Chez les mammifères, le morphogène Sonic Hedgehog (Shh) joue un rôle primordial au cours du développement du système nerveux central notamment lors du développement de la partie ventrale du tube neural où Shh est indispensable à la génération des motoneurones, interneurones et oligodendrocytes [ 1]. La découverte d’une voie de signalisation Shh dans le cerveau de rongeurs adultes a révélé de nouvelles fonctions associées à cette protéine [ 2]. La présente revue dresse le bilan des connaissances acquises sur la distribution cérébrale des effecteurs de la voie Shh, mais aussi sur le rôle de cette voie dans le maintien des précurseurs neuraux adultes et la régulation de l’activité neuronale, ou encore son implication dans les tumeurs cérébrales et les maladies neurodégénératives.

La protéine Shh est synthétisée sous forme d’un précurseur capable de s’autoprotéolyser et de générer un polypeptide amino-terminal actif (Figure 1A), désigné par la suite ShhN. Ce dernier exerce ses activités en se fixant sur la protéine membranaire Patched (Ptc), levant ainsi l’inhibition que Ptc exerce sur le récepteur à sept domaines transmembranaires Smoothened (Smo). L’activation de la voie Shh est à l’origine d’une cascade de signalisations intracellulaires complexes qui met notamment en jeu les facteurs de transcription de la famille Gli et aboutit à la régulation de l’expression de gènes cibles tels Patched lui-même (Figure 1C). Une activité Shh déficiente au cours de l’embryogenèse, liée par exemple à des mutations de Shh localisées dans la partie codant pour le fragment actif amino-terminal ShhN ou dans la partie carboxy-terminale impliquée dans l’autoprotéolyse, peut se traduire par une pathologie, l’holoprosencéphalie (Figure 1B). Cette dernière associe des anomalies cérébrales à des malformations de la tête chez l’homme. Plus récemment, le cil primaire, un organite (comportant un axonème de quelques microns) présent à la surface de la plupart des cellules chez les vertébrés, a également été impliqué dans la transmission du signal Shh in vitro et in vivo [ 3, 4]. Des réponses qui mettent en jeu les composantes de la voie Shh, mais n’utilisent pas les mécanismes initialement décrits ont également été rapportées. Il s’agit, par exemple, des effets antiprolifératifs ou proapoptotiques médiés par Ptc en l’absence de son ligand, ou de réponses transmises indépendamment de la cascade Ptc-Smo-Gli ou ne faisant pas appel à l’induction transcriptionnelle par les facteurs Gli tels que, respectivement, les effets de Shh sur la migration des cellules de la crête neurale ou sur le guidage axonal [ 5, 6].

Figure 1. Synthèse de la protéine Shh, localisation des mutations associées à l’holoprosencéphalie et transduction du signal Shh. A. La protéine Shh est sécrétée sous forme d’un précurseur de 48 kDa possédant un peptide signal à son extrémité amino-terminale. Le précurseur est capable de s’autoprotéolyser grâce à l’activité de son domaine autocatalytique et de générer une protéine amino-terminale ShhN de 20 kDa constituant le domaine de la protéine responsable de la signalisation. ShhN est modifiée de façon covalente par un acide gras et une molécule de cholestérol respectivement à ses extrémités amino- et carboxy-terminales. B. Les mutations, délétions et insertions identifiées chez des sujets atteints d’holoprosencéphalie sont distribuées dans le peptide signal (PS) (acides aminés 1-23) et les polypeptides amino- et carboxy-terminaux (respectivement, acides aminés 24-197 et 198-462). Les étoiles rouges et « del » indiquent respectivement des mutations non-sens et les délétions (une liste complète des mutations identifiées chez l’homme est disponible à l’adresse www.hgmd.cf.ac.uk). C. ShhN utilise le cil primaire pour transmettre son signal. En l’absence de son ligand (schéma de gauche), le récepteur Ptc, une protéine membranaire apparentée aux perméases bactériennes, est localisé dans le cil et réprime Smo, un membre potentiel de la famille des récepteurs à sept domaines transmembranaires couplés aux protéines G. Smo est alors majoritairement situé en dehors du cil. Le régulateur négatif Su(Fu) interagit avec les formes activatrices des facteurs de transcription Gli (GliA) et les maintient en dehors du noyau. À l’inverse, la forme répressive des facteurs Gli (GliR) est générée et migre dans le noyau. La transcription des gènes cibles est bloquée. En présence de Shh (schéma de droite), Ptc est internalisé, l’inhibition exercée sur Smo est levée permettant sa translocation dans le cil vraisemblablement par interaction avec la β-arrestine (β-Arr). Dans le cil, Smo peut inhiber la formation de Gli-R et activer Gli-A dont la translocation dans le noyau permet d’induire la transcription des gènes cibles de la voie comme Ptc et Gli1. Sur la membrane de la cellule, les protéines Hip, Boc, Cdo et Gas1 sont également proposées comme des récepteurs de Shh capables de moduler son activité signalisatrice.

Figure 1. Synthèse de la protéine Shh, localisation des mutations associées à l’holoprosencéphalie et transduction du signal Shh. A. La protéine Shh est sécrétée sous forme d’un précurseur de 48 kDa possédant un peptide signal à son extrémité amino-terminale. Le précurseur est capable de s’autoprotéolyser grâce à l’activité de son domaine autocatalytique et de générer une protéine amino-terminale ShhN de 20 kDa constituant le domaine de la protéine responsable de la signalisation. ShhN est modifiée de façon covalente par un acide gras et une molécule de cholestérol respectivement à ses extrémités amino- et carboxy-terminales. B. Les mutations, délétions et insertions identifiées chez des sujets atteints d’holoprosencéphalie sont distribuées dans le peptide signal (PS) (acides aminés 1-23) et les polypeptides amino- et carboxy-terminaux (respectivement, acides aminés 24-197 et 198-462). Les étoiles rouges et « del » indiquent respectivement des mutations non-sens et les délétions (une liste complète des mutations identifiées chez l’homme est disponible à l’adresse www.hgmd.cf.ac.uk). C. ShhN utilise le cil primaire pour transmettre son signal. En l’absence de son ligand (schéma de gauche), le récepteur Ptc, une protéine membranaire apparentée aux perméases bactériennes, est localisé dans le cil et réprime Smo, un membre potentiel de la famille des récepteurs à sept domaines transmembranaires couplés aux protéines G. Smo est alors majoritairement situé en dehors du cil. Le régulateur négatif Su(Fu) interagit avec les formes activatrices des facteurs de transcription Gli (GliA) et les maintient en dehors du noyau. À l’inverse, la forme répressive des facteurs Gli (GliR) est générée et migre dans le noyau. La transcription des gènes cibles est bloquée. En présence de Shh (schéma de droite), Ptc est internalisé, l’inhibition exercée sur Smo est levée permettant sa translocation dans le cil vraisemblablement par interaction avec la β-arrestine (β-Arr). Dans le cil, Smo peut inhiber la formation de Gli-R et activer Gli-A dont la translocation dans le noyau permet d’induire la transcription des gènes cibles de la voie comme Ptc et Gli1. Sur la membrane de la cellule, les protéines Hip, Boc, Cdo et Gas1 sont également proposées comme des récepteurs de Shh capables de moduler son activité signalisatrice.

La zone sous-ventriculaire (ZSV) des ventricules latéraux est l’une des principales aires de neurogenèse du cerveau adulte générant de nouveaux neurones tout au long de la vie (Figure 3) [ 10]). La voie Shh est active dans ce système neurogénique [8, 11]. L’expression de Gli1 par les cellules B (cellules souches astrocytaires) et C (les cellules transitoires à amplification rapide) [ 12] et celle de Ptc par les cellules A (neuroblastes migrants) [ 13] indiquent que l’ensemble des cellules constituant cette niche neurogénique sont capables de répondre à la signalisation Shh. De plus, la protéine ShhN, détectable dans la ZSV et le liquide céphalorachidien, pourrait être synthétisée soit localement, soit à distance par des neurones projetant à proximité de la ZSV ou par les cellules de la paroi du troisième ventricule qui pourraient sécréter la protéine dans le liquide céphalorachidien [13, 14].

Figure 3. Shh régule la migration des neuroblastes du cerveau adulte. Le schéma illustre la niche neurogénique de la zone sous-ventriculaire (ZSV) où sont continuellement générées de nouvelles cellules, le trajet de migration rostral (TMR) à travers lequel migrent les précurseurs des neurones (neuroblastes visualisés par des sphères rouges) qui viennent d’être générés, et les bulbes olfactifs (BO), la destination finale de ces cellules. Le long du TMR, les neuroblastes migrent à l’intérieur d’un tunnel de cellules gliales (noir). L’agrandissement de la paroi du ventricule latéral (VL) indique que les cellules constituant la ZSV sont les cellules souches astrocytaires ou cellules B, les cellules transitoires à amplification rapide sont les cellules C et les neuroblastes migrants les cellules A. L’expression de Ptc, Smo et Gli1 est indiquée pour chacun de ces types cellulaires [12-14]. Les cellules épendymaires ou cellules E constituent la zone ventriculaire. Le transfert adénoviral de Shh dans le VL accroît la rétention que Shh exerce sur les neuroblastes migrants, ce qui freine le nombre de neuroblastes qui sortent de la niche et donc de ceux qui atteignent les BO. À l’inverse, le blocage de l’activité de Shh par le transfert adénoviral de son antagoniste physiologique Hip dans le VL diminue la rétention exercée par Shh sur les cellules A et conduit à une augmentation du nombre de cellules migrantes atteignant les BO [14].

Figure 3. Shh régule la migration des neuroblastes du cerveau adulte. Le schéma illustre la niche neurogénique de la zone sous-ventriculaire (ZSV) où sont continuellement générées de nouvelles cellules, le trajet de migration rostral (TMR) à travers lequel migrent les précurseurs des neurones (neuroblastes visualisés par des sphères rouges) qui viennent d’être générés, et les bulbes olfactifs (BO), la destination finale de ces cellules. Le long du TMR, les neuroblastes migrent à l’intérieur d’un tunnel de cellules gliales (noir). L’agrandissement de la paroi du ventricule latéral (VL) indique que les cellules constituant la ZSV sont les cellules souches astrocytaires ou cellules B, les cellules transitoires à amplification rapide sont les cellules C et les neuroblastes migrants les cellules A. L’expression de Ptc, Smo et Gli1 est indiquée pour chacun de ces types cellulaires [12-14]. Les cellules épendymaires ou cellules E constituent la zone ventriculaire. Le transfert adénoviral de Shh dans le VL accroît la rétention que Shh exerce sur les neuroblastes migrants, ce qui freine le nombre de neuroblastes qui sortent de la niche et donc de ceux qui atteignent les BO. À l’inverse, le blocage de l’activité de Shh par le transfert adénoviral de son antagoniste physiologique Hip dans le VL diminue la rétention exercée par Shh sur les cellules A et conduit à une augmentation du nombre de cellules migrantes atteignant les BO [14].

L’induction de la transcription de Ptc observée dans la ZSV après l’injection intracérébrale de la protéine ShhN recombinante a suggéré pour la première fois le caractère fonctionnel de la voie Shh dans le cerveau adulte [2]. La modulation de la prolifération cellulaire dans la ZSV par des molécules capables d’activer ou de bloquer Smo [8, 14] confirme ces résultats. Plus récemment, il a été montré que la protéine Shh était capable de retenir les neuroblastes nouvellement générés dans la ZSV en restreignant leur migration en direction du bulbe olfactif (Figure 3) et en s’opposant à l’activité d’autres protéines qui, à l’inverse, favorisent cette migration. Shh serait donc un facteur qui régule la migration des neuroblastes du cerveau adulte [13]. La modulation de cette activité de Shh par des molécules chimiques pourrait être intéressante dans le traitement de pathologies où le nombre et la capacité migratoire des neuroblastes sont réduits, comme dans le cas de la maladie de Parkinson. Cette nouvelle propriété de Shh permettra peut-être aussi de mieux comprendre les mécanismes qui aboutissent à la migration inappropriée des cellules cancéreuses à l’origine des métastases survenant dans les tumeurs cérébrales associées à une dérégulation de la signalisation Shh (voir plus loin).

Des approches comparables ont permis de proposer le rôle critique de la signalisation Shh, via le cil primaire, dans l’expansion des progéniteurs neuraux dans la zone sous-granulaire (ZSG) de l’hippocampe, la seconde aire majeure de neurogenèse du cerveau adulte [2, 8, 15, 16]. La signalisation Shh contrôle également les précurseurs neuraux dans d’autres régions cérébrales. Ainsi, Shh participe à la maturation du cortex cérébelleux au cours des premières semaines post-natales en induisant la prolifération des précurseurs des cellules granulaires [ 17]. Par ailleurs, une augmentation du nombre de cellules en phase proliférative est détectable dans plusieurs aires cérébrales après administration intracérébrale de la protéine ShhN [ 18]. L’expression de marqueurs du lignage oligodendrocytaire par ces cellules en prolifération a permis de les identifier comme des précurseurs oligodendrocytaires [18]. La prolifération de précurseurs oligodendrocytaires est également observée dans un modèle de traumatisme lésionnel au cours duquel l’inflammation induirait l’expression de Shh dans des cellules astrocytaires [ 19]. Ces données laissent envisager un rôle modulateur de Shh dans les pathologies associées à un déficit du lignage oligodendrocytaire.

La large distribution de ShhN dans le cerveau a très rapidement suggéré l’existence d’activités autres que celles impliquées dans la régulation des propriétés des précurseurs neuraux. Cette hypothèse est confirmée par des études rapportant l’activité neuromodulatrice de Shh dans le noyau subthalamique [ 20], l’une des régions dont l’activité est altérée dans la maladie de Parkinson, et dans le noyau du tractus solitaire impliqué dans la régulation cardiorespiratoire. Shh a d’ailleurs été proposé comme participant au processus d’acclimatation à l’hypoxie associé à l’augmentation de la réponse ventilatoire induite par une hypoxie prolongée [ 21]. ShhN induit une inhibition de l’activité neuronale locale dans ces deux aires cérébrales suivie, dans le cas du noyau du tractus solitaire, d’une bouffée d’activité. Celle-ci rappelle l’activité détectée au cours des processus développementaux de croissance axonale et de formation du réseau neuronal suggérant que ShhN pourrait induire la réapparition d’activités détectables dans les neurones immatures. Ces réponses survenant en quelques minutes après l’activation de la voie font vraisemblablement intervenir un mécanisme non transcriptionnel déclenché très rapidement.