Study of the pathogenic role of the LINE-1 retrotransposon protein ORF1p targeting the nuclear envelope

Les éléments transposables (ET) ont émergé récemment comme un des moteurs du vieillissement cellulaire et de la neurodégénérescence. En effet, ils sont apparus comme des nouveaux acteurs causaux dans la pathogenèse des maladies neurodégénératives (MN). Cependant, les mécanismes par lesquels les ET contribuent à la pathogenèse des MN restent encore mal connus. Parmi les ET, l’un des rétrotransposons les plus actifs est le LINE-1 (Long Interspersed Nuclear Element-1), qui code pour deux protéines ORF1p et ORF2p. L’action pathogénique de ORF2p est due à ses activités d'endonucléase et de transcriptase inverse qui peuvent être sources de dommages à l'ADN, et d’accumulation d'ADN cytosolique pouvant induire une inflammation. Néanmoins, aucune fonction pathogénique de ORF1p n'a encore été décrite en dehors de sa fonction de protéine de liaison à l'ARN. Dans cette étude, nous avons développé un modèle neuronal humain en culture, de stress oxydatif aigu présentant une augmentation de l'expression des LINE-1 afin d’explorer les conséquences délétères de leur activation et les mécanismes par lesquels les LINE-1 agissent. Nos résultats ont montré qu’en conditions de stress, ORF1p transloque dans le noyau, se localise au niveau de l'enveloppe nucléaire et se lie directement aux composants de la membrane nucléaire notamment des protéines de la lamina nucléaire (Lamin B1), aux composants du complexe de pores nucléaire (NUP153) et aux protéines impliquées dans l’import nucléaire (KPNB1). Le ciblage des composants de l'enveloppe nucléaire par ORF1p en conditions de stress conduit à l’altération de l'enveloppe nucléaire, la perturbation du transport nucléo-cytoplasmique et la déstructuration de l'hétérochromatine. Tous ces effets délétères font partie des caractéristiques communes des MN et pourraient conduire à la neurodégénérescence. Le traitement avec une drogue la « Remodelin » a permis de restaurer non seulement l’intégrité de la membrane nucléaire, la structuration de l'hétérochromatine, mais aussi les niveaux toxiques de ORF1p dans le noyau. Cette étude a révélé un nouveau rôle pathogénique de ORF1p agissant sur les composants de la membrane nucléaire et ceux du complexe de pores nucléaires. Ce mécanisme pathogénique pourrait être commun à plusieurs MN. Ceci renforce l'idée que les LINE-1 pourraient représenter une nouvelle cible thérapeutique pour la neuroprotection.The activation of transposable elements (TEs) has recently emerged as one of the drivers of cellular aging and neurodegeneration. Indeed, they have appeared as new causal actors in the pathogenesis of neurodegenerative diseases. However, the mechanisms through TEs could contribute to the pathogenesis of these diseases remains poorly understood. Among TEs, one of the most active retrotransposons is LINE-1 (Long Interspersed Nuclear Element-1), which encodes two proteins, ORF1p and ORF2p. The pathogenic action of ORF2p is associated with its endonuclease and reverse transcriptase activities which can be sources of DNA damage, along with the accumulation of cytosolic DNA inducing innate immune activation and inflammation. However, no pathogenic function of ORF1p has been described apart from its RNA-binding protein function. In this study, we developed a human neuronal model in culture of acute oxidative stress, displaying an increase in LINE-1 retrotransposons expression, to exmine the deleterious consequences of their activation and the mechanisms through which LINE-1 could act. Our results showed that under stress conditions, ORF1p translocates into the nucleus, localizes at the nuclear envelope, and directly binds to components of the nuclear membrane, including proteins such as nuclear lamina (Lamin B1), nuclear pore complex components (NUP153), and proteins involved in nuclear import (KPNB1). Targeting nuclear envelope components by ORF1p under stress conditions leads to nuclear envelope alteration, disruption of nucleo-cytoplasmic transport, and heterochromatin disorganization. All these deleterious consequences are common features of neurodegenerative diseases and can lead to neurodegeneration. Treatment with a drug called "Remodelin" not only restored the integrity of the nuclear membrane and the structure of heterochromatin but also normalized the toxic levels of ORF1p in the nucleus. This study revealed a new pathogenic role of ORF1p independent of retrotransposition, whereby ORF1p acts on nuclear membrane and nuclear pore complex components. This pathogenic mechanism could be common to several neurodegenerative diseases. This reinforces the idea that LINE-1 could represent a new therapeutic target for neuroprotection

Étude du rôle pathogénique de la protéine ORF1p du rétrotransposon LINE-1 ciblant l'enveloppe nucléaire

The activation of transposable elements (TEs) has recently emerged as one of the drivers of cellular aging and neurodegeneration. Indeed, they have appeared as new causal actors in the pathogenesis of neurodegenerative diseases. However, the mechanisms through TEs could contribute to the pathogenesis of these diseases remains poorly understood. Among TEs, one of the most active retrotransposons is LINE-1 (Long Interspersed Nuclear Element-1), which encodes two proteins, ORF1p and ORF2p. The pathogenic action of ORF2p is associated with its endonuclease and reverse transcriptase activities which can be sources of DNA damage, along with the accumulation of cytosolic DNA inducing innate immune activation and inflammation. However, no pathogenic function of ORF1p has been described apart from its RNA-binding protein function. In this study, we developed a human neuronal model in culture of acute oxidative stress, displaying an increase in LINE-1 retrotransposons expression, to exmine the deleterious consequences of their activation and the mechanisms through which LINE-1 could act. Our results showed that under stress conditions, ORF1p translocates into the nucleus, localizes at the nuclear envelope, and directly binds to components of the nuclear membrane, including proteins such as nuclear lamina (Lamin B1), nuclear pore complex components (NUP153), and proteins involved in nuclear import (KPNB1). Targeting nuclear envelope components by ORF1p under stress conditions leads to nuclear envelope alteration, disruption of nucleo-cytoplasmic transport, and heterochromatin disorganization. All these deleterious consequences are common features of neurodegenerative diseases and can lead to neurodegeneration. Treatment with a drug called "Remodelin" not only restored the integrity of the nuclear membrane and the structure of heterochromatin but also normalized the toxic levels of ORF1p in the nucleus. This study revealed a new pathogenic role of ORF1p independent of retrotransposition, whereby ORF1p acts on nuclear membrane and nuclear pore complex components. This pathogenic mechanism could be common to several neurodegenerative diseases. This reinforces the idea that LINE-1 could represent a new therapeutic target for neuroprotection.Les éléments transposables (ET) ont émergé récemment comme un des moteurs du vieillissement cellulaire et de la neurodégénérescence. En effet, ils sont apparus comme des nouveaux acteurs causaux dans la pathogenèse des maladies neurodégénératives (MN). Cependant, les mécanismes par lesquels les ET contribuent à la pathogenèse des MN restent encore mal connus. Parmi les ET, l’un des rétrotransposons les plus actifs est le LINE-1 (Long Interspersed Nuclear Element-1), qui code pour deux protéines ORF1p et ORF2p. L’action pathogénique de ORF2p est due à ses activités d'endonucléase et de transcriptase inverse qui peuvent être sources de dommages à l'ADN, et d’accumulation d'ADN cytosolique pouvant induire une inflammation. Néanmoins, aucune fonction pathogénique de ORF1p n'a encore été décrite en dehors de sa fonction de protéine de liaison à l'ARN. Dans cette étude, nous avons développé un modèle neuronal humain en culture, de stress oxydatif aigu présentant une augmentation de l'expression des LINE-1 afin d’explorer les conséquences délétères de leur activation et les mécanismes par lesquels les LINE-1 agissent. Nos résultats ont montré qu’en conditions de stress, ORF1p transloque dans le noyau, se localise au niveau de l'enveloppe nucléaire et se lie directement aux composants de la membrane nucléaire notamment des protéines de la lamina nucléaire (Lamin B1), aux composants du complexe de pores nucléaire (NUP153) et aux protéines impliquées dans l’import nucléaire (KPNB1). Le ciblage des composants de l'enveloppe nucléaire par ORF1p en conditions de stress conduit à l’altération de l'enveloppe nucléaire, la perturbation du transport nucléo-cytoplasmique et la déstructuration de l'hétérochromatine. Tous ces effets délétères font partie des caractéristiques communes des MN et pourraient conduire à la neurodégénérescence. Le traitement avec une drogue la « Remodelin » a permis de restaurer non seulement l’intégrité de la membrane nucléaire, la structuration de l'hétérochromatine, mais aussi les niveaux toxiques de ORF1p dans le noyau. Cette étude a révélé un nouveau rôle pathogénique de ORF1p agissant sur les composants de la membrane nucléaire et ceux du complexe de pores nucléaires. Ce mécanisme pathogénique pourrait être commun à plusieurs MN. Ceci renforce l'idée que les LINE-1 pourraient représenter une nouvelle cible thérapeutique pour la neuroprotection

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

LINE-1 expression and ORF1p interactome in the brain under physiological and pathological conditions

International audienc