Rôle de la protéine Arc (Activity-regulated cytoskeleton- associated protein)

244 Pages·2016·15.76 MB·French

THESE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE

Spécialité : Neurosciences
Ecole doctorale Cerveau Cognition et Comportement

Présentée par
Marine Salery

Pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie

Rôle de la protéine Arc (Activity-regulated cytoskeleton-
associated protein) dans les adaptations moléculaires et
comportementales induites par la cocaïne

Thèse soutenue le 9 octobre 2015 devant le jury composé de :

Dr. Jean-Antoine GIRAULT Président du jury
Pr. Alban DE KERCHOVE D’EXAERDE Rapporteur
Dr. Emmanuel VALJENT Rapporteur
Dr. Laurence LANFUMEY Examinatrice
Pr. Serge LAROCHE Examinateur
Dr. Jocelyne CABOCHE Invitée
Dr. Peter VANHOUTTE Directeur de thèse
1
SOMMAIRE
RESUME ...................................................................................................................................... - 5 -
ABSTRACT .................................................................................................................................. - 6 -
ABREVIATIONS ......................................................................................................................... - 7 -
INTRODUCTION ........................................................................................................................ - 7 -
Chapitre I. Des apprentissages motivés à l'addiction ................................................................. - 5 -
1. Apprentissage et récompense ....................................................................................................... - 5 -
a. Les apprentissages motivés par la récompense ...................................................................................... - 6 -
b. Les circuits de la récompense ................................................................................................................. - 6 -
c. La dopamine ........................................................................................................................................... - 8 -
d. Dopamine et apprentissages motivés ................................................................................................... - 10 -
2. L’addiction, une forme d’apprentissage pathologique ............................................................... - 12 -
a. Définition de l’addiction ...................................................................................................................... - 12 -
b. Modélisation de l’addiction chez le rongeur ........................................................................................ - 13 -
c. Détournement des circuits de récompense par les drogues .................................................................. - 15 -
3. Substrats neuronaux de l’addiction : focus sur le striatum ........................................................ - 17 -
a. Le striatum ........................................................................................................................................... - 17 -
b. Les neurones du striatum ...................................................................................................................... - 19 -
i. Les neurones épineux moyens (MSN) ............................................................................................. - 19 -
ii. Les interneurones............................................................................................................................. - 20 -
c. Les drogues augmentent la concentration extracellulaire en DA ......................................................... - 21 -
d. Le striatum, une structure de convergence ........................................................................................... - 22 -
Chapitre II. Bases moléculaires de l'addiction ............................................................................ - 25 -
1. La voie ERK .............................................................................................................................. - 26 -
2. La voie ERK, une cible commune des drogues d’abus .............................................................. - 27 -
3. Activation de ERK par les drogues, convergence des signaux DA et glutamate au sein des
MSN - 29 -
a. Mécanismes d’activation de ERK en aval des D1R ............................................................................. - 29 -
b. ERK, détecteur de coïncidence ............................................................................................................ - 31 -
4. ERK et les adaptations comportementales induites par les drogues .......................................... - 32 -
a. ERK et sensibilisation locomotrice ...................................................................................................... - 32 -
b. ERK et préférence de place conditionnée (CPP) .................................................................................. - 33 -
c. ERK, rappel et reconsolidation de la mémoire associée à la drogue .................................................... - 34 -
d. ERK, symptômes de manque et rechute ............................................................................................... - 34 -
5. ERK et la plasticité synaptique induite par les drogues ............................................................. - 35 -
2
6. Substrats cytoplasmiques de ERK ............................................................................................. - 36 -
a. Les protéines du cytosquelette ............................................................................................................. - 37 -
b. Protéines membranaires ....................................................................................................................... - 38 -
c. Protéines cytoplasmiques ..................................................................................................................... - 39 -
7. Substrats nucléaires de ERK impliqués dans les adaptations neuronales induites par les drogues
d’abus.................................................................................................................................................. - 40 -
a. ERK et les régulations géniques induites par les drogues .................................................................... - 40 -
b. Régulations transcriptionnelles via la kinase MSK-1 ........................................................................... - 43 -
c. Regulations transcriptionnelles via Elk-1 ............................................................................................. - 45 -
d. Régulations épigénétiques induites par les drogues ............................................................................. - 46 -
Chapitre III. Arc .......................................................................................................................... - 49 -
1. Arc, caractéristiques générales et spécificités ............................................................................ - 50 -
a. Du gène à la protéine ............................................................................................................................ - 50 -
b. Un lien privilégié avec le cytosquelette ................................................................................................ - 52 -
c. arc, un IEG du système nerveux central .............................................................................................. - 53 -
2. Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans la régulation de l’expression de Arc .. - 56 -
a. Mécanismes de régulation de la transcription ...................................................................................... - 56 -
i. Signaux extracellulaires impliqués dans la transcription de arc ...................................................... - 56 -
ii. Voies de signalisation impliquées dans la transcription de arc ....................................................... - 58 -
b. Mécanismes de régulation des ARNm ................................................................................................. - 62 -
i. Contrôle spatial de l’expression des ARNm .................................................................................... - 62 -
ii. Rôle de l’activité dans l’adressage dendritique ............................................................................... - 64 -
iii. Contrôle temporel de l’expression des ARNm ................................................................................ - 66 -
c. Mécanismes de régulation de l’expression de la protéine .................................................................... - 68 -
i. Régulation de la synthèse protéique ................................................................................................ - 68 -
ii. Régulation spatio-temporelle de l’expression protéique .................................................................. - 70 -
3. Arc, de l’exploration à l’apprentissage ...................................................................................... - 72 -
a. Arc, un marqueur de l’activité neuronale ............................................................................................. - 72 -
b. Arc et l’apprentissage ........................................................................................................................... - 74 -
c. Visualisation de l’expression de Arc .................................................................................................... - 75 -
4. Fonctions cellulaires de Arc et implications pour la plasticité .................................................. - 78 -
a. Arc et l’endocytose des récepteurs AMPA .......................................................................................... - 79 -
b. Arc et la plasticité structurelle .............................................................................................................. - 82 -
c. Emergence d’un rôle nucléaire de Arc ................................................................................................. - 84 -
5. Arc, plasticité synaptique et mémoire ........................................................................................ - 86 -
a. Rôle de Arc dans la plasticité à long terme .......................................................................................... - 87 -
b. Arc et la consolidation de la mémoire .................................................................................................. - 88 -
6. Arc et les drogues d’abus ........................................................................................................... - 89 -
a. Régulation de l’expression de Arc par les drogues .............................................................................. - 89 -
3
b. Mécanismes cellulaires de régulation de l’expression de Arc par les drogues d’abus ......................... - 90 -
c. Arc et les réponses comportementales induites par les drogues ........................................................... - 93 -
OBJECTIFS ................................................................................................................................ - 99 -
RESULTATS .............................................................................................................................. - 99 -
Article
1. Résumé de l’article .................................................................................................................. - 102 -
2. Article ...................................................................................................................................... - 157 -
Résultats supplémentaires
1. Contexte ................................................................................................................................... - 158 -
2. Résultats ................................................................................................................................... - 160 -
a. Modèle in vivo d’injection unique de cocaïne .................................................................................... - 160 -
b. Activation in vitro du maillon pMnk-1/peIF4E .................................................................................. - 161 -
c. Modèle ex vivo (coll. Marc Dos Santos) ............................................................................................ - 162 -
DISCUSSION ET PERSPECTIVES ........................................................................................ - 186 -
1. Régulation de l’expression de Arc par la cocaïne .................................................................... - 187 -
a. Localisation et cinétique d’induction de la protéine Arc dans le striatum .......................................... - 187 -
b. Voies de signalisation impliquées dans l’induction de Arc par la cocaïne dans le striatum ............... - 189 -
2. Localisation nucléaire de Arc .................................................................................................. - 190 -
a. Mécanismes d’adressage de Arc vers le noyau .................................................................................. - 191 -
b. Stimuli impliqués dans la localisation nucléaire de Arc ..................................................................... - 192 -
3. Fonctions nucléaires de Arc ..................................................................................................... - 193 -
a. Arc et la phosphorylation des histones H3, vers une régulation de mécanismes épigénétiques ? ...... - 194 -
b. Arc, chromatine et ARN-Polymérase, vers une régulation de l’activité transcriptionnelle ? ............. - 196 -
c. Arc, une protéine associée au cytosquelette, vers un rôle structurel au sein du noyau ? .................... - 197 -
4. Arc répresseur transcriptionnel, vers une régulation homéostatique au sein du noyau ........... - 200 -
5. Arc et les adaptations comportementales induites par la cocaïne ............................................ - 202 -
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .................................................................................. - 206 -
ANNEXES ................................................................................................................................ - 207 -

4
TABLES DES FIGURES
Figure 1 : Illustration schématique des structures et connections impliquées dans les circuits de récompense ....... - 8 -
Figure 2 : Illustration des voies dopaminergiques mésencéphaliques ...................................................................... - 9 -
Figure 3 : Représentation schématique des voies directes et indirectes du striatum au sein des ganglions de la base .. -
18 -
Figure 4 : Neurone épineux moyen du striatum ..................................................................................................... - 20 -
Figure 5 : illustration schématique des interactions entre les systèmes dopaminergiques et glutamatergiques dans le
striatum .................................................................................................................................................................. - 24 -
Figure 6 : Représentation simplifiée des étapes principales de la cascade de signalisation ERK .......................... - 27 -
Figure 7 : Activation sélective de ERK dans l’amygdale étendue en réponse aux substances stimulantes addictives
ou non addictives. .................................................................................................................................................. - 28 -
Figure 8 : Schéma de l’activation de ERK en aval de la voie D1/AMPc/PKA/DARPP-32 ................................... - 30 -
Figure 9 : L’activation de ERK par la cocaïne dans le striatum est un intégrateur des signaux dopaminergiques et
glutamatergiques .................................................................................................................................................... - 32 -
Figure 10 : Accumulation nucléaire de la forme phosphorylée de ERK en réponse à une injection aigue de cocaïne .. -
37 -
Figure 11 : Changement de la morphologie des épines dendritiques en réponse à des injections répétées de cocaïne .. -
38 -
Figure 12 : Représentation schématique de l’activation transcriptionnelle dépendante de CREB ......................... - 44 -
Figure 13 : Représentation schématique de la formation du complexe TCF ......................................................... - 46 -
Figure 14 : Représentation schématique de la séquence protéique de Arc ............................................................. - 52 -
Figure 15 : Induction de Arc en réponse à des chocs électro-convulsifs ................................................................ - 55 -
Figure 16 : Voies de signalisations impliquées dans l’activation transcriptionnelle de Arc .................................. - 62 -
Figure 17 : Régulation du transport de l’ARNm de Arc ........................................................................................ - 66 -
Figure 18 : Dégradation de l’ARNm de Arc par la voie du NMD ......................................................................... - 68 -
Figure 19 : Schéma illustratif du modèle proposé pour la régulation du trafic des AMPAR par la protéine Arc .. - 80 -
Figure 20 : Cinétique d’activation de Mnk-1 en réponse à la cocaïne ................................................................. - 160 -
Figure 21: Rôle de ERK dans l'activation de la protéine Mnk-1 .......................................................................... - 161 -
Figure 22: Activation du maillon pMnk-1/peIF4E dans un modèle in vitro de culture de neurones striataux ..... - 162 -
Figure 23: Activation de pMnk-1 dans un modèle ex vivo de tranches de striatum ........................................... - 163 -
Figure 24: Effet de l‘inhibition de pMnk-1 sur l’augmentation de la densité d’épines dendritiques induite par une
stimulation G+S ................................................................................................................................................... - 163 -
Figure 25 : Schéma bilan récapitulant les travaux obtenus au cours du travail de thèse ...................................... - 204 -

Table 1: Signaux extracellulaires impliqués dans la régulation transcritpionnelle de Arc ..................................... - 58 -
Table 2 : Paradigmes comportementaux conduisant à une augmentation d’expression de Arc ............................. - 78 -
Table 3 : Protocoles d’administration de drogues d’abus conduisant à une augmentation de l’expression de Arc - 92 -
5
RESUME
Les adaptations cellulaires et moléculaires induites par les drogues au sein des neurones du
système de récompense jouent un rôle central dans les altérations comportementales à long
terme observées dans l’addiction. Cette étude s’inscrit dans une démarche de compréhension
des processus cellulaires rapidement mis en jeu par la cocaïne et susceptibles d’impacter
durablement le fonctionnement neuronal et les comportements.
La protéine Arc est un acteur majeur de la plasticité neuronale, elle est induite dans de
nombreux paradigmes d’apprentissages et son expression est essentielle pour l’établissement
de la plasticité synaptique à long terme et la consolidation de la mémoire. L’objectif de cette
étude était de caractériser le profil et les modalités d’induction de Arc dans le striatum en
réponse à la cocaïne et d’analyser son rôle dans les réponses moléculaires et
comportementales induites par cette drogue.
Notre étude a montré que l’expression de Arc est augmentée rapidement et transitoirement
dans le striatum après une injection unique de cocaïne sous la dépendance de l’activation de la
voie ERK. Nos résultats montrent que la cocaïne induit une accumulation rapide et massive de
la protéine Arc dans le noyau des neurones striataux. Dans le noyau Arc se localise dans des
régions actives de transcription, à proximité des histones H3 sous leur forme phosphorylée. In
vitro, la surexpression de Arc diminue la phosphorylation des histones H3 induite par le
glutamate indiquant qu’elle altère le remodelage de la chromatine induit par l’activité
neuronale. L’invalidation génétique et totale de la protéine in vivo dans un modèle de souris
transgénique conduit à une décompaction de la chromatine associée à une augmentation de
l’activité de la RNA Polymerase II démontrant que Arc exerce un effet répresseur sur les
mécanismes transcriptionnels. La perte totale d’expression de Arc conduit à une augmentation
de la sensibilité à la cocaïne et favorise le développement d’altérations comportementales à
long terme induites par de faibles doses de cocaïne.

- 5 -
ABSTRACT
Molecular and cellular adaptations induced by drugs of abuse in the reward system play a key
role in long-term behavioral alterations encountered in addiction. This work falls within an
approach of understanding the cellular processes rapidly engaged by cocaine that could
underlie the persistent alteration of neuronal physiology and behaviors.
Arc protein is a major player in neuronal plasticity. Arc is induced in many behavioral
paradigms and is essential for long-term synaptic plasticity and memory consolidation. The
aim of this study was to characterize the profile and modality of Arc induction within the
mouse striatum in response to cocaine administration.
Our study shows that Arc expression is rapidly and transiently increased in the striatum after
acute cocaine in an ERK-dependent fashion. This work revealed that cocaine-induced Arc
protein rapidly and transiently accumulates in the nucleus of striatal neurons. In the nucleus,
Arc is preferentially expressed in active transcription regions and localizes at the vicinity of
phosphorylated histones H3. In vitro Arc overexpression decreased glutamate-induced
Histones H3 phosphorylation showing that Arc interferes with activity-dependent chromatin
remodeling. In vivo genetic invalidation of Arc expression in a transgenic mouse model was
associated with a decreased chromatin compaction and increased RNA Polymerase II activity
suggesting a repressive role of Arc on transcriptional mechanisms. Total Arc loss of
expression leads to increased sensitivity to cocaine and promotes long-term behavioral
alterations induced by low doses of cocaine.

- 6 -
ABREVIATIONS
4EBP eIF4E-binding protein
6-OHDA 6-Hydroxydopamine
A2RE A2 response element
AMPA Acide 2-amino-3-(5-méthyl-3-hydroxy-1,2-oxazol-4-yl)propanoïque
AMPc Adénosine monophosphate cyclique
Arc Activity-regulated and cytoskeleton-associated protein
ATV Aire tegmentale ventrale
BDNF Brain-derived neurotrophic factor
BLA Noyau basolatéral de l’amygdale
BNST Noyau du lit de la strie terminale
CaMK Calcium calmodulin-dependent kinase
catFISH Cellular compartment analysis of temporal activity by fluorescent in situ hybridization
CBP CREB-binding protein
CPP Préférences de place conditionnée
CRE cAMP response element
CREB cAMP-response element-binding protein
D1R Récepteurs dopaminergiques de type D1
D2R Récepteurs dopaminergiques de type D2
DA Dopamine
DARPP-32 Dopamine- and cAMP-regulated phosphoprotein , Mr 32 kDa
DAT Dopamine active transporter
DHPG Dihydroxylphenylglycin
DS Dorsal striatum
DTE Dendritic targeting element
eEF2 Eukaryotic translation elongation factor-2
eIF4E Eukaryotic translation initiation factor 4E
EJC Exon-junction complex
ERK Extracellular signal-regulated kinase
FMRP Fragile-X mental retardation protein
GABA Acide gaba-amino-butyrique
GAD Acide glutamique décarboxylase
GFP Green flurorescent protein
Gpe Globus pallidus externe
GPi Globus pallidus interne
HAT Histones acetyl transferase
hnRNP Heterogenous nuclear ribonucleoprotein
IEG Immediate early gene
IRES Internal ribosomal entries sequence
JNK c-Jun n-terminal kinase
LTD Long term depression
LTP Long term potentiation
M4 Récepteur muscarinique de type 4
MAP Microtubule associated protein
MAPK Mitogen activated protein kinase
MEF2 Myocyte enhancer factor 2
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MEK MAPK/ERK-kinase
MEKK MAPK/ERK-kinase-kinase
mEPSC Miniature excitatory postsynaptic currents
mGluR Récepteur métabotropique du glutamate
Mnk-1 Mitogen-activated protéine kinase-interacting kinase1
MSK1 Mitogen- and stress-activated protein kinase 1
MSN Medium-sized spiny neuron
mTORC1 Mammalian target of rapamycin complex 1
NAcc Noyau accumbens
NES Nuclear export signal
NGF Nerve growth factor
NLS Nuclear localization signal
NMD Nonsense mediated decay
NMDA Acide N-méthyl-D-aspartic
NRD Nuclear retention domain
NST Noyau sous-thalamique
PDE Phosphodiestérase
PFc Cortex préfrontal
PH Plekstrin-homology
PKA Proteine kinase A
PKC Protéine kinase C
PML-NB promyelocytic leukemia nuclear bodies
PP-1 Protéine phosphatase 1
PRD Proline rich domain
RNA-pol II RNA polymerase II
RNP Ribo-nucleoprotein particle
RR Aire rétrorubrale
SARE Synaptic activity response element
SFK Src family kinase
SH3 Src homology 3
SNc Substance noire compacte
SNC Système nerveux central
SNr Substance noire réticulée
SRE Serum responsive element
SRF Serum responsive factor
STEP Striatal-enriched protein phosphatase
TCF Ternary complex factor
TrkB Tropomyosin receptor kinase B
TSC2 Tuberous sclerosis complex 2
Ube3A E3 ubiquitin-protein ligase 3A
WR2 WAVE 2 regulatory complex

- 8 -
INTRODUCTION

M
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