Les maladies neurodégénératives constituent un enjeu humain, sociétal et économique majeur, dont l'importance croît avec le vieillissement des populations. Cette dénomination regroupe un grand nombre de maladies neurologiques, comme les maladies d'Alzheimer, de Parkinson ou la sclérose latérale amyotrophique (SLA). L'étiologie de ces maladies est complexe et reste encore mal comprise. Néanmoins, elles résultent vraisemblablement d'une combinaison de facteurs génétiques et environnementaux et se caractérisent toutes par la dégénérescence d'une population neuronale spécifique. Les mitochondries jouent un rôle primordial dans l'apport énergétique, la régulation calcique ou la gestion du stress cellulaire et sont directement impliquées dans le déclenchement de la mort cellulaire programmée (ou apoptose). L'implication centrale de cet organite dans les pathologies neurodégénératives a logiquement suscité un ciblage croissant des fonctions mitochondriales dans les nouvelles approches thérapeutiques envisagées ces dernières années. Des curcuminoïdes ont par exemple été testés pour contrer les effets dus au stress oxydatif, mais les résultats restent encore à être améliorés. L'utilisation de facteurs anti-apoptotiques dérivés de virus représente une piste très prometteuse. En effet, l'apoptose des cellules infectées représente la "première ligne" de défense de l'hôte contre une invasion virale. En réponse à ce mécanisme de défense, de nombreux virus expriment divers facteurs (protéines, ARN ...) dont la fonction est de bloquer le processus apoptotique, en particulier en ciblant la mitochondrie, favorisant ainsi la réplication virale au sein de la cellule. Dans ce contexte, notre équipe a établi que la protéine X du Bornavirus possède de remarquables propriétés neuroprotectrices. Si le potentiel thérapeutique de cette protéine virale est maintenant démontré, les mécanismes moléculaires à l'origine de cet effet neuroprotecteur étaient à ce jour inconnus. Au cours de ma thèse, nous avons contribué à une meilleure compréhension de la biologie de cette protéine au sein de la cellule et en particulier dans les mitochondries. Nous avons déterminé ses séquences d'adressages intracellulaires ainsi que son impact sur la dynamique mitochondriale et sur certains paramètres de la bioénergétique mitochondriale tels que le potentiel de membrane mitochondrial, la respiration cellulaire et la production d'ATP (énergie de nos cellules). L'ensemble de ces connaissances devrait nous permettre d'améliorer sa capacité neuroprotectrice. / Bornavirus, a non-cytolytic RNA virus establishes a long-lasting persistence in the central nervous system of infected animals. Viral persistence is facilitated by the expression of the non-structural X protein, which is addressed both to nucleus and mitochondria, where it interferes both with cellular antiviral responses and the initiation of apoptosis. Our team recently reported that the singled-out expression of the X protein could protect neurons against toxins of the mitochondrial respiratory chain, both in vitro and in a mouse model of Parkinson's disease (PD). During my Ph.D., we further demonstrated that the X protein triggered enhanced filamentation of the mitochondrial network, in physiological as well as in oxidative stress conditions. This effect is particularly interesting when considering the importance of mitochondrial dynamics in the pathophysiology of neurodegenerative diseases. Even if the therapeutic potential of this viral protein is now well established, the underlying molecular and cellular mechanisms are far from being elucidated. It is however clear that neuroprotection conferred by the X protein is strictly dependent on its mitochondrial localization. In this context, the goal of my Ph.D. project was to clarify the molecular mechanisms whereby the X protein is targeted to mitochondria and/or to the nucleus, in link with its protective capabilities. We focused on the amino terminal residues of X, by performing fusion proteins of various forms of these residues with GFP and by analyzing their cellular localization. We demonstrated that this region contains overlapping and interdependent signals for nuclear localization, nuclear export and mitochondrial targeting of the X protein. We also identified a point mutation or deletion leading to an almost exclusively mitochondrial localization of the X protein. As a consequence, these X mutants exhibited a better neuroprotective function. In order to get further insight into X-mediated neuroprotection, we also searched for the cellular partners of X in mitochondria. We revealed a direct and specific interaction of the X protein with the chaperone Hspa9, a protein that was recently shown to be involved in neurodegenerative diseases, notably in PD's patients. We observed that the down-regulation of Hspa9 triggered by mitochondrial toxins was attenuated by the coexpression of X, suggesting a functional link between these two proteins. We also demonstrated that Hspa9 overexpression could protect neurons from mitochondrial dysfunctions, similarly to the X protein. Altogether, these results have contributed to a better understanding of the mechanisms underlying the neuroprotective potential of the X protein, which may favor the development of novel therapeutic strategies.

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Mon projet de thèse a été dédié à l’étude des synucléinopathies. Ces maladies neurodégénératives sont caractérisées par la présence d’inclusions intracytoplasmiques positives pour l’alpha-synucléine et contenues dans les neurones pour la maladie de Parkinson (i.e. les corps de Lewy) ou dans les oligodendrocytes pour l’atrophie multisystématisée (i.e. les inclusions cytoplasmiques oligodendrogliales). L’objectif de mon travail de thèse fut de proposer une approche multifactorielle et translationnelle en développant les aspects de modélisation, de mécanistiques et de thérapeutiques associées aux synucléinopathies. Nous nous sommes tout d’abord intéressés à disséquer les mécanismes sous-jacents à la neurodégénérescence induits par la protéine alpha-synucléine dans un modèle primate non-humain de la maladie de Parkinson. Nous avons ainsi souligné le rôle toxique de la protéine alpha-synucléine et mis en lumière de nouveaux processus cellulaires impliqués dans le phénomène de neurodégénérescence. Dans ce même modèle animal, nous avons étudié l’hypothèse d’une propagation de la pathologie induite par l’alpha-synucléine entre les systèmes nerveux centraux et périphériques. Nous avons ainsi pu démontrer l’existence d’une route bidirectionnelle de propagation et de neurodégénérescence de la protéine entre les deux systèmes nerveux, pouvant corroborer la présence de symptômes non moteurs précoces au cours de la pathologie. Enfin, nous nous sommes concentrés sur le rétablissement de la fonction autophagique comme cible thérapeutique commune aux synucléinopathies. Nous avons ainsi pu démontrer qu’une restauration de la machinerie de dégradation de la voie autophagie était suffisante pour rétablir les taux physiologiques de la protéine alpha-synucléine et induire une neuroprotection dans un modèle rongeur de la maladie de Parkinson et d’atrophie multi-systématisée. Ces travaux corroborent le rôle clé de la protéine alpha-synucléine dans l’étiologie des synucléinopathies et proposent de nouvelles stratégies thérapeutiques communes à toutes les synucléinopathies afin de rétablir les niveaux physiologiques cellulaires de la protéine et une neuroprotection au sein du système nerveux central. / My thesis project was dedicated to the study of synucleinopathies. Synucleinopathies are neurodegenerative diseases characterized by the presence of alpha-synuclein positive intracytoplasmic inclusions which are present either in neurons for Parkinson’s disease (i.e. Lewy Bodies) or in oligodendrocytes for Multiple system atrophy (i.e. Glial Cytoplasmic Inclusions). The aim of my work was to establish a multifactorial and translational approach through modeling, mechanistic and therapeutic aspects associated with synucleinopathies. First, we focused on dissecting the underlying alpha-synuclein-mediated mechanisms of neurodegeneration using a non-human primate model of Parkinson’s disease. We confirmed the toxic role of alpha-synuclein in the pathology and highlighted unpredictable cellular processes involved in neurodegeneration. Using the same Parkinson’s disease model, we studied the hypothesis of a pathological propagation between the central and peripheric nervous systems in an attempt to decipher the initiation point and the direction of propagation of the associated pathology. We thus demonstrated a bidirectional route of propagation of alpha-synuclein between the CNS and the ENS and within the ENS. Finally, we focused on the restoration of the autophagic function as a potential common therapeutic target for all synucleinopathies. We demonstrated through a gene-based restoration of the autophagy, we efficiently reestablish alpha-synuclein physiological protein levels, while inducing neuroprotection in a Parkinson’s disease and Multiple system atrophy rodent models. Thus, this work corroborates the key role of alpha-synuclein in the etiology of synucleinopathy and offers new common therapeutic strategies for all synucleinopathies to decrease alpha-synuclein-induced toxicity into the central nervous system.

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Au cours du processus neurodégénératif lié à la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA), les motoneurones innervant les muscles des membres sont très atteints tandis que ceux innervant les muscles axiaux sont relativement préservés. Les motoneurones diffèrent aussi dans leur réponse à plusieurs facteurs neurotrophiques (NTF). Je me suis intéressée aux mécanismes moléculaires déterminant la morphologie distincte et les réponses aux NTF de sous-populations de motoneurones pertinentes dans la SLA. J'ai démontré que les sous-populations de motoneurones murins innervant les muscles axiaux (MN-MMC) ou les muscles des membres (MN-LMC) ont de fortes différences morphologiques. Ces différences sont dues à une régulation différentielle de gènes codant pour la Péripherine et la Diacylglycérol kinase beta (DGK-β) qui sont régulés par les facteurs de transcription LIM-HD FoxP1/HB9. J'ai montré que les MN-LMC et les MN-MMC répondaient distinctement à trois facteurs neurotrophiques: le HGF (Hepatocyte Growth Factor), l'Artémine et le CNTF (Ciliary Neurotrophic Factor). J'ai étudié les motoneurones lombaires dans deux situations pathologiques: 1) les altérations de l'appareil de Golgi et du trafic axonal suite à la perte de TBCE (Tubulin Binding Cofactor E), 2) l'effet de l'augmentation de KCC2 à la membrane plasmique des motoneurones sur la transmission synaptique inhibitrice après lésion.Enfin, j'ai développé une nouvelle méthode de purification de motoneurones dérivés d'iPS (induced Pluripotent Stem Cell) humains en utilisant un vecteur rapporteur lentiviral Hb9::GFP et un anticorps dirigé contre le récepteur de faible affinité des neurotrophines, p75. / Muscles are highly vulnerable whereas motor neurons innervating axial muscles are relatively resistant. Motor neurons also seem to differ in their response to several neurotrophic factors (NTF). I investigated the molecular mechanisms determining the distinct morphology and the differential NTF response of ALS-relevant motor neuron subsets. First, I demonstrated that mouse lumbar motor neurons innervating either axial muscles (MMC-MN) or hindlimb muscles (LMC-MN) display remarkable morphological differences. These differences involve a differential regulation of genes coding for Peripherin and Diacylglycerol kinase-b (DGK-β) which are regulated by the transcription factors FoxP1/HB9. Second, I showed that LMC-MN and MMC-MN respond differentially to the three neurotrophic factors HGF (Hepatocyte Growth Factor), Artemin and CNTF (Ciliary NeuroTrophic Factor). Their differential survival is explained by the corresponding receptor gene expression in specific pools of MMC-MN and LMC-MN. Third, I studied lumbar motor neurons in two pathological conditions: 1) alteration of Golgi apparatus and axonal trafficking induced by loss of TBCE (Tubulin Binding Cofactor E) 2) the effect of KCC2 increase at motor neuron plasma membrane on inhibitory synaptic transmission after trauma.Finally, I developed a new FACS-based method for isolating human iPS (induced Pluripotent Stem Cell)-derived motor neurons with both an HB9::GFP reporter lentivirus and an antibody directed against the low-affinity neurotrophin receptor p75.

Ce projet de maitrise s’inscrit dans le cadre de l’étude du rôle de DLK dans les neurones. Depuis quelques années seulement, plusieurs auteurs ont démontré l’implication de DLK dans les mécanismes de dégénérescence et de régénérescence neuronale, des processus pouvant survenir lors du développement ou dans le cas de certaines pathologies reliées au système nerveux, comme l’Alzheimer et le Parkinson. Jusqu’à maintenant, peu de travaux sur la régulation de l’activité de DLK dans les cellules nerveuses ont été rapportés dans la littérature. Au cours de ce travail, nous avons démontré que la voie de signalisation DLK/JNK est activée suite à la dépolymérisation des microtubules, des composants majeurs du cytosquelette souvent affectés lors de stress infligés aux cellules. Cette démonstration s’est fait grâce aux traitements des cellules Neuro-2a avec la colcémide, suivis par des immunobuvardages de type Western dont l’anticorps était dirigé contre la forme phosphorylée de JNK (p-JNK), une cible majeure de DLK. Nous avons par la suite été en mesure de confirmer que l’activation de JNK était bel et bien DLK-dépendante à l’aide de cellules déplétées en DLK par des ARN interférents. Dans ces cellules, les niveaux de p-JNK étaient significativement inférieurs, comparés aux cellules contrôles, et ce même lorsqu’on active la voie de signalisation. Nous avons par la suite identifié, à l’aide d’une méthode de séquençage de nouvelle génération, le «RNA-seq», des gènes étant différentiellement exprimés dans les cellules déplétées en DLK. Nous avons été en mesure d’établir un lien entre certains des gènes régulés par DLK et le guidage axonal, un processus essentiel au développement neuronal. Donc, en plus d’avoir démontré un mécanisme possible de régulation de DLK, nous avons, pour la première fois, identifié des gènes régulés par la présence/absence de cette dernière dans les cellules neuronales de mammifères.

La mesure de la perte du volume cérébral est un marqueur IRM de la neurodégénérescence dans la sclérose en plaques. Les techniques actuelles permettent de quantifier soit directement la perte de volume cérébral entre deux examens, soit de la mesurer indirectement à partir du volume cérébral de chaque examen. La fiabilité de ces techniques reste difficile à évaluer en l'absence de gold standard. Ce travail a consisté premièrement, en une étude de reproductibilité réalisée chez 9 patients à partir d'acquisitions semestrielles (3 IRM), sur deux machines différentes et post-traitées par sept algorithmes : BBSI, FreeSurfer, Intégration Jacobienne, KNBSI, un algorithme Segmentation / Classification, SIENA et SIENAX. Deuxièmement, un suivi longitudinal et prospectif a été effectué chez 90 patients SEP. L'étude des variabilités inter-techniques et inter-sites a montré que les techniques de mesures indirectes (Segmentation/Classification, FreeSurfer) et SIENAX fournissaient des pourcentages d'atrophie hétérogènes. A l'inverse, les techniques de mesures directes telles que BBSI, KNBSI, Intégration Jacobienne et à un moindre degré SIENA obtenaient des résultats reproductibles. Toutefois BBSI, KNBSI et l'Intégration Jacobienne obtenaient des pourcentages faibles, suggérant une possible sous-estimation de l'atrophie. L'évaluation de la perte du volume cérébral par Intégration Jacobienne a montré sur 2½ ans de suivi, une atrophie de 1,21% pour les 90 patients et de 1,55%, 1,51%, 0,84%, 1,21% respectivement pour les patients CIS, RR, SP et PP. A l'avenir l'évaluation de la perte de volume cérébral impose des défis d'ordre technique afin d'améliorer la fiabilité des algorithmes actuels.

L’incidence constante des maladies liées à l’âge reflète un réel enjeu dans nos sociétés actuelles, principalement lorsqu’il est question des cas de cancers, d’accidents cérébraux et de maladies neurodégénératives. Ces désordres sont liés à l’augmentation de l’espérance de vie et à un vieillissement de la population. Les coûts, estimés en milliards de dollars, représentent des sommes de plus en plus importantes. Bien que les efforts déployés soient importants, aucun traitement n’a encore été trouvé. Les maladies neurodégénératives, telles que la maladie d’Alzheimer, de Parkinson, d’Huntington ou la sclérose latérale amyotrophique (SLA), caractérisées par la dégénérescence d’un type neuronal spécifique à chaque pathologie, représentent un défi important. Les mécanismes de déclenchement de la pathologie sont encore nébuleux, de plus il est maintenant clair que certains de ces désordres impliquent de nombreux gènes impliqués dans diverses voies de signalisation induisant le dysfonctionnement de processus biologiques importants, tel que le métabolisme. Dans nos sociétés occidentales, une problématique, directement lié à notre style de vie s’ajoute. L’augmentation des quantités de sucre et de gras dans nos diètes a amené à un accroissement des cas de diabètes de type II, d’obésité et de maladies coronariennes. Néanmoins, le métabolisme du glucose, principale source énergétique du cerveau, est primordial à la survie de n’importe quel organisme. Lors de ces travaux, deux études effectuées à l’aide de l’organisme Caenorhabditis elegans ont porté sur un rôle protecteur du glucose dans un contexte de vieillissement pathologique et dans des conditions de stress cellulaire. Le vieillissement semble accéléré dans un environnement enrichi en glucose. Cependant, les sujets traités ont démontré une résistance importante à différents stress et aussi à la présence de protéines toxiques impliquées dans la SLA et la maladie de Huntington. Dans un deuxième temps, nous avons démontré que ces effets peuvent aussi être transmis à la génération suivante. Un environnement enrichi en glucose a pour bénéfice de permettre une meilleure résistance de la progéniture, sans pour autant transmettre les effets néfastes dû au vieillissement accéléré. / The constant increase of the cases of age-related diseases, including cancers, cerebral accidents and neurodegenerative diseases raises a real problem in our current societies. These disorders are very strongly linked to the increase of life expectancy and to the ageing population. The costs, estimated in billion dollars, requiring vast medical resources and very few treatments exist today. Neuronal diseases, such as the Alzheimer's, Parkinson’s, Huntington’s disease and amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are characterized by the degeneration of various types of neurons. This represents an important challenge because besides the lack of understanding the underlying mechanisms related to their pathology, it is now clear that some of these disorders involve several genes and lead to the dysfunction of fundmental biological processes such as metabolism. In western societies lifestyle and dietary practices may contribute to disease. The increased quantities of sugar and fat in western diets are thought to contribute to the rise of metabolic disorders, including Type II diabetes, obesity and coronary diseases. Nevertheless, it is important to understand that the metabolism of glucose, the brain’s main energy source, is essential for survival. In this thesis, two studies using the model organism Caenorhabditis elegans investigated a potential protective role of the glucose in a context of pathological ageing and in conditions of cellular stress. Although ageing seems accelerated in a glucose enriched environment, the test subjects demonstrated an improved resistance to numerous stresses including against toxic proteins involved in the ALS and Huntington's disease. Secondly, it appeared that these effects can be heritably transmitted to successive generations of animals. Thus, a glucose enriched environment allows for increased stress resistance in the offspring, without transmitting the negative effects of accelerated ageing.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La spectroscopie RMN est un moyen unique d’évaluer l’environnement cellulaire in vivo. En effet, les molécules observées sont exclusivement intracellulaires, et ont en général un rôle biochimique ainsi qu’une compartimentation cellulaire spécifique. C’est donc un outil potentiellement utile pour comprendre le fonctionnement des cellules dans leur environnement. Mon travail de thèse consistait à développer de nouvelles séquences en spectroscopie de diffusion et en spectroscopie du phosphore 31.Mon premier travail a été de développer une séquence de spectroscopie de diffusion à temps de diffusion ultra-court pour observer la diffusion anormale dans le cerveau de rat. L’évolution de l’ADC en fonction du temps de diffusion montre que le transport des métabolites dans le cerveau se fait essentiellement par diffusion aléatoire et que la contribution des transports actifs (s’ils existent) est négligeable. La modélisation de ces données a mis en évidence que la spectroscopie de diffusion à court temps de diffusion était sensible à la viscosité du cytoplasme et à l’encombrement à courte échelle. Cette technique a donc été choisie lors d’une collaboration avec la firme Eli Lilly pour le suivi de souris transgéniques (rTg4510), modèle de taupathie. Les résultats préliminaires font apparaitre des différences significatives d’ADC à un stade précoce de la neurodégénérescence (3 et 6 mois). La spectroscopie RMN du phosphore 31 permet d’observer des métabolites directement impliqués dans le processus énergétique. Au cours de cette thèse, des séquences de localisation ont été développées pour pouvoir mesurer le pH intracellulaire dans le striatum de macaque. A terme, ces séquences seront utilisées pour évaluer l’utilité potentielle du pH comme biomarqueur de la neurodégénérescence dans un modèle phénotypique de la maladie de Huntington chez le macaque. / NMR spectroscopy is a unique modality to evaluate intracellular environment in vivo. Indeed observed molecules are specifically intracellular and generally have a biochemistry role and a specific cellular compartmentation. That could be a useful tool to understand cell functioning in their environment. My thesis work consisted in development of new sequence in both diffusion and phosphorus NMR spectroscopy.My first study was to develop a diffusion-weighted spectroscopy at ultra-short diffusion time to look at the anomalous diffusion in the rat brain. ADC evolution as a function of time shows that brain metabolites motion is mainly due to random diffusion and that active transport (if exist) are negligible. Data modeling evidences that diffusion at short diffusion time is sensitive to cytoplasm viscosity and short scale crowding. In collaboration with the pharmaceutical company, this technique was chosen to follow up transgenic mice (rTg4510), model of tau pathology. Preliminary results show significant differences of ADC at an early stage of neurodegenerescence (3 and 6 months).Phosphorus spectroscopy allows observation of metabolites directly implicated in energetic processes. During this thesis, localization sequences were developed to measure intracellular pH in the primate striatum. These sequences are supposed to be used to evaluate the potential of pH as a biomarker of neurodegenerescence in a phenotypic model of the Huntington disease in the non-human primate.