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Neurologie
Chimie du nerf périphérique : les protéines de la myéline
Cours de Neurologie
 

 

Introduction :

Dans le système nerveux périphérique (SNP), la myéline est formée par une extension modifiée de la membrane plasmique des cellules de Schwann (SC).

Enroulée en spirale autour d’un segment d’axone, elle joue un rôle d’isolant électrique, permettant la conduction saltatoire de l’influx nerveux.

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Le maintien de cette structure caractéristique des vertébrés supérieurs est assuré par un petit nombre de protéines spécifiques des SC myélinisantes (et pour certaines également des oligodendrocytes dans le système nerveux central [SNC]).

Néanmoins, et par opposition à toutes les autres membranes biologiques, la myéline ne contient que peu de protéines (environ 30 % de son poids sec) et est très enrichie en lipides (environ 70 % de son poids sec).

Les glycoprotéines représentent 60 % des protéines myéliniques, contrairement au SNC où elles ne sont que des constituants mineurs.

Les gènes de ces protéines structurales présentent des anomalies au cours des neuropathies héréditaires comme la maladie de Charcot-Marie-Tooth (CMT).

Par ailleurs, la glycoprotéine associée à la myéline (MAG) est reconnue par certaines immunoglobulines monoclonales de patients atteints de neuropathies.

Des modèles animaux de ces affections : mutants murins spontanés ou souris transgéniques permettent une analyse précise du rôle de ces protéines.

Régulation :

L’expression des protéines myéliniques est régulée positivement par le contact axone-SC, au cours du développement et de la régénération nerveuse.

Ainsi, après axotomie, leurs acides ribonucléiques messagers (ARNm) diminuent puis réaugmentent lors de la régénération.

Le gène EGR2/Krox20, localisé sur le chromosome 10 en q21.1-q22.1 et qui est muté dans certaines familles de CMT de type 1 et d’hypomyélinisation congénitale, code pour un facteur de transcription à « doigts de zinc » qui semble être un transactivateur direct des gènes myéliniques.

Les souris « knock-out » egr2 ont une hypomyélinisation du SNP avec une diminution des ARNm de P0, de la protéine de la myéline périphérique 22 (PMP22) et de la protéine basique de myéline (MBP) et une prolifération anormale des SC qui sont bloquées à un stade précoce de différenciation.

Au contraire, Oct-6 est un facteur de transcription exprimé par les SC immatures et réprimant l’expression des gènes des protéines myéliniques.

Protéine P0 :

Cette glycoprotéine membranaire intégrale d’un poids moléculaire de 28 kDa représente 50 à 60 % des protéines de la myéline du SNP. Son gène localisé sur le chromosome 1 en q22-q23 comprend six exons.

Elle est formée par un domaine intracellulaire de 68 acides aminés (AA), très basique, situé au niveau de la ligne dense majeure (LDM), un domaine hydrophobe transmembranaire de 25 AA et un domaine immoglobuline (Ig)-like extracellulaire de 124 AA aminoterminal.

Ce dernier contient une séquence signal pour l’insertion de la protéine dans la membrane et un site de glycosylation portant l’épitope HNK-1 commun à différentes molécules d’adhésion. La protéine subit de plus des modifications post-transcriptionnelles : sulfatation, phosphorylation et acylation.

La P0 a un rôle structural majeur, elle traverse la bicouche lipidique et stabilise la ligne intrapériodique (LIP) en formant des tétramères interagissant de façon homophilique entre domaines Ig avec un tétramère sur les couches adjacentes.

Le domaine chargé positivement à la face cytoplasmique de la membrane contribue aussi significativement à la stabilisation de la LDM par interactions électrostatiques avec les lipides acides.

Ceci est confirmé par l’analyse des mutants nuls P0-/- : 20 % des axones sont totalement dépourvus de myéline, ce qui suggère que P0 est impliquée dans la spiralisation du prolongement schwannien, et 60 % ont un élargissement de la LIP confirmant que P0 intervient dans sa cohésion.

Chez le mutant shiverer la myéline du SNP est normale malgré l’absence de MBP, alors que chez les doubles mutants P0-/-MBP-/- la myéline est totalement décompactée, P0 et MBP ont donc un rôle interchangeable dans la formation de la LDM.

L’étude des hétérozygotes P0 +/- a montré que P0 détermine également l’épaisseur de la myéline avec la MBP, et est impliquée dans la maintenance de la myéline et l’intégrité axonale.

En effet, ces mutants ont une myéline trop mince, des bulbes d’oignons suggérant des phénomènes de démyélinisation/remyélinisation, et les homozygotes ont une dégénérescence axonale.

De nombreuses mutations ont été identifiées sur le gène de P0, la plupart sont des mutations ponctuelles non-sens localisées le plus souvent dans le domaine extracellulaire de la protéine, ce qui affecterait ses fonctions d’adhésion.

Selon les cas, le phénotype est de type CMT1B, maladie de Déjerine-Sottas (DSS, CMT3) ou hypomyélinisation congénitale.

Protéine de la myéline périphérique :

La PMP22 représente 5 % des protéines myéliniques et est localisée dans la myéline compacte.

D’un poids moléculaire de 22 kDa, elle comporte 160 AA, avec une séquence présentant 85 % d’homologie entre les rongeurs et l’homme.

Très hydrophobe, elle est constituée de quatre domaines transmembranaires et de deux boucles extracellulaires dont la première possède un site de glycosylation.

Ses domaines N et C terminaux sont intracellulaires, et elle a un épitope L2/HNK-1 impliqué dans les processus d’adhésion cellulaire qui pourrait rendre compte de son rôle structural.

Son gène comporte 40 kb, et est constitué de quatre exons codants et deux exons non codants à l’extrémité 5’, tous deux précédés d’un site promoteur donnant les ARNm CD15 et SR13 pour le SNP et les tissus non neuronaux, respectivement.

Chez les souris

Trembler et TremblerJ, la protéine est mutée et il existe une prolifération anormale des SC semblant arrêtées au stade prémyélinisant, avec une dégradation de la myéline et des bulbes d’oignons.

La mutation affecte le transport intracellulaire de la protéine.

La similitude entre les gènes pmp22 et gas3, qui est induit dans les fibroblastes quiescents et réprimé dans ceux qui prolifèrent, a fait évoquer le rôle de la PMP22 dans la régulation du cycle cellulaire, d’autant que son expression est inversement corrélée à la prolifération des SC au cours du développement et après lésion.

La PMP22 paraît en fait davantage impliquée dans la détermination de l’épaisseur de la myéline et la maintenance de l’intégrité du complexe axonomyélinique.

Les souris PMP22-/- présentent en effet des phénomènes d’hypermyélinisation instables, disparaissant avec l’âge, des bulbes d’oignons abondants témoins d’une dégénérescence myélinique et une réduction significative des profils axonaux.

Les animaux surexprimant PMP22 constituent un modèle de CMT1A.

Des travaux récents ont montré que PMP22 et P0 forment des complexes, ce qui expliquerait pourquoi l’altération de l’une ou l’autre de ces protéines déstabilise la structure de la myéline et cause un même phénotype pathologique.

La duplication d’une région de 1,5 Mb située sur le chromosome 17 en 17p11.2 et qui inclut le gène pmp22 est responsable de 70 % environ des CMT1A, dans ce cas les ARNm et la protéine sont surexprimés.

La délétion de cette même région cause une neuropathie héréditaire par hyperpression (HNPP).

Les mutations sont plus rares et peuvent induire des phénotypes de CMT, de DSS (notamment celles du codon 72 affectant une sérine) ou d’HNPP, elles affectent les domaines transmembranaires, témoignant de leur importance fonctionnelle.

La PMP22 pourrait être impliquée dans les polyradiculonévrites inflammatoires, car son injection provoque chez le rat une névrite allergique expérimentale (EAN), qui est un modèle du syndrome de Guillain-Barré.

Toutefois, l’injection du peptide extracellulaire humain (partie théoriquement accessible à la réponse immune) est sans effet.

Connexine 32 :

Contrairement à P0 et PMP22, la Cx32 est localisée aux régions non compactées de la myéline : incisures de Schmidt-Lantermann et boucles latérales paranodales.

Elle appartient à la famille des connexines qui sont des constituants des canaux extracellulaires et est présente dans d’autres tissus. D’un poids moléculaire de 32 kDa, elle est formée par 283 AA.

Elle comporte quatre domaines transmembranaires, deux boucles extracellulaires et une boucle intracellulaire, ses extrémités N et C terminales sont intracellulaires.

Elle forme des hexamères (connexons) qui se lient à ceux de la membrane adjacente pour constituer des jonctions communicantes (gap junctions), ces « pores » permettent le passage de petites molécules d’un poids moléculaire inférieur à 1 kDa : ions, seconds messagers, nutriments...

Cette voie de diffusion radiale entre les différentes couches de la myéline est 1 000 fois plus courte que le chemin progressant le long de la spirale myélinique.

Les souris déficientes en Cx32 ne présentent des anomalies qu’à 4 mois : myéline mince et « bulbes d’oignons », ainsi qu’un collier périaxonal désorganisé.

La Cx32 paraît donc impliquée dans la maintenance de la myéline.

Le gène, composé de deux exons non codants qui subissent un épissage alternatif dépendant du tissu et d’un exon codant, est situé sur le chromosome X en q13.1.

De nombreuses mutations, en différents points de la molécule, sont responsables d’un phénotype CMTX.

Certaines affectent la perméabilité des jonctions, par réduction de la taille du pore, ou par diminution de sa fréquence d’ouverture.

Ceci perturberait la transduction des signaux d’interactions axonogliales, tels que des seconds messagers comme l’adénosine monophosphorique cyclique, entraînant ainsi une démyélinisation associée à une dégénérescence axonale.

L’absence d’atteinte des autres organes s’expliquerait par le fait qu’ils expriment d’autres connexines.

Protéine P2 :

C’est une protéine chargée positivement, basique et hydrophobe, d’un poids moléculaire de 14,8 kDa, contenant deux résidus cystéine pouvant former un pont disulfide intracaténaire.

Elle est quasiment spécifique du SNP (elle est présente en petites quantités dans le SNC de certaines espèces).

Sa séquence est très conservée mais sa quantité varie selon les espèces, la région du SNP et les individus ; chez l’homme elle constitue environ 5 % des protéines myéliniques.

Sa quantité croît avec la myélinisation. Son gène est situé sur le chromosome 8.

Elle est localisée dans la LDM où elle pourrait jouer un rôle stabilisant (comme les MBP) par des interactions hydrophobes.

Toutefois, la variabilité de sa distribution fait que la question de ses fonctions n’est pas résolue.

Ses fortes homologies avec des protéines cytoplasmiques liant les lipides et présentes dans d’autres tissus suggèrent qu’elle pourrait avoir un rôle similaire au cours de la myélinisation.

Son injection provoque l’EAN, et des anticorps dirigés contre elle ont été détectés au cours de certains syndromes de Guillain-Barré.

Protéolipide :

Le protéolipide (PLP) de Folch-Lees constitue moins de 1 % des protéines la myéline périphérique (contre 50 % dans le SNC).

Très hydrophobe, il s’agit d’une protéine membranaire intégrale d’un poids moléculaire voisin de 30 kDa, constituée de 276 AA (dont 60 % d’AA non polaires) et très conservée au cours de l’évolution.

Il contient trois moles d’acides gras/mole de protéine (surtout du palmitate, du stéarate et de l’oléate), qui ont un renouvellement rapide, indépendant de la partie peptidique, et sont liés par des liaisons esters à des AA hydroxylés.

Il est formé de quatre domaines transmembranaires, et présente ainsi certaines analogies avec les canaux membranaires.

Son gène, localisé en Xq21, constitué de sept exons, code pour deux protéines générées par épissage alternatif : PLP et DM-20, qui comporte une délétion de 35 AA par rapport au PLP ; DM-20 est la forme prédominante dans le SNP.

La DM-20 apparaît avant la myélinisation du SNC dans les précurseurs oligodendrogliaux et régulerait leur survie.

En effet, le mutant jimpy chez lequel PLP et DM-20 sont affectés présente une hypomyélinisation du SNC avec une mort précoce des oligodendrocytes, mais ceux-ci sont préservés chez le mutant rumpshaker chez lequel seul PLP est muté.

PLP paraît impliqué dans la stabilisation de la LIP dans le SNC, sa fonction dans le SNP n’est pas connue.

Les duplications, mutations et délétions partielles ou complètes du gène sont rencontrées au cours de la maladie de Pelizaeus- Merzbacher (MPM) et de certaines paraplégies spastiques progressives.

De nouvelles mutations ont été identifiées, l’une, par délétion d’une paire de bases produisant un codon stop avec absence de PLP et DM-20 (mutation nulle), est responsable d’une affection moins sévère que la MPM et s’associant à une neuropathie démyélinisante (ralentissements multifocaux de conduction).

L’autre, une mutation non-sens en position 144 qui affecte PLP mais non DM-20, produit un syndrome mineur avec une fonction périphérique normale, suggérant que DM-20 seule suffit à maintenir celle-ci.

Glycoprotéine associée à la myéline et autres glycoprotéines :

C’est une glycoprotéine membranaire intégrale de 100 kDa quantitativement mineure (0,1 % contre 1 % dans le SNC) spécifique de la myéline, aussi appelée siglec-4a.

Elle appartient à la superfamille des Ig, ces protéines ont des homologies de séquences et sont généralement impliquées dans la reconnaissance et les interactions cellulaires.

Son domaine transmembranaire sépare la partie extracellulaire, fortement glycosylée et composée de cinq domaines Ig-like, de la partie intracellulaire carboxyterminale.

Environ un tiers de sa masse totale est constitué par des carbohydrates, surtout des oligosaccharides contenant de l’acide sialique, du fucose, du mannose, de la N-acétylgalactosamine et des sulfates.

Son gène de 16 kb localisé sur le chromosome 19 en q12-13 comporte 16 exons donnant lieu par épissage alternatif à deux isoformes : L-MAG (72 kDa), qui a un domaine terminal plus long et phosphorylé, et S-MAG (67 kDa) qui prédomine dans le SNP quelle que soit la période du développement.

La MAG est détectable aux stades les plus précoces de la myélinisation, avant l’apparition de toute protéine myélinique majeure.

Elle n’est pas localisée à la myéline compacte mais dans la membrane des SC constituant les incisures de Schmidt-Lantermann, les languettes paranodales ainsi que le mésaxone externe et interne.

Toutes ces localisations sont caractérisées par un espacement de 12 à 14 nm entre les surfaces extracellulaires des membranes adjacentes et la présence de cytoplasme du côté interne des membranes.

Ceci suggère que la MAG est impliquée dans la maintenance de l’espace entre ces membranes, de même que son appartenance à la superfamille des Ig dont les membres fonctionnent par liaisons homophiliques ou hétérophiliques sur des cellules adjacentes.

Incorporée dans des liposomes la MAG se lie spécifiquement aux surfaces neuronales, mais son ligand putatif est inconnu.

Elle pourrait ainsi interagir avec un composant situé sur l’axolemme adjacent ou sur la membrane des SC et avec les éléments du cytosquelette à l’intérieur de la SC.

Ses interactions avec le cytosquelette pourraient être modulées par phosphorylation de sa queue cytoplasmique et celles avec les membranes adjacentes par glycosylation.

In vitro la surexpression ou la sous-expression de la MAG entraînent, respectivement, un accroissement ou une diminution de l’engainement des racines dorsales par les SC.

La MAG joue donc un rôle au stade initial de la myélinisation, toutefois elle n’est pas indispensable (mais les molécules compensant le déficit en MAG ne sont pas identifiées).

Les animaux déficients MAG-/- développent en effet des anomalies après 9 mois seulement : dégénérescence myélinique, bulbes d’oignons et dégénérescence axonale associée à des tomaculi, ceci montre que la MAG est surtout impliquée dans la maintenance de la myéline.

Chez la majorité des patients présentant une maladie de Waldenström ou une gammapathie monoclonale IgM associée à une neuropathie, l’Ig anormale réagit avec une structure carbohydratée dans la MAG très similaire à l’épitope HNK-1 relié à l’adhésion.

Il existe une compaction anormale de la myéline, notamment des lamelles externes, très caractéristiques, et des phénomènes d’hypermyélinisation.

La périaxine, représentant 5 % des protéines myéliniques, est spécifique du SNP et localisée à la membrane périaxonale.

D’un poids moléculaire de 170 kDa, elle comporte deux isoformes générées par deux ARNm.

La E-cadhérine appartient à la superfamille des protéines d’adhésion calcium-dépendantes, elle semble jouer un rôle d’adhésion majeur dans les zones non compactes de la myéline.

Protéine basique de la myéline :

Elle représente 5 à 18% des protéines myéliniques dans le SNP, contre 30 % dans le SNC.

Son injection à l’animal provoque l’encéphalite auto-immune expérimentale.

Elle comprend plusieurs isoformes de poids moléculaires : 21,5 ; 18,5 ; 17,2 prédominante dans le SNP, et 14 kDa, résultant de l’épissage alternatif d’un ARNm précurseur commun.

Le gène de 32 kb situé sur le chromosome 18 comporte sept exons, ceux-ci font partie d’un gène plus large GOLLIMBP dont les transcrits sont exprimés au cours du développement au stade prémyélinisant.

La protéine comprend 158 AA dont 52 % sont polaires, et est fortement chargée. Elle n’a pratiquement pas de structure tertiaire en solution.

Elle présente une microhétérogénéité due à une combinaison de phosphorylation, perte de l’arginine C terminale, déamidation ainsi que dans le degré de méthylation du résidu arginine en position 106.

Elle est localisée sur la face cytoplasmique de la myéline correspondant à la LDM.

Le renouvellement rapide de ses groupements phosphates suggère que cette modification pourrait influencer la compaction.

Elle forme probablement des dimères et pourrait stabiliser la LDM par interaction avec des lipides chargés négativement.

En effet, les souris shiverer (délétion de 20 kb) et mld ont une hypomyélinisation du SNC avec absence de LDM alors que la myéline périphérique est d’apparence normale malgré l’absence de MBP.

Il en a été déduit que la partie chargée positivement de P0 compenserait la perte de MBP dans le SNP, ce que confirme l’étude des doubles mutants déficients en MBP et P0 chez lesquels la LDM est absente avec des enroulements schwanniens non compactés et contenant du cytoplasme.

Protéines enzymatiques :

Considérée initialement comme une membrane inerte, la myéline contient en fait de nombreuses activités enzymatiques témoignant qu’elle est métaboliquement active dans la synthèse et le renouvellement de ses constituants.

En outre, elle pourrait transporter activement certains ions pour préserver sa structure et participer à leur tamponnement au voisinage de l’axone.

Certaines de ces protéines sont spécifiques, comme la 2’,3’-nucléotide cyclique 3’-phosphodiestérase (CNP). Représentant moins de 1 % des protéines, c’est un doublet de poids moléculaire voisin de 50 kDa, localisé à la myéline non compacte.

Son gène situé sur le chromosome 17 possède quatre exons.

Son rôle n’est pas connu car les nucléotides cycliques biologiquement actifs ont une structure 3’5’. Les souris transgéniques la surexprimant ont une myéline centrale non compactée avec des phénomènes de redondances.

La pH 7,2 cholestérol ester hydrolase et la N-acétyl-L-aspartate aminohydroxylase sont assez spécifiques.

D’autres enzymes non spécifiques mais intrinsèques comprennent une protéase neutre, des kinases AMPc et Ca2+/calmoduline-dépendantes.

La protéine kinase C et les phosphoprotéines phosphatases permettent le renouvellement rapide des groupements phosphates.

La part de l’activité enzymatique revenant aux SC et à la myéline elle-même est difficile à déterminer pour les enzymes du métabolisme des lipides telles que l’UDP-galactose : céramide galactosyltransférase dont les mutants nuls sont dépourvus de galactocérébroside et de sulfatides et meurent après 18 à 30 jours.

La plupart des gaines myéliniques sont morphologiquement normales mais les vitesses de conduction nerveuse sont effondrées.

De fortes concentrations de phospho-inositides sont présentes dans la myéline et les enzymes de leur métabolisme y ont été identifiées : diphospho-inositol et diglycérides kinases, phosphatases.

Ceci a ouvert la voie à la caractérisation de systèmes de transduction : présence de récepteurs cholinergiques, de protéines G, de phospholipases C et D, et de la protéine kinase C.

Les enzymes pouvant être impliquées dans le transport ionique sont l’anhydrase carbonique, la 5’ nucléotidase pour l’adénosine, et la Na-K-ATPase pour le transport des cations monovalents.

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