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L’étude de l’interaction entre des protéines et leurs ligands est essentielle pour la compréhension de leur rôle physiologique ainsi que de leur rôle dans la mise en place de pathologies. En particulier, dans le cas de maladies neurodégénératives, comme les maladies d’Alzheimer ou de Creutzfeld-Jacob, ou d’autres pathologies liées au mépliement de protéines, la compréhension des interactions entre protéines, qui peuvent modifier de façon considérable le paysage conformationnel des partenaires, est une des clés pour décrypter les étapes moléculaires élémentaires induisant une cascade d’événements qui mènent à la formation d’assemblages protéiques de grande taille. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié la dynamique de taille de trois types d’assemblages protéines/ peptides.Interactions faibles impliquées dans la structuration d’assemblages de PrPSc et dans l’équilibre entre les formes PrPSc et suPrP : Dans un premier temps, l’étude des étapes précoces de la réplication du prion nous a permis de mettre en évidence une voie de diversification structurale qui implique une voie de templating secondaire. En utilisant une méthode de solubilisation en conditions natives et une approche reposant sur une série de souches différentes, nous avons démontré que, pour toutes les souches testées, les assemblages de prion ont la propriété de se dépolymériser en deux ensembles discrets d’assemblages oligomériques, dont la taille varie entre des dimères et tétramères. Des approches d’amplification de prion in vitro et in vivo ont démontré que ces assemblages oligomériques comportent toute l’information nécessaire à la réplication ainsi que les déterminants structuraux de la souche. Le motif de glycosylation, la cartographie par épitopes ainsi que l’empreinte PK ont mis en évidence des différences structurales entre les espèces oligomériques, soulignant la coexistence d’ensembles d’assemblages structuralement distincts au sein d’une souche donnée. Des expériences de dépliement partiel ont montré la présence d’une dynamique constitutionnelle entre les assemblages reposant sur un échange de matière et un réarrangement structurel à l’échelle de l’unité élémentaire (suPrP) ainsi qu’une diversité structurale au sein des assemblages de prion.Partenaires et oxydation de la PrPc: Bien que des travaux préalables aient mis en évidence l’existence d’interactions entre PrP et Aβ, Aβ1-40 ne forme que des complexes très instables avec la PrP monomérique. La spectrométrie de masse n’a pas permis de mettre en évidence cette interaction, même après optimisation des paramètres en conditions natives ou via des mesures indirectes reposant sur des échanges hydrogène - deutérium d’amide. L’oxydation radioloytique de la PrPC a été étudiée par SEC couplée à la mobilité ionique et la spectrométrie de masse, montrant la formation d’assemblages de haut poids moléculaires associée à des changements de structure.Fortes interactions peptide/peptide : Le système Synapt G2Si (Waters), qui combine de la mobilité ionique avec de la spectrométrie de masse, a été utilisé pour l’analyse d’une série de peptides issus de la capside externe du birnavirus de l’IBDV. Ces peptides peuvent former des complexes avec des énergies de liaison intermoléculaires proches de l’énergie de la liaison peptidique. En plus de la mise en évidence des changements structuraux au sein de ces complexes liés à l’introduction de mutations dans la séquence peptidique, des déviations par rapport aux attentes expérimentales ont été observées au cours de ce travail lors de mesures en conditions de mobilité ionique. Ces écarts ont pu être reliés à la conception de la cellule Tri-Wave de l’instrument, qui conduit à un mélange des différents gaz tampon qui ne peut être évité. De ce fait, les biais introduits par ce mélange influencent les paramètres de modélisation et la comparaison entre instruments pour tous les utilisateurs de ce modèle d’instrument. / Interactions between proteins and their ligands play a crucial in the understanding of their physiological function as well as their role in disease mechanisms. Especially in all forms of neurodegenerative diseases like Alzheimer, Creutzfeld-Jacob disease and others pathologies due to protein misfolding, the understanding of protein interaction, which can cause a dramatic change in the conformational landscape of the binding partners, is key in the deciphering of elementary molecular steps leading to cascade of events finally resulting in the formation of large protein assemblies. In the scope of this thesis we studied the size dynamic of three types of protein/peptides assemblies.Weak interactions involved in the structuration of PrPSc assemblies and in the detailed balanced between PrPSc and suPrP: The earliest steps in prion protein conversion were studied using both in vitro bona fide prion amplification method. We showed that the early step of the replication leads to a deterministic diversification process involving a secondary templating pathway. Furthermore, by using a native solubilization method and through a multi-strain approach. We demonstrated a generic property of prion assemblies to depolymerize into two discreet sets of oligomeric assemblies with a size ranging between dimers and tetramers for all tested strains. Both in vitro and in vivo prion amplification approaches showed that the oligomeric assemblies harbour all the replicative information as well as the strain structural determinant. Glycopattern, epitope-mapping and PK fingerprint revealed structural differences between the oligomeric species highlighting the coexistence of structurally distinct set of assemblies within a given strain. Partial unfolding experiments demonstrated the existence of a constitutional dynamic between the assemblies based on material exchange and structural rearrangement at the level of the elementary subunits (suPrP).PrPc partners and oxidative modifications: Although previous work had shown the existence of interactions between PrP and Aβ, monomeric Aβ1-40 forms only very weak complexes with monomeric PrP and mass spectrometry, even after optimization of the native instrument settings or by indirect measurements based on amide hydrogen deuterium exchange was not able to detect this interaction. Oxidation of PrPc was also suggested as a pathway towards pathology: the appearance and structural changes induced by gamma-radiolysis of water on PrPc were studied by mass spectrometry and ion mobility.Strong peptide/peptide interactions: The Waters Synapt G2Si instrumental set-up which couples ion mobility with mass spectrometry was used for the analysis of a collection of peptides derived from the shell of the IBDV binavirus. These peptides can form complexes with binding energies close or similar to the binding energy of the peptide bond. In addition to a better description of the changes in structure of these complexes varying with the mutations introduced in peptide sequence, we observed deviation from expected instrument characteristics when performing ion mobility measurements. Due to the design of the Tri-wave module in the Waters Synapt G2Si mass spectrometer, a mixture of the different buffer gases intrinsically cannot be avoided. Consequently, these biased measurements influence the outcome of modelling approaches and the inter-instrument comparison for all users of this instrument type.

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L’évaluation de biomarqueurs et de thérapies innovantes pour la maladie d’Alzheimer (MA) souffre de la mauvaise compréhension des phases initiales de la maladie mais également du manque de modèles animaux pertinents et proches de la physiopathologie humaine. La majorité des modèles rongeurs disponibles reproduisent en seulement quelques mois les lésions classiques de la MA telles que les plaques amyloïdes et les dégénérescences neurofibrillaires (DNF), alors que leur apparition prend des années chez l’Homme. L’objectif de mon travail de doctorat a été de développer une nouvelle stratégie de modélisation des phases précoces de la MA sans surexpression majeure de transgène. Pour cela, nous avons utilisé le co-transfert des gènes humains APPSL et PS1M146L à l’aide de vecteurs viraux dans l’hippocampe de souris et de rats de 8 semaines. Nous avons caractérisé ces modèles et montré une production de peptides, comme le betaCTF ou l’abeta?42 issus du clivage de l’APP, similaire à ce que l’on observe dans l’hippocampe de patients atteints de la MA. Nous avons également montré une hyperphosphorylation de Tau et une défaillance synaptique caractérisée par une diminution des niveaux de PSD-95 et GLT-1 ainsi que par une augmentation du courant tonique glutamatergique. Ces modifications ont enfin été associées à des défauts comportementaux. Mes résultats suggèrent que de nombreux évènements apparaissent bien avant la formation des plaques amyloïdes ou des DNFs et conduisent à une perturbation de la synapse et à l’apparition précoce de défauts comportementaux. Nous disposons donc d’outils relevants quant à la compréhension des premiers stades de la MA qui permettront à la fois de tester de nouveaux composés médicaments sur ces modèles à large fenêtre thérapeutique, et de découvrir de nouveaux biomarqueurs précoces dans le plasma et le liquide cérébro-spinal. / Evaluation of biomarkers and new innovative therapies for Alzheimer's disease (AD) suffers from a misunderstanding of early phases and lack of appropriate animal models close to the human physiopathology. Most available rodent models reproduce hallmarks of AD such as amyloid plaques and neurofibrillary tangles in a few months, while it takes many years to be achieved in human. My PhD work consisted to develop a new modelling strategy of AD early phases without major overexpression of transgenes. To do so, we used gene transfer of human APPSL and PS1M146L using viral vectors injection in the hippocampus of 8 weeks old mice and rats. We characterized these models and showed peptides production, such as betaCTF and abeta42 from APP processing, similar to what is observed in AD patients hippocampi. We also highlighted a hyperphosphorylation of Tau followed by a synaptic failure characterized by a decrease of PSD-95 and GLT-1 levels and by an increase of the tonic current mediated by glutamate. These changes have been finally associated with behavioral deficits. My results suggest that many events appear well before the formation of amyloid plaques or tangles and lead to the disruption of the synapse and the early onset of behavioral defects. Thus, we now have relevant tools to understand the early stages of AD, which will allow us to test new drug compounds on these models with a wide therapeutic window and discover new early biomarkers in plasma and cerebrospinal fluid.

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The accumulation of amyloid-ß; protein (Aß) in Alzheimer's disease (AD) is a well known pathological event. Decreasing the production or increasing the degradation of Aß; is therefore thought to serve as a potential therapeutic intervention in AD. Recent in vitro and in vivo studies have suggested that certain proteases may be involved in the catabolism of Aß; and defects in the degradation of Aß; could contribute to AD disease progression. Studies implicating the homing of monocytes to regions of CNS damage have led to the idea that it may be possible to use genetically modified monocytes to carry exogenous genes of interest into the brain or other organs for the purposes of gene therapy. To determine the time course of monocyte recruitment into the brain during the neurodegenerative damage characteristic of Alzheimer's disease, we used transplanted GFP labeled bone marrow monocytes to characterize the kinetics that peripheral monocytes display once injected into the circulation. We determined the half life of bone marrow derived monocytes after one injection into the peripheral circulation, and found this time to be 1.5 hours post injection. We also examined the effects of the APP+PS1 transgene on the recruitment of peripheral monocytes and showed that these cells are actively recruited to the brains in AD transgenic mouse models compared to non transgenic mice. As an approach to increase expression of NEP in a transgenic mouse model of AD, we developed an ex vivo gene therapy method utilizing bone marrow monocytes from GFP mice. These monocytes were transfected with a NEP construct designed to express either a secreted form of NEP or a form which lacks any enzyme activity. Monocytes were administered through a microvascular port twice a week for two months and we observed recruitment of bone marrow-derived monocytes into the CNS. In addition, we found significant reductions in both Aß and Congo red staining in the NEP-S injected mice only. These studies show that putting monocytes together with an amyloid degrading enzyme such as neprilysin offers a powerful novel therapeutic tool for the treatment of AD.

The misfolding and aggregation of the beta cell hormone islet amyloid polypeptide (IAPP) into amyloid fibrils is the main pathological finding in islets of Langerhans in type 2 diabetes. Pathological assemblies of IAPP are cytotoxic and believed to contribute to the loss of insulin-producing beta cells. Changes in the microenvironment that could trigger the aggregation of IAPP are largely unknown. So is the possibility that islet amyloid can spread within or between tissues. The present thesis have explored the roles of glycosaminoglycan heparan sulfate (HS) and the novel anti-amyloid chaperone Bri2 BRICHOS domain in the assembly of IAPP amyloid and cytotoxic IAPP aggregates. Furthermore, cross-seeding as a molecular interaction between the observed connection of type 2 diabetes and Alzheimer disease has been examined. The N-terminal region of IAPP was required for binding to HS structures and induction of binding promoted amyloid formation. Interference in the HS-IAPP interaction by heparanase degradation of HS or by introducing short, soluble HS-structure fragments reduced amyloid deposition in cultured islets. Cytotoxicity induced by extracellular, aggregating IAPP was mediated via interactions with cell-surface HS. This suggests that HS plays an important role in islet amyloid deposition and associated toxicity. BRICHOS domain containing protein Bri2 was highly expressed in human beta cells and colocalized with IAPP intracellularly and in islet amyloid deposits. The BRICHOS domain effectively attenuated both IAPP amyloid formation and IAPP-induced cytotoxicity. These results propose Bri2 BRICHOS as a novel chaperone preventing IAPP aggregation in beta cells. The intravenous injection of IAPP, proIAPP or amyloid-β (Aβ) fibrils enhanced islet amyloidosis in transgenic human IAPP mice, demonstrating that both homologous- and heterologous seeding of islet amyloid can occur in vivo. IAPP colocalized with Aβ in brain amyloid from AD patients, and AD patients diagnosed with T2D displayed increased proportions of neuritic plaques, the more pathogenic plaque subtype. In conclusion, both IAPP amyloid formation and the cytotoxic effects of IAPP is dependent on interactions with HS whereas interactions with Bri2 BRICHOS is protective. Cross-seeding between Aβ and IAPP can occur in vivo and the two peptides colocalize in brain amyloid in AD patients.

La maladie d'Alzheimer est une maladie neurodégénérative sénile, entrainant une perte progressive et irréversible des fonctions cognitives et comportementales. Les deux principales caractéristiques pathologiques observées chez les patients atteints d'Alzheimer sont la présence d'enchevêtrements neurofibrillaires intracellulaires (majoritairement constitués par la protéine Tau hyperphosphorylée) et l'agrégation extracellulaire de plaques séniles ou amyloïdes (majoritairement constituées du peptide Amyloïde-β (Aβ)).Si l'étiologie complexe de la maladie reste à établir, la participation du stress oxydant (en partie induit par le peptide Aβ) est largement admise. Il a ainsi été proposé que la mort neuronale puisse être due à l'accumulation de dommages oxydatifs au niveau de la molécule d'ADN, qui pourrait en outre être associée à un dysfonctionnement du système de réparation de ce dernier. Dans notre étude, nous avons cherché à préciser les effets spécifiques du peptide Aβ sur les systèmes de réparation de l'ADN d'une lignée de neuroblastome humain (APP751). Cette dernière sécrète le peptide Aβ à des concentrations très physiologiques. Nous avons observé dans ce modèle une augmentation des dommages oxydatifs à l'état basal et plus encore à l'issue d'un stress additionnel, métallique ou oxydant. De manière surprenante le système BER, associé à la réparation des lésions oxydatives, est apparu sous-exprimé en présence d'Aβ, et réduit d'avantage après l'application d'un stress. Ces observations suggèrent une incapacité de la lignée sécrétrice d'Aβ à répondre à une attaque extérieure, ce qui est vraisemblablement susceptible d'engendrer une accumulation de dommages au niveau de la molécule d'ADN. L'autre fait marquant de ce travail, est la surexpression de facteurs généralement associés au NER, en présence d'Aβ couplé à un stress oxydant. Ces facteurs présentent une multifonctionnalité au sein de la cellule et leur stimulation pourrait représenter la mise en place d'un processus apoptotique plutôt que l'initiation de la réparation de l'ADN. Ces travaux nous ont permis d'établir pour la première fois un lien entre la sécrétion du peptide Aβ et la perturbation des systèmes de réparation de l'ADN, phénomènes susceptibles d'entrainer la mort cellulaire observée en excès dans la maladie d'Alzheimer. / Alzheimer's disease (AD) is an age-related neurodegenerative disorder which leads to a progressive and irreversible loss of cognitive and behavioral functions. Two major pathological hallmarks are affecting patients with AD: intracellular neurofibrillary tangles (mostly constituted of the hyperphosphorylated Tau protein) and extracellular senile plaques deposits (mostly constituted of the amyloid- β peptide (Aβ)). If the complex etiology of AD remains to be defined, the role played by oxidative stress (partly generated by Aβ) is widely accepted. Thus, it has been proposed that the neuronal death in AD could be due to the accumulation of oxidative DNA damage over life that could be moreover associated to a deficient DNA repair capacity. In this study we focused on the Aβ peptide specific effects on DNA repair systems. We worked on a human neuroblastoma cell line which possesses the ability to secrete the Aβ to a very physiological level. In this model, we observed an increase in oxidative DNA damage, under basal conditions and even more following exposure to a metallic or oxidative stress. Surprinsingly, the oxidative lesions-associated BER system, appeared to be downregulated in the presence of Aβ, and to a greater extent diminished after stress. These observations suggest that the Aβ-secreting cell line is not able to respond to a harmful environment, which is likely to trigger the accumulation of oxidative DNA damage. The other highlight of this work is the over-expression of generally NER-associated proteins, in the presence of Aβ coupled to an oxidative stress. These proteins exhibit a multifunctionnality within cells and their stimulation could reveal the set up of an apoptotic pathway rather than the induction of a DNA repair process. Taken together, these results lead us to establish for the first time a strong link between Aβ secretion and the impairment of DNA repair capacities, which are inclined to cause the neuronal death that is observed in excess in AD.