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La prévalence des maladies neurodégénératives liées à l’âge augmente avec le vieillissement de la population1. Bien que les fondements génétiques et les caractéristiques pathologiques soient bien caractérisés, les événements moléculaires précis conduisant aux lésions neuronales restent mal compris2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Récemment, un G4C2 L’expansion répétée de l’hexanucléotide dans le premier intron du gène C9orf72 a été identifiée comme la cause génétique la plus fréquente des maladies neurodégénératives apparentées que sont la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la démence frontotemporale (DFT)13,14. Plusieurs études soutiennent maintenant un rôle central pour les perturbations de la machinerie de transport nucléaire, y compris les complexes de pores nucléaires (NPC) et les récepteurs de transport nucléaire (NTR, karyophérines), comme étant la cause de l’ALS C9orf7215,16. Dans les cellules qui ne se divisent pas dans le cerveau du rat, les nucléoporines d’échafaudage (Nups) ont une durée de vie extrêmement longue. En conséquence, des altérations des NPC et des NCT ont été signalées au cours du vieillissement17,18,19,20. De plus, certains nucléoporines ou transportines, lorsqu’ils sont mutés, sont liés à des maladies neurologiques spécifiques21,22. Par exemple, les mutations de Nup62 ont été associées à la nécrose striatale bilatérale infantile (IBSN), un trouble neurologique affectant le noyau caudé et le putamen23; des mutations de Gle1 ont été impliquées dans la maladie du motoneurone fœtal, le syndrome de contracture congénitale létale humaine-1 (LCCS1)24; et les mutations d’Aladin sont à l’origine du syndrome Triple-A25. Les altérations de la TCN fonctionnelle sont exacerbées dans les maladies neurodégénératives liées à l’âge telles que la SLA, la maladie de Huntington (MH) et la maladie d’Alzheimer (MA)16,26,27,28,29,30,31. De plus, des Nups et des NTR spécifiques ont été signalés comme modificateurs de la toxicité induite par C9orf72 dans le Drosophila oeil28 ou modifier biochimiquement l’état d’agrégation de protéines liées à des maladies telles que FUS et tau27,32,33,34. Collectivement, ces premières études suggèrent que l’altération de la TCN peut être une caractéristique pathologique primaire et précoce de la SLA et de la DFT. Des études dans un système modèle basé sur la surexpression ont suggéré qu’une mauvaise localisation de Nups et de karyophérines spécifiques peut avoir un impact sur le NCT16,35,36,37,38. Cependant, ces études pathologiques ne lient pas réellement les accumulations cytoplasmiques de protéines NPC à des défauts dans la structure ou la fonction de la NPC. Par exemple, cette pathologie peut simplement refléter la dérégulation des pools cytoplasmiques des protéines Nup avec peu d’impact sur la composition et la fonction des NPC. En revanche, une étude récente utilisant la microscopie à illumination structurée (SIM) à super résolution démontre l’émergence d’une lésion significative du NPC lui-même, caractérisée par une réduction des niveaux spécifiques de Nup dans le nucléoplasme et les NPC des neurones humains C9orf72 ALS/FTD, conduisant finalement à une altération de la fonction NPC en tant qu’événement initiateur précoce dans les cascades de maladies pathogènes15.
Le passage des macromolécules entre le noyau et le cytoplasme est régi par le complexe de pores nucléaires (NPC). Le NPC est un grand complexe macromoléculaire intégré dans l’enveloppe nucléaire composé de plusieurs copies de 30 protéines nucléoporines (Nups)39,40,41. Bien que la stœchiométrie Nup varie selon les types de cellules 42,43,44, le maintien de la composition globale des NPC est essentiel pour la NCT, l’organisation du génome et la viabilité cellulaire globale 39,41,45,46. Par conséquent, l’altération de la composition des NPC et les défauts de transport fonctionnel qui en résultent sont susceptibles d’avoir un impact sur une myriade de fonctions cellulaires en aval. Les constituants Nup de la NPC sont fortement organisés en plusieurs sous-complexes, y compris l’anneau cytoplasmique et les filaments, le canal central, l’anneau externe, l’anneau intérieur, l’anneau transmembranaire et le panier nucléaire. Collectivement, les Nups d’échafaudage des anneaux interne, externe et transmembranaire ancrent les NPC dans l’enveloppe nucléaire et fournissent des points d’ancrage pour les Nups de l’anneau cytoplasmique, du canal central et du panier nucléaire. Alors que les petites molécules (<40-60 kD) peuvent diffuser passivement à travers le NPC, le transport actif de cargaisons plus importantes est facilité par les interactions entre les récepteurs de transport nucléaire (NTR, caryophérines) et les FG Nups des filaments cytoplasmiques, du canal central et du panier nucléaire 39,40,41,45. En outre, une poignée de Nups peut également fonctionner à l’extérieur du NPC, dans le nucléoplasme, pour réguler l’expression des gènes46,47.
Étant donné que la dimension latérale d’un seul NPC humain est d’environ 100-120 nm40, la microscopie standard à grand champ ou confocale est insuffisante pour résoudre les NPC individuels48. Les techniques de microscopie électronique (EM) telles que la MET ou la MEB sont souvent utilisées pour évaluer la structure globale des NPC39,40. Malgré les avantages de ces techniques pour résoudre l’ultrastructure des NPC, elles sont moins couramment utilisées pour évaluer la présence de protéines Nup individuelles au sein des NPC. Les limites techniques de la combinaison du marquage par anticorps ou par marquage avec ces technologies de pointe, TEM et SEM, ne permettent pas toujours une évaluation précise et fiable des Nups individuels eux-mêmes au sein des NPC ou du nucléoplasme. De plus, ces techniques peuvent être techniquement difficiles et ne sont pas encore largement accessibles à tous les chercheurs. Cependant, les progrès récents de la microscopie optique et de fluorescence ont augmenté l’accessibilité des technologies d’imagerie à super-résolution. Plus précisément, SIM offre l’opportunité inégalée d’imager des Nups individuels avec une résolution qui approche les dimensions latérales d’un NPC humain 40,48,49,50,51. Contrairement à d’autres approches de super-résolution telles que la microscopie de reconstruction optique stochastique (STORM) et la déplétion par émission stimulée (STED), la SIM est compatible avec l’immunomarquage conventionnel à base d’anticorps49. Ainsi, SIM permet une analyse complète de tous les Nups pour lesquels un anticorps Nup spécifique est disponible. La possibilité d’échantillonner et d’imager plusieurs Nups différents dans la même préparation offre des avantages significatifs par rapport aux autres méthodes d’imagerie lors de l’étude des nombreuses protéines qui composent le NPC. La procédure suivante détaille un protocole optimisé pour l’évaluation des composants Nup individuels de la NPC à l’aide de noyaux isolés de neurones dérivés de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) et de tissus post-mortem du système nerveux central humain (SNC).