Mécanisme d’activation neuronale de mTORC1 et de son altération par le peptide amyloïde β

Mechanism of neuronal activation of mTORC1 and its alteration by amyloid β peptide

• Auteur / Autrice : Dany Khamsing
• Direction : François Darchen, Damien Carrel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 29/11/2017
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Claire Legay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Darchen, Damien Carrel, Claire Legay, Philippe Marin, Marie-Claude Potier, Rémy Sadoul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Marin, Marie-Claude Potier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéine amyloïde bêta

Alzheimer, Maladie d'

Complexe mTORC1

Mots clés libres

MTORC1

Récepteur NMDA

BDNF

Endo-lysosomes

Rheb

Peptide Aβ

MTORC1

NMDA receptor

BDNF

Endo-lysosomes

Rheb

Aβ peptide

Résumé

MTOR est une sérine/thréonine kinase appartenant au complexe mTORC1 (mTOR Complexe 1), un régulateur clé de la traduction. Ce complexe joue un rôle au sein de la LTP (Potentialisation à Long Terme), une forme de plasticité synaptique qui requiert la synthèse de nouvelles protéines pour renforcer la transmission synaptique. La première partie de ma thèse porte sur les mécanismes de régulation de la voie mTORC1 dans les neurones. Dans les cellules non neuronales, cette voie de signalisation est classiquement régulée par deux voies distinctes. D’une part, les acides aminés induisent le recrutement du complexe mTORC1 à la membrane des endo-lysosomes où la protéine Rheb est enrichie et favorisent ainsi l’activation de mTORC1. D’autre part, les facteurs de croissance activent mTORC1 en stimulant la voie PI3K/Akt/TSC/Rheb. Nos résultats indiquent que les neurones sont capables d’ "utiliser" le mécanisme responsable de la translocation de mTORC1 en réponse à la supplémentation en acides aminés pour coupler l’induction de la plasticité synaptique à l’activation de mTORC1. En effet, les récepteurs NMDA et le BDNF, deux acteurs centraux de la LTP, augmentent le recrutement de mTORC1 à la membrane des endo-lysosomes même en absence d’acides aminés, et activent mTORC1. Par des stratégies induisant la translocation de mTORC1 à la membrane des endo-lysosomes, nous avons montré que ce mécanisme est important pour l’activation de mTORC1 mais n’est pas suffisant : il faut également une activation de la protéine Rheb. Le second aspect de mon projet porte sur la régulation de mTORC1 dans le cadre de la maladie d’Alzheimer, une maladie neurodégénérative caractérisée par une perte progressive de la mémoire. Les déficits cognitifs s’accompagnent d’un dysfonctionnement progressif des synapses suivi par la perte neuronale, tous deux causés par une accumulation anormale du peptide amyloïde β (Aβ). Les données de la littérature montrent que les oligomères toxiques du peptide Aβ (AβO) inhibent la plasticité synaptique dans les stades précoces de la maladie. Cependant, les mécanismes restent obscurs. Plusieurs études mettent en évidence une altération de la voie mTORC1. Nos résultats montrent que les AβO inhibent le recrutement de mTORC1 à la membrane des endo-lysosomes. Ce mécanisme est rétabli par une inhibition pharmacologique de l’AMPK. Ainsi, ces données indiquent que les AβO inhibent l’adressage de mTORC1 aux compartiments endo-lysosomaux via l’AMPK. Cela aurait pour conséquence une inhibition de la synthèse protéique décrite dans la littérature et contribuerait ainsi au dysfonctionnement synaptique.

MTOR is a serine/threonine kinase that belongs to mTORC1 (mTOR complex 1), a key regulator of translation. This complex is involved in LTP (Long Term Potentiation), a form of synaptic plasticity requiring new protein synthesis to reinforce synaptic transmission. The first part of my thesis investigates the mechanism of mTORC1’s regulation in neurons. In non-neuronal cells, mTORC1 pathway is commonly activated by two distinct pathways. On the one hand, amino acids induce mTORC1 recruitment to the membrane of endo-lysosomes where Rheb is enriched and can thus promote mTORC1 activation. On the other hand, growth factors activate mTORC1 via the PI3K/Akt/TSC/Rheb pathway. Our results indicate that neurons are capable of “using” amino acid-induced translocation of mTORC1 to connect synaptic plasticity induction to mTORC1 activation. Indeed, NMDA receptors and BDNF, two main actors of synaptic plasticity, increase mTORC1 recruitment to the membrane of endo-lysosomes even in the absence of amino acids, and activate mTORC1. Using strategies targeting mTORC1 to endo-lysosomes, we show that this mechanism promotes activation of mTORC1 but is not sufficient: Rheb activation is also required. The second part of my project is focused on the regulation of mTORC1 in Alzheimer’s disease, a neurodegenerative pathology characterized by a progressive memory loss. Cognitive deficits are widely believed to result from a progressive dysfunction of synapses, followed by a loss of neurons, both caused by an abnormal accumulation of the amyloid β peptide (Aβ). Data from others show that toxic Aβ oligomers (AβOs) inhibit synaptic plasticity at early stages of the disease. However, the mechanisms remain poorly understood. Several studies indicate an alteration of the mTORC1 pathway. Our results show that AβOs inhibit mTORC1 recruitment to the membrane of endo-lysosomes and that this effect can be rescued by a pharmacological inhibition of AMPK. Thus our data indicate that AβOs inhibit mTORC1 translocation to endo-lysosomal compartments via AMPK. This could lead to the impairment of protein synthesis reported in other studies and thus alter synaptic function.