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Hématologie

Les récepteurs Notch et leurs ligands : implications dans l‘hématopoïèse Volume 10, numéro 1, Janvier-Février 2004

Auteur(s) : Evelyne Lauret

Inserm U362‐Pavillon de recherche 1 Institut Gustave Roussy, 39, rue Camille Desmoulins, 94805 Villejuif, France

Correspondance et tirés à part :  E. Lauret elauretigr.fr

Les récepteurs Notch et leurs ligands sont des protéines transmembranaires très largement exprimées chez les métazoaires. Les cellules présentant les récepteurs Notch à leur surface sont activées par les ligands exprimés à la surface des cellules voisines. Contrairement aux autres systèmes ligands\ récepteurs, l‘expression conjointe dans une même cellule des récepteurs Notch et de leurs ligands conduit à une inhibition de la signalisation par Notch, le ligand exerçant un effet dominant négatif en altérant probablement la fonctionnalité des récepteurs Notch à l‘intérieur de la cellule [1]. Les récepteurs Notch ont été décrits initialement comme des régulateurs de la différenciation cellulaire au cours de l‘embryogenèse chez les Invertébrés. L‘activation des cellules par leurs récepteurs Notch induit un changement de destin de ces cellules, influençant ainsi les processus multiples qui gouvernent la morphogenèse, formation de frontières dans un tissu, apoptose et prolifération cellulaire, ainsi que le choix de la destinée de progéniteurs bipotents. Les conséquences extrêmement variées de l‘activation de Notch sont mises en lumière par la diversité des phénotypes causés par des mutations dans le locus Notch, allant de l‘encoche sur l‘aile de la mouche à la transformation maligne de cellules T humaines [2]. Le schéma classique du mécanisme d‘action des protéines Notch a été caractérisé chez les Invertébrés. L‘activation du récepteur Notch présent à la membrane d‘une cellule souche conduit à la suppression de la transcription de gènes de différenciation. Ce processus limite ainsi le nombre de cellules qui adoptent une voie particulière et laisse des cellules non déterminées, toujours compétentes pour s‘engager dans une destinée. Les cellules souches hématopoïétiques (CSH) doivent constamment effectuer une série de choix entre autorenouvellement et différenciation, dans le double but de maintenir un contingent de cellules primitives et de produire les cellules matures de chaque lignée hématopoïétique. De ce fait, les protéines Notch constituent de bons candidats pour participer au contrôle de ces événements et leur rôle prépondérant dans l‘autorenouvellement des CSH et la différenciation lymphoïde a été mis en évidence ces dernières années.

Les récepteurs Notch et leurs ligands

Des études génétiques menées chez les Invertébrés ont identifié plusieurs éléments hautement conservés dans la voie de signalisation de Notch (tableau 1), également retrouvés chez les mammifères : quatre récepteurs Notch connus, Notch1‐4, deux familles de ligands [Serrate, Jagged1‐2) et (Delta, Delta1‐4)]. Les récepteurs Notch interagissent d‘un côté avec le domaine extracellulaire des ligands et, de l‘autre, avec des molécules effectrices intracellulaires (CSL\CBF‐1\RBP‐Jκ, Deltex, NFκB, Numb,...) auxquelles ils s‘associent pour moduler l‘expression de gènes cibles (HES, bHLH).

Tableau 1

Conservation de la voie de signalisation de Notch

parmi les espèces.

Composant Drosophile Mammifères
Récepteurs Notch Notch1‐4
Ligands Delta Delta1, 3, 4
Serrate Jagged1, 2
Facteurs de transcription en aval Su(H) CSL\CBF1 (RBP‐Jκ)
Modulateurs Fringe Lunatic, Radical, Manic Fringe
Numb Numb, Numb‐like
Deltex Deltex1‐3
Mastermind Mastermind 1‐3
Gènes cibles Hairy\En(Spl) Hes 1, 5
Molécules d‘apprêtement Préséniline

Métalloprotéase

Protéase de type furine
Préséniline 1, 2

Métalloprotéase

Protéase de type furine


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Les récepteurs Notch

Les protéines Notch sont composées de motifs bien définis. Au cours de leur transit vers la surface cellulaire, elles sont clivées dans l‘appareil de Golgi par une convertase de type furine, donnant naissance à une molécule hétérodimérique composée d‘une sous‐unité extracellulaire et d‘une sous‐unité transmembranaire (figure 1). La sous‐unité extracellulaire contient des répétitions de type EGF (les répétitions 11‐12 étant impliquées dans la liaison avec les ligands) ainsi que trois copies d‘un motif Lin‐12, riche en cystéine, dont le rôle est d‘éviter une activation inappropriée de Notch avant la liaison avec le ligand. Le domaine cytoplasmique de la sous‐unité transmembranaire contient un domaine RAM qui lie la protéine CSL, une série de répétitions de type ankyrine qui participe à cette liaison ainsi qu‘à la liaison avec d‘autres polypeptides et une séquence C‐terminale de type PEST.

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Les ligands de Notch

La partie extracellulaire des ligands de Notch est caractérisée par un domaine DSL (Delta\Serrate\Lag2) qui constitue le domaine de liaison aux récepteurs Notch, et une série de répétitions EGF. Ils sont répartis en deux familles, la famille Serrate ayant des répétitions EGF interrompues par de courtes séquences de liaison et un domaine riche en cystéines dans la partie extracellulaire, et la famille Delta qui elle, présente des répétitions EGF disposées en continu sans domaine riche en cystéines (figure 1). Il est généralement admis qu‘il n‘existe pas de spécificité de liaison des différents ligands aux récepteurs Notch. Cependant l‘affinité des ligands pour les différents récepteurs Notch est modifiée par les glycosylases Fringe qui, par ajout de sucres sur certaines répétitions EGF de la protéine Notch, diminuent la capacité de liaison de Notch avec les ligands de type Serrate et augmentent la capacité de liaison avec les ligands de type Delta. De même, contrairement à ce qu‘il était généralement admis, des travaux récents menés sur le rôle des récepteurs Notch dans la différenciation thymique suggèrent une spécificité d‘action des ligands [3]. Signalons également qu‘une forme soluble de Delta a été identifiée chez la drosophile [4].

Fonctionnement

Dans le modèle généralement accepté (figure 1), après interaction entre Notch et son ligand, la protéine « neuralized » de la cellule signalisatrice ajoute une ubiquitine au domaine intracellulaire du ligand, entraînant ainsi l‘endocytose de ce dernier [5]. Il se produit alors un changement conformationnel de Notch qui autorise un 1er clivage dans sa sous‐unité transmembranaire par une métalloprotéase de la famille ADAM, TACE. La partie extracellulaire de Notch est alors endocytée avec le ligand dans la cellule signalisatrice. Un 2e clivage dans le domaine transmembranaire de Notch (généré par un complexe comprenant les présénilines et la nicastrine) libère la partie intracellulaire de Notch (ICN). Une fois dans le noyau, ICN interagit avec des protéines nucléaires qui régulent la transcription, en particulier CSL. En l‘absence d‘ICN, CSL fait partie de complexes répresseurs de la transcription de gènes HES, régulateurs négatifs de l‘expression de gènes spécifiques de lignées. La liaison d‘ICN avec CSL déplace les corépresseurs de CSL et recrute des coactivateurs. Ces nouveaux complexes autorisent la transcription des gènes HES. Il existe des voies indépendantes de CSL mal caractérisées qui font intervenir Deltex, Numb et certainement d‘autres facteurs encore inconnus.

Rôle physiologique

Des arguments en faveur d‘un rôle joué par l‘activation des protéines Notch dans l‘hématopoïèse ont émergé de la littérature au cours des dernières années. Notch1‐4 sont exprimés par les progéniteurs hématopoïétiques médullaires humains et murins et les transcrits des ligands sont détectés dans les cellules médullaires et thymiques, en particulier dans les cellules stromales [6].

Modulation du compartiment des CSH

Il est admis que, au cours de la prolifération, les CSH ont le choix entre autorenouvellement, associé au maintien de leur caractère primitif et différenciation, qui s‘accompagne de la perte de ce caractère. Bien que l‘étude de souris invalidées pour les gènes Notch‐1‐2 montre clairement que l‘activation des CSH par ces récepteurs Notch n‘est pas essentielle à l‘expansion des CSH in vivo, la littérature, bien que confuse, fait apparaître que les récepteurs Notch interviennent sur le compartiment des CSH en favorisant leur autorenouvellement, et en modulant leur taux de prolifération et leur survie\apoptose. Ainsi leur rôle dans l‘autorenouvellement des CSH in vitro est clairement démontré lors de l‘activation constitutive de la partie intracellulaire de Notch1 dans les CSH [7] ainsi qu‘après activation des récepteurs Notch par Delta1 immobilisé sur le plastique [8, 9] ou Jagged1 ou Jagged2 membranaires [10‐12]. D‘autres études montrent que l‘activation des récepteurs Notch non seulement module l‘autorenouvellement des CSH mais aussi modifie leur taux de prolifération. Ainsi la forme membranaire de Delta4 préserve le potentiel primitif des CSH en maintenant une proportion de ces cellules hors du cycle cellulaire (Lauret et al., sous presse). Enfin, des formes solubles de Jagged1 ou Delta1 induisent une augmentation de la prolifération des CSH, associée ici à un maintien du potentiel primitif [13‐15]. Par ailleurs, le rôle des récepteurs Notch dans la régulation de l‘apoptose a été démontré par le fait que l‘activation de récepteurs Notch par Jagged2 membranaire induit un effet anti‐apoptotique sur les CSH [16].

Modulation de la différenciation lymphoïde

À l‘inverse de Notch2‐4 dont l‘importance dans la différenciation thymique n‘est pas élucidée, le rôle prépondérant de Notch1 à différentes étapes de la différenciation des progéniteurs thymiques a été démontré par l‘examen des souris nullizygotes. Les souris présentant une mutation nulle néonatale dans le gène Notch1 sont caractérisées par un déficit sévère dans le développement thymique, avec un blocage de la différenciation T à un stade primitif alors que le thymus contient des cellules B [17] d‘origine thymique [18]. À l‘inverse, l‘activation constitutive de la partie intracellulaire de Notch1 dans les CSH médullaires conduit au développement de cellules T immatures hors du thymus, associé à un blocage de la différenciation B. L‘ensemble de ces résultats indique que Notch1 module la détermination T\B, l‘activation de Notch1 étant nécessaire et suffisante pour induire la différentiation T des progéniteurs lymphoïdes. De plus, l‘étude de souris transgéniques pour Deltex1, un modulateur de la voie de signalisation de Notch, montre que Deltex1 exerce un rôle inhibiteur sur l‘activité promotrice T de Notch1 [19]. Par ailleurs, d‘autres travaux ont montré que l‘activation de Notch1 oriente la détermination des cellules T vers la lignée αβ aux dépens de la lignée γδ [20]. Enfin, d‘autres résultats, bien que contradictoires, suggèrent un rôle de Notch1 dans le choix entre la différenciation CD4+ versus CD8+ [21]. Dernièrement l‘implication des récepteurs Notch et de leurs ligands au cours de la différenciation T a été clairement illustrée par la possibilité d‘obtenir pour la première fois à partir de cellules souches hématopoïétiques fœtales cultivées sur un stroma OP9 surexprimant le ligand Delta1, une différenciation T terminale in vitro [22].

Modulation de la différenciation terminale

Les récepteurs Notch sont également capables de réguler l‘étape de différenciation terminale dans certains modèles cellulaires. Par exemple, ils facilitent la génération de cellules B de la zone marginale aux dépens de la production des cellules B folliculaires [23, 24]. De même, le ligand Delta‐1 inhibe la différenciation des monocytes en macrophages tout en permettant leur différenciation en cellules dendritiques [25].

Pathologies associées à Notch

Les pathologies connues associées à des mutations dans les gènes codant pour les protéines impliquées dans la voie de signalisation de Notch sont rares. Parmi les trois pathologies connues, une seule affecte l‘hématopoïèse (une leucémie aiguë lymphoblastique T), les autres étant, d‘une part, une affection neurologique d‘apparition tardive (Cadasil) et d‘autre part, un défaut du développement embryonnaire (syndrome d‘Alagille). Ces trois pathologies sont associées à des mutations dans les gènes Notch1, Notch3 et Jagged1, respectivement.

Une petite fraction de leucémies lymphoblastiques aiguës T [26] est caractérisée par une translocation chromosomique récurrente t(7;9)(q34;q34.3) qui provoque la fusion de la séquence correspondant à la partie intracellulaire de Notch1 avec les séquences promotrices du locus TCRβ, ce qui conduit à une activation constitutive d‘une forme tronquée de Notch1. Depuis, des modèles murins dans lesquels la surexpression de la partie intracellulaire de Notch 1, 2, 3 induit dans tous les cas une leucémie lymphoblastique aiguë T, ont confirmé que la transformation est un trait général d‘une activation constitutive de Notch dans les cellules T [27].

Casadil (Cerebral Autosomal Dominant Arteriopathy with Subcortical Infarts and Leukocephalopathy) est une maladie héréditaire dont les caractéristiques cliniques et génétiques ont été établies lors de l‘étude d‘une grande famille française grâce à une étroite collaboration entre le groupe de neurologie dirigé par le Pr. M.G. Bousser (CHU Lariboisière) et l‘équipe de génétique du Dr E Tournier‐Lasserve [28]. C‘est une affection des petites artères cérébrales qui se manifeste par des accidents ischémiques cérébraux récidivants de type lacunaire, chez des sujets indemnes de facteurs de risques cardiovasculaires, et une leucoencéphalopathie. L‘âge moyen de début des symptômes est de 45 ans. L‘évolution conduit à une démence de type sous cortical en 15 à 20 ans puis au décès du patient vers l‘âge de 65 ans. Casadil est dû à des mutations du gène Notch3 sur le chromosome 19 [29].

Le syndrome d‘Alagille (AGS) est une maladie héréditaire dominante qui se manifeste dès les premiers jours de la vie par l‘apparition d‘un ictère dû à une cholestase par insuffisance des voies biliaires. Le syndrome comporte, en outre, de très nombreuses autres anomalies : malformations vasculaires, vertébrales, oculaires, ainsi qu‘une dysmorphie faciale caractéristique (front large, menton pointu, extrémité du nez bulbeuse, cavités orbitaires profondes). Jagged1 a été identifié comme responsable du syndrome. Le fait qu‘il n‘y a pas de différence phénotypique entre les patients qui ont une délétion totale ou ceux qui ont des mutations intragéniques suggère une haploinsuffisance de Jagged1 [30, 31].

Perspectives

Malgré la complexité du rôle des récepteurs Notch au cours du développement, et les controverses concernant leurs rôles au cours de la différenciation des cellules T immatures, un schéma général émerge concernant l‘impact majeur de Notch sur l‘hématopoïèse. Ainsi la signalisation par Notch promouvoit l‘auto‐renouvellement des CSH aux dépens de leur différenciation tandis qu‘elle favorise la production des progéniteurs T précoces et inhibe la différenciation B au cours de la différenciation lymphoïde. Aussi une meilleure compréhension du rôle joué par les différents récepteurs Notch conduirait à l‘émergence de nouvelles approches de modulation du système immunitaire. De plus, la possibilité de manipuler les CSH pour les amplifier in vitro sans qu‘elle perdent leur potentiel primitif ouvrirait le champ à de nouvelles stratégies en thérapie cellulaire.

Remerciements. À Françoise Sainteny pour ses critiques concernant ce manuscrit.