B Photorécepteurs

Les dégénérescences des photorécepteurs sont la forme la plus courante de cécité dans le monde occidental et impliquent la perte de vision due à la dystrophie et/ou à la mort des photorécepteurs rétiniens. Ces pathologies peuvent être grossièrement divisées en deux catégories : celles qui affectent initialement les photorécepteurs à bâtonnets, comme la rétinite pigmentaire (RP), et celles qui affectent initialement les photorécepteurs à cônes, comme la dégénérescence maculaire141. Si la dégénérescence des photorécepteurs peut également être causée indirectement par des défauts primaires de l’EPR, qui remplit une fonction importante dans la santé et l’homéostasie des photorécepteurs, ce sujet sera abordé dans une section ultérieure (voir section II.C).

Les photorécepteurs sont des cellules sensorielles hautement polarisées qui se composent d’un segment interne (IS) qui est relié à un segment externe (OS) par un cilium hautement modifié (Fig. 5).189 Dans les photorécepteurs matures, les protéines qui sont nécessaires à la croissance et à l’entretien des OS des photorécepteurs, ainsi qu’à la phototransduction, sont transportées le long de microtubules polarisés depuis l’IS basal vers l’OS apical. Les photorécepteurs sont similaires aux cellules épithéliales en ce sens que leurs surfaces sont divisées en domaines apical et basolatéral par des jonctions cellulaires. Leurs centrosomes sont situés à la surface apicale, tandis que leurs noyaux se trouvent à la base.190 Le développement correct et la maintenance ultérieure des photorécepteurs des vertébrés dépendent de l’établissement d’une polarité apicale-basale appropriée, ainsi que du fonctionnement de la machinerie de transport. Il n’est donc pas surprenant que parmi les plus de 100 loci génétiques connus pour provoquer des dégénérescences des photorécepteurs chez les vertébrés, la plupart affectent la structure et la fonction de l’OS.191

Fig. 5. Structure des photorécepteurs à bâtonnets et à cônes. Les cellules photoréceptrices sont composées d’un segment externe qui contient des disques membranaires liés aux pigments visuels. Le segment interne est le corps cellulaire polarisé du photorécepteur, où le noyau réside basalement et où le cilium prend naissance apicalement et s’étend dans l’OS. Le terminal synaptique forme des connexions synaptiques avec les interneurones de la rétine, relayant l’entrée visuelle.161,188

Les cribles génétiques chez le poisson zèbre ont mis en lumière les bases moléculaires de ces fonctions cellulaires par l’isolement de mutants dans lesquels le développement et/ou la maintenance des photorécepteurs sont défectueux.24,192,193 On a découvert qu’un de ces mutants, mosaic eyes (moe), présentait des caractéristiques apicales étendues dans les photorécepteurs.20,21 Le locus moe code pour une protéine contenant un domaine FERM qui forme un complexe avec les protéines Crumbs, lesquelles se sont avérées critiques pour la polarité apicale-basale chez la drosophile, ainsi que chez les vertébrés.194-196 Il est intéressant de noter que les mutations de l’orthologue humain de Crumbs, CRB1, sont associées à des dystrophies des photorécepteurs rétiniens telles que la RP 12197 et l’amaurose congénitale de Leber (LCA1 ; Réf. 198,199). D’autres mutants du poisson zèbre, tels que nagie oko (nok) et heart and soul (has), non seulement reproduisent le phénotype du mutant moe, mais les protéines qu’ils codent (Pals1 et PKCi, respectivement) interagissent également sur le plan biochimique avec Moe.20 De plus, le knockdown par morpholino de crb2b, un paralogue de Crumbs chez le poisson zèbre, entraîne une réduction de la taille des IS.14 Ces études ont donc commencé à découvrir le rôle du complexe Crumbs dans le développement et la maladie des photorécepteurs des vertébrés.

La formation d’une polarité apicale-basale correcte dépend non seulement de la bonne fonction des déterminants de la polarité cellulaire, mais aussi de leur transport et de leur localisation. Les photorécepteurs de la rétine du mutant ale oko (ako) accumulent les déterminants apicaux Pals1 et PKCλ dans leurs corps cellulaires et présentent une mort étendue des photorécepteurs à la fin du développement19. Le locus ako code pour la sous-unité p50 du complexe de la dynactine, qui joue un rôle important dans le transport de marchandises le long des microtubules en tant que partie du complexe moteur de la dynéine.200 Chez un autre mutant, mikre oko (mok), qui possède une mutation dans la dynactine-1, la dégénérescence rétinienne est au moins partiellement due à la mauvaise localisation des noyaux des photorécepteurs. De façon surprenante, contrairement aux mutants ako, les déterminants apicaux tels que Crumbs et aPKCλ ne sont pas mal localisés, ce qui suggère que la dégénérescence chez ces mutants n’est pas due à une perte de polarité cellulaire. La mauvaise localisation expérimentale du noyau par la surexpression du moteur de la dynéine a entraîné la mort des cellules photoréceptrices, soutenant le rôle de la position nucléaire dans la survie des photorécepteurs.201 Alors que les défauts de positionnement nucléaire dans les photorécepteurs mok semblent avoir un rôle cellulaire autonome, d’autres composants non cellulaires autonomes semblent jouer un rôle dans la dégénérescence mok. Des analyses en mosaïque ont révélé que les photorécepteurs mutants présentent une augmentation de la survie de plus de 2,5 fois lorsqu’ils sont placés dans un environnement de type sauvage.17 Cette découverte suggère que la santé et la survie des photorécepteurs dépendent des signaux environnementaux provenant des cellules environnantes. Ces résultats sont cohérents avec les défauts associés à certaines dégénérescences humaines, comme la RP, où un défaut initial dans la rhodopsine spécifique des bâtonnets entraîne finalement la perte des bâtonnets et des cônes.202

Le transport du corps cellulaire vers l’OS est également important pour remplacer les composants de l’OS qui sont perdus en raison de la phagocytose continue des OS des photorécepteurs par l’EPR sus-jacent.203 Dans les photorécepteurs, comme dans les cils, le transport s’effectue par un processus connu sous le nom de Transport Intraflagellaire (IFT) et les mutations dans les gènes composants de l’IFT tels que ift57, ift80, ift88, et ift172 entraînent une atrophie de l’OS et/ou une perte complète de l’OS chez le poisson zèbre.24Les mutations du gène elipsa, qui code pour une protéine censée faciliter l’IFT35, entraînent une perte précoce des photorécepteurs22, tandis que le knockdown par morpholino de plusieurs sous-unités du moteur IFT rétrograde dynéine-2 a mis en évidence l’importance de l’IFT dans l’allongement correct de l’OS et la fonction visuelle204. Les dégénérations des photorécepteurs liées à une IFT défectueuse font partie des nombreux phénotypes liés aux cils associés au syndrome de Bardet-Biedl (BBS),205 et l’étude plus approfondie de la fonction des composants de l’IFT chez le poisson zèbre pourrait s’avérer déterminante pour mieux comprendre les causes moléculaires qui sous-tendent les pathologies oculaires liées au BBS.

Alors que les mutants décrits jusqu’ici dans cette section ont été isolés dans des cribles génétiques utilisant principalement des méthodes histologiques pour détecter les défauts des photorécepteurs, d’autres ont été isolés dans des cribles comportementaux15,82,206,207. L’un de ces cribles a tiré parti de la capacité du poisson zèbre à présenter un comportement dépendant de la vision dès 3 dpf (jours après la fécondation). Brockerhoff et al.15 ont d’abord utilisé le test de réponse optocinétique (OKR) sur des embryons mutagénisés pour détecter les défauts de la fonction visuelle. Un deuxième test a consisté à utiliser des enregistrements d’électrorétinogrammes (ERG) pour déterminer si des mutations isolées affectent la fonction de la rétine externe. Ce dépistage a permis d’isoler 18 mutants dont on a déterminé qu’ils avaient une fonction visuelle réduite. L’un d’eux, no optokinetic response a (noa), ne présentait pas d’anomalies flagrantes des photorécepteurs à 5 dpf (jours après la fécondation), mais était aveugle, léthargique et mort prématurément. L’analyse de la mutation noa a révélé une déficience dans une sous-unité du complexe pyruvate déshydrogénase (PDH), qui régule la production d’énergie dans les cellules. La lignée mutante noa a été utilisée comme modèle pour l’étude de la déficience en PDH (OMIM 245348), une maladie humaine qui, comme le modèle du poisson zèbre, entraîne la cécité, des défauts neurologiques et une mort précoce.16 Comme les traitements actuels de la déficience en PDH chez l’homme n’ont donné que des résultats limités, Taylor et al. ont utilisé les mutants noa pour tester un régime cétogène qui a permis de soulager les symptômes de la déficience en PDH chez un nombre limité de patients humains. L’administration de ce régime spécial a rétabli le comportement normal des mutants noa, soulignant le potentiel de l’étude des thérapies de déficience en PDH dans la lignée mutante noa.

Un autre mutant, no optokinetic response f (nof) s’est avéré posséder une mutation dans la sous-unité α de la transducine du cône (Tcα), une protéine G nécessaire à la phototransduction. Chez les patients humains souffrant d’une affection connue sous le nom d’achromatopsie (OMIM 139340), les mutations de la Tcα sous-tendent la perte de la vision des couleurs. Chez les mutants nof, le développement des cônes se déroule normalement ; ils sont cependant jusqu’à 1000× moins sensibles à la lumière, comme le montrent les enregistrements de photorécepteurs uniques. Une analyse approfondie des réponses à la lumière des cônes a révélé que la phototransduction résiduelle est dépendante de la lumière, mais indépendante de la transducine. L’influx de Ca+ 2, qui est important pour l’adaptation des photorécepteurs à la lumière et dont on pensait auparavant qu’il était contrôlé par la transducine, était encore détectable chez les mutants nof. Cette étude a donc révélé qu’une partie de l’influx de Ca+ 2 dans les photorécepteurs coniques pourrait être indépendante de la transducine.

Dans un écran séparé, des mutations dominantes qui provoquent une dégénérescence des photorécepteurs chez le poisson zèbre adulte ont été réalisées afin d’isoler des mutants génétiques qui pourraient être utilisés ultérieurement pour étudier la cécité nocturne héréditaire humaine telle que la RP.37,38 Dans le cas de la RP, de nombreux loci génétiques sous-tendent ce groupe de troubles. Cependant, seule la moitié environ des cas de RP dominante ont été associés à des mutations spécifiques au moment où le dépistage a été effectué.38 Li et al. ont donc procédé au dépistage de poissons zèbres adultes mutagéniques en utilisant une réaction d’évasion connue des poissons. L’absence d’une telle réponse à un indice menaçant a été interprétée comme une perte de vision, ce qui a été confirmé ultérieurement par des enregistrements ERG. En tout, sept mutants hétérozygotes ont été isolés (héméralopie a, b, c, d, e et f), dont six présentaient une dégénérescence des photorécepteurs.38,39,208,209 Quatre de ces six mutants se sont avérés être embryonnairement létaux en tant qu’homozygotes, ce qui suggère que les gènes mutés qui sous-tendent les phénotypes des photorécepteurs ont d’autres fonctions critiques pendant le développement embryonnaire. Ce résultat souligne l’importance de tels cribles pour l’identification de mutations dominantes qui pourraient ne pas être facilement isolées dans les cribles traditionnels en raison de la létalité embryonnaire précoce.