Study of the expression and interactions of the LINE-1 encoded ORF1p protein in the brain under aging and pathophysiological conditions

Le vieillissement et la dérégulation des éléments transposables sont deux processus intimement liés, caractérisés notamment par une dérépression des rétrotransposons LINE-1. Ces éléments LINE-1 représentent 21% de notre génome et seulement une minorité de ces séquences conserve un potentiel codant essentiel à leur mobilité. D’un côté, le vieillissement est marqué par la dérépression des LINE-1, d’un autre coté cette dérépression entraîne des instabilités génomiques, des altérations épigénétiques et de l’inflammation qui accentuent le vieillissement et mènent à la neurodégénérescence. Ce mécanisme pourrait donc être impliqué dans l’établissement des maladies neurodégénératives. Cependant, nos connaissances sur l’expression et la localisation des protéines encodées par LINE-1 dans le système nerveux central sont limitées. Cette étude explore, dans le cerveau murin et humain, l’expression et les interactions de la protéine endogène ORF1p, une protéine chaperon et de liaison à l’ARN encodée par LINE-1. Une approche novatrice combinant la cartographie du cerveau à des algorithmes de deep-learning pour la segmentation cellulaire sur des images pyramidales à grande échelle a été conçue. Cette approche permet une quantification de l’intensité d’un marqueur, dans le cas présent ORF1p, dans toutes les cellules d’une coupe est de les assigner à une région cérébrale définie. Nous avons ainsi pu caractériser une expression généralisée de ORF1p dans le cerveau murin en condition physiologique. Cette expression touche 20% des cellules et s’avère spécifiquement neuronale avec un niveau variable entre les régions. Chez les souris âgées, la quantité d’ORF1p augmente dans les neurones de plusieurs régions cérébrales dont le mésencéphale et le striatum. Au niveau transcriptomique, en caractérisant une expression à l’échelle individuelle des éléments LINE-1 dans des échantillons post-mortem humains, nous avons montré que les transcrits LINE-1 sont plus élevés chez les individus âgés. Nous observons également une dérégulation de ces transcrits et d’autres familles d’éléments transposables dans le cadre des maladies d’Alzheimer et de Parkinson. Dans le cerveau de la souris et dans les neurones dopaminergiques humains en culture, ORF1p interagit avec plusieurs réseaux protéiques impliqués dans l’épissage et la traduction et qui sont modifiés lors d’un stress in vitro. Ces travaux contribuent à une meilleure compréhension de l’étendue de l’expression de la protéine ORF1p et des LINE-1 dans le cerveau en condition pathophysiologique, notamment en démontrant une expression basale de cette protéine spécifiquement dans les neurones, qui est ensuite accentuée lors du vieillissement.Aging and dysregulation of transposable elements are two closely linked processes, particularly characterized by the derepression of LINE-1 retrotransposons. These LINE-1 elements constitute 21% of our genome, but only a minority of these sequences retain a coding potential that is essential to their mobility. On the one hand, aging is marked by LINE-1 derepression, and on the other hand, this derepression leads to genomic instabilities, epigenetic alterations and inflammation which are hallmarks of aging and neurodegeneration. LINE-1 could therefore be involved in the establishment of neurodegenerative diseases and indeed is causally implicated in neurodegeneration in model organisms. However, our knowledge of the expression and localization of LINE-1-encoded proteins in the central nervous system is limited. This study investigates, in the mouse and human brain, the expression and interactions of LINE-1 and its encoded protein ORF1p, a chaperone and RNA-binding protein. By establishing a novel approach combining brain mapping with deep-learning algorithms for cell segmentation on large-scale pyramidal images, we were able to characterize widespread ORF1p expression in the murine brain under physiological conditions. This expression spans around 20% of murine brain cells, is neuron-specific and is heterogeneous between regions. In aged mice, ORF1p expression in neurons increased in several brain regions such as midbrain and striatum. At the transcriptional level, by detecting full-length LINE-1 expression at the locus level in human post-mortem samples, LINE-1 transcripts were increased in aged individuals. We also observed dysregulation of these transcripts and other transposable elements families in Alzheimer's and Parkinson's diseases. In mouse brain and human dopaminergic neurons in culture, ORF1p interacts with several networks belonging to mRNA splicing and ribosomal proteins, which were modified during in vitro stress. This work contributes to a better understanding of the extent of ORF1p protein and LINE-1 expression in the brain under pathophysiological and aging conditions, notably by demonstrating a basal expression of this protein specifically in neurons, which is then accentuated during aging

Retrotransposons as a Source of DNA Damage in Neurodegeneration

International audienceThe etiology of aging-associated neurodegenerative diseases (NDs), such as Parkinson's disease (PD) and Alzheimer's disease (AD), still remains elusive and no curative treatment is available. Age is the major risk factor for PD and AD, but the molecular link between aging and neurodegeneration is not fully understood. Aging is defined by several hallmarks, some of which partially overlap with pathways implicated in NDs. Recent evidence suggests that aging-associated epigenetic alterations can lead to the derepression of the LINE-1 (Long Interspersed Element-1) family of transposable elements (TEs) and that this derepression might have important implications in the pathogenesis of NDs. Almost half of the human DNA is composed of repetitive sequences derived from TEs and TE mobility participated in shaping the mammalian genomes during evolution. Although most TEs are mutated and no longer mobile, more than 100 LINE-1 elements have retained their full coding potential in humans and are thus retrotransposition competent. Uncontrolled activation of TEs has now been reported in various models of neurodegeneration and in diseased human brain tissues. We will discuss in this review the potential contribution of LINE-1 elements in inducing DNA damage and genomic instability, which are emerging pathological features in NDs. TEs might represent an important molecular link between aging and neurodegeneration, and a potential target for urgently needed novel therapeutic disease-modifying interventions