L'ensemencement de TDP-43 induit une hétérogénéité d'agrégation cytoplasmique et une perte de fonction nucléaire de TDP-43

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TDP-43 agrégation cytoplasmique perte de fonction nucléaire troubles neurodégénératifs fibrilles amyloïdes

Contexte académique

TDP-43 (TAR DNA-binding protein 43) est une protéine de liaison à l’ARN principalement localisée dans le noyau, impliquée dans plusieurs processus du métabolisme de l’ARN, y compris la transcription, l’épissage, le transport de l’ARN et la traduction. Cependant, dans plusieurs maladies neurodégénératives, telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la démence frontotemporale (DFT), TDP-43 disparaît du noyau et forme des agrégats insolubles dans le cytoplasme. Cette agrégation cytoplasmique et la perte de fonction nucléaire sont considérées comme des mécanismes clés dans la pathogenèse de ces maladies. Bien que l’importance de TDP-43 dans les maladies neurodégénératives soit largement reconnue, les mécanismes pathologiques restent incomplètement compris, en particulier la reproduction simultanée de l’agrégation cytoplasmique et de la perte de fonction nucléaire de TDP-43 dans des modèles cellulaires, ce qui reste un défi.

Pour résoudre ce problème, cette étude vise à utiliser des fibrilles amyloïdes formées par le domaine de faible complexité (LCD) de TDP-43 pour déclencher l’agrégation cytoplasmique et la perte de fonction nucléaire de TDP-43, simulant ainsi les caractéristiques pathologiques dans les neurones humains. Grâce à ce modèle, les chercheurs espèrent révéler les mécanismes moléculaires de l’agrégation de TDP-43 et fournir un outil précieux pour étudier les protéinopathies sporadiques de TDP-43.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Jens Rummens, Bilal Khalil, Günseli Yıldırım et d’autres auteurs, issus de plusieurs institutions de recherche, dont le Centre de recherche sur le cerveau et les maladies VIB-KU Leuven et l’Université de Hasselt. L’article a été publié le 21 mai 2025 dans la revue Neuron, sous le titre “TDP-43 Seeding Induces Cytoplasmic Aggregation Heterogeneity and Nuclear Loss of Function of TDP-43”.

Processus de recherche

1. Préparation et caractérisation des fibrilles amyloïdes de TDP-43 LCD

Les chercheurs ont d’abord purifié le domaine de faible complexité (LCD) de TDP-43 à partir d’Escherichia coli et ont induit sa formation spontanée en agrégats fibrillaires par agitation et temps. L’observation par microscopie électronique à transmission (MET) a révélé que ces fibrilles présentaient une structure amyloïde typique, avec une largeur de 16 ± 3 nm, et que la plupart des fibrilles présentaient une torsion hélicoïdale. De plus, ces fibrilles ont montré une biréfringence verte après coloration au rouge Congo, indiquant leur nature amyloïde. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a confirmé la nature amyloïde des fibrilles.

Pour étudier si ces fibrilles pouvaient servir de graines pour déclencher l’agrégation de TDP-43, les chercheurs ont soumis les fibrilles à une sonication, générant ainsi de petits fragments (graines) d’une longueur moyenne de 38 ± 13 nm. Dans un environnement acellulaire, ces graines ont accéléré l’agrégation des monomères de TDP-43 LCD, éliminant la phase de latence de l’agrégation.

2. Agrégation cytoplasmique de TDP-43 induite par les fibrilles

Les chercheurs ont introduit les graines de fibrilles par transfection liposomale dans des cellules humaines exprimant TDP-43. Les résultats ont montré que les graines de fibrilles pouvaient déclencher l’agrégation de TDP-43 dans le cytoplasme, et que ces agrégats présentaient des caractéristiques pathologiques telles que la phosphorylation, l’ubiquitination et l’accumulation de p62. De plus, les graines de fibrilles ont également induit la disparition de TDP-43 endogène du noyau et la formation d’agrégats dans le cytoplasme.

Grâce à des analyses de récupération de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) et de microscopie à fluorescence par durée de vie (FLIM), les chercheurs ont découvert que les agrégats de TDP-43 induits par les fibrilles présentaient des propriétés solides, distinctes des gouttelettes liquides de TDP-43. En outre, avec le temps, les agrégats de TDP-43 ont montré une hétérogénéité morphologique, incluant des agrégats denses, filamenteux et fragmentés.

3. Perte de fonction nucléaire de TDP-43 induite par les fibrilles

Les chercheurs ont ensuite évalué si les graines de fibrilles pouvaient induire la perte de fonction nucléaire de TDP-43. Les résultats ont montré que le traitement par les graines de fibrilles entraînait une diminution significative des niveaux de TDP-43 dans le noyau et provoquait des défauts d’épissage de l’ARN, y compris la détection d’un épissage cryptique spécifique à la maladie dans le gène UNC13A associé à la SLA/DFT. Par séquençage de l’ARN (RNA-seq), les chercheurs ont découvert que l’agrégation de TDP-43 et la perte de fonction nucléaire étaient associées à des changements transcriptionnels étendus, incluant une régulation à la hausse des gènes liés aux maladies neurodégénératives et une régulation à la baisse des cibles de liaison de TDP-43.

4. Dégradation dépendante du temps des agrégats de TDP-43

Les chercheurs ont également étudié le processus de dégradation des agrégats de TDP-43 dans les cellules. Les résultats ont montré qu’avec le temps, la morphologie des agrégats de TDP-43 changeait, passant d’agrégats denses à des agrégats filamenteux et fragmentés. Ce changement morphologique était lié à l’activation de la voie du protéasome, et les inhibiteurs du protéasome pouvaient empêcher ce changement morphologique dépendant du temps. De plus, en limitant l’expression de TDP-43, les chercheurs ont observé une clairance progressive des agrégats de TDP-43, soutenant ainsi l’hypothèse de la dégradation des agrégats.

5. Manifestation de la pathologie de TDP-43 induite par les fibrilles dans les neurones dérivés de cellules iPS humaines

Enfin, les chercheurs ont validé l’effet des graines de fibrilles dans des neurones dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPS) humaines. Les résultats ont montré que les graines de fibrilles pouvaient induire l’agrégation cytoplasmique et la perte de fonction nucléaire de TDP-43 dans les neurones, et provoquer une toxicité spécifique aux neurones. Contrairement aux lignées cellulaires, la pathologie de TDP-43 induite par les fibrilles dans les neurones a montré une toxicité plus forte dépendante du temps, indiquant une sensibilité accrue des neurones à la pathologie de TDP-43.

Conclusion de l’étude

Cette étude a réussi à reproduire l’agrégation cytoplasmique et la perte de fonction nucléaire de TDP-43 dans des modèles cellulaires et neuronaux en utilisant des fibrilles amyloïdes de TDP-43 LCD, révélant ainsi les mécanismes moléculaires de l’agrégation de TDP-43. Les résultats montrent que l’hétérogénéité morphologique des agrégats de TDP-43 est liée à un processus de dégradation dépendant du temps, et que la pathologie de TDP-43 induite par les fibrilles présente une toxicité plus forte dans les neurones. Ces découvertes fournissent un modèle précieux pour étudier les protéinopathies sporadiques de TDP-43 et posent les bases pour le criblage de médicaments et la recherche sur les mécanismes de la maladie.

Points forts de l’étude

  1. Première utilisation de fibrilles amyloïdes de TDP-43 LCD pour déclencher l’agrégation cytoplasmique et la perte de fonction nucléaire de TDP-43, reproduisant avec succès les caractéristiques pathologiques des maladies neurodégénératives.
  2. Révélation de l’hétérogénéité morphologique des agrégats de TDP-43 et du processus de dégradation dépendant du temps, offrant une nouvelle perspective sur la progression de la pathologie de TDP-43.
  3. Validation de la pathologie de TDP-43 induite par les fibrilles dans les neurones dérivés de cellules iPS humaines, montrant une sensibilité accrue des neurones à la pathologie de TDP-43.
  4. Fourniture de données transcriptomiques étendues, révélant les changements d’expression des gènes liés aux maladies neurodégénératives en relation avec l’agrégation de TDP-43 et la perte de fonction nucléaire.

Valeur de l’étude

La valeur scientifique de cette étude réside dans la révélation des mécanismes moléculaires de l’agrégation de TDP-43 et dans la fourniture d’un nouveau modèle expérimental pour étudier les protéinopathies sporadiques de TDP-43. Grâce à ce modèle, les chercheurs peuvent explorer davantage les mécanismes moléculaires de la pathologie de TDP-43 et développer des stratégies thérapeutiques ciblant l’agrégation de TDP-43. De plus, cette étude fournit de nouvelles perspectives sur les processus d’agrégation et de dégradation des protéines dans les maladies neurodégénératives.