Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson’s disease (PD) are defined by neurodegeneration and accumulations of misfolded proteins that spread through the brain in a well characterized manner. In AD these accumulations consist mainly of β-amyloid (Aβ) and tau, while in PD, α-synuclein (α-syn) make up the characteristic lewy pathology.     The general aim of this thesis was to investigate mechanisms associated with neurotoxic peptide activity by Aβ, tau and α-syn in relation to cellular degradation and transfer with a cell-to-cell transfer model system.    We found that intercellular transfer of oligomeric Aβ occurs independently of isoform. However, the amount of transfer correlates with each isoforms ability to resist degradation or cellular clearance. The Aβ1-42 isoform showed particular resistance to clearance, which resulted in higher levels of cell-to-cell transfer of the isoform and lysosomal stress caused by accumulation.    As Aβ accumulations can inhibit the proteasomal degradation we investigated how reduced proteasomal degradation affected neuron-like cells. We found increased levels of phosphorylated tau protein, disturbed microtubule stability and impaired neuritic transport after reduced proteasomal activity. These changes was partly linked to c-Jun and ERK 1/2 kinase activity.    We could also show that α-syn transferred from cell-to-cell in our model system, with a higher degree of transfer for the larger oligomer and fibrillar species. Similar to Aβ, α-syn mainly colocalized with lysosomes, before and after transfer.     Lastly, we have developed our cell-to-cell transfer system into a model suitable for high throughput screening (HTS). The type of cells have been upgraded from SH-SY5Y cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs), with a differentiation profile more similar to mature neurons. The next step will be screening a small molecular library for substances with inhibitory effect on cell-to-cell transfer of Aβ peptides.     The importance of the degradative systems in maintaining protein homeostasis and prevent toxic accumulations in general is well known. Our findings shows the importance of these systems for neurodegenerative diseases and also highlight the link between degradation and cell-to-cell transfer. To restore or enhance the degradative systems would be an interesting avenue to treat neurodegenerative diseases. Another way would be to inhibit the transfer of misfolded protein aggregates. By using the HTS model we developed, a candidate substance with good inhibitory effect on transfer can hopefully be found.

Les macrophages sont une cible particulièrement importante de l’infection par le VIH-1 et jouent un rôle crucial dans la physiopathologie de l’infection. Lorsqu’ils sont infectés, leur capacité de survie dans les tissus leur permet de jouer un rôle essentiel dans la dissémination virale et l’établissement de réservoirs viraux au niveau des différents territoires tissulaires. In vitro, les étapes précoces et tardives du cycle de réplication virale dans les macrophages ont été analysées dans le cadre de l’infection par des virus libres. Cependant, les modalités d’infection des macrophages lors d’une transmission intercellulaire reste largement inexplorées. Les travaux présentés ici ont permis d’établir un modèle de transmission intercellulaire du VIH-1 de lymphocytes T infectés vers les macrophages. Nous avons montré que les lymphocytes T infectés sont capables d’interagir étroitement avec les macrophages, conduisant ainsi à la fusion cellulaire de ces deux cellules et permettant le transfert de matériel viral dans les macrophages cibles. Ce transfert viral par fusion cellulaire, rapide et efficace, est restreint aux virus utilisant le corécepteur CCR5 et dépend de l’interaction entre l’enveloppe virale et le récepteur CD4. Les virus transférés sont alors stockés au sein de compartiment cytoplasmique des cellules fusionnées mais nous observons également des évènements précoces d’assemblage et de bourgeonnement du VIH-1 à la membrane plasmique des cellules fusionnées résultant de la fusion des membranes des lymphocytes T infectés et des macrophages cibles. Ces cellules fusionnées acquièrent alors la capacité de fusionner avec les macrophages non infectés environnants permettant la dissémination du VIH-1. L’ensemble de ces résultats met en évidence un nouveau mécanisme de transmission intercellulaire entre lymphocytes T et macrophages via un mécanisme de double fusion cellulaire dépendant de l’enveloppe virale et des récepteurs CD4 et CCR5. Ces évènements successifs de fusion entre lymphocytes T et macrophages puis entre macrophages permettent la formation de cellules géantes multinucléés capables de produire de grande quantité de virus infectieux. Ces cellules multinculées pourraient correspondre aux macrophages multinuclées observés in vivo dans les organes lymphoïdes et le système nerveux central de patients infectés par le VIH-1 ou de singes infectés par le SIV. Ce mécanisme représente donc un modèle de transmission intercellulaire original permettant la dissémination virale et la formation de macrophages réservoirs durant l’infection par le VIH-1. / Macrophages are important targets of HIV-1 and play crucial roles in physiopathology of infection. Because of their long time survival capacity, infected macrophages participate in virus dissemination and establishment of persistent virus reservoirs in numerous tissues. In vitro, macrophages infection and analysis of the different steps of the virus cycle have been largely documented using cell-free virus infection. However, there is a paucity in knowledge of the mechanisms that control infection and dissemination to macrophages by cell-to-cell transfer. In the work presented here, we establish a model of HIV-1 cell-to-cell transfer from infected T cells to macrophages. We observed that infected T cells are able to interact with macrophages leading to cell fusion for transfer of viral material to macrophages targets. This cell-to-cell fusion transfer, very fast and efficient, is restricted to CCR5-tropic viruses, and mediated by viral envelope-receptor interactions. Transferred viruses can then accumulate in cytoplasmic compartments of newly lymphocyte/macrophages fused cells but we also observed early viral assembly and budding events at the plasma membrane of these fused cells, resulting from the merge of viral material between infected T cells and macrophages. These cells then acquire the ability to fuse with neighboring non-infected macrophages for virus dissemination. Together, these two-sequential envelope-dependent cell fusion process lead to the formation of highly virus-productive multinucleated giant cells reminiscent of the infected multinucleated giant macrophages detected in vivo in lymphoid organs and the central nervous system of HIV-1 infected patients and simian immunodeficiency virus-infected macaques. These mechanisms may represent an original mode of virus transmission for viral spreading and formation of macrophage virus reservoirs during HIV-1 infection.

Les cellules présentatrices d'antigènes (APCs) présentes dans les muqueuses comptent parmi les première cibles du VIH-1 et participent à sa dissémination dans l'organisme. Durant ma thèse, j'ai étudié le transfert du VIH des macrophages (Mφ) et des cellules dendritiques (DCs) aux lymphocytes T. J'ai montré que ces APCs transfèrent efficacement le virus aux lymphocytes par le biais de différents mécanismes: transfert direct en trans dans les coculture Mφ/T, et transfert en cis (suite à la production de nouveaux virions) dans les DCs/T. Ces deux modes de transfert sont inhibés par les anticorps neutralisants (AcN). De manière intéressante, certains AcN anti-gp120 inhibaient plus efficacement le transfert du VIH dans les cocultures Mφ/T que dans les cocultures DCs/T et l'infection des cellules T par le virus libre. Ces résultats suggèrent que les APCs participent activement au transfert et à la dissémination du VIH et que les AcN sont capable d'inhiber ces différents modes de transfert. / Antigen-presenting cells (APCs) present at mucosal sites are among the first HIV-1 target cells and contribute to the spread of infection. During my thesis, I studied HIV transfer from macrophages (Mφ) and dendritic cells (DCs) to CD4-T lymphocytes. I showed that APCs were able to efficiently transfer HIV particles to lymphocytes, but through different mechanisms: Mφ rapidlytransferred HIV by direct trans-transfer, whereas DCs were mainly implicated in cistransfer (after production of de novo HIV). Moreover, I have demonstrated that these two modes of transfer were inhibited by neutralizing antibodies (NAb) in both type ofcocultures. Very interestingly, I showed that anti-gp120 NAb inhibit more efficiently HIV transfer in Mφ/T than in DCs/T cocultures and T cells infection by free viral particles. These findings highlight the major contributions of various mucosal target cells in HIV transfer and demonstrate the potent role of NAb on inhibition of cell-to-cell transfer.

La transmission mère-enfant du VIH-1 (TME) représente le principal mode d’infection chez l’enfant et se produit durant la grossesse (in utero, IU), l’accouchement (intrapartum, IP) ou l’allaitement (postpartum, PP). Les mécanismes qui sous-tendent le passage du VIH-1 à travers le placenta et les muqueuses intestinales du nouveau-né sont encore très peu décrits. « Dendritic cell-specific ICAM-grabbing non-integrin » (DC-SIGN) et son homologue DC-SIGN « related » (DC-SIGNR) sont des récepteurs d’antigènes exprimés au niveau du placenta et capables de capter et de transmettre le VIH-1 aux cellules adjacentes. Ils pourraient donc participer au passage trans placentaire du VIH-1 et le polymorphisme génétique affectant l’expression ou modifiant l’interaction avec le virus aurait une influence sur la TME du VIH-1. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons procédé à une analyse exhaustive du polymorphisme de DC-SIGN et DC-SIGNR dans la population du Zimbabwe. Par la suite, nous avons déterminé l’association entre le polymorphisme de DC-SIGN et DC-SIGNR et la TME du VIH-1 dans une cohorte d’enfants nés de mères VIH-positives à Harare, au Zimbabwe. Enfin, nous avons défini l’impact fonctionnel des mutations associées. Les enfants homozygotes pour les haplotypes H1 et H3 dans le gène de DC-SIGNR sont 4 à 6 fois plus à risque de contracter le VIH-1 par voie IU et IP. H1 et H3 contiennent la mutation du promoteur p-198A et la mutation de l’intron 2, int2-180A, et des études fonctionnelles nous ont permis de démontrer que p-198A diminue l’activité transcriptionnelle du promoteur de DC-SIGNR et l’expression des transcrits d’ARNm dans le placenta, alors que int2-180A modifie le répertoire d’isoformes de DC-SIGNR vers une proportion diminuée d’isoformes membranaires. Les enfants porteurs des haplotypes H4 et H6 de DC-SIGN sont 2 à 6 fois plus à risque de contracter le VIH-1 par voie IU. Ces haplotypes contiennent deux mutations du promoteur (p-336T/C et p-201C/A) et quatre mutations codant pour un changement d’acide aminé dans l’exon 4 (R198Q, E214D, R221Q ou L242V) associées à un risque augmenté de transmission IU, IP et PP du VIH-1. Des études fonctionnelles ont démontré que les mutations du promoteur diminuent l’expression de DC-SIGN dans les macrophages placentaires. Toutefois, l’exposition IU au VIH-1 module le niveau d’expression de DC-SIGN, résultant en des niveaux d’expression similaires entre les macrophages des porteurs des allèles sauvages et mutés. Les mutations de l’exon 4 augmentent l’affinité de DC-SIGN pour le VIH-1 et sa capacité à capturer et à transmettre le virus aux lymphocytes T, favorisant possiblement la dissémination du VIH-1 à travers le placenta. L’association entre les mutations de DC-SIGN et la transmission IP et PP du VIH-1 suggèrent qu’il aurait aussi un rôle à jouer dans les muqueuses intestinales de l’enfant. Notre étude démontre pour la première fois l’implication de DC-SIGN et DC-SIGNR dans la TME du VIH-1. L’augmentation des capacités de capture et de transmission de DC-SIGN résulte en une susceptibilité accrue de l’enfant à l’infection au VIH-1 et concorde avec un rôle dans la dissémination transplacentaire. Toutefois, la diminution préférentielle des transcrits membranaires de DC-SIGNR au placenta augmente la TME du VIH-1 et laisse croire à son implication via un autre mécanisme. Ces mécanismes pourraient aussi s’appliquer à d’autres pathogènes reconnus par DC-SIGN et DC-SIGNR et transmis de la mère à l’enfant. / Mother-to-child transmission (MTCT) is the main cause of HIV-1 infection in children worldwide. MTCT of HIV-1 can occur during pregnancy (in utero, IU), delivery (intrapartum, IP) or breastfeeding (postpartum, PP). Dendritic cell-specific ICAM-grabbing non-integrin (DC-SIGN) and its homolog DC-SIGN related (DC-SIGNR) are attachment receptors for HIV-1 and are expressed in the placenta. They have been implicated in viral capture and transmission to T cells. To investigate the potential role of DC-SIGN and DC-SIGNR in MTCT of HIV-1, we carried out a genetic association study in a well-characterized cohort of 197 HIV-infected mothers and their infants recruited in Harare, Zimbabwe. Infants harbouring two copies of DC-SIGNR H1 and/or H3 haplotypes (H1-H1, H1-H3, H3-H3) had a 4-fold increased risk of IU and 6-fold increased risk of IP HIV-1 infection after adjusting for a number of maternal factors. The implicated H1 and H3 haplotypes share two single nucleotide polymorphisms (SNPs) in promoter region (p-198A) and intron 2 (int2-180A) that were associated with increased risk of both IU and IP HIV-1 infection. The promoter variant reduced transcriptional activity in vitro. In homozygous H1 infants bearing both the p-198A and int2-180A mutations, we observed a 4-fold decrease in the level of placental DC-SIGNR transcripts, disproportionately affecting the expression of membrane-bound isoforms compared to infant noncarriers. Infants carrying H4 and H6 haplotypes in DC-SIGN gene were more likely to be HIV-1-infected during pregnancy. These haplotypes contain promoter variants (p-336T/C and p-201C/A) and exon 4 variants (R198Q, E214D, R221Q and L242V) that were all significantly associated with increased risk of MTCT of HIV-1. Compared with wild-type sequence, the promoter variants reduced both the DC-SIGN transcription in vitro and expression (2-fold) in placental macrophages of HIV-1-unexposed infants. However, in HIV-1-exposed infants, the level of DC-SIGN expression in placental macrophages was similar in infants carrying either the promoter wild-type or variant sequences. Exon 4 variants increased HIV-1 capture and transmission to T cells in vitro. Association between DC-SIGN SNPs and HIV-1 IP and PP infection also suggests that DC-SIGN plays an important role in intestinal mucosa. This is the first study reporting on functional impact of DC-SIGN and DC-SIGNR natural polymorphisms on HIV-1 transmission from mother-to-child. Decreased levels of expression of membrane DC-SIGNR isoforms at the placental endothelial cell surface increased child susceptibility to HIV-1. Presence of DC-SIGN variants increasing its affinity for the virus augmented child susceptibility to HIV-1 and may favour viral dissemination across the placental barrier. This study provides compelling evidence to support an important role of DC-SIGN and DC-SIGNR in various modes of MTCT of HIV-1 and shed light on the possible mechanisms involved in HIV-1 passage from mother-to-infant. These findings raise the possibility that similar mechanisms may operate with other human pathogens known to interact with DC-SIGN and DC-SIGNR.

La transmission mère-enfant du VIH-1 (TME) représente le principal mode d’infection chez l’enfant et se produit durant la grossesse (in utero, IU), l’accouchement (intrapartum, IP) ou l’allaitement (postpartum, PP). Les mécanismes qui sous-tendent le passage du VIH-1 à travers le placenta et les muqueuses intestinales du nouveau-né sont encore très peu décrits. « Dendritic cell-specific ICAM-grabbing non-integrin » (DC-SIGN) et son homologue DC-SIGN « related » (DC-SIGNR) sont des récepteurs d’antigènes exprimés au niveau du placenta et capables de capter et de transmettre le VIH-1 aux cellules adjacentes. Ils pourraient donc participer au passage trans placentaire du VIH-1 et le polymorphisme génétique affectant l’expression ou modifiant l’interaction avec le virus aurait une influence sur la TME du VIH-1. Afin d’explorer cette hypothèse, nous avons procédé à une analyse exhaustive du polymorphisme de DC-SIGN et DC-SIGNR dans la population du Zimbabwe. Par la suite, nous avons déterminé l’association entre le polymorphisme de DC-SIGN et DC-SIGNR et la TME du VIH-1 dans une cohorte d’enfants nés de mères VIH-positives à Harare, au Zimbabwe. Enfin, nous avons défini l’impact fonctionnel des mutations associées. Les enfants homozygotes pour les haplotypes H1 et H3 dans le gène de DC-SIGNR sont 4 à 6 fois plus à risque de contracter le VIH-1 par voie IU et IP. H1 et H3 contiennent la mutation du promoteur p-198A et la mutation de l’intron 2, int2-180A, et des études fonctionnelles nous ont permis de démontrer que p-198A diminue l’activité transcriptionnelle du promoteur de DC-SIGNR et l’expression des transcrits d’ARNm dans le placenta, alors que int2-180A modifie le répertoire d’isoformes de DC-SIGNR vers une proportion diminuée d’isoformes membranaires. Les enfants porteurs des haplotypes H4 et H6 de DC-SIGN sont 2 à 6 fois plus à risque de contracter le VIH-1 par voie IU. Ces haplotypes contiennent deux mutations du promoteur (p-336T/C et p-201C/A) et quatre mutations codant pour un changement d’acide aminé dans l’exon 4 (R198Q, E214D, R221Q ou L242V) associées à un risque augmenté de transmission IU, IP et PP du VIH-1. Des études fonctionnelles ont démontré que les mutations du promoteur diminuent l’expression de DC-SIGN dans les macrophages placentaires. Toutefois, l’exposition IU au VIH-1 module le niveau d’expression de DC-SIGN, résultant en des niveaux d’expression similaires entre les macrophages des porteurs des allèles sauvages et mutés. Les mutations de l’exon 4 augmentent l’affinité de DC-SIGN pour le VIH-1 et sa capacité à capturer et à transmettre le virus aux lymphocytes T, favorisant possiblement la dissémination du VIH-1 à travers le placenta. L’association entre les mutations de DC-SIGN et la transmission IP et PP du VIH-1 suggèrent qu’il aurait aussi un rôle à jouer dans les muqueuses intestinales de l’enfant. Notre étude démontre pour la première fois l’implication de DC-SIGN et DC-SIGNR dans la TME du VIH-1. L’augmentation des capacités de capture et de transmission de DC-SIGN résulte en une susceptibilité accrue de l’enfant à l’infection au VIH-1 et concorde avec un rôle dans la dissémination transplacentaire. Toutefois, la diminution préférentielle des transcrits membranaires de DC-SIGNR au placenta augmente la TME du VIH-1 et laisse croire à son implication via un autre mécanisme. Ces mécanismes pourraient aussi s’appliquer à d’autres pathogènes reconnus par DC-SIGN et DC-SIGNR et transmis de la mère à l’enfant. / Mother-to-child transmission (MTCT) is the main cause of HIV-1 infection in children worldwide. MTCT of HIV-1 can occur during pregnancy (in utero, IU), delivery (intrapartum, IP) or breastfeeding (postpartum, PP). Dendritic cell-specific ICAM-grabbing non-integrin (DC-SIGN) and its homolog DC-SIGN related (DC-SIGNR) are attachment receptors for HIV-1 and are expressed in the placenta. They have been implicated in viral capture and transmission to T cells. To investigate the potential role of DC-SIGN and DC-SIGNR in MTCT of HIV-1, we carried out a genetic association study in a well-characterized cohort of 197 HIV-infected mothers and their infants recruited in Harare, Zimbabwe. Infants harbouring two copies of DC-SIGNR H1 and/or H3 haplotypes (H1-H1, H1-H3, H3-H3) had a 4-fold increased risk of IU and 6-fold increased risk of IP HIV-1 infection after adjusting for a number of maternal factors. The implicated H1 and H3 haplotypes share two single nucleotide polymorphisms (SNPs) in promoter region (p-198A) and intron 2 (int2-180A) that were associated with increased risk of both IU and IP HIV-1 infection. The promoter variant reduced transcriptional activity in vitro. In homozygous H1 infants bearing both the p-198A and int2-180A mutations, we observed a 4-fold decrease in the level of placental DC-SIGNR transcripts, disproportionately affecting the expression of membrane-bound isoforms compared to infant noncarriers. Infants carrying H4 and H6 haplotypes in DC-SIGN gene were more likely to be HIV-1-infected during pregnancy. These haplotypes contain promoter variants (p-336T/C and p-201C/A) and exon 4 variants (R198Q, E214D, R221Q and L242V) that were all significantly associated with increased risk of MTCT of HIV-1. Compared with wild-type sequence, the promoter variants reduced both the DC-SIGN transcription in vitro and expression (2-fold) in placental macrophages of HIV-1-unexposed infants. However, in HIV-1-exposed infants, the level of DC-SIGN expression in placental macrophages was similar in infants carrying either the promoter wild-type or variant sequences. Exon 4 variants increased HIV-1 capture and transmission to T cells in vitro. Association between DC-SIGN SNPs and HIV-1 IP and PP infection also suggests that DC-SIGN plays an important role in intestinal mucosa. This is the first study reporting on functional impact of DC-SIGN and DC-SIGNR natural polymorphisms on HIV-1 transmission from mother-to-child. Decreased levels of expression of membrane DC-SIGNR isoforms at the placental endothelial cell surface increased child susceptibility to HIV-1. Presence of DC-SIGN variants increasing its affinity for the virus augmented child susceptibility to HIV-1 and may favour viral dissemination across the placental barrier. This study provides compelling evidence to support an important role of DC-SIGN and DC-SIGNR in various modes of MTCT of HIV-1 and shed light on the possible mechanisms involved in HIV-1 passage from mother-to-infant. These findings raise the possibility that similar mechanisms may operate with other human pathogens known to interact with DC-SIGN and DC-SIGNR.