Les signatures histopathologiques de principales maladies neurodégénératives - maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson - sont les enchevêtrements neurofibrillaires formés par la protéine tau et les corps de Lewy, formés par l'α-synucleine agrégée. Les mécanismes précis du repliement et de l'agrégation de ces protéines, pour la protéine tau comme pour l'α-synucleine, ne sont pas totalement compris à ce jour. Ici, nous nous sommes intéressés à cette question en utilisant des modèles in vitro et in vivo. En étudiant l'agrégation tau in vitro, nous avons mis en évidence un nouvel auto- assemblage réversible de tau, qui dépend de la température et de la présence d’ions zinc, et qui est a priori différent de l'agrégation de tau en présence d'inducteurs d'agrégation tels que l'héparine. Ce processus pourrait néanmoins être impliqué dans les premières étapes de l'agrégation pathologique de tau. Dans une deuxième partie nous avons développé des modèles murin pour étudier les dysfonctionnement de l’α-synucleine. Nous avons montré que l’α-synucleine est directement impliquée dans le développement embryonnaire de régions spécifiques du système nerveux, et qu'elle a des propriétés modulatrices seulement sur les neurones dopaminergiques de la substantia nigra, qui sont touchés dans la maladie de Parkinson.Les résultats obtenus dans nos études de deux protéines qui subissent une agrégation pathogène et forment des inclusions intracellulaires ont contribué à la compréhension des processus moléculaires et cellulaires associés à la dégénérescence neuronale, ce qui fournira de nouvelles pistes pour développer de nouvelles stratégies de thérapies de maladies neurodégénératives. / The histopathological hallmarks of the most common neurodegenerative diseases – Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease are neurofibrillary tangles formed by tau protein and Lewy bodies inclusions formed by aggregated α-synuclein. The formation and accumulation of these proteins into inclusions cause functional disruptions of the cytoskeleton and leads to neuronal degeneration. The precise mechanisms of tau and synuclein misfolding and aggregation leading to those cellulare incluses, even though very studied, are not fully understood neither for tau protein nor for α-synuclein.Here we have addressed this question using both in vitro and in vivo models. Investigating tau aggregation in vitro, we have found a reversible self-assembly of tau, which depends on temperature and is induced by zinc ions, which is different from the tau aggregation in the presence of aggregation-inducers such as heparin. This process could be implicated in the first steps of tau pathological aggregation. In a second part, we have developed a mouse model for studying the α-synuclein dysfunction. We have shown that α- synuclein is directly involved in the embryonic development of the specific regions of the nervous system, and that it has modulating effect only on the populations of dopaminergic neurons of substantia nigra, which are affected in Parkinson’s disease.Results obtained in our studies of two proteins that undergo pathogenic aggregation and form intracellular inclusions contributed to understanding of molecular and cellular processes associated with neuronal degeneration, which is important for the development of new disease-modifying therapies of neurodegenerative disorders.

Les protéines amyloïdes sont impliquées dans les maladies neurodégénératives comme Alzheimer, Parkinson et les maladies à prions et forment des structures complexes, les fibres amyloïdes. Le mécanisme de formation de ces fibres est un processus complexe qui implique plusieurs espèces d’agrégats intermédiaires. Parmi ces espèces, des petits agrégats, les oligomères, sont reconnus comme étant l’espèce amyloïde toxique, mais leur mécanisme de toxicité et d’agrégation sont mal compris. Cette thèse présente les résultats d’une étude numérique des premières étapes d’oligomérisation d’un peptide modèle GNNQQNY, issu d’une protéine prion, pour des systèmes allant du trimère au 50-mère, par le biais de simulations de dynamique moléculaire couplée au potentiel gros-grain OPEP. Nous trouvons que le mécanisme d’agrégation du peptide GNNQQNY suit un processus complexe de nucléation, tel qu’observé expérimentalement pour plusieurs protéines amyloïdes. Nous observons aussi que plusieurs chemins de formation sont accessibles à l’échelle du 20-mère et du 50-mère, ce qui confère aux structures un certain degré de polymorphisme et nous sommes capable de reproduire, dans nos simulations, des oligomères protofibrillaires qui présentent des caractéristiques structurelles observées expérimentalement chez les fibres amyloïdes. / Amyloid proteins are involved in neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s, Parkinson’s and prion diseases and form complex structures called amyloid fibrils. The fibril formation mechanism is a complex process, which involves several intermediary species. Among these species, small early aggregates, called oligomers, are thought to be the toxic amyloid species but their toxicity and aggregation mechanisms are poorly understood. This thesis aims at presenting the results of a numerical study of the first oligomerization steps of the model peptide GNNQQNY, from a prion protein, for system sizes ranging from the trimer to the 50-mer, via molecular dynamics simulations using the OPEP coarse-grained potential. We find that GNNQQNY’s assembly follows a complex nucleation process, as observed experimentally for numerous amyloid proteins. We also observe that the 20-mer and 50-mer systems form polymorphic structures that are the byproducts of different formation pathways. We further report the spontaneous formation of protofibrillar oligomers with structural characteristics typical of experimentally determined amyloid fibril structures.

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