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In Parkinson's disease, aggregates of α-synuclein within Lewy bodies and Lewy neurites represent neuropathological hallmarks. However, the cellular and molecular mechanisms triggering oligomeric and fibrillary α-synuclein aggregation are not fully understood. Recent evidence indicates that oxidative stress induced by metal ions and post-translational modifications such as phosphorylation, ubiquitination, nitration, glycation, and SUMOylation affect α-synuclein conformation along with its aggregation propensity and neurotoxic profiles. In addition, proteolytic cleavage of α-synuclein by specific proteases results in the formation of a broad spectrum of fragments with consecutively altered and not fully understood physiological and/or pathological properties. In the present review, we summarize the current knowledge on proteolytical α-synuclein cleavage by neurosin, calpain-1, cathepsin D, and matrix metalloproteinase-3 in health and disease. We also shed light on the contribution of the same enzymes to proteolytical processing of pathogenic proteins in Alzheimer's disease and report potential cross-disease mechanisms of pathogenic protein aggregation.

Parkinson’s disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder that is neuropathologically characterized by degeneration of dopaminergic neurons of the substantia nigra (SN) and formation of Lewy bodies and Lewy neurites composed of aggregated α-synuclein. Proteolysis of α-synuclein by matrix metalloproteinases was shown to facilitate its aggregation and to affect cell viability. One of the proteolysed fragments, Gln79-α-synuclein, possesses a glutamine residue at its N-terminus. We argue that glutaminyl cyclase (QC) may catalyze the pyroglutamate (pGlu)79-α-synuclein formation and, thereby, contribute to enhanced aggregation and compromised degradation of α-synuclein in human synucleinopathies. Here, the kinetic characteristics of Gln79-α-synuclein conversion into the pGlu-form by QC are shown using enzymatic assays and mass spectrometry. Thioflavin T assays and electron microscopy demonstrated a decreased potential of pGlu79-α-synuclein to form fibrils. However, size exclusion chromatography and cell viability assays revealed an increased propensity of pGlu79- α-synuclein to form oligomeric aggregates with high neurotoxicity. In brains of wild-type mice, QC and α-synuclein were co-expressed by dopaminergic SN neurons. Using a specific antibody against the pGlu-modified neo-epitope of α-synuclein, pGlu79-α-synuclein aggregates were detected in association with QC in brains of two transgenic mouse lines with human α-synuclein overexpression. In human brain samples of PD and dementia with Lewy body subjects, pGlu79-α-synuclein was shown to be present in SN neurons, in a number of Lewy bodies and in dystrophic neurites. Importantly, there was a spatial co-occurrence of pGlu79-α-synuclein with the enzyme QC in the human SN complex and a defined association of QC with neuropathological structures. We conclude that QC catalyzes the formation of oligomer-prone pGlu79-α-synuclein in human synucleinopathies, which may—in analogy to pGlu-Aβ peptides in Alzheimer’s disease—act as a seed for pathogenic protein aggregation.

Parkinson ist eine neurodegenerative Erkrankung mit motorischen sowie nicht-motorischen Einschränkungen für die betroffenen Personen. Es wird von einer multifaktoriellen Ätiologie ausgegangen, bei der es zur Entstehung von Lewy-Körperchen kommt. Ein Hauptbestandteil dieser Körperchen ist das in Aggregaten vorliegende Protein Alpha-Synuclein (α-syn). Derartige neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson, Demenz mit Lewy-Körperchen sowie Multisystematrophie sind als Synucleinopathien zusammengefasst. Der durch die α-syn-Pathologie mögliche Einfluss auf die adulte Neurogenese wurde als mögliche Ursache oder zumindest als Beitrag zu den Gedächtnisstörungen genannt, die sowohl bei Patienten als auch in Tiermodellen der Parkinson-Krankheit und der Demenz mit Lewy-Körperchen (DLB) beobachtet werden. Im adulten Gehirn findet die Neurogenese einerseits in der subgranulären Zone (SGZ) des hippocampalen Gyrus dendatus (GD) und andererseits in der suventrikulären Zone des lateralen Ventrikels statt. Da Parkinson bei Tieren nicht hinreichend charakterisiert ist, ist die Verwendung eines geeigneten transgenen Mausmodells unerlässlich. Mäuse, die das Wildtyp-α-Syn unter dem Thy1-Promotor überexprimieren (Thy1-α-syn, Linie 61), zeigen frühe kognitive Defizite zusammen mit mehreren anderen charakteristischen motorischen und nicht-motorischen Symptomen. Ziel dieser Arbeit war es, die neuralen Vorläuferzellen (NVZ), Neurone und Astrogliazellen im adulten Hippocampus in der Wildtyp-Maus und dem Mausmodell Thy1-α-syn, Linie 61 zu charakterisieren, quantifizieren und zwischen dem Wildtyp und dem Mausmodell zu vergleichen. In dieser Studie wurde ein signifikanter Anstieg in der Anzahl der frühen Vorläuferzellen, d. h. der Pax6+/PCNA+ Zellen, im GD der Thy1-α-syn-Mäuse, sowohl im Alter von 6 und 16 Monaten, ermittelt. Die Anzahl der NVZ, d. h. der PCNA+ Zellen, ist in den 16, jedoch nicht in den 6, Monate alten Tieren im Vergleich zum WT signifikant erhöht. Während die Anzahl der späten Vorläuferzellen und Neurone, d. h. der Tbr2+/PCNA+ und NeuN+ Zellen, im GD der Thy1-α-syn-Mäuse im Vergleich zu den Kontrolltieren in beiden Altersgruppen nicht signifikant verändert war. Die stärkste Expression von phosphoryliertem α-syn konnte in den Regionen CA1 und CA3 gezeigt werden. Die Messung der GFAP-Pixelintensität ergab einen signifikanten Anstieg in den Hippocampusregionen CA1, SGZ, in der Molekularschicht und der polymorphzelligen Schicht in Thy1-α-syn-Mäusen im Vergleich zu den Kontrolltieren sowohl in den 6 und 16 Monate alten Tieren. Beim Vergleich der Verhältnisse von CA1 zur SGZ, Molekularschicht und polymorphzelligen Schicht zeigte sich jedoch kein Unterschied GFAP-Pixelintensität zwischen den Thy1-α-syn-Mäusen und den Kontrolltieren in beiden Altersgruppen, was auf eine Allgemeine, nicht ortsgebundene, Astrogliose in den Thy1-α-syn-Mäusen hinweist. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine Steigerung in der Anzahl der frühen neuralen Vorläuferzellen im adulten Hypocampus in einem Thy1-α-syn-überexprimierenden Mausmodell. Sie bilden die Grundlage für weitere Untersuchungen zur Pathogenese der PD im Tiermodell sowie zur Entdeckung wirksamer therapeutischer Maßnahmen gegen die kognitive Dysfunktion bei Morbus Parkinson und DLB.:1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Alpha-Synuclein 2.1.1 Eigenschafften des Proteins 2.1.2 Synucleinopathien 2.2 Parkinson 2.2.1 Definition 2.2.2 Epidemiologie 2.2.3 Einteilung 2.2.4 Symptome 2.2.5 Pathogenese 2.2.6 Diagnostik 2.2.7 Therapie 2.3 Hippocampus 2.4 Neurogenese 2.4.1 Neurogenese im adulten Hippocampus 2.4.2 Neurogenese im Zusammenhang mit Synucleinopathien 2.5 Immunhistochemische Marker 2.5.1 PCNA und Ki67 2.5.2 Pax6 2.5.3 Nestin 2.5.4 Tbr2 2.5.5 NeuN und Tbr1 2.5.6 GFAP 2.6 Mausmodell 3. Publikation 3.1 Eigenanteil der Publikation 3.2 Publikation mit dem Titel: “Alpha-Synuclein Pathology Coincides With Increased Number of Early Stage Neural Progenitors in the Adult Hippocampus” 4. Diskussion 5. Zusammenfassung 6. Summary 7. Literaturverzeichnis 8. Danksagung

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Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Staudinger-Phosphonit-Reaktion auf Azidohomoalanin-haltiges Ubiquitin angewendet, um ortsspezifisch modifizierte Alkinphosphonamidat-Ubiquitine zu erzeugen. Diese Ubiquitin-basierten Sonden wurden bei neutralem pH-Wert in selektiven Konjugationen mit DUBs, die ein Cystein im aktiven Zentrum beinhalten, eingesetzt, auch in Anwesenheit anderer Thiole. Dabei beobachteten wir DUB-Spezifitäten in Abhängigkeit von der Phosphonamidat-Position innerhalb der Sonde. Die DUB-Selektivität konnte auch an Pull-Down-Experimenten aus Zelllysaten gezeigt werden. Zusätzlich konnte die Cystein-Selektivität der Sonde an ausgewählten konjugierten DUBs mittels MS/MS-Analyse nachgewiesen werden. Wir beobachteten auch unterschiedliche Ausmaße der DUB-Inhibition bei der Inkubation mit den verschiedenen Phosphonamidat-Sonden. Im Hinblick auf das DUB-Targeting in lebenden Zellen untersuchten wir auch Bedingungen für zellpenetrierende Peptid-konjugierte Ubiquitine für einen Transport der Sonde in das Zytosol der Zellen. Im zweiten Teil der Arbeit haben wir die neuartige, chemisch induzierte Phosphonothiolat Elektrophile für Thiol-Konjugation angewendet, um unhydrolysierbare ubiquitinierte Substrate herzustellen. Es gelang uns, ein hoch elektrophiles Ubiquitin-Vinylphosphonothiolat mit guter Ausbeute zu erzeugen. Wir konnten die frisch hergestellte Sonde in Konjugationen mit Cysteinen an ausgewählten Proteinen einsetzen. Um unser Konzept zu etablieren, generierten wir ein monoubiquitiniertes α-Synuclein und demonstrierten dessen strukturelle Integrität in einer enzymatischen Ubiquitinierung des Konjugats. Außerdem stellten wir ein künstlich K48-verknüpftes Diubiquitin her, das von spezifischen Antikörpern ähnlich erkannt wurde wie das native K48-verknüpfte Diubiquitin, aber in Gegenwart von DUBs sich als stabil erwies. Das Ubiquitin-Vinylphosphonothiolat zeigte ebenfalls eine selektive DUB-Konjugation, wenn nur kurze Inkubationszeiten verwendet wurden. / In the first part of this thesis a Staudinger-phosphonite reaction was applied on azidohomoalanine-containing ubiquitin to generate site-specifically modified alkynephosphonamidate ubiquitins. These ubiquitin-based probes were utilized in selective conjugations of active site cysteine-containing DUBs at neutral pH, even in the presence of other thiols. Furthermore, we observed DUB specificities depending on the phosphonamidate position within the probe. The selectivity could also be demonstrated in pull-down experiments from cell lysates. Moreover, the probe’s cysteine selectivity within chosen conjugated DUBs could be determined using MS/MS analysis. Consequently, we observed varying extents of DUB inhibition upon incubation with the different phosphonamidate probes. For DUB targeting in living cells we also investigated conditions of cell penetrating peptide conjugated ubiquitin in order to successfully deliver them to the cytosol. In the second part of this thesis, we applied the novel chemically induced phosphonothiolate electrophiles for thiol conjugation to produce unhydrolyzable ubiquitinated substrates. Starting from a disulfide-activated cysteine ubiquitin mutant, we managed to generate a highly electrophilic ubiquitin vinylphosphonothiolate in satisfactory yield. We could apply the freshly prepared probe in conjugations with cysteines on selected proteins, in which the conjugation product showed to be remarkably stable. To establish our concept, we prepared monoubiquitinated α-synuclein and demonstrated its structural integrity in the performance of an enzymatical ubiquitination of the conjugate. Furthermore, we produced an artificially K48-linked diubiquitin, which was similarly recognized by specific antibodies as the native K48-linked diubiquitin and was not hydrolyzed in the presence of DUBs. The ubiquitin vinylphosphonothiolate displayed also selective DUB conjugation, when only short incubations were used.

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.

De par leurs propriétés d’autorenouvellement et de multipotentialité, les cellules souches hématopoïétiques (CSH) présentent un intérêt médical majeur et sont au cœur de nombreuses thérapies génique et cellulaire. Cependant, leur utilisation en clinique est encore limitée par leur rareté, leur hétérogénéité fonctionnelle, et leur perte durant l’étape de manipulation in vitro qui précède la transplantation.Dans ce contexte, nous avons mis au point une stratégie de marquage cellulaire par des codes-barres moléculaires afin d’évaluer simultanément et quantitativement les capacités de repopulation des CSH in vivo. Cette stratégie nous a permis de cribler 1200 composés chimiques afin d’identifier des molécules capables (1) d’améliorer l’efficacité de transduction des CSH par un vecteur lentiviral, (2) de maintenir voire d’expandre, lors de l’étape de culture in vitro, les CSH capables de repopulation à long terme. Plusieurs molécules candidates sont en cours de validation.Par ailleurs, grâce au marquage par des codes-barres, nous avons révélé l’hétérogénéité des CSH en comparant leur capacité d’autorenouvellement, la taille de la descendance qu’elles génèrent et leur capacité de différenciation. Notre technique nous a permis non seulement de confirmer l’existence de CSH biaisées vers le lignage myéloïde ou vers le lignage lymphoïde, mais aussi de quantifier leur fréquence.L’application de cette stratégie à un autre système cellulaire nous a permis d’étudier l’influence de facteurs environnementaux et génétiques sur la croissance cellulaire de populations exprimant différentiellement l’-synucléine, une protéine impliquée dans la maladie de Parkinson et certains cancers. / Considerable hope is placed on the use of hematopoietic stem cells (HSC) in engineered gene- and cell- based therapy protocols. Their clinical utilization is, however to some extent, limited by their scarce representation, their heterogeneity and their loss during the ex vivo manipulation procedure. Within this context, we developed a barcode tagging strategy to simultaneously evaluate in vivo the repopulating capacity of HSC cultured in vitro. Barcode deconvolution demonstrated that our strategy constitute a powerful tool for tracking HSC quantitatively even using several dozens of different conditions. Using this strategy, we screened 1200 chemical compounds in order to identify molecules acting (1) on HSC transduction efficiency using a lentiviral vector, (2) on maintenance or even amplification during the in vitro culture step of long-term repopulating HSC. Several candidate molecules are currently under validation. In addition, using this barcoding strategy, we reveal heterogeneous behaviour of HSC examining their proliferation capacity, self-renewal ability and their differentiation lineage option. Our technique allowed us not only to confirm the occurrence of myeloid- and lymphoid-biased HSC, but also to quantify their frequency.We apply this strategy to another cell system to address the effect of different genetic and environmental factors on proliferation of cells expressing -synuclein, a protein involved in Parkinson disease and some cancers.

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.