La formation et le dépôt de fibres d'α-Synucléine dans le cerveau humain sont à l‟origine de la maladie de Parkinson. Cette thèse documente le rôle de deux chaperons moléculaires dans l‟assemblage en fibres de l'α-Syn : Hsc70 (protéine de choc thermique constitutivement exprimée chez l‟Homme) et Ssa1p (son équivalent chez la levure). Le but était d'élargir le catalogue d'effets connus des chaperons moléculaires sur α-Syn, pour éventuellement ouvrir la voie à des applications thérapeutiques. Nous avons montré que Hsc70 inhibe l'assemblage de l'α-Syn en fibres, en se liant avec une forte affinité à la forme soluble de l'α-Syn. Hsc70 se lie préférentiellement aux fibres de l'α-Syn, et cette liaison a un effet cytoprotecteur puisqu'elle rend les fibres moins toxiques pour les cellules de mammifères en culture. Pareillement à Hsc70, Ssa1p inhibe l'assemblage de l'α-Syn en fibres, et a une plus forte affinité pour les fibres que pour la forme soluble de l'α-Syn. En revanche, la liaison de Ssa1p aux fibres de l'α-Syn n'a pas d'effet cytoprotecteur, sûrement due aux différences entre les séquences du site de liaison aux peptides des deux chaperons moléculaires, qui fait que Ssa1p a une affinité plus faible que Hsc70 pour les fibres d'α-Syn. Nous avons fixé le complexe entre Ssa1p et α-Syn avec des agents pontants, pour ensuite établir une carte du site d'interaction entre les deux protéines en utilisant la spectrométrie de masse. Ceci est indispensable si un « mini » Ssa1p, constitué des éléments nécessaires et suffisants sera utilisé comme agent thérapeutique pour réduire la toxicité des fibres d'α-Syn. / The formation and deposition of α-Synuclein fibrils in the human brain is at the origin of Parkinson’s disease. The objective of my thesis was to document the role of two molecular chaperones on the assembly of α-Syn into fibrils: Hsc70, a constitutively expressed human heat shock protein, and Ssa1p, its yeast equivalent. The aim was to expand the catalogue of known effects of molecular chaperones on the PD implicated protein, which could have therapeutic significance. We showed that Hsc70 inhibits the assembly of α-Syn into fibrils, by binding with high affinity to the soluble form of α-Syn. We documented that Hsc70 binds preferentially to α-Syn fibrils and that this binding has a cytoprotective effect, as it renders the fibrils less toxic to cultured mammalian cells. Similarly to Hsc70, Ssa1p inhibits the assembly of α-Syn into fibrils, and has a higher affinity for fibrils than for the soluble form of α-Syn. On the other hand, binding of Ssa1p to α-Syn fibrils does not have a cytoprotective effect, almost certainly due to differences in the amino acid sequences of the peptide binding sites of the two molecular chaperones, which mean that Ssa1p has a lower affinity than Hsc70 for α-Syn fibrils. We stabilized the complex between Ssa1p and α-Syn using chemical cross-linkers, to then map the interaction site between the two proteins. This is indispensable if a “mini” Ssa1p, comprised of only what is necessary and sufficient of Ssa1p, is to be used as a therapeutic agent to decrease the toxicity of α-Syn fibrils. A therapeutic agent based on exogenous protein Ssa1p is less likely to trigger an autoimmune response than for example the endogenous protein Hsc70.

Les similitudes entre les mécanismes neurotoxiques responsables des encéphalopathies spongiformes Transmissibles (EST) et des synucléinoapthies, ainsi que la présence concomitante des formes pathologiques de la protéine prion et de l’α-synucléine au sein d’une même maladie neurodégénérative sont deux observations qui nous ont conduits à étudier les relations existant potentiellement entre les altérations moléculaires de l’α-synucléine et les maladies à prion. Après avoir développé des anticorps monoclonaux en immunisant avec de l’α-synucléine recombinante humaine des souris n’exprimant pas de façon endogène cet immunogène, nous avons caractérisé les altérations moléculaires de l’α-synucléine apparaissant conjointement à une symptomatologie motrice sévère lors du vieillissement de souris transgéniques (TgM83) surexprimant l’α-synucléine humaine mutée en A53T. Les essais d’inoculation intracérébrale de souris TgM83 par différentes souches de prion ont mis en évidence que la transmission de l’encéphalopathie spongiforme bovine de type H permet de déclencher chez ces animaux une maladie à prion de façon concomitante au développement d’altérations moléculaires de l’α-synucléine. Enfin, l’importante accélération de la pathologie liée a l’α-synucléine observée chez des souris TgM83 ayant été inoculées par des tissus contenant des formes altérées de l’α-synucléine, constitue un résultat soutenant le fait que la pathologie liée a l’α-synucléine serait capable de se propager expérimentalement de proche en proche, comme la protéine prion pathologique au cours des EST / The overlap of neurotoxic mecanisms involved in prion diseases and synucleinopathies, and the concomitant detection of pathological forms of prion and α-synuclein in a same neurodegenerative disease, raise questions about the existence of potential relationship between α‐synuclein molecular alteration and prion diseases. First, we developed monoclonal antibodies by immunizing mice presenting a spontaneous deletion of the α-synuclein gene with human recombinant α‐synuclein. Then, we characterized the molecular alterations appearing jointly to clinical signs during the aging of a transgenic mouse model of synucleinopathies (TgM83), overexpressing human A53T α‐synuclein. Then, an approach routinely done in the field of prion was used to trigger a synucleinopathy alongside a prion disease. For this purpose, TgM83 mice were inoculated intracerebrally by three different prion strains : transmission of H-type bovine spongiform encephalopathy allows the onset of a prion disease concomitantly to the α‐synuclein pathology developed by the TgM83 mouse model. Finally, intracerebral inoculation of TgM83 mice with brain homogenates from symptomatic mice affected by a synucleinopathy triggers an important acceleration of the α‐synuclein pathology, resulting in the early onset of motor clinical signs associated with molecular alterations of α-synuclein. These data suggest that α-synuclein alterations can be experimentally transmitted from one mouse to another, supporting the idea that, far from being confined to the transmissible spongiform encephalopathies, the « prion-like » propagation of misfolded neuronal proteins might occur in synucleinopathies

Dans la maladie de Parkinson (MP), la perte progressive des neurones dopaminergiques (DA) touche principalement la substantia nigra pars compacta (SNc). Les symptômes moteurs sont classiquement gérés par une thérapie dopaminergique de remplacement (TDR). Conjointement à la levodopa, l’utilisation d’agonistes dopaminergiques permet de prévenir les complications motrices mais peut être associée à des troubles du système de récompense. Jusqu’à 14% des patients parkinsoniens sous TRD peuvent souffrir de comportement « addiction-like » tels que le pari pathologique, l’hypersexualité ou une prise compulsive de la médication DA. A ce jour la seule solution thérapeutique consiste à diminuer la TRD ce qui détériore les symptômes moteurs. Les neuroadaptations conduisant à ces troubles du système de récompense demeurent mal comprises. Nous proposons un travail dans lequel nous avons évalué les propriétés appétitives de l’agoniste D2/D3 pramipexole (ppx) après une exposition chronique à la L-dopa dans un modèle de rat parkinsonien alpha-synucléine. Dans une première étude, nous avons évalué l’effet d’une stimulation répétée des récepteurs DA sur la sensibilisation du système de récompense en contexte parkinsonien. Nos résultats montrent un effet récompensant du ppx après administrations chronique de L-dopa et perte DA nigrostriatal induite par surexpression de l’alpha-synucléine. Aucune modification transcriptionnelle n’a été observée pour les récepteurs DA. Cependant, nous avons identifié une association entre lésion/traitement pharmacologique et des changements transcriptionnels potentiellement liés à un contexte d’addiction aux psychostimulants. Cette étude fournit des preuves suggérant fortement la lésion parkinsonienne et la thérapie L-dopa comme des facteurs conjointement impliqués dans le remodelage cérébral sous-tendant une préférence de place conditionnée pour le ppx. Les données moléculaires et pharmacologiques générées ont suggéré un rôle clé de la voie glutamatergique dans cette réponse comportementale. Ce résultat est cohérent avec la littérature décrivant un déséquilibre glutamatergique striatal dans les contextes d’addiction aux psychostimulants et de complications motrices associées à la MP. Ainsi, nous avons conçu une deuxième étude visant à investiguer plus avant le potentiel thérapeutique d’une inhibition des récepteurs glutamatergiques. Une lésion bilatérale de la SNc a été réalisée par surexpression de la protéine alpha-synucléine au moyen d’un vecteur AAV. Suite à cette lésion, un traitement chronique à la L-dopa a été réalisé. L’effet de l’antagoniste des récepteurs mGluR5 (metabotropic glutamate receptor 5) MPEP sur les propriétés renforçatrices du ppx a été évalué dans un paradigme de préférence de place conditionnée. Enfin, une analyse des changements d’expression de protéines d’intérêt a été réalisé afin d’associer changements comportementaux drogue/lésion induits et paramètres moléculaires. L’acquisition et l’expression de la préférence de place ppx-induite a été abolie par le MPEP. De plus, nous avons identifié des réseaux neuraux et des modifications d’expression protéiques sous-tendant les plasticités striatales associées à la réponse comportementale. L’ensemble de ces travaux apporte de nouvelles idées sur le contexte physiopathologique associé aux troubles du système de récompense dans la MP. Des données moléculaires et pharmacologiques convergentes suggèrent fortement le mGluR5 comme une cible thérapeutique prometteuse. / In Parkinson’s Disease (PD), the progressive dopaminergic (DA) cell loss mainly affects the substantia nigra pars compacta (SNc). The motor symptoms are classically managed by DA replacement therapies (DRT). Although adding DA agonists to levodopa treatment may contribute to prevent motor complications, it may be associated with drug‑induced changes in reward related pathways. Up to 14% of PD patients under DRT may suffer from ‘addiction‑like’ behavior such as pathological gambling, hypersexuality or DA medication‑induced substance abuse. To date, the only therapeutic answer consists in lowering the DA medications which deteriorates the motor symptoms. Neuroadaptations leading to reward bias in PD patients under DRT are still poorly understood. To address this challenge, we propose a work in which we have assessed the rewarding effect of the D2/D3 agonist pramipexole (ppx) after chronic exposure to L‑dopa in an alpha-synuclein PD rat model. In a first study, we assessed the effect of repeated DA receptors stimulations on sensitization of the reward system in a parkinsonian context. Our findings demonstrated that ppx had a rewarding effect after chronic L-dopa administrations and alpha-synuclein-mediated nigral loss. No transcriptional changes within DA receptors were highlighted. However, we identified an association between the main drug or lesion and transcriptional changes which were potentially related to the context of psychostimulant addiction. This study provides evidences strongly suggesting that PD-like lesion and L-dopa therapy were concomitant factors involved in striatal remodeling underlying the ppx-induced place preference. Molecular and pharmacological data suggested a key involvement ofthe glutamatergic pathway in this behavioral outcome. These data were consistent with literature describing major striatal glutamate imbalance as a common feature of drug addiction and Parkinson’s disease physiopathological contexts. Hence, we designed a second study aiming to further investigate the therapeutic potential of glutamatergic receptors inhibition. A bilateral lesion of the SNc was performed in the rat using AAV-mediated overexpression of the alpha-synuclein. This lesion was followed by chronic L-dopa administrations. Then, the effect of the metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) antagonist MPEP on ppx reinforcing properties was assessed in a place conditioning paradigm. Finally, analysis at the protein level was conducted to associate drug and lesion induced behavioral changes to molecular endpoints. Acquisition and expression of the ppx-induced place preference was abolished by the MPEP. Furthermore, we identified neural networks and protein changes underlying the striatal remodeling associated with the behavioral outcome. All this work provides new insights into the physiopathological context associated to the PD/DRT related reward bias. Convergent molecular and pharmacological data strongly suggest mGluR5 as a promising therapeutic target.

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Over the past three decades in cellular neuroscience there has been a shift towards the view of the 'tripartite synapse', where, astrocytes -- as well as the pre-synapse and post-synapse -- are involved in synaptic signalling. The migration of astrocytes to form branched networks in the brain is, therefore, of great interest in understanding brain development and neuronal function. Migration is a complex interplay between cytoskeletal reorganisation and cell mechanical stiffness. In order to improve understanding of this process, correlative measurements of cytoskeletal organisation and mechanical stiffness are required. To investigate astrocyte migration a technique combining atomic force microscopy (AFM) with stimulated emission depletion (STED) microscopy was developed. First a custom STED microscope was developed. To facilitate the design of this system the theoretical performance of a range of STED techniques (cw-STED, time-gated STED, pulsed STED and RESOLFT) were compared, identifying that pulsed STED theoretically has the highest photon efficiency. A pulsed STED microscope, which uses adaptive optics, was then designed, developed and characterised. The microscope was found to achieve resolutions below 50 nm. The STED microscope was combined with a commercial AFM to study live cells. Using the recently developed SiR-actin and SiR-tubulin dyes and AFM probes optimised for live cell mechanical property studies, images of the actin and tubulin cytoskeleton were correlated with AFM topography and mechanical stiffness measurements. It was found that, in astrocytes, actin contributes significantly both to astrocyte stiffness and topography. Investigations of migrating cells showed differences in actin organisation and mechanical stiffness between the basis and leading edge of migration. A further study was performed, investigating the effects of the gap-junction protein connexin30, which is expressed during the early stages of brain development, on migration. This protein was found to inhibit the actin reorganisation and mechanical stiffness changes observed in basal conditions. Overall the combination of mechanosensitive AFM measurements with advanced microscopy, such as super-resolution, on live cells is a promising approach which will enable a range of investigations, for instance when studying cell structural remodeling during brain development or tumorigenesis.

Scanning ion conductance microscopy (SICM) is a technique for non-contact topographic imaging. In this thesis, a biophysical investigation into Alzheimer's Disease (AD) was carried, with toxic oligomers dosed locally and quantitatively on to single astrocytes using SICM and simultaneously monitoring the response of the target cell. Examination of the effectiveness of antibodies that bind to Abeta or alpha-synuclein (Asyn)peptides depends on the measurement of oligomer-induced abnormal calcium homeostasis in single astrocytes. The method was shown to work at physiological concentrations of oligomers. A series of experiments measuring the reduction in calcium inux in mixtures of antibodies and cerebrospinal fluid (CSF) of AD patients suggested that the binding to co-oligomers composed of Abeta and Asyn may be crucial in the treatment of AD. Furthermore, it may be beneficial to test antibodies before the clinical trial using this assay. The mechanism of this entry of calcium is hypothesised to be the result of the formation of oligomer-induced transient pores in the cell membrane. To verify this hypothesis, a new SICM instrument was built with two nanopipettes; one for dosing and one for detection of the adenosine triphosphate (ATP) release from these pores. A variety of different ATP sensors were made. The best had a sensitivity of 10 micro molar and works as a hexokinase-cofunctioned electrolyte-gated organic field-effect-transistor. However no statistically significant results for ATP release have been obtained in the experiments performed to date. Overall this thesis describes new biophysical methods to study the effect of protein aggregates on live cells and the effectiveness of potential therapies, such as antibodies and nanobodies, to reduce these aggregate induced effects. It can be applied to synthetic aggregates of Abeta or the aggregates present in human CSF.

Ein Schlüsselbefund der Parkinson-Krankheit auf zellulärer Ebene ist das Auftreten von Protein-Einschlusskörperchen, sogenannten Lewykörperchen. Der Hauptbestandteil dieser Lewykörperchen ist pathologisch aggregiertes, fibrilläres α-Synuklein, ein Protein, welches Einfluss auf präsynaptische Vesikel, Protein- und Enzymfunktionen sowie den Dopaminstoffwechsel und den axonalen Transport hat. Bis heute ungeklärt ist die Ursache der Aggregation des Proteins. Zahlreiche Forschungsaktivitäten werden in diese Richtung unternommen. Die pathologischen Mechanismen, die zur abnormen Aggregation von α-Synuklein führen, bleiben noch weitgehend unbekannt. Ein großer Teil der Literatur unterstützt die Hypothese, dass α-Synuklein bei Punktmutationen oder erhöhter Expression anfällig für Aggregationen ist und damit Neuronen geschädigt werden. Die Einzelheiten dieses sukzessiven Aggregationsprozesses und die Mechanismen, die dabei letztlich den Zelltod verursachen, bleiben unklar. Alterungsprozesse und Umweltfaktoren sind entscheidende Risikofaktoren. Obwohl es immer mehr Hinweise gibt, dass α-Synuklein-Aggregate eine wichtige pathophysiologische Rolle spielen, wird bisher noch unzulänglich verstanden, wie die für die dopaminergen Neurone toxische Wirkung entfaltet wird. Als gesicherter Pathomechanismus der Degeneration der dopaminergen Nervenzellen gilt ein erhöhter oxidativer Stress. Es wird vermutet, dass er zur Aggregation des α-Synukleins beitragen kann. Ziel dieser vorgelegten Arbeit ist es, durch die Verwendung eines geeigneten Zellkulturmodells zur Aufklärung der beschriebenen pathologischen Mechanismen beizutragen. In dieser Studie wurden zwei artifizielle Modellsubstanzen in einer dopaminergen Primärzellkultur eingesetzt, die Pestizide Rotenon und Paraquat, um die pathologischen Verhältnisse in der Substantia nigra zu simulieren. Sie erzeugen oxidativen Stress durch Hemmung der mitochondrialen Atmungskette bzw. Redoxreaktionen mit molekularem Sauerstoff, was zum dopaminergen Zelltod führt. Im Rahmen dieser Studie gelang es, beide Parkinson-Zellkulturmodelle anhand der Lokalisierung, des Aggregationsverhaltens, des Einflusses auf die Mikroglia-Aktivierung sowie des Abbaus von α-Synuklein näher zu charakterisieren. Hierzu wurde α-Synuklein durch Fluoreszenzfärbung, Westernblot und Immunpräzipitation analysiert. Eine kurzzeitige Behandlung mit hoch konzentrierten Toxinen löst eine akute Degeneration dopaminerger Neurone aus, die so nicht der des Idiopathischen Parkinsons entspricht. Beim IPS erfolgt die Degeneration über Jahre hinweg. Um auch den Einfluss der zellulären Alterung auf die α-Synuklein-Aggregation zu zeigen, wurden die in dieser Arbeit verwendeten Zellkulturen über 46 Tage kultiviert und die Pestizid-Konzentration so eingestellt, dass etwa 25-50 % der dopaminergen Neurone absterben. Es konnte gezeigt werden, dass es nach chronischer Behandlung mit dem jeweiligen Pestizid zu den verschiedenen Zeitpunkten Unterschiede in der Lokalisation sowie in der Konformation von α-Synuklein gibt. Die zum Vergleich nur bis zum Tag 11 kultivierten Zellkulturen zeigten nach kurzer Behandlung mit hochkonzentrierter Toxin-Menge eine Ansammlung von α-Synuklein im Soma, aber keine Auswanderung und Lokalisierung in und an den Neuriten, wie es nach chronischer Rotenon-Behandlung beobachtet werden konnte. Bei den Rotenon-behandelten Zellen ist ein Prozess der Verlagerung und Anhäufung des α-Synuklein aus dem Soma in die Neuriten bereits ab einem früheren Zeitpunkt zu beobachten als in den Kontrollen, welche sich aber mit zunehmendem Alter ähnlich verhalten. Außerdem konnte in den Kulturen, besonders bei den Rotenon-behandelten dopaminergen Neuronen, ein punktförmiges Verteilungsmuster und größere Ansammlungen des Proteins in den Neuriten beobachtet werden, was für eine aggregierte Form des α-Synukleins spricht. Diese Aggregate ließen sich durch die Proteo-Aggreosom-Färbung nachweisen. Auch der Nachweis von am Serin 129 phosphoryliertem α-Synuklein in diesen größeren Ansammlungen gilt als Zeichen für eine aggregierte Form. Die Beobachtung, dass α-Synuklein mit zunehmendem Kulturalter aus dem Soma in die Peripherie austritt, konnte bei der chronischen Paraquat-Behandlung so nicht getätigt werden. Unter Paraquat-Behandlung war keine Herauf-Regulierung der Gesamt-α-Synuklein Expression in der Kultur zu beobachten, wie dies sowohl bei Kontrolle als auch bei Rotenon der Fall ist. Wir vermuten im Paraquat-Modell, dass die sich im Soma ansammelnde Form von α-Synuklein durch vermehrte Einschleusung in den Zellkern zur Toxizität beitragen kann. Auch eine Interaktion von α-Synuklein mit der Zellmembran könnte unter Paraquat-Einfluss zum dopaminergen Zelltod beitragen. Durch Immunpräzipitation und Fluoreszenz-Doppelfärbung von α-Synuklein und Ubiquitin konnten wir den Abbau des fehlgefalteten α-Synukleins in der Zelle durch Ubiquitinierung nachweisen. Unter Rotenon ist ab DIV 14 eine starke Kolokalisation von α-Synuklein und Ubiquitin zu erkennen, die im Verlauf der Kultur nachlässt und nur noch in punktförmigen Aggregaten außerhalb der Zelle zu sehen ist. Unter Paraquat zeigte sich während der gesamten Kultivierung Polyubiquitinierung und Kolokalisation der beiden Proteine in der gesamten Zelle. Die Aggregationsform von α-Synuklein scheint das Proteinabbausystem durch Ubiquitinierung zu beeinflussen, da wir davon ausgehen, dass es sich bei der α-Synuklein-Konformation zu verschiedenen Zeitpunkten in den Paraquat-behandelten dopaminergen Neuronen nicht um die Aggregationsform handelt, die wir unter Rotenon beobachten konnten.

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In Parkinson’s disease (PD) and dementia with Lewy bodies (DLB), aggregated α-synuclein deposit inside cells within the brain. Smaller soluble α-synuclein aggregates, oligomers, are present both intra- and extracellularly. The α-synuclein oligomers are known to be particularly harmful, although the underlying neurotoxic mechanisms are not fully understood. The aim of this thesis was to investigate the pathogenic roles of α-synuclein oligomers and the possibility to target such species with antibody treatment. Passive immunotherapy with α-synuclein antibodies can lead to reduced pathology and ameliorated symptoms in transgenic mice. However, it remains unknown whether the antibodies are taken up by cells or whether they act extracellularly. In Paper I, we assessed cellular internalization of various α-synuclein monoclonal antibodies. The oligomer selective mAb47 displayed the highest uptake, which was promoted by the extracellular presence of α-synuclein. Alpha-synuclein aggregates can be found in both neurons and glial cells, but the pathogenic role of glial deposits has only been sparsely investigated. In Paper II, co-cultures of neurons and glia were exposed to α-synuclein oligomers. The astrocytes in the cultures rapidly accumulated oligomers, which were only partially degraded by lysosomes. The sustained intracellular α-synuclein deposits were associated with mitochondrial stress reactions in the astrocytes.  In Paper III, we sought to explore whether the astrocytic pathology induced by α-synuclein oligomers could be ameliorated by antibody treatment. Pre-incubation of oligomers with mAb47 promoted α-synuclein clearance, reduced astrocytic accumulation and rescued cells from mitochondrial stress. We could demonstrate that binding of the antibody to its antigen in the extracellular space was crucial for these effects to occur. The progressive pathology in PD is believed to be driven by cell-to-cell spreading of α-synuclein aggregates, potentially via exosomes and other extracellular vesicles (EVs). In Paper IV, we found that either fusing α-synuclein to a non-physiological protein tag or introducing the PD-causing A53T mutation directed α-synuclein towards EV secretion. Also, EV-associated α-synuclein was particularly prone to induce toxicity in recipient cells. In conclusion, this thesis sheds new light on the cellular dysfunction related to α-synuclein pathology and on how the underlying pathogenic processes may be targeted by antibody treatment.