La maladie d'Alzheimer (MA) est la forme la plus fréquente de démence chez les personnes âgées. L'une de ses caractéristiques est la formation extracellulaire de plaques séniles dans le cerveau des malades, composées du peptide Amyloïde-ß (Aß) sous forme agrégée et d'ions métalliques tels que le cuivre. Le peptide Aß forme un complexe avec les ions cuivre, capable de catalyser la formation d'espèces réactives de l'oxygène (ERO), en présence d'un réducteur tel que l'ascorbate. Ces espèces oxydantes sont délétères pour les molécules environnantes, ainsi que pour le peptide Aß lui-même. Etant proche du site de production des ERO, Aß est une cible privilégiée, notamment pour le radical hydroxyle HO*. L'objectif de ce travail a été d'étudier la réaction de production des ERO par le système Aß/Cu/ascorbate, de caractériser les dommages oxydatifs subis par Aß et d'évaluer les conséquences de l'oxydation de Aß sur la production des ERO, la coordination des ions métalliques et l'agrégation. Différentes techniques spectroscopiques ont été utilisées, notamment la spectrométrie de masse (MS), la spectroscopie de fluorescence, la résonnance paramagnétique électronique (RPE) et l'absorption de rayons X (XANES). Les sites d'oxydation du peptide Aß ont été étudiés par spectrométrie de masse (MS et MS/MS). Grâce à l'utilisation des outils de la protéomique et de la spectrométrie de masse à haute-résolution (HRMS), les acides aminés oxydés du peptide Aß ont été identifiés. Ainsi, Asp1, His13 et His14 sont les cibles privilégiées de l'attaque de HO*. Ce résultat était attendu puisque ces résidus sont impliqués dans la coordination du cuivre, par l'intermédiaire duquel les ERO sont directement générées. L'impact de l'oxydation du peptide sur la coordination des ions métalliques Cu(II), Cu(I) et Zn(II), la production de ERO ainsi que sur l'agrégation du peptide a été étudié. Les résultats ont montré que l'oxydation du peptide induit un changement de coordination du Zn(II) ainsi que des deux états d'oxydation du cuivre, menant à une augmentation de la production de ERO. De plus, l'oxydation de Aß a également un impact sur l'agrégation, ne privilégiant pas la formation de fibrilles. Le mode de coordination du complexe Cu-Aß lors de la production des ERO a été déduit de l'étude d'une série de peptides Aß comprenant un ou plusieurs acides aminés mutés. L'hypothèse proposant que les acides aminés oxydés sont ceux liés au cuivre lors de la production des ERO (Asp1, His13 et 14) a été renforcée, la mutation de Asp1 ou des deux His13 et 14 ayant un impact direct sur la production des ERO. Enfin, les effets pro- et anti-oxydants de l'ascorbate ont été étudiés, montrant que, sur le système Cu-Aß, l'ascorbate n'exerce ses propriétés anti-oxydantes qu'à forte concentration pour les molécules environnantes, mais qu'il n'a aucun effet protecteur sur le peptide Aß lui-même. / Alzheimer's Disease (AD) is the most frequent for of dementia in the elderly. A hallmark of AD is the extracellular formation of senile plaques in the brain of AD subjects, composed of the Amyloid-ß peptide (Aß) under aggregated form with metal ions such as copper ions. Aß can form a complex with copper ions, able to catalyze reactive oxygen species (ROS) formation in the presence of a reducing agent such as ascorbate. These oxidative species can oxidize the surrounding molecules and the Aß peptide itself. Being close to the production site of ROS, Aß is the preferential target, especially for the hydroxyl radical HO*. The aim of this work was to study the ROS production by the Aß/Cu/ascorbate system, to characterize the oxidation undergone by Aß and to evaluate the consequences of Aß oxidation on ROS production, metal ions coordination and aggregation. Several spectroscopic techniques have been used, in particular mass spectrometry (MS), fluorescence spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) and X-Ray absorption spectroscopy (XANES). The oxidation sites of Aß have been studied by mass spectrometry (MS and MS/MS). Thanks to the use of proteomic tools and high-resolution mass spectrometry (HRMS), the oxidized amino acid residues have been identified. Asp1, His 13 and His14 have been found to be the preferential targets for HO* on Aß. This result was expected as these residues are involved in copper coordination, from which the ROS are generated. The impact of Aß oxidation on Cu(II), Cu(I) and Zn(II) on metal ions coordination, on ROS production and on Aß aggregation has been studied. Results have shown that Aß oxidation induces a change of coordination of Zn(II) as well as Cu(II) and Cu(I), leading to an increase of ROS production. Moreover, Aß oxidation has also an impact on aggregation, as it does not favor fibrils formation. The Cu-Aß binding mode during ROS production has been deduced from the study of a series of mutated Aß peptides. The hypothesis, in which the amino acid residues bound to Cu during the ROS production are the oxidized one (Asp1, His 13 and His14) has been corroborated by the results of this study, the mutation of Asp1 or the two His having an impact on ROS production. Finally, the pro- and antioxidants effects of ascorbate have been investigated, showing that, on the Cu-Aß system, ascorbate only has antioxidant properties at high concentration for surrounding molecules, but does not exhibit any protecting effect on Aß itself.

Mon travail de thèse aborde différents développements physico-chimiques qui reposent sur le principe de transfert d'énergie par résonance de Foster (FRET). Le but est de parvenir à étudier et caractériser des assemblages moléculaires ainsi que des changements structurels de biomo-lécules (ou macro-ions) en phase gazeuse. Le transfert d'énergie par résonance de type Förster est un procédé par lequel de l'énergie s'échange de manière non radiative entre un chromo-phore dit donneur dans un état excité et un second chromophore accepteur en proximité di-recte. Conventionnellement, cette technique permet de localiser et déterminer l'écart entre deux molécules (de l'ordre de 10 à 100nm). Principalement utilisée pour étudier des systèmes biologiques, des résultats marquants ont été obtenus sur l'étude de système tel que l'appareil de Golgi, le cytosquelette ou les membranes cellulaires. Elle n'est cependant appliquée qu'à des systèmes en phase liquide. Il nous a paru intéressant de transposer cette technique en phase gazeuse, en utilisant la capacité des spectromètres de masse à sélectionner, isoler et activer des espèces moléculaires, nous permettant d'obtenir de nouvelles informations structurelles. Une grande partie de ma thèse a consisté à premièrement, valider le concept de FRET en phase gaz puis à développer et optimiser, la technique FRET dit ‘d'action'. L'Action-FRET est une tech-nique d'analyse par couplage de spectrométrie de masse et spectroscopie LASER mise au point par l'équipe Spectrobio afin d'étudier les molecules isolées en phase gazeuse. A travers ce dis-positif, je me suis particulièrement investi à contrôler, étudier et caractériser l'évolution des conformations de biomacromolécules d'intérêt biochimique et biologique. Dans une première partie je ferai une courte introduction générale sur les fondamentaux des protéines, de leur composition et élaboration en entités structurelles complexes, diverses et fonctionnelles. La manière dont les protéines s'arrangent successivement en niveaux structural quaternaire est aussi décrite. La deuxième partie est consacrée à une présentation des chromo-phores utilisés. Je présente ensuite leurs utilisations et détaille la synthèse des édifices molécu-laires produits pour réaliser les expériences de FRET. Ceux-ci sont constitués de composés bio-logiques (peptides ou protéines), couplés aux chromophores, (donneur-accepteur). Dans le contexte de ce chapitre se trouve également une discussion sur les mécanismes et produits uti-lisés lors de l'étape de conjugaison qui permet d'obtenir les composants désirés. En troisième partie vient un chapitre qui relate le fonctionnement des appareils utilisés dans le montage expérimental; le LASER et le spectromètre de masse. La méthode de couplage est dé-crite et spécifiée, détaillant comment les appareils commerciaux ont été modifiés pour interagir avec l'un avec l'autre. Avec ce nouveau montage, un suivi de la signature optique de FRET ap-partenant aux protéines entières greffées et à différents états de charge a été possible. Le quatrième chapitre est dédié dans les premières sections à la théorie et l'état de l'art en ce qui concerne le FRET. Les éléments emblématiques et leurs applications en solution de ces der-nières années et les travaux plus récents en phase gazeuse y sont présentés. Par ailleurs, nous avons voulu démontrer dans ce chapitre que nos diverses manipulations ont l'avantage critique de ne pas dépendre d'une mesure de l'émission de lumière suite au transfert résonant d'éner-gie. A la place, on dispose de la fragmentation spécifique de l'ion piégé du chromophore à tra-vers l'analyse de masse conventionnelle du spectromètre de masse pour détecter et quantifier une manifestation de FRET. Nous démontrerons aussi la possibilité cette méthode appliquée à la biologie moléculaire... [etc] / In this thesis, I discuss the application and development of mass spectrometry (MS) - LASER coupled techniques for the characterization and measurement of trapped biomolecules in the gas phase. In broad terms, this thesis demonstrates the potential and perspectives of action-FRET a novel structural biology tool amenable to the gas phase. The fundamentals rely on a well attested resonance quantic process known as Förster resonance energy transfer (FRET). As of yet it has been a widely utilized method to scrutinize molecular structure in solution. The mo-tivation has been to transpose this occurrence to the instrumental settings of a mass spectrom-eter, its gas confinement and, in doing so, overcome the earlier limitations of the technique and stride into the theoretical and experimental study of well determined systems as well as those whose structure were presently undetermined - all without the influence of the environment of a solvated medium. The first chapter of this thesis offers a general overview on peptides and proteins plus how they can be studied. Subsequent chapters include how the work carried out herein ads towards their study, moving the technique towards a gold standard of native mass spectrometry (native MS). In the second chapter, a treatment of the synthetic steps and preparations is given detailing the mechanistics of the reactions at play and above all outlining the experimental procedures and providing any information on any observations made. The third chapter describes, and is devoted to an introduction of the instrumental setup outlaid as it stands giving an account on the LASER, optical pieces and the mass spectrometer employed throughout the course of this thesis, effectively setting the premises of thought and understand-ing for subsequent chapters and methodology. Chapter four presents energy transfer, in particular to the Foster Resonance Energy Transfer and furthermore outlines the developed technique central to the mass spectrometry method to look at donor-acceptor chromophores espoused to biomolecular systems and their photofrag-ments — what is nicknamed as action-FRET. Chapter five reviews and discusses the study of a macromolecule: Ubiquitin, by action-FRET. The first gas phase experiment on the protein to have ever been realised. The information and content gathered from this adapted experiment is compared to work found elsewhere giving an appraisal on the potential of action-FRET and providing an idea to what future insights the technique could bring. In chapter six the reader is introduced to the project of establishing action-FRET in the negative mode of the mass spectrometer’s ionization source as opposed to its positive mode. Suitable pairs of donor-acceptor chromophores to validate the energy transfer under a negative regime were explored. These where profiled and characterized before being adapted to a biomolecular system. The results provide a different flavor of complimentary structural and conformation information, the first of its kind for negative mode action-FRET. The seventh and final chapter is devoted to future developments. The conclusive work tends to grant a further understanding of neurodegenerative diseases that afflict our societies. Chiefly that of the likes of Alzheimer’s: it’s the mechanism of action pertinent to other neurodegenera-tive pathologies; Parkinson’s, Huntington’s but also prion diseases or amyloid neuropathy. In doing so a contribution is presented on a way to trace a strategy in how to tackle and treat such diseases

La maladie d'Alzheimer (AD) est un désordre neurodégénératif progressif et la forme la plus commune de démence. A l’heure actuelle, il n'y a aucun remède et la maladie est toujours fatale. Une des caractéristiques histopathologiques de l'AD est la présence de dépôts protéiques, les plaques amyloïdes, dans le cerveau. Ces plaques sont formées par les peptides amyloïdes β (Aβ) de 40 et 42 résidus, qui sont les produits de clivage par des protéases de la protéine précurseur de l’amyloïde (l'APP). L'élucidation de certains des processus clés dans la cause et le développement de l'AD est une étape cruciale pour le développement de traitements nouveaux et efficaces.<p><p>Les propriétés conformationnelles du segment transmembranaire (TM) de l’APP peuvent affecter sa protéolyse par la γ-sécrétase. Ces propriétés ne sont pas encore clairement établies. Afin de comprendre le rôle des variations structurelles du TM dans le traitement de l'APP, des détails structurels des peptides APP_TM4K, chimiquement synthétisés, ont été étudiés dans la bicouche lipidique en utilisant la réflexion totale atténuée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (ATR-FTIR) et la résonance magnétique nucléaire à l’état solide (ssNMR). Tandis que la structure secondaire globale du peptide APP_TM4K est hélicoidale, une hétérogénéité conformationnelle et orientée a été observée pour le site de clivage γ et, dans une plus faible mesure, pour le site de clivage ζ. Ces variabilités conformationnelles autour des sites de clivage γ et ζ peuvent avoir des implications importantes dans le mécanisme de clivage et donc dans la production d’Aβ. Il a été aussi démontré que la dernière glycine dans le motif de dimérisation GxxxG est transmembranaire. Ceci peut impliquer que la dimérisation via ce motif pourrait servir d’ancrage et conférer une orientation transmembranaire stable au segment transmembranaire de l’APP.<p><p>Le peptide amyloïde β est directement lié à la maladie d’Alzheimer. Partant de sa forme monomérique, l’Aβ s'agrège pour produire en final des fibrilles et aussi de manière transitoire toute une gamme d'oligomères, ces derniers étant la plupart neurotoxiques. Une dérégulation de l’homéostasie du Ca2+ dans le cerveau vieillissant et dans des troubles neurodégénératifs joue un rôle crucial dans de nombreux processus et contribue au dysfonctionnement et à la mort cellulaire. Nous avons postulé que le calcium peut permettre ou accélérer l'accumulation d'Aβ. Le modèle d'accumulation d'Aβ (1-40) et celui d'Aβ (1-40) E22G, un peptide amyloïde portant la mutation arctique qui cause une apparition prématurée de la maladie, ont été comparé. Nous avons constaté qu'en présence de Ca2+, l’Aβ (1-40) forme de préférence des oligomères semblables à ceux formés par l’Aβ (1-40) E22G avec ou sans Ca2+, tandis qu'en absence de Ca2+ l'Aβ (1-40) s’agrège sous forme de fibrilles. Les ressemblances morphologiques entre oligomères ont été confirmées par microscopie de force atomique. La distribution des oligomères et des fibrilles dans des échantillons différents a été détectée par électrophorèse sur gel suivie d’une analyse par Western blot, dont les résultats ont été confirmés par des expériences de fluorescence à la thioflavine T. Dans les échantillons sans Ca2+, l’ATR-FTIR révèle la conversion des oligomères en feuillets β antiparallèles en la conformation caractéristique des fibrilles en feuillets β parallèles. En général, ces résultats nous ont ameré à conclure que les ions calcium stimulent la formation d'oligomères d'Aβ (1-40), qui sont impliqués dans la pathogénèse d'AD.<p><p>Malgré les progrès énormes obtenus dans la compréhension de la maladie (AD), il reste un défi majeur, celui du développement de médicaments nouveaux et efficaces. Afin d’obtenir des éclaircissements sur le mécanisme d'action de deux nouveaux puissants modulateurs de la γ-sécrétase - le benzyl-carprofen et le sulfonyl-carprofen dans la bicouche lipidique, la technique de RMN à l’état solide a été employée. Précédemment, les dérivés du carprofen ont été localisés dans des membranes de lipides par des expériences de diffusion (scattering) des neutrons. Les contraintes déterminées à partir des expériences de ssNMR ont permis d’affiner leurs positions et d’obtenir une orientation précise dans la double couche lipidique. Ces résultats combinés indiquent que le mécanisme probable de modulation du clivage par la γ-sécrétase est une interaction directe des carprofènes avec le domaine TM de l’APP. Une telle interaction, empêcherait à la formation de dimères d'APP, dimérisation nécessaire au clivage séquentiel par la γ-sécrétase, diminuant ou réduisant ainsi énormément la production d’Aβ, tout particulièrement d’Aβ42.<p><p>Les résultats de ce travail apporte de nouvelles informations sur les processus clés impliqués dans l'AD; Production de l'Aβ à partir de l'APP, formation des oligomères d'Aβ et mécanisme d'action potentiel de molécules thérapeutiques. Nous pensons que ces résultats pourront permettre une meilleure compréhension de la maladie et pourront aider dans la conception de nouveaux médicaments contre cette maladie.<p><p>Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder and the most common form of dementia. There is no cure and the disease is fatal. One of the characteristic histopathological markers of AD is the presence of proteinaceous deposits, amyloid plaques, in the brain. These plaques are formed by the amyloid β-peptides (Aβ) 40- and 42-residue-long, which are protease cleavage products of the amyloid precursor protein (APP). Elucidation of some of the key processes in the cause and the development of AD is crucial for the development of new and efficient treatments.<p><p>Conformational properties of the transmembrane (TM) segment of APP may affect its proteolytic processing by γ-secretase. These properties have not been definitely established. In addressing the role of structural variations of the TM sequence in APP processing, structural details of the chemically synthesized APP_TM4K peptides within the membrane bilayers were studied using Attenuated total reflection Fourier transform spectroscopy (ATR-FTIR) and solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) techniques. While the overall secondary structure of the APP_TM4K peptide is an α-helix, conformational and orientational heterogeneity was observed for the γ-cleavage site and, to a smaller extent, for the ζ-cleavage site. Evidence for the conformational variability around γ- and ζ-cleavage sites may have important implications for the cleavage mechanism and hence for the Aβ production. It was also found that the last glycine within the sequence of GxxxG motifs is in the transmembrane orientation, implying that dimerization via these motifs may act as an anchor, confining the TM dimer to the stable transmembrane orientation. <p><p>Amyloid β-peptide is directly linked to AD. Starting from its monomeric form, Aβ aggregates into fibrils and / or oligomers, the latter being the most neurotoxic. Dysregulation of Ca2+ homeostasis in aging brains and in neurodegenerative disorders plays a crucial role in numerous processes and contributes to cell dysfunction and death. Here we postulated that calcium may enable or accelerate the aggregation of Aβ. The aggregation pattern of Aβ(1-40) and of Aβ(1-40)E22G, an amyloid peptide carrying the Arctic mutation that causes early onset of the disease, were compared. We found that in the presence of Ca2+, Aβ(1-40) preferentially formed oligomers similar to those formed by Aβ(1-40)E22G with or without added Ca2+, whereas in the absence of added Ca2+ the Aβ(1-40) aggregated to form fibrils. Morphological similarities of the oligomers were confirmed by contact mode atomic force microscopy (AFM) imaging. The distribution of oligomeric and fibrillar species in different samples was detected by gel electrophoresis and Western blot analysis, the results which were further supported by thioflavin T fluorescence experiments. In the samples without Ca2+, Fourier transform infrared spectroscopy revealed conversion of oligomers from an anti-parallel β-sheet to the parallel β-sheet conformation characteristic of fibrils. Overall, these results led us to conclude that calcium ions stimulate the formation of oligomers of Aβ(1-40), that have been implicated in the pathogenesis of AD. <p><p>Despite the tremendous progress in understanding AD, there remains the challenge of the development of new and efficient drugs. In order to shed light onto the mechanism of action of two new potent γ-secretase modulators -- benzyl-carprofen and sulfonyl-carprofen within lipid bilayers, ssNMR technique was employed. Using neutron scattering experiments it was previously found that sulfonyl-carprofen and benzyl-carprofen partition into the headgroup region of the lipid bilayer. The orientational constraints derived from the ssNMR experiments refined their position into precise orientation. Combined, these results indicate that carprofen-derivatives can directly interact with the region of APP that mediates dimerization. Such interaction, would interfere with proper APP-dimer formation, which is necessary for the sequential cleavage by γ-secretase, diminishing or greatly reducing Aβ42 production.<p><p>Results obtained during this work shed new light onto some of the key processes in AD: Aβ production from APP, formation of Aβ oligomers and insights into the mechanism of action of potential therapeutics. We believe that these results will promote a better understanding of the disease and will help in future drug design.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de thèse a permis de caractériser avec succès des analogues structuraux de l´allopregnanolone présentant pour certains d'entre eux des effets bénéfiques et des avantages par rapport à la molécule de référence. En particulier, l'analogue O-allyl-AP, qui stimule in vitro la prolifération des cellules progénitrices, la différenciation neuronale et protège les cellules souches neurales adultes contre l'apoptose induite par le peptide Aβ42, est aussi efficace in vivo pour contrecarrer le déclin de la neurogenèse lié à l'âge et améliorer les performances cognitives au cours du vieillissement. De façon intéressante, les effets proliférateur et neuroprotecteur de l´O-allyl-AP semblent impliquer différents mécanismes d'action. Des expériences supplémentaires sont nécessaires pour conclure sur la capacité de l´O-allyl-AP à stabiliser le déclin de l'activité neurologique et à réduire les caractéristiques physiopathologiques de la Maladie d'Alzheimer (MA) chez les souris Tg2576. Nos résultats ouvrent des perspectives intéressantes pour l'application de l´O-allyl-AP dans le développement de stratégies thérapeutiques contre la MA et les maladies neurodégénératives. / This PhD work allowed us to successfully characterize structural analogs of allopregnanolone. Some of these analogs showed beneficial effects and advantages with respect to the molecule of reference. In particular, the analog O-allyl-AP stimulates proliferation of progenitor cells in different neural in vitro models, neuronal differentiation and protects adult neural stem cells against Aβ-induced apoptosis. In addition, O-allyl-AP is effective in counteracting the decline in neurogenesis related to age and in improving cognitive performance during aging. Interestingly, proliferative and neuroprotective effects seem to involve different mechanisms of action. Additional experiments are needed to confirm our preliminary data about the ability of O-allyl-AP to attenuate the decrease of neurogenic activity and to reduce pathophysiological hallmarks of Alzheimer disease (AD) in Tg2576 mice. Our findings provide interesting perspectives for using O-allyl-AP in the development of therapeutic strategies against AD and other neurodegenerative diseases.

Ce mémoire rapporte les études de protéines amyloïdes en interaction avec des membranes modèle afin d’établir une relation structure toxicité. Nous avons choisi différents modèles membranaires (monocouches, bicouches) de composition lipidique et charges différentes et utilisé différentes méthodes physico-chimiques afin de caractériser les interactions des protéines amyloïdes avec les membranes.Nous avons montré l’importance de la contribution électrostatique dans les interactions de la protéine amyloïde HET-s (218-289) et ses mutants avec les membranes modèles.L’ellipsométrie a démontré que les mutants toxiques de HET-s (218-289) (M8, WT.Y1Y2V2) perturbentfortement les monocouches lipidiques à l’interface air-eau. La structure riche en feuillets β antiparallèles des protéines àl’interface air-eau et dans l’interaction avec les monocouches de lipides a été démontrée par la spectroscopie PMIRRAS (Polarization Modulation – Infrared Reflection Absorption Spectroscopy). Nous avons établie que l’interface air-eau peut modifier l’agrégation des protéines amyloïdes. A l’aide de la spectroscopie de fluorescence, la spectroscopie PWR (Plasmon-Waveguided Resonance) et la spectroscopie ATR-FTIR (Attenuated Total Reflection – Fourier Transform Infrared), nous avons mis en évidence que la protéine toxique M8 adopte une structure riche en feuillets β antiparallèles en altérant fortement l’intégrité des bicouches lipidiques. Au contraire, la protéine non toxique WT se structure en feuillets β parallèles dans ces interactions et elle ne perturbe pas l’homogénéité des membranes. La toxicité de la protéine M8 semble liée à son organisation différente et à sa capacité à réorganiser les membranes.Nos résultats confortent également l’hypothèse de la toxicité des oligomères amyloïdes.Une étude sur la fabrication d’une cellule microfluidique pour la séparation de différents types d’autoassemblage afin de les détecter et de les étudier en interaction avec des liposomes par spectroscopie infrarouge est présentée. Une cellule microfluidique de CaF2 de 8 μm d’épaisseur de canaux est obtenue et est utilisée pour la détection d’une protéine de test. / This manuscript reports the studies of amyloid proteins in interaction with membrane models in order to establish their structure-toxicity relationship.Membrane models (monolayer, bilayer) of different charge and lipid composition were used. We used various physico chemical methods to characterize the interaction of these amyloid proteins with membranes.We showed the importance of the electrostatic contribution in the interactions of the amyloid protein HET-s(218-289) and its mutants with model membranes.Ellipsometry showed that the toxic mutants of HET-s (218-289) (M8, WT.Y1Y2V2) strongly disturbed thelipid monolayers at the air-water interface. The structure rich in antiparallel β sheets of auto-assembled proteins at theair-water interface and in interaction with lipid monolayers at the air-water interface has been demonstrated by the PMIRRAS spectroscopy (Polarization Modulation - Infrared Reflection Absorption Spectroscopy). We established that theair-water interface can change the aggregation properties of amyloid proteins.By using fluorescence spectroscopy, PWR spectroscopy (Plasmon Resonance-Waveguided spectroscopy) and ATR-FTIR spectroscopy (Attenuated Total Reflection - Fourier Transform Infrared spectroscopy), we found that thetoxic protein (M8) adopted a structure rich in antiparallel β sheets greatly altered the integrity of lipid bilayers. Incontrast, the protein non-toxic (WT) organized in a structure rich in parallel β sheets in these interactions and it did notdisturb the homogeneity of the membranes. The toxicity of the protein M8 appears to be related to its differentorganization and its ability to rearrange membranes.Our results also support the hypothesis of the toxicity of amyloid oligomers.A study on the fabrication of a microfluidic cell for the separation of different aggregation states of amyloidproteins in order to detect these assemblies and to study their interaction with liposomes by infrared spectroscopy is presented. A CaF2 microfluidic cell with channels of 8 μm of thickness was obtained and was used for the detection of atested protein.

Il a été observé que l’altération des fonctions des granules de stress, entités cytoplasmiques non-membranaires composées d’ARN et de protéines liant l’ARN (RBPs), peut conduire au développement de maladies telles que la sclérose latérale amyotrophique, la démence fronto-temporale, la myopathie à inclusions et la maladie de Paget des os. Ces pathologies sont caractérisées par un dépôt cytoplasmique d’inclusions solides enrichies en RBPs et comprenant des fibrilles. Une connexion génétique a été suggérée entre la persistance des granules de stress et l’accumulation de ces inclusions pathologiques dans le cytoplasme des patients. Dans mon manuscrit de thèse, il est mis en évidence le fait que la protéine hnRNPA1, dont les mutations entrainent les maladies mentionnées plus haut, subit une séparation de phases entre deux liquides connue également sous l’appellation « Séparation de Phases Liquide-Liquide » (LLPS) dans des gouttelettes enrichies en protéines. Bien que le domaine composé d’une séquence à faible complexité (Low Complexity sequence Domains ou LCD) soit suffisant pour obtenir cette séparation de phases, les domaines de liaison à l’ARN y contribuent également en présence d’ARN. Cela a permis d’envisager l’existence de plusieurs mécanismes intervenant dans la régulation de l’assemblage de ces granules. Un autre résultat a mis en exergue le fait que la formation de fibrilles n’est pas une obligation pour permettre la séparation de phases mais que les gouttelettes, enrichies en protéines, entrainent, par ailleurs, une augmentation de la formation de ces fibrilles. La séparation de phases liquide-liquide induite par le domaine composé d’une séquence à faible complexité semble contribuer à l’assemblage des granules de stress et à leurs propriétés liquides. Finalement, cette étude propose d’établir une réelle corrélation entre la formation des granules de stress qui deviennent persistants et l’accumulation d’inclusions pathologiques dans le cytoplasme des patients. / Stress granules are membrane-less organelles composed of RNA-binding proteins (RBPs) and RNA. Functional impairment of stress granules has been implicated in amyotrophic lateral sclerosis, inclusion body myopathy, Paget’s disease of bone and frontotemporal dementia; these diseases are characterized by solid, fibrillar, cytoplasmic inclusions that are rich in RNA binding proteins (RBPs). Genetic evidence suggests a link between persistent stress granules and the accumulation of pathological inclusions. In this thesis manuscript, I demonstrate that the disease-related RBP hnRNPA1 undergoes liquid-liquid phase separation (LLPS) into protein-rich droplets mediated by a low complexity sequence domain (LCD). While the LCD of hnRNPA1 is sufficient to mediate LLPS, the folded RNA recognition motifs contribute to LLPS in the presence of RNA, potentially giving rise to several mechanisms for regulating assembly of stress granules. Importantly, while not required for LLPS, fibrillization is enhanced in protein-rich droplets. I suggest that LCD-mediated LLPS contributes to the assembly of stress granules and their liquid properties, and provides a mechanistic link between persistent stress granules and fibrillar protein pathology in disease.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue à travers le monde et reste actuellement incurable. Le peptide beta amyloïde (Abeta), composant principal des plaques séniles retrouvées dans le cerveau des patients, joue un rôle majeur dans le développement de la MA, d'où l'importance de contrôler sa production et/ou son élimination. Dans cette optique, nous travaillons sur des molécules nommées métalloprotéases matricielles (MMPs). Bien qu'ayant été impliquées à la fois dans de nombreux processus physiologiques et pathologiques dans système nerveux, leur rôle dans la MA reste encore relativement inexplorée. Nous avons utilisé comme modèle d'étude des souris qui développent les symptômes de la MA (déclin cognitif, mort des neurones). Nous montrons que deux MMPs, MMP-2 et MT1-MMP, augmentent leurs niveaux d'expression avec le vieillissement de l'animal et donc avec l'aggravation de la pathologie. Ceci a lieu dans l'hippocampe, une région du cerveau qui est particulièrement sensible car elle est impliquée dans l'apprentissage et la mémoire. Par la suite nous avons utilisé des cellules HEKswe qui produisent beaucoup d'Abeta et miment d'une certaine manière ce qui se passe dans le cerveau de la souris, afin de mieux appréhender la signification des augmentations de ces MMPs. Nous montrons que la surexpression de MT1-MMP dans ces cellules favorise la formation d'Abeta, alors que MMP-2 l'empêche. Ces résultats montrent pour la première fois une dualité fonctionnelle au sein de la famille des MMPs, et plus important, révèlent une nouvelle molécule amyloïdogénique (MT1-MMP) qui pourrait devenir à terme une cible thérapeutique. / We investigate the role of matrix metalloproteinases in the metabolism of beta amyloid peptide (Abeta) and its amyloid precursor protein (APP) in Alzheimer's disease (AD). Our results in the 5xFAD mouse model of AD indicate a cell-type and age-dependent upregulation of MMP-2 -and MT1-MMP active forms. This is concomitant with the increase of toxic forms of Abeta, but also of cytotoxic C99, a membrane fragment of APP generated by beta-secretase and that gives rise to Abeta after gamma-secretase cleavage. We show in HEK cells overproducing Abeta that while MT1-MMP interacts with APP and boosts C99 and Abeta production, MMP-2 does not interact with APP and degrades Abeta. These results uncover a MMP-specific regulatory crosstalk with amyloid and also MT1-MMP as a new pro-amyloidogenic proteinase. We want now to gain further insight into the mechanisms that support MT1-MMP effects, namely the possible modulation by MT1-MMP of beta- and gamma-secretase activities and/or APP trafficking.

Le diagnostic de la maladie d’Alzheimer (MA) est tardif et présente un manque de fiabilité en regard de l’examen neuropathologique postmortem permettant de confirmer ce diagnostic. En effet, les présentations cliniques de la MA peuvent être multiples et parfois atypiques. Des anomalies dans les concentrations des protéines tau, tau phosphorylées et amyloïdes bêta, au sein du liquide céphalorachidien (LCR), ont permis d’améliorer le diagnostic du vivant du patient. Nous avons évalué la performance de ces marqueurs, dans le LCR, utilisés pour le diagnostic de la MA dans les formes syndromiques atypiques. L’utilisation de ces marqueurs augmente la précision du diagnostic lors de ces différentes présentations cliniques. De plus, nous avons mis au point un test diagnostic biochimique postmortem des différentes tauopathies permettant de mieux les caractériser en complément de l’examen neuropathologique. Enfin, nous avons conçu et caractérisé des anticorps spécifiquement dirigés contre la protéine tau phosphorylée en position 231. Cet outil nous a permis de développer un test ELISA dans le LCR. Des résultats préliminaires suggéreraient une interaction in vivo entre les protéines tau et Prion. Ces résultats, décrits pour la première fois, sont corrélés à nos observations histologiques / Diagnosis of Alzheimer’s disease (AD) is late with a lack of reliability with regard to postmortem neuropathological examination that permits to confirm this diagnosis. Indeed, many clinical presentations of AD can occur and sometimes atypical. Anomalies in cerebrospinal fluid (CSF) levels of tau, phosphorylated tau and amyloid beta proteins permitted to improve antemortem diagnosis. We evaluated biomarkers performance, into CSF, used for AD diagnosis in syndromal atypical forms. The use of these biomarkers increases the accuracy of diagnosis during these different clinical presentations. Moreover, we adjusted a biochemical postmortem diagnosis test of tauopathies giving the interest to better characterize them in addition to neuropathological examination. Finally, we developed and characterized antibodies specifically directed against phosphorylated tau protein on 231 epitope. This tool permitted to make an ELISA test in CSF. Preliminary results may suggest an in vivo interation between tau and Prion proteins. These results, described for the first time, correlated with our histological observations

Les stilbènes sont des composés phénoliques issus du métabolisme secondairevégétal, dont la distribution au sein du règne végétal est limitée aux espèces qui ont acquis aucours de l’évolution la capacité à synthétiser ces molécules. Leurs impacts et leurs activitésbiologiques tels que les effets neuroprotecteurs, anticancérigènes, antioxydants ont déjàconcerné plusieurs sujets d’étude. C’est dans ce contexte que l’objectif de notre travail a prisnaissance. Dans un premier temps, nous avons isolé et identifié ces molécules chez quelquesespèces de la famille des Cypéracées. Cette étude phytochimique a été réalisée en utilisant unensemble de stratégies analytiques et préparatives faisant appel à la CLHP analytique etpréparative et la CPC (Chromatographie de Partage Centrifuge) pour l’obtention desmolécules pures et à la LC-Masse et la RMN pour l’identification des composées isolés. Dansun second temps, nous avons étudié les activités biologiques in vitro de ces produits telles queles activités antioxydantes par trois méthodes (ORAC, DPPH et MCA) et l’effet de cesstilbènes sur la cytotoxicité neuronale induite par le peptide β-amyloïde avec des cellulesPC12. Nous avons isolé une nouvelle molécule, le carexinol A, pour la première fois, qui amontré une forte activité anti-amyloïde. La dernière partie de cette thèse fait état de l’analyseet du dosage des stilbènes dans des vins tunisiens dont le vin Sidi Zahia qui a donné lesmeilleurs résultats. / Stilbenes are phenolic compounds of plant secondary metabolism, whosedistribution within the plant kingdom is limited to species that have acquired during theevolution the ability to synthesize these molecules. Their impacts and their biologicalactivities such as neuroprotective, anticarcinogenic, antioxidant effects have already touchedseveral topics. It is in this context that the purpose of our work arose. First, we have isolatedand identified these molecules in some species of the sedge family. Phytochemical studieswere performed using a set of analytical and preparative strategies by means of analytical andpreparative HPLC and CPC (Centrifugal Partition Chromatography) for obtaining puremolecules and LC-Mass and NMR for identification of compound isolated. In a second step,we investigated the in vitro biological properties of these products such as antioxidantactivities by three methods (ORAC, DPPH and MCA) and their effect on neuronalcytotoxicity induced by β-amyloid peptide with PC12 cells. We isolated a new molecule, forthe first time, carexinol A, that showed strong anti-amyloid activity. The last part of this thesisrefers to the analysis and determination of stilbenes in Tunisian wines including Sidi Zahiawine that gave the best results.

La maladie d'Alzheimer, maladie neurodégénérative la plus courante, est la cause de50% des cas de démence. La maladie d’Alzheimer est provoquée par l'agrégation d'unamyloïde, le peptide Aβ1-42, dans le cerveau des patients.De nombreuses études relient la toxicité des amyloïdes à l'existence de diversesstructures intermédiaires survenant avant la formation des fibres et / ou leur interactionspécifique avec les membranes.Dans cette étude, nous nous sommes centrés sur l'interaction entre des modèlesmembranaires et le peptide Aβ1-42 (WT et des mutants plus ou moins toxiques) évaluée parplusieurs techniques biophysiques (ellipsométrie, PM-IRRAS, fluorescence de la ThT, fuitede calcéine, PWR, cryo-MET). Nous avons tout d'abord étudié l’interaction avec des modèlesde membrane simples (100% DOPG ou 100% DOPC). Nous avons établi que la force motricede l'interaction entre tous les peptides et la membrane n’est pas régie par des interactionsélectrostatiques, mais est favorisée en présence des têtes polaires PG qui peuvent interagiravec le peptide par l'intermédiaire de liaisons hydrogènes. Nous avons démontré quel'oligomère le plus toxique induit des dommages sur les membranes de PG, ce qui diminue laformation de fibres.Une nouvelle composition lipidique constituée de GM1, cholestérol, sphingomyélineet POPC a été choisie pour mimer les membranes neuronales. Des techniques innovantes : laspectroscopie infrarouge à l'échelle nanométrique et l’AFM haute-vitesse ont été utilisées,respectivement, pour accéder à la morphologie et la structure secondaire des peptides enprésence de membranes et observer la dynamique de cette interaction. Les résultats obtenusmontrent que les gangliosides GM1 et le cholestérol jouent un rôle central dans l'interactiond’Aβ avec les membranes. Nous avons été en mesure de proposer un modèle du mécanismed'interaction : Aβ1-42 s’accumule sur les domaines de GM1 présents dans la membrane via desliaisons hydrogène, puis s’insère dans la membrane par les domaines enrichis en cholestérol.Le cholestérol et les gangliosides sont nécessaires pour l'interaction d’Aβ1-42 avec lamembrane.Afin de suivre la cinétique d'agrégation d’Aβ et de comprendre ses différents étatsd'agrégation par spectroscopie infrarouge, l’élaboration d’une cellule microfluidique adaptée aété entreprise. / Alzheimer’s disease is the most common neurodegenerative disease, leading to 50% ofdementia cases, caused by the aggregation of an amyloid, the Aβ1-42 peptide in patients brain.Many studies link the toxicity of amyloids, as A1-42 involved in Alzheimer disease, tothe existence of various intermediate structures prior to fiber formation and /or their specificinteraction with membranes.In this study we focused on the interaction between membrane models and A1-42peptides and variants more or less toxic with several biophysical techniques (ellipsometry,PM-IRRAS, ThT fluorescence, calceine leakage, PWR, cryo-TEM). First, with simplemembrane models (pure DOPG or pure DOPC), we established that the driving force for theinteraction between all the peptides and membrane is not governed by electrostatic interactionbut is favored in presence of PG headgroups that may interact with peptide via hydrogenbonding. We demonstrated that the most toxic oligomer induces PG membrane damage,decreasing the formation of fibers.New lipid composition GM1, cholesterol, sphingomyelin and POPC has been chosento mimic neuronal membranes. Innovative techniques: as nanoscale infrared spectroscopy andhigh-speed AFM were used to assess to the morphology and the secondary structure of thepeptides in presence of membrane and to observe the dynamic of this interaction,respectively. The results obtained show that the gangliosides GM1 and the cholesterol play acentral role in the interaction of Aβ with membranes. We were able to propose a model of theinteraction mechanism: Aβ1-42 firstly accumulates on the GM1 domains present in themembrane via hydrogen bonding and then inserts the membrane in the cholesterol enricheddomains. Cholesterol and gangliosides are required for the interaction of Aβ1-42 withmembrane.In order to follow the kinetic of Aβ agregation and understand its different agregationstates with infrared spectroscopy, a microfluidic cell fabrication has been investigated.