Vignette (Photo © Inserm – Loïc Broix).

Les variants nucléotidiques pathogènes du gène NDE1 ( nuclear distribution element 1 ), situé sur le bras court du chromosome 16, sont à l’origine de microlissencéphalies chez l’homme [ 1 - 3 ]. Ils sont responsables du déficit de la neurogenèse le plus sévère décrit à ce jour [ 2 ]. La microlissencéphalie est une malformation associant diminution sévère du périmètre crânien et gyration extrêmement simplifiée ^1, [ 1 ]. Le gène NDE1 code une phosphoprotéine multidomaine ( Figure 1 ) , exprimée dans les neuroblastes, qui possède des domaines d’interaction avec LIS1 ( lissencephaly 1 ) et la dynéine, deux protéines impliquées dans le développement cérébral et la formation du fuseau mitotique [ 1 ]. Les mécanismes physiopathologiques précis de la microlissencéphalie observée dans les cas de variations pathogènes du gène NDE1 ne sont cependant pas complètement élucidés.

Figure 1. La protéine NDE1 est une phosphoprotéine multidomaine de 335 acides aminés interagissant avec plus de 60 partenaires protéiques. La majorité des domaines protéiques d’interaction impliqués ne sont pas encore précisément localisés sur la séquence de NDE1 (d’après [ 6 , 13 - 16 ]).

Figure 1. La protéine NDE1 est une phosphoprotéine multidomaine de 335 acides aminés interagissant avec plus de 60 partenaires protéiques. La majorité des domaines protéiques d’interaction impliqués ne sont pas encore précisément localisés sur la séquence de NDE1 (d’après [ 6 , 13 - 16 ]).

Cette revue s’intéresse au rôle de NDE1 dans le développement cérébral normal et pathologique et, plus particulièrement, dans la régulation de la ciliogenèse, étape indispensable à l’entrée en mitose, et dans la protection du génome des neuroblastes en division.

Entre 2011 et 2013, 13 individus présentant des variations pathogènes de NDE1 ont été rapportés. Ils étaient porteurs soit de variations pathogènes homozygotes, non-sens ou frameshift (décalage du cadre de lecture), responsables d’une protéine NDE1 tronquée instable, soit d’une délétion de la région 16p13.11 du chromosome emportant le gène NDE1 , combinée à une variation pathogène ponctuelle du gène sur l’allèle non délété [ 1 - 3 ]. Les 13 individus rapportés présentaient les critères malformatifs de microlissencéphalie avec un périmètre crânien très inférieur à la normale et une forme majeure de gyration simplifiée [ 1 ]. Le nombre de neurones des couches II, III et IV du cortex cérébral était nettement diminué, sans ectopie neuronale ^2, [ 1 , 2 ]. Il est important de rappeler ici que l’identification chez un patient d’une micro-délétion 16p13.11, en présence d’un phénotype compatible, doit faire rechercher un variant pathogène sur l’autre allèle du gène. En effet, les variations du nombre de copies de la région 16p13.11, comprenant le gène NDE1 , font partie des microremaniements chromosomiques fréquemment observés en raison de la présence, dans cette région chromosomique, de répétitions à faible nombre de copies (ou low copy repeats, LCR ) qui favorisent la création de micro-délétions et de micro-duplications, par un mécanisme de recombinaison allélique non homologue (NAHR) [ 4 ].

Le phénotype observé chez les patients présentant ces altérations suggère un rôle essentiel de NDE1 dans la neurogenèse humaine. Celle-ci associe des étapes de prolifération (divisions symétriques des neuroblastes), de détermination (divisions asymétriques), de migration et de différenciation ( Figure 2 ) . Si la lissencéphalie isolée de type 1 est due à un défaut de migration neuronale [ 1 ], la microlissencéphalie pourrait, quant à elle, impliquer également un défaut de production neuronale [ 5 ].

Figure 2. La formation des neurones des six couches du cortex cérébral associe étapes de prolifération (divisions symétriques des neuroblastes), détermination (divisions asymétriques), migration et différenciation (numérotées en bleu sur le schéma). En 2018, l’étude de la transcription en cellule unique dans les neuroblastes à différents stades de développement embryonnaire a mis en évidence une évolution des neuroblastes à l’origine de la diversité des neurones des différentes couches, le programme de différenciation post-mitotique étant ensuite identique pour tous les neuroblastes [ 12 ]. NDE1 est impliquée dans la neurogenèse embryonnaire comme en témoigne l’observation de microlissencéphalies liées aux variants pathogènes de NDE1 (mécanismes physiopathologiques et localisation de NDE1 numérotés en vert sur le schéma).

Figure 2. La formation des neurones des six couches du cortex cérébral associe étapes de prolifération (divisions symétriques des neuroblastes), détermination (divisions asymétriques), migration et différenciation (numérotées en bleu sur le schéma). En 2018, l’étude de la transcription en cellule unique dans les neuroblastes à différents stades de développement embryonnaire a mis en évidence une évolution des neuroblastes à l’origine de la diversité des neurones des différentes couches, le programme de différenciation post-mitotique étant ensuite identique pour tous les neuroblastes [ 12 ]. NDE1 est impliquée dans la neurogenèse embryonnaire comme en témoigne l’observation de microlissencéphalies liées aux variants pathogènes de NDE1 (mécanismes physiopathologiques et localisation de NDE1 numérotés en vert sur le schéma).

NDE1 est fortement exprimée au niveau du centrosome des neuroblastes humains, et cette expression est maximale au début de la mitose (à l’interphase et à la prophase) [ 2 ], et au niveau du fuseau mitotique [ 1 , 2 ]. L’interaction entre NDE1 et LIS1 qui active la dynéine, est nécessaire à la bipolarité et à l’orientation du fuseau mitotique [ 6 ]. Dans le modèle murin déficient en NDE1 , celui des rats Nde1 ^-/- , la réduction du nombre de neurones des couches II/III est associée à une perte de localisation centrosomale de NDE1 dans les neuroblastes, à des anomalies d’assemblage et d’orientation du fuseau mitotique, et à un retard de progression de la mitose [ 1 ]. Le rôle de la protéine NDE1, au niveau du centrosome, pourrait ne pas se limiter à la régulation de la formation et de l’orientation du fuseau mitotique des neuroblastes en division. Un arrêt complet du cycle cellulaire des cellules souches neurales, avant même leur entrée en mitose, a en effet été observé chez des embryons de rats Nde1 ^-/- , notamment en phase G1, et cela de manière spécifique, comme en témoigne l’absence d’effet similaire en cas de déplétion complète du paralogue ^3, de Nde1 , Ndel1 (NUDE neurodevelopment protein 1-like 1) [ 5 ]. La protéine NDE1 est donc requise pour des processus cellulaires pré-mitotiques qui sont indispensables à la progression du cycle cellulaire des cellules souches neurales.

NDE1 pourrait être un régulateur négatif de la longueur ciliaire. Le niveau d’expression de la protéine au niveau du centrosome, élevé en mitose et réduit en quiescence, pourrait être interprété comme étant inversement corrélé à la ciliogenèse, qui est initiée à l’entrée en quiescence des cellules et inhibée au moment de l’entrée en mitose [ 7 ] ( → ).

(→) Voir la Synthèse de N. Delgehyr et N. Spassky, m/s n° 11, novembre 2014, page 976

L’initiation de la résorption ciliaire est nécessaire à la progression de la phase G1 à la phase S dans les cellules ciliées entrant en division [ 5 ]. La déplétion de NDE1 , ou uniquement la perte de sa localisation centrosomale, provoque une augmentation de la longueur des cils primaires des cellules (un effet spécifique et dont l’importance dépend du niveau de déplétion de NDE1 ) et un retard de ré-entrée dans le cycle cellulaire (transition quiescence-prolifération) [ 8 ]. Ce retard est corrélé à la longueur ciliaire, comme le montre son absence lorsque la délétion de NDE1 est associée à une inhibition de la ciliogenèse, par l’utilisation d’ARN interférents ciblant IFT88 ( intraflagellar transport protein 88 ) [ 8 ]. NDE1 influence donc le délai d’entrée dans le cycle cellulaire et la progression de la phase G1 à la phase S des cellules en division, en modulant la résorption ciliaire.

La résorption ciliaire induite par NDE1 pourrait résulter de son interaction avec la dynéine. En effet, cette protéine est nécessaire à la résorption ciliaire. C’est un moteur moléculaire qui assure le transport intraciliaire rétrograde et sa sous-unité LC8 (ou DYNLL1) interagit directement avec NDE1 [ 8 ]. Une augmentation de la longueur ciliaire, comparable à celle induite par la déplétion complète de NDE1 , est observée dans les cellules exprimant une protéine NDE1 dont la séquence peptidique nécessaire à son interaction directe avec LC8 a été tronquée [ 8 ]. La localisation forcée de LC8 au niveau du corps basal, par une transgenèse permettant d’ajouter une séquence de localisation centrosomale à celle de LC8, entraîne une diminution de la longueur des cils [ 8 ]. NDE1 pourrait donc induire la résorption ciliaire en agissant sur le processus de transport intraciliaire par recrutement de la sous-unité LC8 de la dynéine au niveau du corps basal. Le recrutement de LC8 pourrait être aboli en phase G0-G1 par dégradation de NDE1, afin de permettre la ciliogenèse : NDE1 est un substrat de la kinase CDK5 ( cyclin-dependent kinase 5 ) dont l’activité augmente en phase G0-G1. Une fois phosphorylée au niveau de la tyrosine T191, NDE1 serait reconnue par l’ubiquitine-ligase FBW7 (F-box and WD repeat domain-containing 7) – dont la colocalisation avec NDE1 a été observée au centrosome – [ 9 ] et dégradée par le protéasome [ 6 ]. Lors de l’entrée dans le cycle cellulaire, la réduction de l’activité de CDK5 permettrait l’accumulation de NDE1 et donc la résorption ciliaire [ 9 ]. Bien que les anomalies du centriole constituent un point commun évident entre ciliopathies et microcéphalies (comme celles liées aux variations pathogènes du gène PLK4 [ polo-like kinase 4 ], gène codant une protéine régulant la biogenèse du centriole [ 10 ]), une hypothèse alternative concernant le mécanisme physiopathologique de la microlissencéphalie, n’impliquant pas le pool centrosomal de NDE1, est soutenue par des travaux centrés sur l’apoptose cellulaire.

La diminution du nombre de neurones observée en cas de variation pathogène de NDE1 pourrait être due à une réduction du pool de neuroblastes résultant de l’augmentation anormale de la mort cellulaire, plutôt qu’à un défaut de leur division asymétrique. Chez les rats Nde1 ^-/- , une telle augmentation de l’apoptose des neuroblastes a été observée, celle-ci ayant pour origine des cassures de l’ADN double brin et l’activation du gène suppresseur de tumeur TP53 [ 11 ]. Les mutants Nde1 ^-/- chez lesquels l’apoptose est inhibée par délétion du gène TP53 ne présentent aucune anomalie de taille ou de structure du cerveau, malgré la présence de cassures de l’ADN [ 11 ]. Cette observation constitue certainement l’argument le plus fort en faveur d’un mécanisme physiopathologique de la microlissencéphalie reposant sur l’apoptose des neuroblastes. Les anomalies de fuseau mitotique et le retard de progression de la mitose des neuroblastes d’animaux Nde1 ^-/- ne semblent pas pouvoir expliquer à eux seuls la réduction du pool de neuroblastes : une expérience similaire d’inhibition de l’apoptose a démontré une restauration de la prolifération des cellules rétiniennes humaines présentant une délétion du gène PLK4 (gène impliqué dans des cas de microcéphalie), malgré l’absence de centriole et une mitose anormalement longue [ 10 ]. Se pose alors la question du mécanisme par lequel les variations pathogènes de NDE1 favorisent les cassures de l’ADN et donc l’apoptose des neuroblastes.

NDE1 pourrait participer à la protection du génome pendant la mitose : les variations pathogènes de NDE1 entraînent une augmentation de l’instabilité génomique similaire à celle observée dans les cohésinopathies [ 11 ]. D’ailleurs, une interaction directe entre NDE1 et le complexe de la cohésine a été rapportée. La cohésine est essentielle au bon déroulement de la ségrégation du matériel génétique pendant la mitose, en maintenant ensemble les chromatides sœurs pendant la prophase et la métaphase : elle engendre une résistance à la traction exercée par les microtubules du fuseau. Cette résistance, témoignant de l’attachement des kinétochores aux microtubules, est requise pour le passage du point de contrôle entre métaphase et anaphase [ 11 ].

D’autres arguments sont en faveur d’un rôle de NDE1 préférentiellement au cours de la phase S, phase durant laquelle un pool nucléaire de NDE1 a d’ailleurs été observé [ 11 ]. En effet, les cassures de l’ADN double brin chez les rats mutants Nde1 ^-/- ont lieu au cours de la réplication, et des blocages des fourches de réplication ont été observés au niveau des domaines hétérochromatiques à l’origine d’un retard significatif de la réplication (une phase S plus longue) [ 11 ]. De plus, une interaction directe a été mise en évidence entre NDE1 et SNF2H (ou SMARCA5 [ SWI/SNF-related, matrix-associated, actin-dependent regulator of chromatin, subfamily a, member 5 ]), une protéine de remodelage de la chromatine recrutée en phase S et impliquée dans la répartition des nucléosomes le long du brin d’ADN lors de la réplication de l’hétérochromatine ( Figure 3 ) .

Figure 3. Le niveau d’expression de NDE1 au centrosome et au fuseau mitotique est élevé en début de mitose (partie gauche du schéma). L’interaction directe de NDE1 avec LIS1 active la dynéine et est requise pour la bipolarité et l’orientation du fuseau mitotique. Concernant la ciliation, la présence de NDE1 au corps basal permet le recrutement de la sous-unité LC8 de la dynéine, qui assure le transport rétrograde requis pour la résorption ciliaire. La ciliogenèse est quant à elle permise par la dégradation de NDE1 par le protéasome suite à sa phosphorylation par la kinase CDK5 et à sa reconnaissance par l’ubiquitine-ligase FBW7. Le pool nucléaire de NDE1 interagit directement avec le complexe de la cohésine et permet le passage du point de contrôle entre métaphase et anaphase. NDE1 interagit également directement avec la protéine SNF2H qui est recrutée en phase S pour la réplication de l’hétérochromatine (partie droite du schéma).

Figure 3. Le niveau d’expression de NDE1 au centrosome et au fuseau mitotique est élevé en début de mitose (partie gauche du schéma). L’interaction directe de NDE1 avec LIS1 active la dynéine et est requise pour la bipolarité et l’orientation du fuseau mitotique. Concernant la ciliation, la présence de NDE1 au corps basal permet le recrutement de la sous-unité LC8 de la dynéine, qui assure le transport rétrograde requis pour la résorption ciliaire. La ciliogenèse est quant à elle permise par la dégradation de NDE1 par le protéasome suite à sa phosphorylation par la kinase CDK5 et à sa reconnaissance par l’ubiquitine-ligase FBW7. Le pool nucléaire de NDE1 interagit directement avec le complexe de la cohésine et permet le passage du point de contrôle entre métaphase et anaphase. NDE1 interagit également directement avec la protéine SNF2H qui est recrutée en phase S pour la réplication de l’hétérochromatine (partie droite du schéma).

Or, la durée de leur phase S serait fortement corrélée au devenir des neuroblastes [ 11 ]. En 2018, l’étude de la transcription en cellule unique dans les neuroblastes à différents stades du développement embryonnaire murin a mis en évidence une évolution des neuroblastes à l’origine de la diversité des neurones des différentes couches, le programme de différenciation post-mitotique étant ensuite identique pour tous les neuroblastes ( Figure 2 ) [ 12 ]. NDE1 pourrait donc jouer un rôle précoce dans la formation des neurones des couches II/III au moment où le devenir des neuroblastes dont ils sont issus est établi plutôt que lors de la division terminale asymétrique des neuroblastes.

NDE1 est essentielle à la neurogenèse des couches II/III(/IV) et le mécanisme physiopathologique responsable de la microlissencéphalie le plus rapporté dans la littérature lui confère un rôle dans la formation et l’orientation du fuseau mitotique. Il semble que NDE1 soit étroitement liée au cycle cellulaire des neuroblastes, en tant que régulateur négatif de la ciliation, et qu’elle participe à la protection du génome lors de la réplication de l’ADN. Les variations pathogènes du gène NDE1 pourraient être à l’origine d’une perte des neurones des couches II/III(/IV) par apoptose des neuroblastes dont ils auraient dû être issus.

L’atteinte sélective des neurones des couches II/III/IV en cas d’haplo-insuffisance de NDE1 reste un élément obscur et soulève la question d’un rôle de NDE1 limité dans le temps (ponctuel au cours de la corticogenèse) et/ou dans l’espace.

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Les auteurs remercient leurs collègues du service de Génétique des Hospices Civils de Lyon ainsi que l’équipe enseignante du Master Biologie Moléculaire et Cellulaire parcours génétique de la cellule et pathologie de l’Université Lyon 1.