La maladie de Parkinson est l’une des plus répandue dans le monde. Des analyses post mortem ont mis en évidences des inclusions dans les cerveaux des patients, composées d’α-synucléine. Plusieurs études ont visé à identifier des composés capables d’inhiber l’agrégation de cette protéine, étant donné que cette agrégation est liée à sa toxicité. Néanmoins, de nombreux composés restent encore à être identifiés afin de mettre en évidence des structures moléculaires actives partagées qui pourrait mener à la synthèse d’un principe actif. Les stilbènes sont des composés phénoliques démontrant régulièrement des activités biologiques intéressantes pour la santé. Dans cette étude, nous étudions le comportement anti-agrégatif des stilbènes monomériques (resvératrol, picéatannol) et oligomèriques (ampélopsine, viniférine, et isohopeaphénol). Les résultats présentés mettent en évidence la capacité des stilbènes à inhiber l’agrégation de l’α-synucléine et fournissent des éléments pour comprendre ce mécanisme. / Parkinson’s disease is one of the most spread neurodegenerative diseases in the world. Post mortem analyses have put in evidence small inclusion bodies in patient’s brain, composed of α-synuclein fibrils. Several studies attempted then to identify compounds that could inhibit α-synuclein aggregation, as its aggregation is linked to its toxicity. Still, numerous active compounds need to be identified in order to put on relief shared active structures that could lead to a potent drug design. Stilbenes are phenolic compounds that often display interesting health-related biological activities. In this study, the anti-aggregative behavior of stilbenes monomers (resveratrol, piceatannol) and oligomers such as ampelopsin and isohopeaphenol was assessed. The results put on evidence stilbene propensity to inhibit α-synuclein aggregation and provide an insight into their inhibition mechanisms.

La communication entre les différentes organelles se fait par l’intermédiaire du trafic vésiculaire, un processus qui nécessite un remodelage continu des membranes. Les vésicules fortement courbées bourgeonnent d'un compartiment donneur et fusionnent avec un compartiment accepteur. Les protéines impliquées dans le bourgeonnement et fusion des vésicules ont été largement étudiées. Récemment, la découverte de détecteurs de courbure membranaire a révélé que le trafic membranaire pourrait être régulé à un niveau supplémentaire, par la détection de la forme de la membrane. Le premier détecteur de courbure membranaire identifié était le motif ALPS (Amphipathic Lipid Packing Sensor), qui a été trouvé dans un certain nombre de protéines de la voie sécrétoire précoce et l'enveloppe nucléaire. La protéine d’arrimage GMAP-210 localisé au niveau du cis-Golgi, est composée d’une longue superhélice (coiled-coil) et d’un motif ALPS à l'extrême N-terminale. Il a été démontré in vitro, que ce motif se replie et forme une hélice amphipathique capable de se fixer sur des petits liposomes. Toutefois, l'identité des vésicules, reconnues par ce détecteur de courbure dans la cellule, reste inconnue. α-Synucléine est une autre protéine qui se lie préférentiellement à des membranes très courbées. Cette protéine localisée sur les vésicules synaptiques, est impliquée dans la régulation du taux de vésicules au niveau des terminaisons nerveuses pré-synaptiques. Connue pour son rôle central dans le développement de la maladie de Parkinson, α-synucléine contient une région non structurée en solution, mais qui forme une hélice amphipathique au contact de petits liposomes in vitro. Les hélices amphipathiques formées par le motif ALPS et α-synucléine sont très différentes aussi bien sur le plan chimique que sur le plan conformationel. Le motif ALPS possède une face hydrophobe bien développée, mais un coté polair pauvre avec très peu de résidus chargés. α-Synucléine, en revanche, a un côté hydrophobe modéré, et une face polaire zwitterionique riche en résidus chargés. L'objectif principal du projet était de comparer les propriétés de liaison aux membranaires in vivo et in vitro de ces deux hélices amphipathiques de structure opposée. L’expression de ces deux sondes chez la levure, favorise l'accumulation de structures vésiculaires de propriétés différentes. L'extrémité N-terminale de la protéine GMAP-210 contenant son motif ALPS (GMAPN) co-localisé spécifiquement avec des marqueurs de la voie sécrétoire précoce, alors une sonde contenant une portion de l’hélice amphipathique d’α-synucléine co-localise avec des marqueurs endocytiques et post-Golgiens. La mutagenèse du motif ALPS et l'inversion de la séquence de ALPS dans GMAPN confirment que ce détecteur de courbure membranaire se fixe spécifiquement aux vésicules via des interactions directes protéines-lipides, plutôt que les interactions protéines-protéines. Notre analyse a montré que ces détecteurs de courbure mammifères, exprimés dans la levure préservent leur capacité à cibler des vésicules spécifiques, vésicules de la voie sécrétoire précoce pour les motifs ALPS, et vésicules d’endocytose/post-Golgi pour α-synucléine. La composition membranaire de ces vésicules correspond à la composition des liposomes fixés par le motif ALPS et α-synucléine in vitro. Les propriétés biochimiques opposées du motif ALPS et α-synucléine, sont parfaitement adaptés à chacun de ces deux environnements membranaires dans la cellule. Le programme HeliQuest est conçu pour identifier des hélices amphipathiques capables de se lier sur les membranes, y compris les motifs ALPS. Un nouveau module conçu pour identifier les hélices amphipathiques avec des propriétés similaires à α-synucléine a été récemment élaboré. Les recherches effectuées dans les bases de données de protéines de levure et humaines ont permis d’identifier des hélices amphipathiques candidats qui ont des propriétés similaires à α-synucléine, dans de nombreuses protéines. Nous avons préparé un ensemble de sondes, dans lequel ces hélices sont insérées à la fin de la superhélice de GMAPN. Une première étude de leur co-localisation dans les cellules de levure avec un ensemble de marqueurs démontre une localisation spécifique, ce qui suggère que ces hélices peuvent avoir la capacité de cibler des membranes de manière spécifique. D'autres travaux seraient nécessaires pour confirmer ou pas si ces hélices amphipathiques font partie d'une nouvelle classe de détecteurs de courbure ayant les mêmes propriétés que α-synucléine. / Communication between membrane-bound organelles is mediated by vesicular trafficking, a process which requires continual membrane remodeling. Highly curved vesicles bud from a donor compartment through functioning of different coat protein complexes, and fuse with an acceptor compartment thanks to proteins of the membrane fusion machinery. The proteins involved in vesicle budding and fusion have been extensively studied. Recently, the discovery of membrane curvature sensors revealed that membrane trafficking could be regulated at an additional level, through detection of the shape of a membrane. The first membrane curvature sensor identified was the ALPS (Amphipathic Lipid Packing Sensor) motif, which has been found in a number of proteins that function in the early secretory pathway and nuclear envelope. One example is GMAP-210, a long coiled-coil tether localizing to cis-Golgi membranes, which has an ALPS motif at its extreme N-terminus. This ALPS motif was found to fold into an amphipathic helix and bind to small liposomes in vitro. However, the identity of the vesicles that this curvature sensor binds to in cells is not known. Another protein - α-synuclein - has also been reported to bind preferentially to highly curved membranes. This neuronal protein localizes to synaptic vesicles and is involved in maintaining the reserve pool of vesicles in pre-synaptic nerve terminals. α-Synuclein, known for its central role in the development of Parkinson’s disease, contains a region that is unstructured in solution, but forms an amphipathic helix upon binding to small liposomes in vitro. The chemistry and geometry of the amphipathic helices formed by ALPS motifs and α-synuclein are very different. The ALPS motif has a well-developed hydrophobic face but a poor polar side with few charged residues. α-Synuclein, in contrast, has a restrained hydrophobic side, and a zwitterionic polar face rich in charged residues. The main goal of the project was to compare the in vivo and in vitro membrane binding properties of these two amphipathic helices of opposite structure. When expressed in yeast cells, these two curvature sensors promoted the accumulation of vesicular structures possessing different characteristics. The N-terminus of GMAP-210 containing its ALPS motif (GMAPN) co-localized specifically with early secretory pathway markers, whereas a probe containing a portion of the amphipathic membrane-binding helix of α-synuclein co-localized with endocytic and post-Golgi markers. Mutagenesis of the ALPS motif and the inversion of the ALPS sequence in GMAPN support the conclusion that this membrane curvature sensor is targeted to specific vesicles in cells through direct protein-lipid, rather than protein-protein interactions. Our analysis has shown, remarkably, that mammalian curvature sensors expressed in yeast cells preserve their capacity to target specific vesicles, those of the early secretory pathway for ALPS motifs, and endocytic/post-Golgi vesicles for α-synuclein. The membrane composition of these vesicles corresponds to the preferred in vitro liposome binding properties of these membrane curvature sensors. The contrasting chemistries of ALPS motifs and α-synuclein are well adapted to each of these two major membrane environments in the cell. The HeliQuest algorithm is designed to search databases for membrane-binding amphipathic helices, including ALPS motifs. A new module designed to identify amphipathic helices with properties similar to α-synuclein has recently been developed. Searches of both yeast and human protein databases has identified candidate α-synuclein-like amphipathic helices in numerous proteins. We prepared a set of probes, in which these helices are displayed at the end of the GMAPN coiled-coil. An initial study of their co-localization in yeast cells with a set of organelle markers demonstrates specific localization patterns, suggesting that these helices may have specific membrane targeting capacities. Further work will explore the question of whether these amphipathic helices are part of a novel class of α-synuclein-like curvature sensors.

Le gène GALIG produit deux protéines, la Mitogaligine et la Cytogaligine. Son expression conduit à la mort cellulaire par un processus encore mal défini. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés principalement à la Cytogaligine et avons précisé qu’elle est localisée dans le cytoplasme et le noyau mais également dans la mitochondrie au niveau de la membrane interne. Un test de complémentation montre que la Cytogaligine interagit avec la Mitogaligine. Cette interaction pourrait être un facteur important dans la mise en place de la voie d’apoptose médiée par l’expression de GALIG. D‘autres protéines interagissant avec la Cytogaligine ont été identifiées, notamment l’α-Synucléine, protéine centrale dans la maladie de Parkinson (MP), qui est connue pour s’agréger dans les cellules et induire la fragmentation des mitochondries. Dans la mesure où la surexpression de l’α-Synucléine conduit à des défauts de l’autophagie et du système Ubiquitine-protéasome dans la MP, nous avons recherché d’éventuels partenaires de la Cytogaligine associés à ces fonctions. De fait, la Cytogaligine interagit, en autre, avec les protéines de l’autophagie LC3B, GABARAP, p62/SQSTM1, la protéine chaperon Hsc70 ainsi que les protéines du système UPS, HUWE1 et UBQLN4. Ces résultats ouvrent de nouvelles pistes sur les conséquences fonctionnelles de l’expression de la Cytogaligine. Dans une deuxième partie, nous avons réalisé une étude clinique visant à évaluer le profil d’expression des gènes précédemment étudiés dans les cellules mononuclées du sang périphérique de patients atteints de la MP. Si l’expression du gène GALIG ne présente pas de variations entre les patients et les contrôles, une dérégulation de l’expression de différents gènes associés au processus de l’autophagie est mise en évidence. Parmi ces données, celles combinant l’expression du couple de gènes LC3B et GAPDH pourraient représenter un marqueur potentiel de la maladie dans le cadre d’un test diagnostic non invasif. / The GALIG gene produces two proteins, Mitogaligin and Cytogaligin. GALIG expression induces cell death by a still poorly defined process. In this context, we focused mainly on Cytogaligin and specified that it is localized in cytoplasm and nucleus but also in mitochondria close to the inner membrane. A functional complementation test showed that Cytogaligin interacted with Mitogaligin. This interaction could be an important factor in the establishment of the apoptosis pathway mediated by GALIG expression. Other proteins interacting with Cytogaligin have been identified, including α-Synuclein, a central protein in Parkinson's disease (PD), which is known to aggregate in cells and induce fragmentation of mitochondria. Since overexpression of α-synuclein leads to autophagy and Ubiquitin-proteasome system disruptions, we have looked for potential Cytogaligin partners associated with these functions. Cytogaligin interacted with the autophagy proteins LC3B, GABARAP, p62/SQSTM1, the chaperone protein Hsc70 as well as the UPS system proteins HUWE1 and UBQLN4. These results open perspectives regarding the functional consequences of the expression of Cytogaligin. In a second part, we carried out a clinical study aimed at evaluating the expression profile of the previously studied genes in the peripheral blood mononuclear cells of PD patients. If the expression of the GALIG gene does not show variations between PD patients and controls, deregulation of the expression of genes associated with autophagy was highlighted. Among these data, those combining the expression of the two genes LC3B and GAPDH could represent a potential marker of the disease as a non-invasive diagnostic test.

Partie 1 : De plus en plus de molécules fluorées sont utilisées dans bon nombre de domaines variés, allant des matériaux aux sciences de la vie. Ces dernières années, un intérêt croissant a émergé avec l'association du groupement CF3 avec un hétéroatome, comme OCF3 ou SCF3. Le groupement SCF3 est très intéressant à cause de son paramètre d'hydrophobie (π=1.44). Par conséquent, les composés portant ce groupement sont des cibles importantes pour de nombreuses applications, en particulier en chimie médicinale. Cependant, la majorité des précédentes méthodes décrites dans la littérature utilisent des réactifs toxiques dans des conditions drastiques. Les trifluorométhanesulfénamides (1ère et 2nde génération) ont démontré leur potentiel dans la trifluorométhylthiolation électrophile. En raison de leur réactivité intéressante, ces deux générations de réactifs stables sont maintenant dans la boîte à outils de la chimie organique pour la trifluorométhylthiolation de molécules. Partie 2 : Des aggrégats d'α-synucléine sont une caractéristique neuropathologique de nombreuses maladies neurodégénératives, notamment la maladie de Parkinson (MP) et la démence à corps de Lewy (DLB), collectivement appelés synucléinopathies. L'imagerie TEP pourrait révéler la quantité et la distribution des agrégats d'α-synucléine dans le cerveau et serait plus avantageuse à utiliser pour le diagnostic spécifique de synucléinopathies présymptomatiques à différents stades de lamaladie. Nous avons concentré nos efforts sur des dérivés de benzimidazole comme composés de petites tailles, plans et π-délocalisés pour concevoir des traceurs radioactifs des agrégats de la synucléine. Ainsi des structures assemblant des benzimidazoles, un espaceur rigide (alcyne et triazole) et enfin une autre partie aromatique ont été envisagées. Le radiomarquage pourra être effectué par une substitution nucléophile avec K18F au cours de la dernière étape. Avec cette stratégie convergente, nous pourrions avoir accès à une grande série de molécules à évaluer / Part 1 : More and more applications for fluorinated molecules are being found in various fields, from materials to life sciences. In recent years, a growing interest has emerged in the association of the trifluoromethyl group with heteroatoms such as CF3O or CF3S. The CF3S moiety is of particular interest, because of its high hydrophobicity parameter (π=1.44). Consequently compounds bearing this group are important targets for various applications, in particular in medicinal chemistry and agrochemistry. However, the majority of previous methods described in the literature use toxic reagents under harsh conditions. Trifluoromethanesulfenamides (1st and 2nd generation) have demonstrated their potential in the electrophilic trifluoromethylthiolations. Because of their interesting reactivity, these two generations of shelf-stable reagents are now in the toolbox of organic chemists for the trifluoromethylthiolation of molecules, providing a convenient method to pursue less toxic pathways. Part 2 : α-synuclein aggregation is a neuropathological hallmark of many neurodegenerative diseases including Parkinson’s disease (PD) and dementia with Lewy bodies (DLB), collectively termed synucleinopathies. PET imaging can reflect the amount and distribution of alpha-synuclein aggregates in the brain and would be advantageous to use for specific diagnosis of synucleinopathies in presymptomatic stages of disease. We focused our interest onto benzimidazole derivatives as small, planar and -delocalized compounds to design radiotracers of synuclein aggregates. Compounds based on the association of benzimidazole moiety, rigid linker (alkyne and triazole) and another aromatic part have been designed. The radiolabeling could be performed by nucleophilic substitution with K18F during the last step. With this convergent strategy, we could have acces to a large series of molecules to be evaluated

Le mépliement et l'agrégation des protéines sont à l'origine de nombreuses maladies neurodégénératives, dont la maladie de Huntington (HD) et la maladie de Parkinson (PD). Même si l’agrégation de différentes protéines liées à des maladies est bien documentée, on en sait peu sur l'interaction entre les protéines mal repliées et les cellules neuronales, qui leur permettent de se propager et affecter différentes régions du cerveau. L'objectif de ma thèse était de générer des modèles cellulaires rapporteurs de la huntingtine et l’α-synucléine, protéines dont le mauvais repliement et l'agrégation sont à l'origine de HD et PD respectivement, et utiliser ces modèles cellulaires pour étudier les interactions entre les agrégats et des lignées cellulaires de mammifères. Notre but c’était de documenter les propriétés de liaison et d’absorption de ces agrégats par les cellules rapporteuses, et les conséquences de leur internalisation pour les cellules. Deux modèles cellulaires de neuroblastome (SH-SY5Y et Neuro2A) et un modèle de cellules d’ostéoblastome (U2OS) exprimant la protéine fluorescente ChFP ont été générés pour HD. Pour simuler ce qui se passe au sein de neurones réels, des cellules de neuroblastome ont été induites à se différencier. Des différences de fixation, internalisation, nucléation de la protéine endogène et localisation finale des agrégats de polyglutamine internalisés ont été observées entre les cellules différenciées et non différenciées. Des cellules rapporteuses U2OS ont été utilisées pour déterminer les différences d’infectiosité entre des fibres de HttExon1 assemblés en présence ou en l’absence de la protéine de choc thermique constitutivement exprimée chez l'Homme Hsc70. Hsc70 a un effet protecteur car il rend les fibres moins infectieuses pour les cellules de mammifères en culture. Enfin, un modèle cellulaire de neuroblastome (Neuro2A) rapporteur pour PD exprimant l’α-synucléine fusionnée à la protéine ChFP a été utilisé pour déterminer des différences de liaison, pénétration, absorption, nucléation de la protéine endogène et persistance entre deux polymorphismes d’α-synucléine générés par notre équipe. L'hétérogénéité observée dans différents patients souffrant de synucléinopaties pourrait s'expliquer par différents polymorphes d’assemblages protéiques d’α-synucléine présents dans les cerveaux des malades, ce qui doit être pris en compte pour les développements thérapeutiques futurs.Ces modèles cellulaires rapporteurs pour différentes maladies sont un système valable pour l'étude de différents processus cellulaires liés à l'interaction entre les protéines agrégées exogènes et des cellules de mammifères en culture. Nos résultats indiquent un mécanisme commun par lequel les différentes protéines agrégées peuvent interagir avec des cellules en culture: les protéines mal repliées exogènes sont capables de se lier à des membranes cellulaires, les pénétrer, entrer dans l'espace intracellulaire et recruter des protéines endogènes solubles. Même si cela semble être un mécanisme générique pour des protéines infectieuses telles que la α-synucléine ou la huntingtine, des lignées cellulaires avec différents phénotypes montrent différences de vulnérabilité à la présence de protéines agrégées. Ceci suggère la présence de récepteurs spécifiques à la surface de la cellule capables de reconnaître des structures de type amyloïde. D'autres études sont nécessaires pour déterminer la nature de ces récepteurs et si sa modulation pourrait être utile pour contrôler la propagation des ces maladies dans le cerveau. / Protein misfolding and aggregation are at the origin of many neurodegenerative diseases, including Huntington’s disease (HD) and Parkinson’s disease (PD). Even if the aggregation of different disease-related proteins is well documented, little is known about the interaction between those misfolded proteins and neuronal cells that allow them to spread and affect several regions of the brain. The objective of my thesis was to generate reporter cellular models of huntingtin and α-synuclein, proteins whose misfolding and aggregation are at the origin of HD and PD respectively, and use these cell models for studying the interactions between misfolded protein aggregates and mammalian cell lines. We aimed to document the binding and uptake properties of those aggregates by reporter cells and the consequences of their internalization for the cells. Two neuroblastoma cell models (SH-SY5Y and Neuro2A) and an osteoblastoma cell model (U2OS) expressing the fluorescent protein ChFP were generated as mammalian reporter cell lines for HD. To mimic what happens in real neurons, neuroblastoma reporter cells were induced to differentiate. Differences in binding, internalization, nucleation of the endogenous protein and final localization of the internalized polyglutamine aggregates were observed between differentiated and undifferentiated cells. U2OS reporter cells were used for determining differences in the infectivity of HttExon1 fibrils assembled in the presence or in the absence of the constitutively expressed heat shock protein Hsc70, suggesting a protective effect of Hsc70, since it renders the fibrils less infectious to mammalian cells. Finally, a neuroblastoma reporter cell model (Neuro2A) of PD expressing α-synuclein fused to the fluorescent and reporter protein ChFP was used to determine the different binding, penetration, uptake, nucleation of the endogenous protein and persistence properties of two α-synuclein polymorphs generated by our team. The heterogeneity observed in different patients suffering from synucleinopathies could be explained due to different α-synuclein assemblies present in diseased brains, what needs to be taken into account for future therapeutic developments. These reporter cellular models for different diseases are a valid system for the study of different cellular processes related with the interaction between exogenous aggregated proteins and mammalian cells in culture. Our results indicate a common mechanism by which different aggregated proteins can interact with cells in culture: exogenous misfolded proteins are able to bind cell membranes, penetrate them, enter the intracellular space and recruit endogenous soluble proteins. Even if this seems to be a generic mechanism for infectious proteins such as α-synuclein or huntingtin, different cell lines or cell phenotypes show distinct vulnerability to the presence of aggregated proteins. This strongly suggests the presence of specific receptors at the surface of the cell able to recognize amyloid-like structures. Further investigations are needed to determine the nature of these receptors and whether their modulation might be helpful for controlling the spread of these diseases within the brain.

Mon projet de thèse a porté sur les mécanismes neurodégénératifs dans le contexte de la maladie de Parkinson (MP). Cette maladie est caractérisée notamment par la présence d’inclusions intracytoplasmiques appelées corps de Lewy, dont le composant protéique principal est l’α-synucléine. L’absence de traitements curatifs à ce jour renforce la nécessité de comprendre les processus neurodégénératifs. L’objectif de mon travail de thèse fut de proposer une approche multifactorielle, translationnelle, basée sur trois axes complémentaires: modélisation, thérapeutique et mécanistique. Premièrement, nous nous sommes intéressés à la modélisation de la MP par l’utilisation de vecteurs viraux. Cette première partie nous a permis de conclure que le vieillissement ne constitue pas un facteur de risque pour les trois espèces étudiées. Ensuite, nous avons étudié deux stratégies pour combattre la dysfonction lysosomale existant chez les patients, premièrement par une approche biotechnologique avec des nanoparticules permettant de restaurer le pH des lysosomes dysfonctionnels, et une stratégie de thérapie génique par surexpression d’un régulateur de la biogénèse lysosomale. Grâce à ce travail, nous avons démontré l’intérêt du lysosome comme cible thérapeutique. Enfin, nous nous sommes focalisés sur l’hypothèse « prion » pour les synucléinopathies. Dans ce projet, nous avons mis en œuvre une approche de modélisation chez le primate non-humain ainsi qu’une une approche thérapeutique anti-agrégative chez le rongeur. Ces travaux mettent en évidence le rôle clé de l’α-synucléine dans l’étiologie de la MP et proposent des pistes d’améliorations des modèles animaux actuels ainsi que des approches thérapeutiques innovantes / The aim of this work was to focus on neurodegenerative mechanisms in the context of synucleinopathies, especially on Parkinson’s disease (PD). PD is characterized by the loss of dopaminergic neurons and the presence of intracytoplasmic proteinaceous inclusions named Lewy Bodies of which α-synuclein (α-syn) is the main protein component. To date, there are no curative treatments. Elucidating mechanisms underlying neurodegeneration in PD will allow the identification of new molecular targets for therapeutic intervention. My Ph.D. work intends multifactorial and translational approaches based on modelling, therapeutic intervention and mechanistic studies. We first focused on the development of new animal models of PD based on the use of viral vector-mediated overexpression of α-syn. This word allowed us to conclude on the absence of additive effect of ageing in α-syn-related toxicity, at least in the three investigated species. Then, we worked on two therapeutic strategies to overcome the lysosomal dysfunction occurring in PD. To do so, we first developed a biotechnological approach based on the use of acidic nanoparticles restoring acidic pH of sick lysosomes, and then we used a gene therapy approach based on the overexpression on a central modulator lysosomal biogenesis. We here demonstrated the interest of restoration of lysosomal physiology. Finally, we tested the “prion-like” hypothesis in a cohort of nonhuman primates and assessed the efficacy of a therapeutic approach using an oligomer modulator in mice. This work highlights the central role of α-syn in PD etiology and offers innovative strategies for both modelling and therapeutic intervention.

Les synucléionopathies représentent un groupe de maladies neuro-dégénératives incurables du système nerveux central. Elles regroupent entre autres la maladie de Parkinson, l’atrophie multi-systématisée et la maladie à corps de Lewy. Toutes ces maladies se caractérisent par un déclin progressif des fonctions motrices, cognitives, comportementales et autonomiques. La mal-conformation et l’agrégation de la protéine α-synuclein qui forme des inclusions intraneuronales sont des éléments communs à toutes les synucleinopathies. Ces inclusions portent le nom de corps de Lewy et se forment dans des neurones ou cellules gliales appartenant à des régions cérébrales spécifiques. Elles sont vraisemblablement à l’origine de la perte progressive de neurones dans certaines parties du cerveau. Dans le cas de la maladie de Parkinson et dans d’autres maladies neuro-dégénératives, il a été démontré que la pathologie se propage anatomiquement d’une manière spécifique et prévisible au niveau cérébrale. Ceci suggère donc que la progression de la maladie est étroitement liée au transfert des agrégats d’α-synucléine. Ce procédé est très similaire à celui impliqué dans la maladie du prion qui elle en revanche est infectieuse. Par ailleurs, des inclusions neuronales d’α-synucléine ont été identifiées dans des neurones dopaminergiques d’origine fœtaux qui avaient été transplanté dans des cerveaux de patients parkinsoniens. Cette étude a permis d’envisager pour la première fois la possibilité de la transmission d’inclusions d’α-synucléine entre les neurones. Bien que de nombreuses études aient démontré la propagation d’α-synucléine in vitro et in vivo, le mécanisme permettant ce transfert n’est pas clairement établi. Par conséquent, ma thèse s’attache à étudier le mécanisme de transfert d’assemblages d’α-synucléine (i.e., oligomères et fibrilles). Dans un premier temps, j’ai apporté la preuve que les assemblages d’α-synucléine transfèrent de manière efficace entre les cellules neuronales via les Tunneling nanotubes (TNT). Les TNT sont définis comme étant des ponts membranaires riches en F-actine et permettant de connecter physiquement le cytoplasme de cellules éloignées. Au niveau subcellulaire, j’ai démontré que les assemblages d’α-synucléine qui transfèrent se trouvent dans des lysosomes. En revanche, après le transfert, ces assemblages se retrouvent libres dans le cytoplasme. J’ai également mis en évidence qu’à la suite du transfert, permis par les TNT, les fibrilles d’α-synucléine sont capables de recruter et d’induire l’agrégation de l’α-synucléine soluble afin de perpétuer le processus d’agrégation à l’infinie. Ces résultats indiquent que les TNT peuvent représenter un moyen efficace permettant le transfert d’assemblages d’α-synucléine. Cette découverte offre de nouvelles opportunités pour le développement de nouveaux agents neuro-protectifs contre la propagation des synucléinopathies. / Synucleinopathies are a group of fatal neurodegenerative diseases including Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies, and multiple system atrophy, characterized by a chronic and progressive decline in motor, cognitive, behavioral, and autonomic functions. The hallmark of these diseases is the misfolding and aggregation of α-synuclein protein accumulating into intracellular inclusions Lewy bodies in neurons and glial cells which leads to the loss of neurons in specific brain regions. In the case of Parkinson’s disease and other neurodegenerative diseases, the pathology was shown to progress throughout the brain in a specific and predictable manner suggesting that the progression of the diseases is linked to the transfer of aggregated α-synuclein that is reminiscent of prion diseases that are infectious. Importantly, upon transplantation of fetal dopaminergic neurons in the brain of Parkinson’s patients, neuronal inclusions were found in the grafted neurons strongly suggesting that α-synuclein inclusions could transmit between neurons. While several studies showed α-synuclein propagation in vitro and in vivo the mechanism of intercellular transfer remains elusive. The aim of my thesis was to study the mechanism of transfer of α-synuclein assemblies (i.e., oligomers and fibrils) involved in Parkinson’s pathogenesis. I evidenced that α-synuclein assemblies transferred efficiently via tunneling nanotubes (TNT), F-actin based membranous bridges connecting the cytoplasm of remote cells. I demonstrated that, at the sub-cellular level, the transferred α-synuclein assemblies were specifically confined in lysosomes and that upon transfer a large amount of α-synuclein was found free in the cytosol of acceptor cells. Finally, I showed that after TNT-mediated transfer α-synuclein fibrils recruited and seeded the aggregation of the soluble α-synuclein protein in order to perpetuate aggregation. The identification of TNT as an efficient means of α-synuclein transfer opens new avenues to the development of novel therapies targeting the spreading into the brain of amyloidogenic proteins involved in neurodegenerative diseases.

Les maladies neurodégénératives liées à l'âge, telle celle de Parkinson, sont un problème majeur de santé publique. Cependant, la maladie de Parkinson reste incurable et les traitements sont très limités. En effet, les causes de la maladie restent encore mal comprises et la recherche se concentre sur ses mécanismes moléculaires. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à deux phénomènes anormaux se produisant dans la maladie de Parkinson : l'agrégation de l'α-synucléine et l'activation des cellules microgliales. Pour étudier la polymérisation de l'α-synucléine, nous avons établi de nouvelles méthodes permettant la production in vitro de différents types d'oligomères d'α-synucléine. Grâce à des méthodes biophysiques de pointe, nous avons caractérisé ces différents oligomères à l'échelle moléculaire. Puis nous avons étudié leurs effets toxiques sur les neurones. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l'activation des microglies et en particulier à leurs canaux potassiques et aux changements liés au vieillissement. Nous avons identifié les canaux Kv1.3 et Kir2.1 et montré qu'ils étaient impliqués dans l'activation des microglies. En parallèle, nous avons établi une méthode originale qui permet l'isolation et la culture de microglies primaires issues de cerveaux adultes. En comparaison à celles de nouveaux-nés, les microglies adultes montrent des différences subtiles mais cruciales qui soutiennent l'hypothèse de changements liés au vieillissement. Globalement, nos résultats suggèrent qu'il est possible de développer de nouvelles approches thérapeutiques contre la maladie de Parkinson en modulant l'action des microglies ou en bloquant l'oligomérisation de l' α-synucléine.

L'α-synucléine est reconnue comme une protéine clé dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson ainsi que d'autres troubles neurodégénératifs appelés synucléinopathies. Dans ces maladies, la surexpression de l’α-synucléine entraîne la formation d'agrégats toxiques dans les neurones dopaminergiques (DA). Dans cette thèse, nous avons exploré l’effet de la régulation de microARN (miARN) sur l’expression de l’α-synucléine. Pour se faire, des études ont été menées avec la lignée cellulaire humaine SH-SY5Y qui peut être différenciée pour créer un modèle de neurones DA et ensuite traitée avec une neurotoxine pour induire des caractéristiques cellulaires de la maladie de Parkinson. Des observations importantes ont été supportées dans des modèles cellulaires plus avancés, notamment les neurones induits par reprogrammation directe de fibroblastes humains (iNs) et les neurones DA primaires de souris purifiés. Le premier objectif était de mieux comprendre comment la surexpression aberrante de l'α synucléine dans les synucléinopathies pourrait être due à une dérégulation de la maturation des miARN qui ciblent son ARN messager. Tout d’abord, nous avons sélectionné les miARN les plus susceptibles d'avoir un effet régulateur sur l’expression de l’α-synucléine à partir de recherche de la littérature et d’analyse de bases de données spécialisées. Nous avons observé que l’augmentation de l'expression de l'α-synucléine associée à l’ajout de neurotoxine est accompagnée d’une diminution concomitante de l'expression de plusieurs miARN sélectionnés. Sur la base de ces résultats, l'impact de ces miARN sur l'expression de l'α-synucléine a été évalué dans plusieurs types de cellules humaines, notamment les HEK 293T, les SH-SY5Y différenciées et les iNs. À cette fin, nous avons utilisé des cibles de miARN exogènes pour réprimer l'activité régulatrice des miARN et avons mesuré leur effet sur l'expression de l'α synucléine. Ainsi, nous avons démontré que la répression de miR-7, miR-93, miR-140, miR 153 et miR 214 mène systématiquement à la surexpression de l’α-synucléine dans les différents types de cellules. De plus, nous avons démontré que certains miARN sont régulés de manière post-transcriptionnelle en mesurant les niveaux des formes immatures et matures des miARN dans différents contextes cellulaires. Le deuxième objectif était d’identifier des protéines potentiellement aptes à réguler la maturation post-transcriptionnelle de miARN. Des études de purification par affinité et de spectrométrie de masse ont permis d'identifier les protéines qui s’associent avec la tige-boucle des formes immatures des miARN et régulent potentiellement leur maturation. Quelques protéines candidates ont été sélectionnées sur la base d’analyse informatique pour examiner l’effet de leur surexpression dans différents essais cellulaires. À ce jour, nous avons identifié quatre protéines (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) qui, en plus de répondre à certains critères de bases (lient l’ARN, sont présentes dans le cerveau et impliquées dans des maladies associées au système nerveux), ont un effet sur l’activité et l’expression de miR-153 ainsi que sur l’expression de l’α-synucléine. Ces travaux ont permis d’établir de solides bases dans notre compréhension de la régulation de l'α-synucléine par les miARN et d’ouvrir la voie à des études plus élaborées qui permettront d’établir les mécanismes de régulation des niveaux de miARN qui ciblent l’α-synucléine. À plus long terme, cet axe de recherche pourrait fournir des pistes pour le développement d'outils diagnostiques et thérapeutiques pour les synucléinopathies. / Alpha-synuclein is a key protein in the pathophysiology of Parkinson's disease and other neurodegenerative disorders called synucleinopathies. In these diseases, overexpression of α-synuclein leads to the formation of toxic aggregates in dopaminergic (DA) neurons. In this thesis, we explored the effect of microRNA (miRNA) regulation on α-synuclein expression. To do so, studies were conducted with the human SH-SY5Y cell line, which can be differentiated to create a model of DA neurons and then treated with a neurotoxin to induce cellular features of Parkinson's disease. Important observations were supported in more advanced cell models, including neurons induced by direct reprogramming of human fibroblasts (iNs) and purified primary mouse DA neurons. The first objective was to better understand how aberrant overexpression of α-synuclein in synucleinopathies results in the deregulation of the maturation of miRNAs that target its messenger RNA. First, we selected the miRNAs most likely to have a regulatory effect on α-synuclein expression based on literature searches and specialized database analyses. We observed that the increase in α-synuclein expression associated with neurotoxin addition is accompanied by a concomitant decrease in the expression level of several selected miRNAs. Based on these results, the impact of these miRNAs on αsynuclein expression was evaluated in several human cell types, including HEK 293T, differentiated SHSY5Y, and iNs. To this end, we used exogenous miRNA targets to repress miRNA regulatory activity and measured their effect on α-synuclein expression. Thus, we demonstrated that repression of miR-7, miR-93, miR-140, miR-153, and miR-214 consistently leads to overexpression of α-synuclein in different cell types. In addition, we demonstrated that some miRNAs are regulated in a posttranscriptional manner by measuring the levels of immature and mature forms of miRNAs in different cellular contexts. The second objective was to identify proteins potentially able to regulate the post-transcriptional maturation of miRNAs. Affinity purification and mass spectrometry studies were used to identify proteins that associate with the stem-loop of immature forms of miRNAs and potentially regulate their maturation. A few candidate proteins were selected based on computational analysis to examine the effect of their overexpression in different cell-based assays. To date, we have identified four proteins (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) that, in addition, to fitting basic criteria (known to bind RNA, are present in the brain and associated with nervous system-related diseases) affect miR-153 activity and expression as well as α-synuclein expression. This work has established a solid foundation in our understanding of the regulation of α-synuclein by miRNAs and has paved the way for more elaborate studies that will establish the mechanisms of regulation of miRNA levels that target α-synuclein. In the longer term, this line of research could provide avenues for the development of diagnostic and therapeutic tools for synucleinopathies.

Les maladies neurodégénératives liées à l’âge, telle celle de Parkinson, sont un problème majeur de santé publique. Cependant, la maladie de Parkinson reste incurable et les traitements sont très limités. En effet, les causes de la maladie restent encore mal comprises et la recherche se concentre sur ses mécanismes moléculaires. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à deux phénomènes anormaux se produisant dans la maladie de Parkinson : l’agrégation de l’α-synucléine et l’activation des cellules microgliales. Pour étudier la polymérisation de l’α-synucléine, nous avons établi de nouvelles méthodes permettant la production in vitro de différents types d’oligomères d’α-synucléine. Grâce à des méthodes biophysiques de pointe, nous avons caractérisé ces différents oligomères à l’échelle moléculaire. Puis nous avons étudié leurs effets toxiques sur les neurones. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l’activation des microglies et en particulier à leurs canaux potassiques et aux changements liés au vieillissement. Nous avons identifié les canaux Kv1.3 et Kir2.1 et montré qu’ils étaient impliqués dans l’activation des microglies. En parallèle, nous avons établi une méthode originale qui permet l’isolation et la culture de microglies primaires issues de cerveaux adultes. En comparaison à celles de nouveaux-nés, les microglies adultes montrent des différences subtiles mais cruciales qui soutiennent l’hypothèse de changements liés au vieillissement. Globalement, nos résultats suggèrent qu’il est possible de développer de nouvelles approches thérapeutiques contre la maladie de Parkinson en modulant l’action des microglies ou en bloquant l’oligomérisation de l’ α-synucléine. / Age-related neurodegenerative disorders like Parkinson’s disease take an enormous toll on individuals and on society. Despite extensive efforts, Parkinson’s disease remains incurable and only very limited treatments exist. Indeed, Parkinson’s pathogenesis is still not clear and research on its molecular mechanisms is ongoing. In this study, we focused our interest on two abnormal events occurring in Parkinson’s patients, namely α-synuclein aggregation and microglial activation. We first investigated α-synuclein and its abnormal polymerisation. For this purpose, we developed novel methods, which allowed the in vitro production of different types of α-synuclein oligomers. Using highly sensitive biophysical methods, we characterised these different oligomers at a single-particle level. Then, we tested their biological effects on neurons. Afterwards, we studied microglial activation. We concentrated our efforts on two axes, namely age-related changes in microglial function and K+ channels in microglia. We showed that Kv1.3 and Kir2.1 K+ channels are involved in microglial activation. In parallel, we developed a new approach, which allows the effective isolation and culture of primary microglia from adult mouse brains. Adult primary microglia presented subtle but crucial differences in comparison to microglia from neo-natal mice, confirming the hypothesis of age-related changes of microglia. Taken together, our results support the hypotheses that microglial modulation or inhibition of α-synuclein oligomerisation are possible therapeutic strategies against Parkinson's disease.