Identification d'une forme phosphorylée de BDNF : un nouveau mécanisme de régulation de la plasticité synaptique et de la mémoire ?

Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) is a protein that plays an essential role in the survival and differentiation of neurons, as well as in the induction and expression of synaptic plasticity (Deinhardt and Chao, 2014; Lu et al., 2005). BDNF is highly expressed during adulthood and the reduction of its expression is implicated in many neurodegenerative diseases and psychological disorders (Anastasia and Hempstead, 2014). Its action on synaptic plasticity is critical for the establishment of cognitive functions and for the establishment of memory (Bekinschtein et al., 2008; Egan et al., 2003).BDNF exists as two forms with opposite functions, or Yin and Yang effects (Lu et al., 2005). Indeed, BDNF is synthesized as a precursor molecule, proBDNF, which has negative effects "Yin". By binding to the p75NTR receptor, proBDNF promotes apoptosis, dendritic retraction and long-term depression. In contrast, the cleaved form, mature BDNF (mBDNF), binds preferentially to the TrkB receptor that activates the signaling pathways promoting cell survival, differentiation, and long-term potentiation. Thus, mBDNF has positive effects or "Yang". The cleavage of BDNF therefore plays a key role in regulating its functional balance towards one or the other pathway. It is believed that proBDNF is cleaved into mBDNF by furin in the Golgi network or by pro-protein convertase 1/3 in secretory vesicles (Mowla et al., 2001; Seidah et al., 1996). The remaining proBDNF that has not been cleaved in the cell can be secreted and rapidly cleaved by plasmin or matrix metalloproteases (MMP7) into the extracellular space (Lee et al., 2001).Having diametrically opposite roles, together, mature BDNF and proBDNF allow fine regulation of neuronal survival and differentiation and of their activity-dependent synaptic plasticity (Lu et al., 2014; Yang et al., 2014). Since BDNF has critical roles in neuronal functions, it is not surprising that its expression and action are extremely regulated in time and space. However, even if the enzymes processing BDNF are well known, the mechanisms regulating BDNF cleavage are not yet understood.Here we show a new mechanism for the regulation of BDNF maturation via phosphorylation which directly impacts the functional balance. Indeed, we show that phosphorylation of the S130 residue, located at the interface between the pro- and the mature domain, decreases the efficiency of BDNF cleavage by furin, thus regulating the balance between immature and mature forms. This phosphorylation at the S130 site is catalyzed by ectokinases FJX1 and FAM69B which are localized in the Golgi apparatus with BDNF. Furthermore, by using phospho-mutant knock-in transgenic mice, we show that the phosphorylation of BDNF, by promoting the proBDNF form, inhibits the long-term potentiation and decreases the plasticity dynamics of the dendritic spines after neuronal stimulation. These results suggest a novel regulatory pathway for BDNF functional balance and suggest a critical role for S130 phosphorylation in learning and memory processes.In parallel, the search for potential kinases of BDNF led us to identify an exoPKA, located in the Golgi and interacting directly with BDNF. This atypical exoPKA phosphorylates BDNF at serine S130 and regulates its maturation and therefore the balance between the pro- and mature forms of BDNF. This exoPKA is different from the cytosolic PKA which suggests the existence of a new mechanism of regulation of plasticity by PKA via BDNF. Finally, we are testing the role of exoPKA on the downregulation of synaptic plasticity via the regulation of BDNF cleavage. These results will allow to determine the existence of a dichotomous action of PKA on plasticity whether cytosolic or Golgi/secreted PKA is activated.Le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF, Brain-Derived Neurotrophic Factor) est une protéine qui joue un rôle essentiel dans la survie et la différenciation des neurones, ainsi que dans l'induction et l'expression de la plasticité synaptique (Deinhardt and Chao, 2014; Lu et al., 2005). Le BDNF est très exprimé à l'âge adulte et la réduction de son expression est impliquée dans de nombreuses maladies neurodégénératives et troubles psychologiques (Anastasia and Hempstead, 2014). Son action sur la plasticité synaptique est majeure pour la mise en place de fonctions cognitives et pour la mise en place de la mémoire (Bekinschtein et al., 2008; Egan et al., 2003).Le BDNF existant sous deux formes ayant des fonctions opposées, on peut parler d'effet Yin et Yang du BDNF (Lu et al., 2005). En effet, le BDNF est synthétisé en tant que molécule précurseur, le proBDNF, qui a des effets négatifs " Yin ". Par sa liaison au récepteur p75NTR, le proBDNF favorise l'apoptose, la rétraction dendritique et la dépression à long-terme. Au contraire, la forme clivée, le BDNF mature (mBDNF), se lie préférentiellement au récepteur TrkB qui active les voies de signalisation de survie cellulaire, de différentiation et de potentialisation à long terme. On parle alors d'effets positifs ou " Yang ". Le clivage de BDNF joue donc un rôle capital dans la régulation de sa balance fonctionnelle vers l'une ou l'autre voie. Il est généralement admis que le proBDNF est clivé en mBDNF par la furine dans le Golgi ou par la pro-protéine convertase 1/3 dans les vésicules de sécrétion (Mowla et al., 2001; Seidah et al., 1996). Le proBDNF restant n'ayant pas été clivé dans la cellule peut être sécrété et être rapidement clivé par la plasmine ou les métalloprotéases de matrice (MMP7) dans l'espace extracellulaire (Lee et al., 2001). Cependant, si les enzymes de conversion du BDNF sont bien connues, les mécanismes de régulation du clivage ne sont pas encore compris.Nous montrons ici un nouveau mécanisme de régulation de la maturation de BDNF via une phosphorylation qui impacte directement la balance fonctionnelle. En effet, nous montrons que la phosphorylation du résidu S130, localisé à l'interface entre le pro-domaine et le domaine mature, diminue l'efficacité du clivage du BDNF par la furine, régulant ainsi l'équilibre entre les formes immature et mature. Cette phosphorylation au site S130 est catalysée par les ectokinases FJX1 et FAM69B qui sont localisées dans l'appareil de Golgi avec BDNF. De plus, grâce à l'utilisation de souris transgéniques knock-in phospho-mutantes, nous montrons que la phosphorylation de BDNF, en favorisant la forme proBDNF, inhibe la potentialisation à long-terme et diminue la dynamique de plasticité des épines dendritiques après stimulation neuronale. Ces résultats suggèrent ainsi une nouvelle voie de régulation de la balance fonctionnelle de BDNF et suggèrent un rôle critique de la phosphorylation S130 dans les processus d'apprentissage et de la mémoire.En parallèle, la recherche de kinases potentielles de BDNF nous a amenés à identifier une exoPKA, localisée dans le Golgi et qui interagit directement avec BDNF. Cette exoPKA atypique phosphoryle BDNF au niveau de la sérine S130 et régule sa maturation et donc l'équilibre entre les formes pro et matures de BDNF. Cette exoPKA est différente de la PKA cytosolique ce qui suggère l'existence d'un nouveau mécanisme de régulation de la plasticité par PKA via BDNF. Enfin, nous sommes en train de tester le rôle de l'exoPKA sur la régulation négative de la plasticité synaptique via la régulation du clivage de BDNF. Ces résultats permettront de déterminer l'existence d'une dichotomie d'action de PKA sur la plasticité en fonction de la forme activée, cytosolique ou golgienne/sécrétée