La maladie d’Alzheimer (MA) représente aujourd’hui la forme de démence la plus commune pour laquelle il n’existe toujours pas de traitement curatif. Dans le cerveau, elle se caractérise par la présence de deux agrégats protéiques majeurs : les plaques amyloïdes qui résultent de l’accumulation extracellulaire d’un peptide nommé peptide amyloïde, et les enchevêtrements neurofibrillaires correspondant à l’agrégation intra-neuronale d’une protéine nommée Tau qui se trouve dans un état anormalement hyperphosphorylé. La pathologie Tau est importante puisque son étendue corrèle avec le degré du déficit cognitif retrouvé dans la MA. Seule une petite proportion des cas de la MA est causée par des mutations génétiques. En revanche, l’étiologie de la majorité des cas (~99%), qui est d’origine sporadique et à apparition tardive, semble être multifactorielle, avec des facteurs externes pouvant interagir avec des susceptibilités biologiques ou génétiques afin d’accélérer la manifestation de la maladie. Au cours de la dernière décennie, des données cliniques et précliniques émergentes suggèrent que le diabète sucré et la dysfonction de l’insuline qui l’accompagne pourrait représenter l’un de ces facteurs. En plus de son rôle métabolique, l’insuline a été rapportée pour avoir un rôle neurotrophique et régulateur dans le cerveau humain. Plus particulièrement, des études in vitro ont montré que l’insuline est capable de moduler la phosphorylation de Tau dans les cellules neuronales. Cette hypothèse a été par la suite renforcée par les observations d’hyperphosphorylation de Tau dans les cerveaux de souris montrant des anomalies au niveau de la signalisation de l’insuline. Malgré toutes ces données, on connaît très peu concernant l’impact du diabète sur la pathologie Tau in vivo. Le but global de ce projet de doctorat a été donc de clarifier l’impact du diabète sur la pathogenèse de la protéine Tau, dans deux modèles génétiques de diabète de type 1 (DT1) et diabète de type 2 (DT2), qui sont les souris NOD (non-obese-diabetic) et les souris ob/ob, respectivement. Nos résultats montrent que le DT1 entraine une hyperphosphorylation progressive de Tau qui commence à être détectée même en absence de toute dérégulation dans le métabolisme du glucose. De plus, cette hyperphosphorylation est plus prononcée en présence des caractéristiques du DT1 (hyperglycémie et glycosurie) et encore plus amplifiée en présence de l’hypothermie. D’une manière intéressante, nos résultats suggèrent que l’hyperphosphorylation de Tau chez ces souris corrèle avec une dérégulation de PP2A (protein phosphatase 2A), l’une des phosphatases les plus importantes de Tau in vivo. Quant au DT2, nos résultats montrent une hyperphosphorylation de Tau chez les souris ob/ob à 4 et 26 semaines, au niveau de plusieurs sites spécifiques. De plus, ces souris développent une hypothermie modérée, mais le rétablissement de la normothermie ne restaure pas les niveaux de phosphorylation de Tau, ce qui suggère que cette hyperphosphorylation serait plutôt la conséquence des composantes du DT2, et non pas de l’hypothermie qui en résulte. D’une manière intéressante, nos résultats ne montrent pas de dérégulation au niveau des protéines impliquées dans la voie de signalisation de l’insuline, suggérant par conséquent que, d’autres facteurs, probablement associés à l’obésité, pourraient contribuer à l’hyperphosphorylation de Tau dans le DT2. La compréhension des mécanismes qui sous-tendent la corrélation entre la dysfonction de l’insuline et la pathologie Tau aidera par la suite à trouver de nouvelles cibles thérapeutiques visant à contrôler la progression de la maladie. / Alzheimer’s disease (AD) is the leading form of dementia. There is actually no cure for AD, but even a treatment that would slow down the progression of the disease by 5 or 10 years will have a tremendous socio-economic impact for Canada. The neuropathological hallmarks of Alzheimer's disease include senile plaques of -amyloid (A) peptides (a cleavage product of the amyloid precursor protein, or APP), and neurofibrillary tangles (NFT) of hyperphosphorylated Tau protein assembled in paired helical filaments (PHF). NFT pathology is important since it correlates with the degree of cognitive impairment in AD. Only a small proportion of AD is due to genetic variants, the large majority of cases (~99%) is late onset and sporadic in origin. The cause of sporadic AD is likely to be multifactorial, with external factors interacting with biological or genetic susceptibilities to accelerate the manifestation of the disease. Diabetes mellitus (DM) might be such factor, as there is extensive data from epidemiological studies suggesting that DM is associated with an increased relative risk for AD. Type 1 diabetes (T1DM) and type 2 diabetes (T2DM) are known to affect multiple cognitive functions in patients. However, the consequences of both type of diabetes on AD pathology are not well understood. The challenge is therefore to better understand the mechanisms of AD pathology and how they are affected by factors such as diabetes. The overall goal of this project is therefore to clarify the impacts that diabetes have on Tau protein pathogenesis, in two well-characterized mouse models of T1DM and T2DM: NOD (non-obese diabetic) and ob/ob mice, respectively. Our data suggest that spontaneous T1DM provokes a progressive Tau hyperphosphorylation that begin to be detectable in adult mice even during the non-diabetic stage, where there is no apparent deregulation of glucose metabolism. We further show that Tau phosphorylation is greatly exacerbated in the presence of principal T1DM features, notably hyperglycemia and glycosuria, and further amplified by hypothermia. Finally, we demonstrate that Tau hyperphosphorylation during T1DM is likely attributable to a deregulation in PP2A (protein phosphatase 2A), the major Tau phosphatase in vivo. Furthermore, we show that ob/ob male mice aged 4 and 26 weeks present Tau hyperphosphorylation at specific sites, but also have mild hypothermia. However, restoring normothermia did not rescue Tau hyperphosphorylation to control levels. These data indicate that Tau hyperphosphorylation accompanies major features of T2DM. Interestingly, we did not observe any deregulation in the proteins implicated in the insulin-signaling pathway, suggesting that other obesity-associated factors, contribute to Tau phosphorylation in ob/ob mice. In turn, this understanding will help the development of treatments or life-style strategies destined to check the advance of the disease.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / La maladie d’Alzheimer (MA) est la plus fréquente cause de démence mondialement et son incidence augmente en parallèle au vieillissement de la population. La pathogenèse de cette maladie neurodégénérative, actuellement sans traitement curatif, est associée à l’accumulation de bêta-amyloïde (Aβ) dans le parenchyme et la vasculature du cerveau en réponse à l’élimination déficiente de ce peptide neurotoxique. Des évidences épidémiologiques et expérimentales soulignent le rôle crucial du système immunitaire inné dans la MA. Plus précisément, plusieurs études suggèrent que les phagocytes mononucléaires (microglies, monocytes et macrophages cérébraux) constituent des cellules pivots pour combattre l’accumulation d’Aβ. Les études incluses dans cette thèse de doctorat avaient comme objectif d’accroitre les connaissances concernant le rôle des phagocytes mononucléaires dans la pathologie du modèle murin APP/PS1 de la MA. Un nombre croissant d’études indique que les Toll-like receptors (TLRs) seraient critiques pour la clairance d’Aβ par les phagocytes mononucléaires. Nous avons donc étudié le rôle de la protéine adaptatrice myeloid differentiation factor 88 (MyD88), qui permet la transduction du signal intracellulaire de la plupart des TLRs. Nous avons observé une augmentation des niveaux d’Aβ solubles et une aggravation des déficits cognitifs dans les souris APP/PS1 avec une signalisation MyD88 défectueuse, vraisemblablement suite à une réduction de la phagocytose des phagocytes mononucléaires et une coordination défaillante de la réponse immunitaire innée. La stimulation des TLRs pourrait ainsi avoir un grand potentiel thérapeutique pour la MA. Nous avons démontré que des injections systémiques répétées du ligand TLR4 monophosphoryl lipid A (MPL) dans les souris APP/PS1 ont mené à une réduction significative des niveaux d’Aβ et une amélioration des fonctions cognitives. Le MPL induit une forte réponse phagocytique des phagocytes mononucléaires tout en générant une réaction inflammatoire modérée. Finalement, en utilisant la microscopie intravitale biphotonique, nous avons dévoilé que les monocytes patrouilleurs en état basal sont attirés et rampent sur la face luminale de veines contenant de l’Aβ, capturent l’Aβ et ont la capacité de regagner à nouveau la circulation sanguine. L’ablation sélective des monocytes patrouilleurs dans les souris APP/PS1 a induit une augmentation significative des niveaux d’Aβ dans le cortex et l’hippocampe. Ensemble, ces données démontrent que les phagocytes mononucléaires sains et fonctionnels peuvent promouvoir l’élimination d’Aβ et constituent une cible thérapeutique prometteuse pour la MA. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia worldwide and its incidence is rising in parallel with the aging population. The pathogenesis of this neurodegenerative disease, currently without curative treatment, is associated with the accumulation of amyloid-β (Aβ) in the brain parenchyma and cerebral vasculature in response to the impaired clearance of this neurotoxic peptide. Epidemiological and experimental evidence underline the crucial role of the innate immune system in AD. More precisely, several studies suggest that mononuclear phagocytes (microglia, monocytes and cerebral macrophages) constitute pivotal cells to fight the accumulation of Aβ. The studies enclosed in this doctoral thesis intended to better understand the role of mononuclear phagocytes on the pathology of the APP/PS1 mouse model of AD. Accumulating evidence indicates a critical role of Toll-like receptors (TLRs) in the clearance of Aβ by mononuclear phagocytes. We thus investigated the role of the myeloid differentiation factor 88 (MyD88), which is the adaptor protein for most of these innate immune receptors, transducing the intracellular signal from TLRs to the nucleus. We observed increased soluble levels of A oligomers and enhanced cognitive deficits in APP/PS1 mice with impaired MyD88 signalling, likely through reduced phagocytosis of mononuclear phagocytes and an impaired coordination of the innate immune response. Compounds that stimulate TLRs to clear Aβ may therefore have great therapeutic potential in AD patients. We demonstrated that repeated systemic injections of the TLR4 ligand monophosphoryl lipid A (MPL) in APP/PS1 mice led to a significant reduction in Aβ load and improved cognitive function. MPL induced a potent phagocytic response by mononuclear phagocytes while triggering a moderate inflammatory reaction. Finally, using live intravital two-photon microscopy, we discovered that patrolling monocytes in steady state are attracted and crawl onto the luminal walls of Aβ-positive veins, uptake Aβ and are able to circulate back into the bloodstream. Selective removal of patrolling monocytes in APP/PS1 mice induced a significant increase of Aβ load in the cortex and hippocampus. Overall, these studies demonstrate that healthy and functional mononuclear phagocytes can promote the elimination of Aβ and constitute a promising therapeutic target for AD.

La maladie d’Alzheimer (MA) est caractérisée par deux lésions neuropathologiques: les plaques séniles (composées essentiellement du peptide amyloïde Ab) et les dégénérescences neurofibrillaires (DNF, composées de formes hyperphosphorylées de protéines tau). Les mécanismes de formation des DNF sont encore mal compris et notre travail expérimental a eu pour objectifs d’étudier certaines hypothèses de formation des DNF.<p>1° Une hypothèse étiopathogénique de la MA est la “cascade amyloïde”, selon laquelle le peptide amyloïde Ab exercerait un effet toxique entraînant la phosphorylation de tau et la formation de DNF. Certaines formes familiales de MA sont dues à des mutations du gène du précurseur du peptide amyloïde (APP) ou des présénilines et nous avons voulu déterminer si la surexpression de ces protéines pouvait entraîner la formation de DNF. Nous avons d’abord étudié une lignée murine double transgénique surexprimant l’isoforme 0N3R de protéine tau humaine “sauvage” et une forme mutée de préseniline 1 (M146L). Nous y avons démontré une co-expression neuronale des deux protéines et une augmentation de la phosphorylation de tau mais nous n’y avons pas observé de formation de DNF, chez des animaux examinés jusqu’à 17 mois. Nous avons ensuite étudié une lignée murine triple transgénique surexprimant l’isoforme 0N3R de protéine tau “sauvage”, une forme mutée de préseniline 1 (M146L) et une forme mutée de l’APP 751 (mutations Swedish K670N, M671L et London V717I). Ces animaux ont développé précocement (2.5 mois) des dépôts extracellulaires de peptide Ab. Nous y avons observé une augmentation de la phosphorylation de tau dans les prolongements neuronaux en contact avec les dépôts amyloïdes et des anomalies de l’organisation du cytosquelette, mais pas de DNF, chez des animaux examinés jusqu’à 18 mois.<p>2° Certaines mutations du gène de tau sont responsables de formes familiales de démence frontotemporales dans lesquelles se développent des DNF. Ces mutations favoriseraient l’agrégation de tau où entraîneraient un déséquilibre de l’expression relative des isoformes de tau. Un tel déséquilibre pourrait également être induit dans les formes sporadiques de MA, en l’absence de mutations de tau. Afin d’investiguer cette hypothèse, nous avons étudié le profil d’expression des ARNm de tau et des isoformes de protéines tau dans plusieurs régions cérébrales de sujets contrôles ou atteints de MA. Un même profil d’expression a été observé dans les deux groupes. Une augmentation relative de l’expression de l’isoforme 0N3R de tau dans le cortex temporal pourrait être liée à la sensibilité de cette région au développement de DNF. Nous avons également étudié des lignées stables de cellules CHO exprimant des formes mutées (P301L, R406W) et non-mutées de protéines tau. Nous n’avons cependant pas observé d’augmentation de l’agrégation de tau dans les lignées exprimant les formes mutées de tau.<p>Nos résultats indiquent que la simple surexpression de formes mutées de l’APP et des présénilines, même en présence d’une protéine tau humaine, ne suffit pas à entraîner la formation de DNF. En outre, l’absence de différence dans le profil d’expression cérébrale des isoformes de tau entre sujets contrôles et atteints de MA suggère que les modifications post-traductionnelles de cette protéine jouent un rôle plus important dans la genèse des DNF.<p> / Doctorat en sciences biomédicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Titre de l'écran-titre (visionné le 14 août 2023) / La maladie d'Alzheimer (MA) est la cause la plus commune de démence chez les personnes de 65 ans et plus. Qu'est-ce qui déclenche réellement cette maladie ? La réponse est probablement une interaction dynamique de diverses voies, y compris l'amyloïde-bêta, les protéines tau hyperphosphorylées et les cytokines inflammatoires, modulées par des facteurs de risque tels que la génétique et le sexe. Cependant, tester une telle hypothèse multifactorielle chez l'humain est logistiquement presque impossible. Les modèles mathématiques pourraient résoudre ce problème en offrant un moyen de démêler les relations causales. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons construit un modèle mathématique décrivant l'évolution d'un cerveau normal vers un état pathologique. Il est composé de dix-neuf équations différentielles ordinaires utilisant des paramètres issus de la littérature. Nos variables incluent l'amyloïde-bêta, les protéines tau, les neurones, les astrocytes activés, les microglies et macrophages, et certaines cytokines. Nous obtenons des résultats pour ces variables pour le vieillissement entre 30 et 80 ans d'âge. En raison de son importance dans la MA, nous avons séparé l'accumulation d'amyloïde-bêta en plusieurs composantes, soit les monomères intracellulaires et extracellulaires, les oligomères et les plaques. L'effet du sexe et la présence de l'allèle APOE4 ont été pris en compte via des paramètres sélectionnés. Le modèle est également sensible à l'insuline, étant donné que le diabète est un facteur de risque bien connu de la MA. Notre modèle relie avec succès la plupart des variables par rapport à l'âge. Nous présentons aussi deux variations du modèle, soit sans la variation de la concentration d'insuline, ou avec une diminution du taux d'activation des microglies. Les résultats obtenus sont cohérents avec les observations expérimentales. Malgré cela, notre modèle est encore sujet à plusieurs améliorations et une validation avec des données expérimentales est à faire. / Alzheimer's disease (AD) is the most common cause of dementia in people aged 65 and over. What actually triggers this disease? The solution is likely a dynamic interplay of various pathways, including amyloid-beta, hyperphosphorylated tau proteins, and inflammatory cytokines, modulated by risk factors such as genetics and gender. However, testing such a multifactorial hypothesis is logistically almost impossible to achieve in humans in practice. Mathematical models could solve this problem by offering a way to untangle causal relationships. As part of this thesis, we have built a mathematical model presenting the evolution of a normal brain towards a pathological state. It is composed of nineteen ordinary differential equations using parameters taken from the literature. Our variables include amyloid-beta, tau proteins, neurons, activated astrocytes, microglia and macrophages, and some cytokines. We obtain results for these variables for aging between 30 and 80 years of age. Because of its importance in AD, we have separated amyloid-beta accumulation into several components, namely intracellular and extracellular monomers, oligomers and plaques. The effect of sex and the presence of the APOE4 allele were taken into account via selected parameters. The model is also insulin sensitive, as diabetes is a well-known risk factor for AD. Our model successfully links most of the variables with age. We also present two variations of the model, either without the variation in insulin concentration, or with a decrease in the rate of activation of microglia. The results obtained are consistent with the experimental observations. Despite this, our model is still subject to several improvements and a validation with experimental data is to be done.