La pathogénèse de la plupart des maladies neurodégénératives incluant les maladies transmissibles comme les encéphalopathies à prion, les maladies génétiques de type maladie de Huntington et les maladies sporadiques comme les maladies d’Alzheimer et de Parkinson est directement liée à la formation d’agrégats protéiques fibrillaires. Pendant de nombreuses années, le concept de dissémination et d’infectivité de ces agrégats a été réservé aux maladies à prion. Cependant, de récents résultats montrent que ces protéines amyloidiques extracellulaires (β-amyloïde) comme intracellulaires (α-synucléine, tau, huntingtin) sont capables de bouger (et possiblement de se répliquer) d’une zone à l’autre du cerveau à la façon des prions (Brundin et al., 2010; Jucker and Walker, 2011; Aguzzi and Rajendran, 2009). Récemment une nouveau lien a été établie entre prions et différentes protéinopathies à agrégats. Il a été suggéré que le prion cellulaire, PrPC, dont la forme pathologique (PrPSc) est responsable des maladies à prion, pourrait servir de médiateur dans la toxicité de la protéine β-amyloïde impliquée dans la maladie d’Alzheimer comme dans d’autres conformations-β, indépendamment de la propagation des prions infectieux (revue de Biasini et al., 2012). Malgré une intense recherche sur les maladies neurodégénératives à prion ou non, de nombreuses questions restent ouvertes à la fois au niveau du mécanisme de dissémination des agrégats protéiques que du mécanisme de toxicité. Dans la première partie de ma thèse, j’ai contribué à étudier le rôle de cellules dendritiques (DCs) dans la dissémination de l’infection à prion aux neurones. J’ai démontré que le transfert de PrPSc des cellules dendritiques infectées par un homogénat de cerveau infecté par du prion vers les neurones était dû à contact direct entre ces cellules et a pour résultat la transmission de l’infectivité aux neurones en co-culture. Ces résultats confirment le possible rôle des cellules dendritiques dans la propagation du prion de la périphérie vers le système nerveux central. J’ai aussi trouvé un potentiel mécanisme de transfert de PrPSc des cellules dendritiques aux neurones via des nanotubes (TNTs) et exclu l’implication de la sécrétion de PrPSc dans notre système. Dans la seconde partie de ma thèse, j’ai étudié les mécanismes de dissémination et de toxicité des agrégats protéiques huntingtin et le possible rôle de PrPC dans ces évènements. J’ai démontré que les agrégats Htt sont transférés entre les lignées de cellules neuronales et les neurones primaires et qu’un contact direct cellule à cellule est requis. De même, j’ai montré l’implication des TNTs dans ce transfert et l’agrégation des Htt sauvages endogènes dans les neurones primaires, probablement en suivant le transfert des agrégats Htt. La dernière partie de mes résultats montre que PrPC est impliqué dans la propagation de la toxicité induite par les Htt mutants dans des neurones primaires en culture. / The pathogenesis of most neurodegenerative diseases, including transmissible diseases like prion encephalopathies, inherited disorders like Huntington’s disease, and sporadic diseases like Alzheimer’s and Parkinson’s diseases, appear to be directly linked to the formation of fibrillar protein aggregates. For many years, the concept of aggregate spreading and infectivity has been confined to prion diseases. However, recent evidence indicate that both extracellular (e.g. amyloid-β) and intracellular (α- synuclein, tau, huntingtin) amyloidogenic protein are able to move (and possibly replicate) within the brains of affected individuals, thereby contributing to the spread of pathology in a prion-like manner (Brundin et al., 2010; Jucker and Walker, 2011; Aguzzi and Rajendran, 2009). Recently another intriguing connection has been made between prions and other aggregation proteinopathies, as it was suggested that the cellular prion protein, PrPC, whose pathological counterpart is responsible for prion diseases, possibly mediates the toxicity of Aβ, the pathogenic protein in Alzheimer’s disease, and of other β- conformers independently of the propagation of infectious prions (reviewed in Biasini et al., 2012). However, despite the intense research, many questions in prion and non-prion neurodegenerative diseases are still open regarding both the mechanism of protein aggregate spreading and the mechanism of toxicity. In the first part of my thesis, I contributed to investigate the role of DCs (dendritic cells) in the spreading of prion infection to neuronal cells. I demonstrated that the transfer of PrPSc from DCs (loaded with prion infected brain homogenate) to primary neurons was triggered by direct cell–cell contact and resulted in transmission of infectivity to the co-cultured neurons. These data confirm the possible role of DCs in prion spreading from the periphery to the nervous system. I also provided a plausible transfer mechanism of PrPSc through tunneling nanotubes (TNTs) shown to connect DCs to primary neurons and excluded the involvement of PrPSc secretion in our system. In the second part of my thesis, I investigated the mechanisms of the spreading and toxicity of Htt aggregates and the possible role of PrPC in these events. I demonstrated that Htt aggregates transfer between neuronal cells and primary neurons and that cell-cell contact is required. I also showed the involvement of TNTs in the transfer and reported the aggregation of endogenous wild-type Htt in primary neurons, possibly following the transfer of Htt aggregates. Finally, the last part of my results provides evidences that PrPC is involved in the spreading of the toxicity mediated by mutant Htt in primary neuronal cultures.

Les synucléionopathies représentent un groupe de maladies neuro-dégénératives incurables du système nerveux central. Elles regroupent entre autres la maladie de Parkinson, l’atrophie multi-systématisée et la maladie à corps de Lewy. Toutes ces maladies se caractérisent par un déclin progressif des fonctions motrices, cognitives, comportementales et autonomiques. La mal-conformation et l’agrégation de la protéine α-synuclein qui forme des inclusions intraneuronales sont des éléments communs à toutes les synucleinopathies. Ces inclusions portent le nom de corps de Lewy et se forment dans des neurones ou cellules gliales appartenant à des régions cérébrales spécifiques. Elles sont vraisemblablement à l’origine de la perte progressive de neurones dans certaines parties du cerveau. Dans le cas de la maladie de Parkinson et dans d’autres maladies neuro-dégénératives, il a été démontré que la pathologie se propage anatomiquement d’une manière spécifique et prévisible au niveau cérébrale. Ceci suggère donc que la progression de la maladie est étroitement liée au transfert des agrégats d’α-synucléine. Ce procédé est très similaire à celui impliqué dans la maladie du prion qui elle en revanche est infectieuse. Par ailleurs, des inclusions neuronales d’α-synucléine ont été identifiées dans des neurones dopaminergiques d’origine fœtaux qui avaient été transplanté dans des cerveaux de patients parkinsoniens. Cette étude a permis d’envisager pour la première fois la possibilité de la transmission d’inclusions d’α-synucléine entre les neurones. Bien que de nombreuses études aient démontré la propagation d’α-synucléine in vitro et in vivo, le mécanisme permettant ce transfert n’est pas clairement établi. Par conséquent, ma thèse s’attache à étudier le mécanisme de transfert d’assemblages d’α-synucléine (i.e., oligomères et fibrilles). Dans un premier temps, j’ai apporté la preuve que les assemblages d’α-synucléine transfèrent de manière efficace entre les cellules neuronales via les Tunneling nanotubes (TNT). Les TNT sont définis comme étant des ponts membranaires riches en F-actine et permettant de connecter physiquement le cytoplasme de cellules éloignées. Au niveau subcellulaire, j’ai démontré que les assemblages d’α-synucléine qui transfèrent se trouvent dans des lysosomes. En revanche, après le transfert, ces assemblages se retrouvent libres dans le cytoplasme. J’ai également mis en évidence qu’à la suite du transfert, permis par les TNT, les fibrilles d’α-synucléine sont capables de recruter et d’induire l’agrégation de l’α-synucléine soluble afin de perpétuer le processus d’agrégation à l’infinie. Ces résultats indiquent que les TNT peuvent représenter un moyen efficace permettant le transfert d’assemblages d’α-synucléine. Cette découverte offre de nouvelles opportunités pour le développement de nouveaux agents neuro-protectifs contre la propagation des synucléinopathies. / Synucleinopathies are a group of fatal neurodegenerative diseases including Parkinson's disease, dementia with Lewy bodies, and multiple system atrophy, characterized by a chronic and progressive decline in motor, cognitive, behavioral, and autonomic functions. The hallmark of these diseases is the misfolding and aggregation of α-synuclein protein accumulating into intracellular inclusions Lewy bodies in neurons and glial cells which leads to the loss of neurons in specific brain regions. In the case of Parkinson’s disease and other neurodegenerative diseases, the pathology was shown to progress throughout the brain in a specific and predictable manner suggesting that the progression of the diseases is linked to the transfer of aggregated α-synuclein that is reminiscent of prion diseases that are infectious. Importantly, upon transplantation of fetal dopaminergic neurons in the brain of Parkinson’s patients, neuronal inclusions were found in the grafted neurons strongly suggesting that α-synuclein inclusions could transmit between neurons. While several studies showed α-synuclein propagation in vitro and in vivo the mechanism of intercellular transfer remains elusive. The aim of my thesis was to study the mechanism of transfer of α-synuclein assemblies (i.e., oligomers and fibrils) involved in Parkinson’s pathogenesis. I evidenced that α-synuclein assemblies transferred efficiently via tunneling nanotubes (TNT), F-actin based membranous bridges connecting the cytoplasm of remote cells. I demonstrated that, at the sub-cellular level, the transferred α-synuclein assemblies were specifically confined in lysosomes and that upon transfer a large amount of α-synuclein was found free in the cytosol of acceptor cells. Finally, I showed that after TNT-mediated transfer α-synuclein fibrils recruited and seeded the aggregation of the soluble α-synuclein protein in order to perpetuate aggregation. The identification of TNT as an efficient means of α-synuclein transfer opens new avenues to the development of novel therapies targeting the spreading into the brain of amyloidogenic proteins involved in neurodegenerative diseases.