Réseau de signalisation associé au récepteur 5-HT6 de la sérotonine: une nouvelle cible pour le traitement des troubles cognitifs dans les maladies neurologiques et psychiatriques – SERO6COGNET

Nous avons choisi d’isoler les partenaires protéiques du récepteur 5-HT6 par une approche protéomique non biaisée. Pour cela, nous avons utilisé deux stratégies complémentaires: des expériences de co-immunoprécipitation avec le récepteur exprimé dans un système hétérologue et des expériences de chromatographie d’affinité utilisant comme appât le domaine C-terminal du récepteur à partir d’extraits de cerveau de souris. Les partenaires du récepteur isolés par ces deux approches sont identifiés nano-chromatographie liquide et spectrométrie de masse en tandem. Cette approche nous a permis d’identifier 65 nouvelles protéines interagissant de façon spécifique avec le récepteur. Parmi celles-ci, nous avons pu mettre en évidence plusieurs protéines de la voie mTOR connue pour contrôler la cognition ainsi qu’un réseau de protéines impliqué dans la régulation dynamique du cytosquelette d’actine et intervenant dans les processus de différentiation neuronale et de pousse neuritique, comprenant la cyclin-dependent kine (Cdk)5. Au regard de l’implication possible du récepteur 5-HT6 dans la cognition et les processus neuro-développementaux, nous nous intéressons plus particulièrement à l’impact fonctionnel de ces interactions.

Résultats majeurs du projet :
1) Le récepteur active la voie mTOR in vitro, dans des cultures cellulaires, et in vivo, dans le cortex préfrontal, région cérébrale impliquée dans les processus cognitifs et le striatum, structure exprimant les densités les plus élevées de récepteurs.
2) Les déficits cognitifs induits par les agonistes 5-HT6 ainsi que ceux observés dans deux modèles neurodéveloppentaux de schizophrénie chez le rat sont inhibés par l’administration de rapamycine (inhibiteur de la voie mTOR).
3) La Neurofibromine 1, partenaire du récepteur situé en amont de mTOR dans la cascade de signalisation conduisant à l’activation de cette kinase, est impliqué dans la production d’AMP cyclique via la protéine Gs induite par le récepteur.
4) L’expression du récepteur 5-HT6 induit une différentiation neuronale dans des neuroblastomes via la voie de signalisation Cdk5. Cette différentiation se traduit par un changement morphologique (pousse neuritique) et l’apparition de canaux calciques spécifiques des cellules différentiées. Elle requiert la phosphorylation d’un résidu sérine du récepteur localisé dans son domaine C-terminal (Ser350) par la Cdk5 associée au récepteur et l'activation (par Cdk5) de la Rho GTP ase Cdc42. L'effet du récepteur sur la croissance neuritique a également été mis en évidence sur des cultures primaires de neurones d'hippocampe et de striatum qui expriment de façon endogène le récepteur, démontrant un rôle des récepteurs natifs dans la différentiation neuronale.

Nos résultats identifient de nouvelles cibles potentielles pour le contrôle des troubles cognitifs dans la schizophrénie, pathologie de plus en plus liée à des perturbations neuro-développementales. Ils suggèrent que les antagonistes 5-HT6 puissent être également évalués sur la cognition dans les syndromes apparentés à l'autisme. Ce travail sera poursuivi par l'étude des mécanismes de signalisation en aval de mTOR et de l'impact du récepteur sur la morphogénèse des épines dendritiques (un autre processus probablement impliqué dans la régulation des fonctions cognitives par le récepteur) du fait de l'identification de protéines connues pour contrôler ce processus dans le complexe protéique associé au récepteur.

Publications
1. Meffre J, Chaumont-Dubel S, Mannoury la Cour C, Loiseau F, Watson DJ, Dekeyne A, Séveno M, Rivet JM, Gaven F, Déléris P, Hervé D, Fone KC, Bockaert J, Millan MJ, Marin P. 5-HT(6) receptor recruitment of mTOR as a mechanism for perturbed cognition in schizophrenia. EMBO Mol Med. 2012 Oct;4(10):1043-56.
2. Marin P, Meffre J, Bockaert J. [The mTOR pathway: a new target for treating cognitive deficits of schizophrenia?]. Med Sci (Paris). 2013 Jan;29(1):28-30.
4. 3. Duhr F, Déléris P, Raynaud F, Séveno M, Morisset-Lopez S, Mannoury la Cour C, Millan M.J., Bockaert J, Marin P*, Chaumont-Dubel S* Phosphorylation by associated Cdk5 constitutively activates 5-HT6 receptors to promote neurite growth. Nature Chem Biol. (en révision)
4. Jacobshagen M, Niquille M, Chaumont-Dubel S, Marin P, Dayer A. Serotonin 6 receptor controls neuronal migration during corticogenesis via a ligand-independent, Cdk5-dependent mechanism. Development (en révision).


Communications
1. Gordon Research Conferences Molecular Pharmacology. Lucca (Barga), Italy, 2013 : conférence invitée
2. Indo-french workshop: Recent Trends in Proteomics. Bangalore, India, 2013 : Conférence invitée
3. Interaction du récepteur 5-HT6 de la sérotonine avec la neurofibromine : études moléculaire et cellulaire ; Colloque de Biotechnocentre, Orléans, 2013 : conférence invitée
4. Le récepteur 5-HT6 de la sérotonine : une nouvelle cible thérapeutique dans le traitement de la neurofibromatose ? Colloque du programme Edifice, Orléans, 2013 : conférence invitée
5. Congrès de l'Association Vaincre l'Autisme. Collège de France, Paris, 2012 : conférence invitée
6. Serotonin Club Meeting, Montpellier, 2012: conférence invitée, 1 poster
7. Annual meeting of the GDR-­3545: RCPG-­Physio-­Med. Paris, 2012 : conférence invité
8. Congrès Français de Psychiatrie. CNIT PARIS LA DÉFENSE, 2012 : conférence invitée
9. 25th ECNP Congress. Vienna, 2012 : conférence invitée

Le récepteur 5-HT6 de la sérotonine est un récepteur principalement exprimé dans le système nerveux central. Les densités les plus importantes du récepteur sont retrouvées dans les régions du cerveau impliquées dans les processus cognitifs comme le cortex préfrontal, l’hippocampe et le striatum. De fait, il est devenu une cible thérapeutique prometteuse pour le traitement des déficits cognitifs dans les démences comme la maladie d’Alzheimer et les psychoses comme la schizophrénie. Le récepteur 5-HT6 est également impliqué dans les processus neuro-développementaux comme la migration neuronale. Les mécanismes de signalisation déclenchés par ce récepteur restent mal connus, à l’exception de sa capacité à activer l’adénylate cyclase via la protéine Gs. Afin d’identifier de nouvelles voies de signalisation activées par le récepteur, nous avons récemment mis en œuvre une approche protéomique pour caractériser les protéines qui lui sont associées. Ces études ont démontré que le récepteur interagissait avec plusieurs protéines de la voie mTOR (mammalian Target Of Rapamycin), incluant la protéine kinase mTOR elle-même et la Neurofibromine (GTPase inhibant Ras), impliquées dans la plasticité synaptique, l’apprentissage et la mémoire. Elles ont également révélé une interaction du récepteur avec la Cdk5 (cyclin-dependent protéine kinase 5) et son substrat WAVE-1 (Wiscott-Aldrich syndrom protein (WASP)-family verprolin homologous protein), deux protéines jouant un rôle crucial dans différents processus neuro-développementaux comme la migration neuronale, la croissance des neurites et la formation des épines dendritiques. Des expériences préliminaires nous ont permis de démontrer que le récepteur 5-HT6 activait la voie mTOR dans différentes aires du cerveau, incluant le cortex préfrontal, siège de la régulation des interactions sociales par les ligands du récepteur. De plus, l’administration systémique de rapamycine prévient les déficits cognitifs induits par les agonistes 5-HT6 dans un test de reconnaissance sociale chez le rat. Enfin, ces expériences ont établi que l’expression du récepteur 5-HT6 dans des cellules de neuroblastome (SH-SY5Y et NG108-15) induisait des changements morphologiques caractéristiques d’une différentiation neuronale (croissance des neurites, formation de structures comparables à des épines dendritiques). Ce projet, qui associe des approches de biologie cellulaire, des études comportementales et des analyses phosphoprotéomiques quantitatives, poursuit quatre objectifs : 1) caractériser les mécanismes de signalisation impliqués dans l’activation de la voie mTOR par le récepteur 5-HT6 et déterminer le rôle de cette voie dans la régulation des fonctions cognitives par le récepteur, notamment dans un modèle développemental de schizophrénie, 2) caractériser le rôle de la neurofibromine dans la signalisation induite par le récepteur, en particulier dans le recrutement de la voie mTOR , et dans la régulation des fonctions cognitives par le récepteur, 3) caractériser l’implication exacte du récepteur et de la voie Cdk5/WAVE-1 dans la différentiation neuronale, notamment dans la croissance neuritique et la formation des épines dendritiques et 4) identifier les mécanismes de signalisation dépendants de mTOR et de Cdk5 induits par l’activation du récepteur dans les neurones. Ce programme permettra donc de définir le rôle de la voie mTOR dans la régulation des fonctions cognitives par le récepteur 5-HT6 et d’établir la preuve du concept que cette voie puisse constituer une cible thérapeutique pour le traitement des troubles cognitifs dans les psychoses comme la schizophrénie. Il devrait également caractériser de nouveaux substrats moléculaires impliqués dans les effets neuro-développementaux de la sérotonine.