80 dans la morphologie et la survie des neurones ne reposent pas sur les mêmes interactions moléculaires. Mais où cette protéine exerce-t-elle sa fonction protectrice ? 

De nouvelles expériences, portant cette fois sur DSN1, une autre protéine du kinétochore, montrent qu'une version confinée au noyau suffit à préserver la survie des neurones. Ces résultats orientent les chercheurs vers une fonction nucléaire des protéines du kinétochore, peut-être liée à la réponse aux dommages de l'ADN. 

D'autres observations étayent cette hypothèse : en l'absence de DSN1, les neurones accumulent davantage de marqueurs de dommages à l'ADN. Les chercheurs envisagent désormais que certaines protéines du kinétochore puissent participer à sa réparation, un mécanisme qui reste à démontrer.

De nouvelles pistes à creuser

Partie d'une mutation inattendue chez la drosophile, l'enquête a ainsi révélé des fonctions insoupçonnées de protéines que l'on pensait réservées à la division cellulaire. Et elle est loin d'être terminée.

Les questions restent nombreuses. Comment ces protéines sont-elles organisées et régulées dans les neurones ? Avec quelles autres protéines interagissent-elles ? Et exercent-elles des fonctions similaires dans d'autres cellules qui ne se divisent plus ? L'équipe explore déjà cette dernière piste dans les cellules musculaires cardiaques.

À quelques années de la fin de sa carrière, Thomas Schwarz espère désormais que d'autres chercheurs poursuivront ces recherches, évoquant avec humour une réflexion qu'on lui a faite : « Quand on est jeune, on a peur que quelqu'un nous vole nos idées. Quand on vieillit, on a peur que personne ne les reprenne. »