La formation de plaques amyloïdes par l'accumulation des protéines Aβ issues du clivage amyloïdogénique de la protéine précurseur d'amyloïde (APP) et les enchevêtrements neurofibrillaires issus de l'accumulation de la protéine Tau hyperphosphorylée sont les caractéristiques neuropathologiques majeures de la maladie d'Alzheimer (MA) qui est la principale cause de démence chez les personnes âgées. La régulation d'APP et Tau dans les cellules est assurée par plusieurs modifications post-traductionnelles, dont la phosphorylation. Des observations montrent que la phosphorylation anormale d'APP et Tau amène à la MA. Différentes études ont montré que la kinase polo-like 2 (PLK2), une kinase à Sérine/Thréonine, est surexprimée dans le cerveau de patients atteints de la MA et qu'elle interagit directement avec l'APP. La dérégulation de l'activité kinase de la PLK2 pourrait augmenter la phosphorylation d'APP et Tau et aggraverait l'accumulation de l'Aβ et de Tau hyperphosphorylée, contribuant ainsi au développement de la pathologie. Dans un premier temps, nous avons étudié l'effet de la surexpression de la PLK2 et l'inhibition de son activité kinase sur APP et Tau co-exprimées dans des cellules HEK-293T. Parmi toutes les PLKs, la PLK2 est celle qui réduit d'avantage les niveaux d'expression protéique d'APP et Tau, et son inhibition pharmacologique les restaurent partiellement. Puis nous avons cherché à comprendre par quelles voies de clivage et/ou de dégradation l'APP s'engageait lorsqu'elle était co-exprimée avec la PLK2 dans ces mêmes cellules. Ni la voie de clivage amyloïdogénique, ni les voies de dégradation ne participent à la diminution des niveaux d'expression protéique de l'APP co-exprimée avec la PLK2. Enfin, nous voulions déterminer l'impact de l'inhibiteur de la PLK2 dans le modèle murin transgénique 3xTg-AD. Le traitement a un impact sexe-dépendant et qui diffère selon la caractéristique neuropathologique observée. En conclusion, notre étude a permis d'approfondir les connaissances actuelles tout en apportant de nouvelles pistes de recherche. / The formation of amyloid plaques by the accumulation of Aβ proteins from amyloidogenic cleavage of amyloid precursor protein (APP) and neurofibrillary tangles from the accumulation of hyperphosphorylated Tau protein are the major neuropathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD), which is the leading cause of dementia in the elderly. APP and Tau are regulated in cells by several post-translational modifications, including phosphorylation. There is evidence that abnormal phosphorylation of APP and Tau leads to AD. Various studies have shown that polo-like kinase 2 (PLK2), a serine/threonine kinase, is over expressed in the brains of AD patients and interacts directly with APP. Dysregulation of PLK2 kinase activity could increase the phosphorylation of APP and Tau and aggravate the accumulation of Aβ and hyperphosphorylated Tau, thus contributing to the development of the pathology. First, we studied the effect of over expression of PLK2 and inhibition of its kinase activity on APP and Tau co-expressed in HEK-293T cells. Among all the PLKs, PLK2 is the one that most reduces the protein expression levels of APP and Tau, and its pharmacological inhibition partially restores them. We then sought to understand which cleavage and/or degradation pathways APP engaged in when co-expressed with PLK2 in these same cells. Neither the amyloidogenic cleavage pathway nor the degradation pathways are involved in decreasing the protein expression levels of APP co-expressed with PLK2. Finally, we wanted to determine the impact of the PLK2 inhibitor in the 3xTg-AD transgenic mouse model. The impact of the treatment is sex-dependent and differs according to the neuropathological hallmark observed. In conclusion, our study has allowed us to deepen the current knowledge while providing new avenues for research.

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La maladie d’Alzheimer est la plus commune des formes de démence qui touche presque cinquante millions de personnes dans le monde. Les symptômes les plus fréquents sont la perte de mémoire, la difficulté à planifier des tâches et des confusions temporelles et spatiales. Il n’existe à ce jour aucun traitement pour cette maladie. La protéine précurseur de l’amyloïde (APP) est habituellement coupée par l’enzyme alpha-sécrétase, cependant une coupure anormale par la bêta-sécrétase conduit à la formation de peptides bêta-amyloïdes, qui forment des agrégats s’accumulant sous forme de plaques dans le cerveau des patients Alzheimer. De nombreuses mutations du gène APP sont à l’origine de changements dans la séquence d’acides aminés de la protéine, responsable d’une accumulation accrue de plaques. Ces mutations sont appelées formes familiales de la maladie d’Alzheimer ou FAD (Familial Alzheimer’s disease). Cependant il a été découvert qu’une forme de FAD d’APP (mutation islandaise A673T) présente dans une population d’Europe nordique, différant d’une seule paire de bases du gène normal dans l’exon 16, modifiant une alanine de la protéine en thréonine qui réduit de 40% sa coupure par la bêta-sécrétase. La découverte de la technologie CRISPR/Cas9 ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de traitements préventifs ou curatifs des maladies génétiques et dans notre cas Alzheimer. L’endonucléase Cas9 peut couper l’ADN double brin du génome en étant guidée par un ARNg et en reconnaissant une séquence cible « protospacer » suivie d’un PAM (protospacer adjacent motif). Depuis 2016, une optimisation du système CRISPR appelée édition de base permet maintenant de modifier de façon très précise la base cytidine enthymine et les guanines en adénines sur le brin opposé de l’ADN. Le premier article de cette thèse vise à démontrer que l’ajout de la forme FAD A673Ten codominance avec une autre forme pathologique provoque ou non des répercussions bénéfiques sur la sécrétion de peptides amyloïde-beta. Les expériences ont été réalisées avec des plasmides, permettant de visualiser un effet maximum de la mutation A673T. Il était important de déterminer si cette mutation était protectrice en codominance pour assurer une approche thérapeutique la plus polyvalente possible. Nous avons confirmé cet effet bénéfique sur une majorité de formes FAD et en particulier sur la mutation London V717I.Le deuxième article de cette thèse traite de l’introduction de la mutation A673T par un système dérivé de CRISPR/Cas9, l’édition de base. Plusieurs modèles d’éditeurs de base ont été comparés et optimisés dans le but d’obtenir une modification du génome aussi efficace et précise que possible. Un candidat a été sélectionné après des tests sur cellules modèles HEK 293T et neuroblastomes SH-SY5Y.La troisième partie de ce manuscrit présente les résultats obtenus lors de l’insertion de cet éditeur de base dans des vecteurs viraux dans le but d’infecter des modèles de neurones humains et murins présentant des formes FAD. L’ensemble de cette démarche a permis d’ouvrir une nouvelle avenue à une potentielle thérapie pour la maladie d’Alzheimer. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia in the world, withnearly fifty million people affected currently. The most common symptoms of this diseaseare memory loss, difficulties in task management, and temporal and spatial confusions. There is currently no treatment for this disease. The amyloid precursor protein (APP) is usually cut by the alpha-secretase enzyme; however, abnormal cleavage by the beta-site APP cleaving enzyme 1 (BACE1) leads to the formation of beta-amyloid peptides. These peptides in turn forms aggregates, which accumulate as plaques in the brains of Alzheimer patients. Many non-silent APP mutationscause changes to the amino acid composition of the protein and result in increased plaque accumulation. These mutations are called familial forms of Alzheimer’s disease (FAD).However, one of these mutations (Icelandic A673T mutation) has been shown to confer aprotection against the on set and development of AD. This mutation of a single mutation inexon 16 changes an alanine into a threonine and has been shown to reduce the cleavage ofthe APP protein by BACE1 by 40%.This kind of single point mutation is the perfect target for the newly discoveredCRISPR/Cas9 technology, which opens new perspectives for the development of preventiveor curative treatments for genetic diseases and in our case Alzheimer’s. The Cas9endonuclease is a powerful tool for the modification of genetic data. The protein has been shown to cut double-stranded DNA with the help of a guide RNA (gRNA) to target a specified sequence adjacent to a PAM (protospacer adjacent motif). The base CRISPRsystem has been coopted by many different research teams; one of which used the technology to develop a technique they called base editing. This technique allows researchers toexchange cytidine bases for thymine and guanine bases for adenine with a strong accuracy. The first article of this thesis aims to demonstrate that the addition of the A673Tmutation in codominance with another pathological form of AD may have beneficial effectson the reduction of beta-amyloid peptides in patients’ brains. To determine if the mutationwas protective, plasmids carrying the A673T mutation along with another random FADmutation were used. Ultimately, we confirmed the beneficial effect for many forms of FAD,in particular the London V717I mutation demonstrated the greatest reduction in beta amyloidproteins. The second article of this thesis deals with the insertion of the A673T mutation by theCRISPR/Cas9 derived system, base editing. Several base editor complexes were compared and optimized to achieve the most effective and accurate genome modification possible. A candidate was selected after testing on HEK293T cells and SH-SY5Y neuroblastoma. The third part of this manuscript presents the results obtained when using lentiviraland AAV vectors to infect induced human and mouse neurons with a base editor complex and harvested mouse neurons with FAD forms. This whole approach has opened up an avenue for a potential therapy for Alzheimer’sdisease.

La maladie d’Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative insidieuse qui entraîne l’apparition de déficits cognitifs menant à un déclin graduel de l’autonomie fonctionnelle. Ce déclin fonctionnel peut affecter négativement le bien-être des patients vivant avec la MA, qui est dépendant du sentiment d’autonomie, de compétence et d’affiliation, selon la théorie d’autodétermination. Des interventions ciblant les atteintes fonctionnelles dans la MA ont donc été développées. Le type d’intervention démontrant le meilleur potentiel auprès de cette population est la réadaptation cognitive (RC). Il s’agit d’une approche individualisée selon les incapacités du fonctionnement quotidien et le profil d’atteintes cognitives. Les études existantes sur la RC ont démontré des améliorations de la performance sur les activités de la vie quotidienne qui étaient ciblées par la RC. Cela dit, ces études présentaient des limites méthodologiques, telles que des mesures subjectives de la performance et l’utilisation d’interventions non individualisées et non liées à des tâches de la vie quotidienne. Thivierge et collaborateurs (2014) ont pallié certaines de ces limites en élaborant un programme de RC qui a démontré l’amélioration objective de la performance pour une activité instrumentale de la vie quotidienne (AIVQ) altérée chez un groupe de participants vivant avec la MA en stade léger. Le programme de RC incluait les techniques cognitives de la pratique répétée avec rappel espacé et apprentissage sans erreur. Malgré les effets bénéfiques sur la performance, la RC n’avait pas amélioré la qualité de vie des participants et un effet secondaire indésirable avait été enregistré (Brunelle-Hamann, Thivierge & Simard, 2015). Avant de poursuivre la recherche sur la RC, il était donc primordial de préciser certains aspects. C’est donc dans ce cadre que s’inscrit la présente thèse. Cette thèse a trois objectifs principaux. D’abord, elle vise à justifier le développement d’interventions de RC ciblant les activités de la vie quotidienne auprès de la population MA. Une revue critique de la littérature a été effectuée afin de préciser les atteintes fonctionnelles des activités instrumentales de la vie quotidienne (AIVQ) dans les premiers stades de la MA. Dans un second temps, cette thèse vise à vérifier si un programme de RC pour réapprendre deux AIVQ est sécuritaire auprès des patients dans les stades léger et modéré. Finalement, le troisième objectif est d’évaluer l’efficacité d’un programme de RC pour améliorer la qualité de vie, l’estime de soi et la satisfaction de soi et pour améliorer la performance à deux AIVQ altérées et significatives pour les patients en stades léger et modéré de la MA. Cette thèse est novatrice, car elle est la première à évaluer objectivement à l’aide d’une mesure valide, fidèle et écologique, l’efficacité d’une RC individualisée à domicile, chez les patients MA en stade léger et modéré, pour améliorer deux AIVQ significatives et altérées. Elle est la première à évaluer l’innocuité d’un programme de RC pour deux AIVQ en contexte de MA. Elle introduit des mesures du bien-être, dont l’estime de soi et la satisfaction de soi, mesures importantes lorsque l’on considère l’implantation d’une telle intervention à plus large échelle et mesures supportées par un modèle théorique et recommandées pour les interventions dans la démence. Les résultats de la présente thèse ont démontré que les atteintes fonctionnelles sont présentes de façon précoce dans les stades léger et modéré de la MA et affectent en premier lieu les activités complexes de la vie quotidienne (AIVQ). Les interventions ciblant ces atteintes sont pertinentes afin de favoriser l’autonomie et le bien-être des patients MA. Les résultats recueillis dans le cadre de cette thèse ont permis d’établir qu’un programme de RC ciblant deux AIVQ était sécuritaire et bien toléré pour les patients MA et pour leur proche aidant. Finalement, la valeur surajoutée de la réadaptation de deux AIVQ altérées, comparativement à une seule AIVQ, a été identifiée à l’aide d’une étude randomisée contrôlée. La RC pour deux AIVQ permet d’améliorer objectivement la performance à ces activités et de prévenir le déclin fonctionnel global jusqu’à trois mois après la fin de l’intervention et entraine une amélioration de l’estime de soi. Et ce, malgré les déficits de la mémoire épisodique des participants et l’évolution du déclin cognitif.

La maladie d’Alzheimer (MA) est la cause la plus fréquente de démence chez les personnes âgées. Un traitement n’a pas encore été trouvé, mais des études montrent que la combinaison de thérapies pharmacologiques et non pharmacologiques (TNP) peut ralentir la progression des symptômes de la maladie. Parmi les TNP, la thérapie musicale active ou musicothérapie active (TMA) a été largement utilisée. Cependant, cette approche requiert une supervision constante pour que la thérapie soit exécutée correctement. L’utilisation de technologies adaptées aux besoins des personnes avec MA pourrait alors leur permettre de participer de manière autonome aux sessions de TMA. Ce mémoire de maîtrise s’organise autour de deux articles scientifiques. Le premier est une recension des écrits au sujet de la TMA utilisée en MA. Le deuxième article présente la démarche de co-conception d’un prototype du dispositif de clavier musical surdimensionné capable de guider les utilisateurs atteints de MA (stade léger) à travers des sessions de TMA qui comprennent des activités musicales,cognitives et motrices. Des études complémentaires devront évaluer les effets de l’utilisation de ce dispositif musical sur les différents symptômes de la MA. Cependant, le matériau présenté dans le premier article de la thèse (recension des écrits) et les données en lien avec le deuxième article (co-conception), tels que les témoignages des participants au stage léger de la MA et les prototypes créés, indiquent que l’utilisation de ce clavier peut potentiellement atténuer les symptômes associés à la MA et ainsi améliorer la qualité de la vie de cette population. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia in the elderly. A cure has not yet been found, but studies show that the combination of pharmacological and non-pharmacological therapies (NPT) can slow down the progression of the symptoms of the disease. Among the NPT, active music therapy (AMT) has been widely used to help relieve the symptoms of dementia. However,most AMT require constant supervision or guidance so that the person with AD can participate in the therapy session and perform it correctly. The use of technologies specifically designed to meet the needs of this population could allow them to autonomously participate in AMT sessions.This master’s thesis is organized into two articles, the first is a literature review regarding the application of AMT in AD. The second article presents the co-design process of an oversized musical keyboard that can guide users with mild AD through AMT sessions that integrate musical, cognitive and motor tasks. Further studies should evaluate the effects of using this device on different symptoms of Alzheimer’s disease. However, the results presented in the first article of the thesis and the observations from the interactions between the participants (with mild AD) and the prototypes provided during the co-design process indicate that the use of this keyboard has the potential to alleviate symptoms related to AD and, thus, improve the quality of life.

"Thèse en cotutelle, Doctorat en sciences pharmaceutiques; Université Laval, Québec, Philosophiæ doctor (Ph. D.), Canada et Université de Bordeaux, Talence, France." / La tétrahydrobioptérine (BH4) est le cofacteur requis pour l'activité des enzymes responsables de la synthèse de la dopamine, la sérotonine et l'oxyde nitrique. Par conséquent, la BH4 est nécessaire au bon déroulement de nombreux processus physiologiques centraux et périphériques dont la neurotransmission, la réponse inflammatoire, la régulation du stress oxydatif, la fonction vasculaire et endothéliale et le métabolisme. Or la BH4 peut facilement être oxydée et dégradée. Ainsi des diminutions des niveaux centraux de BH4 ont été observées dans de nombreuses maladies neuropsychiatriques à composante inflammatoire dont la maladie d'Alzheimer et la dépression majeure. La diminution des niveaux de BH4 dans ces pathologies pourrait participer à la survenue de symptômes et à l'aggravation de ceux-ci. Malgré ces observations, les effets d'une administration de BH4 sur la fonction cérébrale en condition physiologique et pathologique et les comportements en s'y rapportant restent largement inexplorés. L'objectif de cette thèse a été de caractériser les effets d'une administration de BH4 périphérique sur la neurobiologie et le comportement chez la souris. Nous nous sommes intéressés aux effets de BH4 sur le système dopaminergique mésolimbique et la motivation en condition physiologique et lors d'une inflammation aiguë. Puis, dans un second temps, nous avons exploré le potentiel thérapeutique de la BH4 dans le traitement de la maladie d'Alzheimer. Nous avons tout d'abord démontré que la BH4 traversait la barrière hémato-encéphalique et qu'une injection périphérique permettait d'augmenter les niveaux centraux de BH4. Nos travaux ont montré qu'en condition physiologique, l'administration de BH4 potentialise la libération de dopamine stimulée dans le nucleus accumbens et les comportements motivés. En condition de neuroinflammation aiguë induite par le LPS, l'administration de BH4 permet d'atténuer la neuroinflammation. Par conséquent, la BH4 pourrait avoir des effets bénéfiques dans le traitement des troubles motivationnels induits par l'inflammation. Dans notre deuxième étude, nous avons démontré que l'administration chronique de BH4 permet de corriger les déficits mnésiques observés dans le modèle murin triple transgénique de la maladie d'Alzheimer. Le traitement en BH4 induit également une diminution d'un marqueur inflammatoire ainsi qu'une amélioration de la tolérance au glucose. Cependant, ces améliorations mnésiques, métaboliques et inflammatoires ne s'accompagnent pas d'une diminution des pathologies amyloïde et tau. L'ensemble de ces travaux a permis une meilleure caractérisation des effets neurobiologiques et comportementaux de la BH4 et renforce son potentiel thérapeutique. / Tetrahydrobiopterin (BH4) is the required cofactor for the activity of the enzymes involved in the synthesis of dopamine, serotonin and nitric oxide. BH4 is therefore necessary for many central and peripheral physiological processes including neurotransmission, inflammatory response, oxidative stress regulation, vascular and endothelial function, and metabolism. However, BH4 is prone to oxidation and degradation, and decreased BH4 brain level has been observed in many neuropsychiatric diseases including Alzheimer's disease and major depression. Consequently, the decrease in BH4 levels in these pathologies could contribute to the onset and aggravation of symptoms. Despite these observations, the effects of BH4 administration on brain function and related physiological and pathological behavior remain largely unexplored. The aim of this thesis was to characterize the effects of peripheral BH4 administration on brain function and related behaviors. We investigated the effects of BH4 on the mesolimbic dopaminergic system and motivation in physiological condition and during acute inflammation. Then, we explored the therapeutic potential of BH4 in the treatment of Alzheimer's disease. We first demonstrated that BH4 crossed the blood-brain barrier and that a peripheral injection of BH4 increased its cerebral levels. Under physiological condition, administration of BH4 potentiates dopamine release into the nucleus accumbens and motivated behaviors. In acute LPS-induced neuroinflammation, administration of BH4 reduced neuroinflammation. Therefore, BH4 may have beneficial effects on dopaminergic disorders induced by inflammation. In our second study, we demonstrated that chronic administration of BH4 reversed memory deficits observed in the transgenic triple murine model of Alzheimer's disease. We also observed a decrease in neuroinflammatory marker and an improvement in glucose tolerance. However, these memory, metabolic and inflammatory improvements were not accompanied by a decrease in amyloid and tau pathologies. This work contributes to a better characterization of the neurobiological and behavioral effects of the BH4 and reinforces its therapeutic potential.

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