Tau est une protéine stabilisatrice des microtubules majoritairement exprimée au niveau neuronal qui existe en six isoformes différentes appelées isoformes 3R ou 4R en fonction de l’inclusion de 3 ou 4 séquences répétées dans leur domaine de liaison aux microtubules. Dans une vingtaine de pathologies neurodégénératives appelées tauopathies, des protéines Tau anormalement modifiées s’agrègent formant des lésions intracellulaires appelées dégénérescence neurofibrillaire (DNF). Selon les tauopathies, la morphologie des lésions, leur composition en isoformes ainsi que l’évolution spatio-temporelle de la pathologie diffèrent. Dans la plupart des cas, les tauopathies sont sporadiques mais quelques mutations du gène codant Tau (MAPT) causent des formes familiales de démences fronto-temporales. Dans certaines tauopathies sporadiques comme la maladie d’Alzheimer, la DNF est initiée dans des régions spécifiques et évolue ensuite de manière stéréotypée. Ces stades neuropathologiques sont bien définis, mais les mécanismes expliquant cette évolution restent méconnus. Récemment, certaines études ont proposé que des espèces pathologiques de la protéine Tau sont capables de se déplacer activement de région en région suivant des connections neuro-anatomiques propageant ainsi la pathologie Tau dans le cerveau.Dans ce contexte, nous avons démontré à la fois in vitro, en utilisant un système de chambre microfluidique mais également in vivo dans un nouveau modèle de rat, que la protéine Tau est activement et physiologiquement transférée de cellule en cellule. De manière intéressante, la pathologie Tau qui se développe dans l’hippocampe des rats se propage également de région en région. Ce modèle étant basé sur une technologie de vectorisation virale, nous avons pu tester différentes constructions pour montrer qu’étonnamment, la pathologie Tau induite par des espèces mutées ou des isoformes 3R est restreinte autour du site d’initiation et ne propage pas aussi loin que pour les espèces sauvages 4R. La protéine Tau ainsi que la DNF se propagent donc de cellules en cellules mais les mécanismes expliquant cette propagation restent inconnus. Pour aborder cette question, et connaissant l’importance des vésicules extracellulaires (EVs) dans les mécanismes de communication intercellulaire, nous avons analysé leur implication dans le transfert de la protéine Tau. Nous avons purifié des EVs in vitro depuis des surnageants de culture mais également in vivo depuis des échantillons de liquide céphalorachidien de primates ainsi que des échantillons de fluide interstitiel cérébral de rat. Nous avons ainsi démontré que la protéine Tau est sécrétée de manière physiologique sous forme libre mais également au sein de EVs issues du bourgeonnement de la membrane plasmique nommées ectosomes. Il apparaît aussi qu’en cas de surexpression ou de présence de DNF, la protéine Tau est retrouvée dans des exosomes, des EVs issues de la voie endosomes/lysosomes.Ces résultats nous montrent que la protéine Tau se propage de neurone en neurone physiologiquement mais aussi durant des processus pathologiques. Il semble aussi exister des espèces particulières de protéine Tau plus promptes à se propager que d’autres. Ces différences pourraient en partie expliquer les différents phénotypes observés au sein des tauopathies. Nous avons aussi démontré que la protéine Tau est sécrétée via plusieurs voies de sécrétions qui pourraient refléter différents stades physiopathologiques. Des études complémentaires sont nécessaires notamment pour 1-clairement identifier les mécanismes de sortie et d’entrée de Tau dans les neurones. 2-comprendre si certaines espèces vont spécifiquement induire la pathologie dans les neurones secondaires et s’il est possible de les bloquer grâce à des thérapies ciblées. Et 3-identifier les raisons qui expliquent les vulnérabilités de certaines populations cellulaires. / Tau is a microtubule-associated protein mainly expressed in neurons. There are six different isoforms of this protein bearing either 3 or 4 microtubule-binding domains and called 3R-Tau or 4R-Tau. During the course of tauopathies, Tau proteins are abnormally modified and aggregate in specific intracellular lesions called neurofibrillary degeneration (NFD). According to tauopathies, the morphology of lesions, their isoforms’ composition and the spatiotemporal evolution of the pathology are different. Moreover, tauopathies are mostly sporadic but some mutations on Tau gene (MAPT) induce rare forms of familial fronto-temporal dementia. In some sporadic tauopathies like Alzheimer’s disease, the NFD is initiated in specific brain areas and evolves stereotypically in well-defined neuropathological stages. The mechanisms underlying such evolutions are mainly unknown but recently, different studies had proposed that some pathological species of Tau protein are able to actively move from region-to-region following neuro-anatomical connections and to spread the Tau pathology intra-cerebrally by this way.Within this context, we have demonstrated either in vitro using a microfluidic chamber system or in vivo using a new rat model, that Tau proteins are actively and physiologically transferred from cell-to-cell. Interestingly, in this model we could also follow the development of the Tau pathology inside the rats’ hippocampus but also its propagation from region-to-region. This model is based on a viral vector technology; therefore, we were able to test different construct and to show that surprisingly, Tau pathology induced by mutated or 3R-Tau species is restricted to the vicinity of the initiation site and do not propagate as far as the wild-type 4R-Tau species.Tau proteins as well as NFD are cell-to-cell propagating but the mechanisms underlying this phenomenon are still unknown. In order to address this point and knowing the significance of extracellular vesicles (EVs) in the intercellular communication mechanisms, we analysed their implication in the transfer of Tau proteins. We purified EVs in vitro from culture supernatants but also in vivo from primates’ cerebrospinal fluid samples and rats’ cerebral interstitial fluid samples. We demonstrated that Tau proteins are secreted physiologically in a free form but also within specific EVs named ectosomes and coming from a budding of the plasma membrane. Also, it seems that when Tau is overexpressed and when NFD is present, Tau proteins are retrieved within EVs named exosomes and derived from the endosomes/lysosomes pathway.These results clearly show that Tau proteins are propagating from neuron to neuron physiologically but also during pathological processes. It seems also that some specific Tau species are more prone to propagate than others. These differences could partly contribute to the different phenotypes observed among tauopathies. We have also demonstrated that Tau proteins are secreted via several pathways of secretion that could reflect different pathophysiological stages. Some complementary studies are needed particularly to 1- clearly identify the cellular mechanisms of Tau exit and entry. 2- to understand if some Tau species will specifically induce Tau pathology in secondary neurons and if it is possible to block this phenomenon thanks to targeted therapy. And 3- to identify the reasons that explain the vulnerability of some specific cell populations to Tau pathology propagation.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une pathologie neurodégénérative principalement caractérisée par la présence de dépôts amyloïdes et d'enchevêtrements neurofibrillaires composés de protéines tau hyperphosphorylées. Tau est une protéine associée aux microtubules qui possède de nombreux sites de phosphorylation pouvant être phosphorylés par différentes kinases. En plus de la pathologie tau, on observe également dans le cerveau des patients atteints de la MA, une apparition précoce d’altérations métaboliques ainsi qu’une perte synaptique qui est à l’origine du développement des troubles cognitifs. En effet, les synapses sont des connexions neuronales essentielles pour la formation de la mémoire qui nécessitent une importante quantité d’énergie pour maintenir leurs fonctions. Depuis plusieurs années, des études suggèrent que l’AMPK – senseur métabolique essentiel des cellules – pourrait être impliquée dans le développement de la MA. En effet, des travaux réalisés in vitro ont permis de montrer que l’AMPK est une kinase de tau. Par ailleurs, il a été mis en évidence que chez les patients atteints de la MA, l’AMPK est dérégulée dans les neurones en dégénérescence où elle co-localise avec les protéines tau hyperphosphorylées. Enfin, des études menées dans notre équipe ont également permis de mettre en évidence que suite à une activation synaptique, l'AMPK restaure les niveaux d'énergie des neurones laissant ainsi supposer qu'une dérégulation de son activité pourrait avoir un impact néfaste sur le métabolisme neuronal. Au vu de ces données, les objectifs de mon projet de thèse ont donc été de déterminer l'impact d'une dérégulation de l’AMPK neuronale sur la pathologie tau, la perte synaptique et le métabolisme énergétique neuronal dans un modèle de culture primaire de neurones et in vivo chez la souris. La réalisation de ces objectifs nous a permis de démontrer (1) que l'AMPK régule la phosphorylation et la pathologie tau, (2) que la dérégulation de l’AMPK induit une diminution du nombre des synapses ainsi qu'une perte de la fonctionnalité du réseau neuronal, via une voie de signalisation impliquant l’autophagie et (3) que la dérégulation de l’AMPK entraine des perturbations du métabolisme énergétique neuronal. En conclusion, ce travail de thèse a permis d’apporter une meilleure compréhension sur le rôle de la dérégulation de l’AMPK dans le développement des différentes caractéristiques de la MA. Dans l’ensemble, ces données laissent fortement suggérer que l’AMPK pourrait faire le lien entre les dysfonctionnements métaboliques et l’ensemble des altérations qui se mettent en place au cours de la MA. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder mainly characterized by the presence of amyloid deposits and neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated tau proteins. Tau is a microtubule-associated protein that bears many phosphorylation sites which can be phosphorylated by different kinases. Beside tau pathology, AD is also characterized by cerebral metabolic alterations and synaptic loss, the latter being responsible for the development of cognitive disorders. Indeed, synapses are essential for memory formation and require a large amount of energy to maintain their functions. Interestingly, studies have suggested that AMP-activated protein kinase (AMPK) – a crucial intracellular metabolic sensor – could be involved in the development of AD. Indeed, in vitro studies have shown that AMPK is a tau kinase. In addition, AMPK is deregulated in degenerating neurons of AD patients brain where it co-localizes with hyperphosphorylated tau proteins. Additionally, studies carried out in our team showed that upon synaptic activation, AMPK activity is essential to maintain neuronal energy levels thus suggesting that a deregulation of its activity could have harmful impact on neuronal metabolism. On the basis of these data, the objectives of this thesis were to determine the impact of neuronal AMPK deregulation on tau pathology, synaptic loss and neuronal energy metabolism in primary neurons and in vivo in mice. The achievement of these objectives allowed us to demonstrate (1) that AMPK regulated tau phosphorylation and pathology (2) that AMPK deregulation caused a decrease of synapses number as well as a loss of neuronal networks functionality, through a signaling pathway involving autophagy and (3) that AMPK deregulation impacted on neuronal energy metabolism. In conclusion, this thesis has provided a better understanding of the role of AMPK deregulation in the development of different hallmarks of AD. Altogether, these data strongly suggest that AMPK could be the link between neuronal metabolism dysfunctions and the development of the alteration that occur during AD.

Les démences représentent un problème de santé public majeur, notamment du fait du vieillissement des populations occidentales. Pourtant, le diagnostic étiologique de certitude d'un syndrome démentiel ne peut être obtenu que par l'analyse neuropathologique et/ou biochimique du tissu cérébral obtenu en post mortem. Les lésions cérébrales aboutissant au déclin cognitif ont des origines diverses (neurodégénératives, vasculaires, métaboliques...) et sont souvent associées. En analysant les données cliniques, neuropathologiques et biochimique issues de la cohorte autopsiques de patients déments suivis au Centre Mémoire de Ressources et de recherche du CHRU de Lille (127 cerveaux prélevés entre 1992 et 2009), nous avons étudié les corrélations entre l'expression clinique du syndrome démentiel et la nature des lésions cérébrales sous jacentes. Nous montrons que les fréquentes associations lésionnelles (lésions de maladie d'Alzheimer, de maladie à corps de Lewy, lésions vasculaires) ont des conséquences sur la pertinence du diagnostic étiologique du syndrome démentiel. Dans le domaine des dégénérescences lobaires frontotemporales (DLFT), nous avons étudié les corrélations clinicopathologiques de 18 patients ayant présenté des troubles inauguraux du langage ou de la parole. Nous avons pu établir des corrélations entre les syndromes cliniques et certaines protéinopathies (tau, TDP-43) associées aux DLFT. L'enquête génétique a permis de mettre en évidence une nouvelle mutation du gène de la progranuline chez un patient. L'analyse pluridisciplinaire des démences permet au clinicien de progresser dans la prédiction des lésions cérébrales du vivant du patient. Cette démarche s'avère indispensable dans l'optique du développement de traitements curatifs des démences neurodégénératives.

Les démences constituent une préoccupation majeure de santé publique. Les facteurs pronostiques des démences vont conditionner la rapidité du déclin des fonctions cognitives et exécutives et la survie des patients. Quand ces facteurs sont modifiables, l'amélioration de leur connaissance peut permettre de mettre en place des actions visant à limiter le déclin cognitif et à prolonger l'autonomie. Les études permettant leur analyse sont réalisées sur des populations de sujets malades et s'inscrivent dans le cadre de la recherche clinique. Les bases de données médicales, qui ne sont pas toujours constituées à des fins de recherche, sont néanmoins de plus en plus utilisées à ces fins.<br />L'objectif de mon travail est l'étude des facteurs pronostiques de patients, pris en charge au centre de mémoire de ressource et de recherche (CMRR) du Centre Hospitalier Régional et Universitaire (CHRU) de Lille et du centre médical des monts de Flandres de Bailleul. Pour cela, nous avons utilisé la base de données médicales informatisées des patients consultant au CMRR de Lille-Bailleul. Ce travail s'est en particulier intéressé aux avantages et aux limites de l'utilisation de bases de données médicales à des fins de recherche clinique dans l'étude des facteurs pronostiques des démences.<br />Dans une population de 670 patients ayant une maladie d'Alzheimer, nous avons confirmé que le déclin des fonctions cognitives (évaluées par le MMSE) était significativement plus élevé chez les sujets ayant un niveau d'éducation intermédiaire ou élevé par rapport aux sujets ayant un bas niveau d'éducation. Cependant, la mortalité ne différaient pas de façon significative entre ces trois groupes. Nous avons décrit une mortalité similaire entre patients ayant une maladie d'Alzheimer, une démence mixte ou une démence vasculaire. Les patients ayant une démence mixte avaient un déclin du MMSE plus important que les patients ayant une démence vasculaire mais moins important que les patients ayant une maladie d'Alzheimer. Enfin, nous avons montré que le risque de développer une démence vasculaire ou mixte augmentait de manière significative avec le nombre d'hypersignaux sous corticaux chez des patients ayant un mild cognitive impairment.<br />Ces travaux soulignent la difficulté de l'établissement du diagnostic des démences mixtes, la complexité de l'analyse du déclin des fonctions cognitives (prise en compte du stade de progression des démences, absence d'instrument de suivi des fonctions cognitives à la fois simple d'utilisation et sensible aux faibles variations au cours du temps ou non linéarité du déclin des fonctions cognitives), les avantages en terme de coût et de temps de l'utilisation de bases de données médicales, et les problème de sélection de la population issue d'une structure de soins.<br />Malgré les problèmes de représentativité des populations, ce travail montre l'intérêt de l'utilisation à des fins de recherche clinique de données médicales concernant des patients pris en charge en structure de soins.

En 1907, Aloïs Alzheimer publiait, pour la première fois, la description des deux lésions histologiques caractéristiques observées dans le cerveau d'une patiente âgée de 56 ans et atteinte d'une démence présénile qui, par la suite, sera dénommée Maladie d'Alzheimer (MA). Ces deux lésions correspondant à l'accumulation de matériel protéique présentent des caractéristiques différentes de par leur contenu protéique et leur localisation. Ainsi, on distinguera, d'une part, les dépôts amyloïdes, caractérisés par l'accumulation, dans le milieu extracellulaire, d'un peptide appelé peptide amyloïde- . D'autre part, on observera une lésion intra-neuronale appelée dégénérescence neurofibrillaire (DNF) qui correspond à l'accumulation de protéines Tau qui sont retrouvées hyperphosphorylées, anormalement phosphorylées et agrégées sous la forme de structures fibrillaires hélicoïdales singulières appelées PHFs pour " Paired Helical Filaments ". Notre laboratoire s'intéresse tout particulièrement à cette lésion qui est au cœur du processus dégénératif de la MA et d'un ensemble de pathologies démentielles appelées " Tauopathies ". Cependant, si la dérégulation de phosphorylation de Tau semble être au cœur du processus dégénératif de ces pathologies, le rôle exact de celle-ci et les mécanismes mis en jeu restent encore mal connus. Ce travail, se place ainsi dans le cadre général de la recherche des mécanismes moléculaires impliqués dans la mort neuronale liée à Tau et de l'étude de la signification et du rôle de la dérégulation de la phosphorylation de Tau dans son agrégation et au cours de la mort neuronale. Afin de répondre à ces objectifs, nous avons entrepris l'étude de modèles permettant de moduler soit l'état de phosphorylation de Tau par le biais du complexe kinasique p25/Cdk5 soit de moduler le caractère agrégatif de Tau par l'utilisation de mutations pathologiques de Tau connues chez l'homme pour mener à son agrégation et à des syndrômes démentiels (Démences Fronto-Temporales avec syndrôme Parkinsonien liées au chromosome 17). De plus, notre travail a permis la caractérisation d'un modèle in vivo de DNF présentant l'ensemble des caractéristiques de la pathologie Tau observée au cours de la MA. Ce modèle, en raison de l'absence de troubles moteurs, a permis de réaliser des études comportementales, montrant l'existence de troubles de mémoire spatiale chez ces souris. En parallèle à ce modèle pertinent d'un point de vue physiopathologique, le développement et l'analyse d'un modèle cellulaire de type neuronal basé sur la surexpression de protéines Tau mutées ont permis de montrer l'existence de modifications conformationnelles des protéines Tau mutées qui sont associées à un état particulier de phosphorylation. Cependant, dans ce contexte, il apparaît que les mutations, à elles seules ne semblent pas suffisantes pour mener à l'agrégation des protéines Tau sous la forme de PHFs. De plus, l'analyse d'un modèle cellulaire de type neuronal présentant une phosphorylation anormale de Tau ne montre pas non plus l'existence de structures analogues aux PHFs. L'ensemble de ce travail suggère que la phosphorylation anormale ou les mutations de Tau ne sont pas suffisantes pour mener au phénotype pathologique caractéristique de la DNF qui semble nécessiter d'autres événements moléculaires. Nous émettons également l'hypothèse que des voies compensatoires impliquant des systèmes de déphosphorylation des protéines Tau et/ou des systèmes de dégradation protéique pourraient être mis en jeu dans nos modèles cellulaires et être ainsi responsables de l'absence de phénotype pathologique. La diminution d'activité de ces systèmes de compensation au cours du vieillissement chez l'homme et dans les modèles murins pourrait alors concourir à l'apparition de la DNF. Ainsi, l'étude de ces systèmes dans nos différents modèles constitue des perspectives prometteuses pour l'avancée dans la compréhension de l'étiopathologie de la MA et des Tauopathies.

Cette thèse vise à nuancer la problématique de la souffrance qui entoure la maladie d'Alzheimer, et notamment celle des malades, des proches et des soignants. Cette souffrance, que nous appelons souffrance Alzheimer, n'est pas uniforme, n'est pas constante, peut arriver à différentes étapes de la maladie chez différents sujets, elle n'est pas toujours liée directement à la maladie d'Alzheimer, même si la maladie peut favoriser son apparition. Cette souffrance Alzheimer n'est pas isolée, elle s'inscrit dans un contexte plus général de la souffrance psychique et sociale. Les réponses possibles afin de la soulager ou diminuer sont multiples : elles peuvent être individuelles (chaque sujet tente, en mesure de ses possibilités de faire face) ou collectives (associations, groupes de paroles), subjectives (la création) ou scientifiques (traitements), ainsi que politiques ou sociétales

La relation entre mémoire épisodique (ME) et mémoire sémantique (MS) recouvre un intérêt majeur pour la compréhension de l'architecture fonctionnelle de la mémoire à long terme, ainsi que pour la compréhension des mécanismes sous-jacents aux différents types de déficits mnésiques. Notre objectif principal a été d'étudier le fonctionnement de ces deux systèmes mnésiques ainsi que leur dysfonctionnement, à travers l'étude des symptômes dits 'négatifs', tels que les oublis, et les symptômes positifs, tels que la confabulation. La première partie de ce travail concerne l'étude de l'organisation de ces deux systèmes mnésiques à l'aide d'un paradigme adapté à la magnétoencéphalographie (MEG). Une première étude réalisée en MEG chez des sujets âgés sains révèle une dissociation claire entre les corrélats neurophysiologiques de la ME pour les visages célèbres et inconnus, démontrant l'interdépendance entre ME et MS dans la reconnaissance des visages. Une deuxième étude comparative, entre un groupe de patients atteints de Maladie d'Alzheimer (MA) et un groupe de sujets sains, nous a permis de caractériser les corrélats physiopathologiques des déficits mnésiques dans la MA.La deuxième partie est centrée sur l'expression du dysfonctionnement de la ME et de la MS dans la confabulation. Nos études révèlent que la confabulation ne peut pas être considérée comme un pur déficit mnésique, mais plutôt comme un dysfonctionnement de la conscience temporelle. L'ensemble de ces travaux suggère que le lien entre mémoire, conscience et temporalité recouvre un intérêt majeur dans l'étude de l'organisation des systèmes mnésiques ainsi que pour une meilleure compréhension des pathologies mnésiques

La maladie d'Alzheimer reste en 2012 un véritable problème de santé publique. Cette pathologie neurodégénérative est au coeur des nombreux projets de recherche scientifique dans des aspects physiopathologiques, neuropsychologique, d'imagerie ou thérapeutiques tant chez l'animal que chez l'homme. Les neurosciences tentent depuis plusieurs décennies de comprendre les mécanismes de son origine et de son évolution, afin d'arriver à freiner le plus précocement possible les atteintes cognitives, comportementales et la perte d'autonomie qui en découlent. Grâce à de nombreux progrès technologiques, en particulier en neuroimagerie, cliniciens et chercheurs disposent d'un panel d'outils de plus en plus performants pour aider au diagnostic et étendre nos connaissances sur la maladie. Dans une première partie, nous verrons comment, à l'aide de l'utilisation combinée de marqueurs cliniques, anatomiques, et biologiques, il nous est possible de mieux caractériser une population de patients atteints de maladie d'Alzheimer prodromale dans les formes sporadiques, et comment ceux-ci nous permettent d'avancer dans la compréhension des processus physiopathologiques à l'origine de la maladie. Nous aborderons ensuite dans une seconde partie le versant génétique de la maladie d'Alzheimer, au travers de deux cas cliniques. Enfin, nous verrons comment, par le biais d'une étude sur le traitement de l'information visuelle, nous pouvons tenter de mieux caractériser certains dysfonctionnements cérébraux impliquant des régions atteintes précocement dans la maladie d'Alzheimer, et ce dans le but d'une meilleure connaissance des réseaux neuronaux atteints.

Les ions métalliques ZnII, CuII et FeIII interagissent avec le peptide b-amyloïde (Ab) dans la maladie d'Alzheimer. Ils participent à la précipitation d'A_ et à sa toxicité via la production d'H2O2. Une stratégie thérapeutique consiste à chélater ces ions métalliques par des ligands hétérocycliques reliés de façon covalente afin d'augmenter leur affinité pour ces ions. Parmi eux, la Cyclo-bi-Phen diminue les plaques amyloïdes de souris transgéniques modélisant la maladie d'Alzheimer. Une nouvelle série a été établie à partir du clioquinol, un ligand quinoléine actif in vitro et in vivo. Plus de 20 dérivés polyquinoléine ont été synthétisés et possèdent une forte affinité pour ZnII et CuII. Des tests in vitro sur Ab en présence d'ions métalliques ont révélé qu'ils inhibent la précipitation d'Ab et la production d'H2O2 par ces systèmes.

Texte remanié de: Thèse de doctorat--Philosophie--Paris 1, 2007. Titre de soutenance : Problèmes philosophiques soulévés par la maladie d'Alzheimer. / Bibliogr. p. 235-241.