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Imagerie et spéciation du fer et du manganèse dans les neurones à dopamine

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La perturbation de l’homéostasie du Fe pourrait jouer un rôle crucial dans la pathogenèse de la maladie de Parkinson par induction de stress oxydant et/ou promotion de l’agrégation de l’alpha-synucléine. Ainsi, la maladie de Parkinson représente l’α-synucléinopathie la plus courante et les niveaux de fer sont plus importants dans la substantia nigra des patients atteints de la maladie de Parkinson, mais l’interconnexion potentielle entre ces deux changements moléculaires est encore mal comprise. Comme l’α-synucléine peut lier le fer in vitro nous avons testé l’hypothèse que la teneur en fer et sa distribution pourraient être modifiées dans les cellules sur-exprimant l’α-synucléine.

Grâce aux méthodes d’imagerie chimique nano-SXRF et micro-PIXE, nous avons quantifié et décrit la distribution du fer au niveau subcellulaire. Nous montrons que, dans les neurones exposés à un excès de fer, la surexpression de l’α-synucléine humaine conduit à l’augmentation du niveau de fer intracellulaire et à sa redistribution dans le cytoplasme, vers la région périnucléaire dans les inclusions d’α-synucléine (Figure 1).

Des résultats reproductibles ont été obtenus sur deux systèmes d’expression recombinants distincts, sur les neurones primaires du mésencéphale de rat et sur une lignée cellulaire neuroblastique de rat (PC12), infectées avec des vecteurs viraux exprimant l’α-synucléine humaine. Nos résultats relient deux caractéristiques moléculaires spécifiques de la maladie de Parkinson, l’accumulation de l’α-synucléine et l’augmentation des niveaux de fer dans la substantia nigra (Ortega et al., 2016).

Figure 1. Imagerie nano-SXRF de neurones dopaminergiques exposés in vitro à un excès de fer sans (haut) ou avec (bas) surexpression de l’alpha synucléine. Dans les neurones sur-exprimant l’alpha-synucléine le fer s’accumule dans des inclusions périnucléaires riches en alpha-synucléine.

D’autre part, l’exposition environnementale aux métaux neurotoxiques tels que le manganèse serait l’un des facteurs de risque à l’origine de la maladie de Parkinson. Les composés organo-métalliques de manganèse sont utilisés en tant que pesticides (Maneb), ou comme additifs dans l’essence sans plomb (MMT).

En utilisant les méthodes micro-SXRF (Synchrotron X-Ray Fluorescence) et micro-XAS (X-ray Absorption Spectroscopy) à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), nous avons mis en évidence l’accumulation du manganèse dans l’appareil de Golgi des cellules dopaminergiques (Figure 2).

Ce résultat, totalement inédit, nous renseigne sur les mécanismes de détoxification de cet élément et le lien potentiel avec la maladie de Parkinson. Une perturbation du trafic vésiculaire par altération et fragmentation de l’appareil de Golgi expliquerait les effets neurotoxiques du Mn, en particulier sur le système dopaminergique cible de la neurodégénérescence.

De plus nous avons montré que quelle que soit la nature des composés environnementaux de Mn (inorganiques, métallo-organiques), le mécanisme de toxicité est le même et passe par une interaction des ions Mn2+ avec l’appareil de Golgi. La toxicité est proportionnelle à la solubilité des composés, comme montré par la spéciation, rejoignant le paradigme de toxicité vs solubilité décrit pour l’oxyde cobalt.

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Figure 2. Imagerie micro-SXRF et spectroscopie micro-XAS de neurones dopaminergiques exposés in vitro au Mn montrant son accumulation dans l’appareil de Golgi et la spéciation sous forme Mn2+. Données obtenues à l’ESRF, ligne ID21. Barre d’échelle : 10 µm.

Publications

α-Synuclein over-expression induces increased iron accumulation and redistribution in iron-exposed neurons
Ortega R., Carmona A., Roudeau S., Perrin L., Dučić T., Carboni E., Bohic S., Cloetens P., Lingor P. (2016), Molecular Neurobiology, 53, 1925-1934. [pubmed] [link]

Environmental manganese compounds accumulate as Mn(II) within the Golgi apparatus of dopamine cells : relationship between speciation, subcellular distribution, and cytotoxicity
Carmona A., Roudeau S., Perrin L., Veronesi G., Ortega R. (2014), Metallomics, 6, 822-832. [pubmed] [link]

Manganese accumulates within Golgi apparatus in dopaminergic cells as revealed by synchrotron X-Ray fluorescence nano-imaging
Carmona A., Devès G., Roudeau S., Cloetens P., Bohic S., Ortega R. (2010), ACS Chemical Neurosciences, 1, 194-203.[pubmed] [link]