Les astrocytes sont des éléments clés de la physiologie cérébrale. Dans les maladies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer (MA), les astrocytes deviennent réactifs. Cette réactivité astrocytaire (RA) est essentiellement caractérisée par des changements morphologiques. En revanche, les effets de la réactivité sur les fonctions de support des astrocytes sont mal connus. De plus, les cascades de signalisation qui conduisent à la RA restent à déterminer. Les objectifs de ce projet étaient de : 1/ démontrer que la voie JAK2-STAT3 (Janus Kinase 2 - Signal Transducer and Activator of Transcription 3) joue un rôle central dans le contrôle de la RA au cours des maladies neurodégénératives ; 2/ comprendre quelle est l’implication de la RA dans les altérations moléculaires, cellulaires et fonctionnelles observées dans la MA. Nous avons montré que la voie JAK2-STAT3 est une cascade de signalisation centrale dans la RA (Ben Haim et al., 2015). Dans ce projet, nous démontrons en utilisant de nouveaux outils moléculaires basés sur des vecteurs viraux, que cette voie est nécessaire et suffisante à la RA. Nos résultats montrent également que la modulation de la RA dans deux modèles murins de la MA (souris APP/PS1dE9 et 3xTg-AD) influence certains index pathologiques, mais de façon contexte-dépendante. L’ensemble de ce travail a permis de valider de nouveaux outils pour étudier les astrocytes réactifs in situ et souligne l’importance et la complexité de leur fonctions au cours des maladies neurodégénératives. / Astrocytes are emerging as key players in brain physiology. In Alzheimer’s disease (AD), astrocytes become reactive. Astrocyte reactivity (AR) is essentially characterized by morphological changes. But how the normal supportive functions of astrocytes are changed by their reactive state is unclear. Moreover, signaling cascades leading to AR are not yet determined. In this study, we aim to: 1/ demonstrate the JAK2-STAT3 pathway (Janus Kinase 2 - Signal Transducer and Activator of Transcription 3) is responsible for AR in neurodegenerative diseases ; 2/ understand the contribution of reactive astrocytes to molecular, cellular and functional alterations in AD. We already reported that the JAK2- STAT3 pathway is a central cascade for AR (Ben Haim et al., 2015). Here, we demonstrate, with new molecular tools based on viral vectors, that this pathway is necessary and sufficient to AR. Our results also show that the modulation of AR in two AD mouse models (APP/PS1dE9 and 3xTg-AD mice) influence several pathological hallmarks, but in a context-dependent manner. Overall, this work has generated new original tools to study reactive astrocytes in situ and it underlines the importance and complexity of their functions in neurodegenerative diseases.

Les protéines amyloïdes sont retrouvées sous forme de fibres dans de nombreuses maladies neurodégénératives. En tentant d’élucider le mécanisme de fibrillation, les chercheurs ont découvert que cette réaction se fait par un phénomène de nucléation passant par des oligomères. Il semblerait que ces espèces soient la principale cause de la toxicité observée dans les cellules des patients atteints d’amyloïdose. C’est pourquoi un intérêt particulier est donc porté aux premières étapes d’oligomérisation. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à une séquence d’acide aminé fortement hydrophobe de l’α-synucléine appelée composante non β -amyloïde (Non-Amyloid β Component ou NAC). Cette dernière est retrouvée sous forme de fibres dans les corps et les neurites de Lewy des patients atteints de la maladie de Parkinson. De plus, elle constitue une composante minoritaire des fibres impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons observé les changements structuraux qui ont lieu pour le monomère, le dimère et le trimère de la séquence NAC de l’α-synucléine. Nous nous sommes aussi intéressés aux conséquences structurelles observées dans des oligomères hétérogènes qui impliqueraient, Aβ1−40. Pour cela nous utilisons des dynamiques moléculaires, d’échange de répliques couplées au potentiel gros-grain, OPEP. Nous constatons une disparition des hélices α au profit des feuillets β , ainsi que le polymorphisme caractéristique des fibres amyloïdes. Certaines régions se sont démarquées par leurs capacités à former des feuillets β . La disparition de ces régions lorsque NAC est combinée à Aβ laisse entrevoir l’importance de l’emplacement des résidus hydrophobes dans des structures susceptibles de former des fibres amyloïdes. / Amyloid proteins are found in fiber form in many neurodegenerative diseases. In attempting to elucidate the mechanism of fibrillation, researchers have found that fibril formation occurs by a nucleation mechanisms involving oligomers. It seems, in particular, that the latter species are responsible for the toxicity observed in the cells of patients suffering from amyloidosis. That is why special interest is focused in the early stages of oligomerization. In this this work, we focus on a highly hydrophobic amino acid sequence of the α-synuclein called Non-Amyloid β Component (NAC). The NAC is recovered in the form of fibers in the body and Lewy neurites in patients with Parkin- son’s disease. Moreover, it is a minority component of the fibers involved in Alzheimer’s disease. In particular, we observe the structural changes taking place for the monomer, dimer and trimer of the NAC region of α-synuclein. We are also interested in the structural consequences observed in heterogeneous oligomers which involve Aβ1−40. We use Hamiltonian and temperature replica exchange molecular dynamics (HT-REMD) simulations combined with the coarse-grained OPEP potential. We observe a loss of α-helices in favor of β -strands and the characteristic polymorphism of amyloid fibers. We also find that some regions are distinguished by their ability to form β -strands. The disappearance of these regions when combined Aβ with NAC suggests the importance of the location of hydrophobic residues in amyloid fibers structures.

Depuis le début des années 2000, la connaissance précise du kinome a entraîné l’émergence de nouvelles stratégies thérapeutiques ciblant des protéines kinases impliquées dans de nombreuses pathologies en oncologie et dans les maladies du système nerveux central. Afin de cibler les kinases d’intérêts identifiées au sein de ces travaux, nous avons effectué, dans une démarche orientée vers la diversité moléculaire, la synthèse de nouveaux hétérocycliques a fort potentiel de valorisation. Nous nous sommes appuyé sur la création et la fonctionnalisation de bicycles à 5 ou 6chaînons de type [6-5] ou [5-5], ces espèces chimiques représentant la voie d’accès à des inhibiteurs compétitifs du substrat naturel des kinases, l’ATP. Nous avons dans un premier temps travaillé autour des imidazo[1,2-b]pyridazines puis des[1,2,4] triazolo[4,3-b]pyridazines, scaffold plus original, pour concevoir des inhibiteurs plus actifs et spécifiques de la kinase HASPIN, nouvelle cible prometteuse en oncologie.Nous avons ensuite poursuivi les études précédentes du laboratoire sur les imidazo[2,1-b][1,3,4]thiadiazoles. Nous basant sur une méthodologie de synthèse bien développée, nous avons créé une librairie de composés dirigés contre les kinases DYRK1A et CLK1 impliquées dans les processus de neuro dégénération, notamment dans la maladie d’Alzheimer. Ainsi, au travers d’analogues des imidazothiadiazoles originaux, nous avons proposé des méthodologies de synthèses de ces nouveaux hétérocycles permettant des pharmaco modulations aisées.Ces divers projets de chimie médicinale ont pu être entrepris de façon à améliorer les connaissances des relations structure-activité, et concevoir de nouveaux inhibiteurs puissants des kinases HASPIN, DYRK1A etCLK1. / Since the early 2000s, precise knowledge of kinome has induced the emergence of novel therapies targeting kinases involved in several kinds of pathologies in oncology and nervous central systems disorders.In order to target original kinases of interest identified in this work, we have developed diversity-oriented synthesis to create new high-valuable heterocycles. We have focused our efforts on the design and functionalization of [6-5] or [5-5] fused ring bicycles. Those chemical species representing a great pathway tocreate competitive inhibitors of ATP; the natural substrate of kinases.First-of-all, we have worked on imidazo[1,2-b]pyridazines and then on [1,2,4]triazolo[4,3-b]pyridazinesscaffolds, to create more active and selective HASPIN kinase inhibitors, a new hot-target in oncology.Then, we have pursued previous laboratory studies on imidazo[2,1-b][1,3,4]thiadiazoles. Based on a well-built methodology, we have synthesized severals DYRK1A and CLK1 kinases inhibitors involved in neurodegenerative disorders, as Alzheimer’s disease. Thus, through original imidazothiadiazoles analogues,we have proposed synthetic methodologies to design these novel heterocycles allowding esay pharmacomodulations.These medicinal chemistry projects have been undertaken to improved knowledge of structure-activityrelashionship, and providing novel strong inhibitors of HASPIN, DYRK1A or CLK1 kinases.

La carence en vitamine B12 est fréquente chez les sujets âgés et produit un vieillissement cérébral par des mécanismes malconnus. La vitamine B12 joue un rôle majeur dans les régulations épigénomiques dépendantes de la S-adénosyl méthionine (SAM). Nous avons établi un modèle de cellules neuronales dopaminergiques NIE115 carencé en vitamine B12 par l'expression stable d'une protéine chimère : la transcobalamine-oléosine (TO) réduisant la disponibilité cellulaire en B12, la SAM et la prolifération cellulaire. La protéine chimère oléosine-transcobalamine (OT) ne lie pas la B12 et constitue un contrôle. Les cellules TO ont une diminution B12-dépendante de la déacétylase SIRT1 (sirtuin1) et un stress du réticulum endoplasmique (RE) avec une augmentation des transducteurs transmembranaires, une diminution des protéines chaperonnes et une augmentation des marqueurs pro-apoptotiques. La diminution de l'expression de SIRT1 déclenche le stress du RE en réponse au stress nutritionnel. Cette diminution produit une augmentation de HSF1 acétylé diminuant l'expression des protéines chaperons. L'ajout de B12, des activateurs de SIRT1 et HSF1, la surexpression de SIRT1 et HSF1 réduisent le stress du RE. Dans les cellules contrôles, le traitement par la thapsigargin, l'inhibition de SIRT1 et HSF1 induisent également un stress du RE réversible en présence de B12. Le traitement des cellules OT par Adox (inhibiteur des méthyltransférases) induit les mêmes effets que la carence. En conclusion, la carence en B12 induit un stress du RE via la diminution de SIRT1 et l'augmentation de HSF1 acétylé, l'ajout de B12 induit des effets neuro-protecteurs sur les cellules soumises à un stress du RE. Ces résultats suggèrent d'évaluer les effets des agonistes de SIRT1 sur les complications cérébrales de la carence / Vitamin B12 deficiency is common in elderly population and produces neurodegenerative disorders by elusive mechanisms. B12 is a key determinant for the S-adenosyl methionine-dependent epigenomic regulations. We have established a B12-deficient cell model via the stable expression of transcobalamin-oleosin chimera (TO), which impairs cellular availability of vitamin B12, reduces SAM level and cell proliferation. Since the expression of oleosin transcobalamin chimera (OT) does not modify the phenotype of the transfected cells, these cells serve as control cells. TO cells present a B12-dependant decrease of deacetylase SIRT1 (sirtuin1) and an endoplasmic reticulum stress (ER stress) reflected by the increased expression of ER stress tranducers, decreased chaperon proteins and increased pro-apoptotic markers. We propose that the decreased expression of SIRT1 triggers cell response to nutritional stress through ER stress. This decrease results in a greater acetylation of heat-shock factor protein 1 (HSF1) and thus reducing the expression of heat shock proteins (HSP). Adding B12, SIRT1, or HSF1 activators as well as overexpressing SIRT1 or HSF1 reduce ER stress. In OT cells, thapsigargin treatment or impairing SIRT1 and HSF1 leads to B12-reversible ER stress. Treating OT cells with AdoX, an inhibitor of methyltransferase activities, produces effects similar to those observed in cells with decreased B12 availability.In summary, the impaired cellular availability of vitamin B12 induces ER stress by increasing HSF1 acetylation through a decreased SIRT1 expression and adding vitamin B12 produces neuro-protective effects in cells subjected to prior ER stress. These results suggest evaluating the effects of SIRT1 agonists on cerebral complications due to a B12 deficiency

Les neurodégénérescences avec accumulation de fer dans le cerveau (Neurodegeneration with Brain Iron Accumulation, NBIA) sont des maladies neurodégénératives progressives, génétiquement hétérogènes. On connait actuellement 11 gènes de ces maladies mais pour la plupart d’entre eux leur lien avec l’accumulation en fer est encore incompris. Ce travail de thèse présente deux nouveaux gènes de NBIA identifiés par séquençage d’exome dans deux familles indépendantes. Le premier gène, REPS1, est impliqué dans le recyclage de l’endosome. Les fibroblastes de patients sont caractérisés par une accumulation de fer qui est corrigée par l’expression de l’ADNc de REPS1 dans ces cellules. Le deuxième gène, CRAT, code une carnitine acétyltransferase et le déficit de β-oxydation détecté dans les fibroblastes du patient a été corrigé par l’expression de l’ADNc CRAT normal. Le rôle de REPS1 dans le recyclage de l’endosome a mis sur la voie du mécanisme physiopathologique des NBIA. En effet, les fibroblastes des patients REPS1 et CRAT mais aussi d’autres patients avec des mutations d’autres gènes connus de NBIA (PANK2, PLA2G6, FA2H, C19ORF12) ont une accumulation massive en fer et une anomalie de recyclage du récepteur à la transferrine (TfR1). TfR1 permet l’entrée du fer par endocytose et son expression est régulée par le contenu en fer des cellules. La seule régulation connue de l’homéostasie du fer se fait au niveau post-transcriptionnel par le système IRP/IRE qui est fonctionnel dans les fibroblastes NBIA alors que la protéine TfR1 s’accumule. Cette accumulation de fer montre ainsi qu’il existe une régulation post-traductionnelle, jusqu’ici inconnue, et qui n’est pas fonctionnelle dans les NBIA. Nous avons pu montrer que cette régulation se faisait par une palmitoylation du TfR1, déficitaire dans les NBIA, mais restaurée par l’artesunate. Ainsi quel que soit le gène muté, tous les NBIA résultent d’une anomalie de recyclage du TfR1 permettant de les définir comme des maladies du trafic intracellulaire. La deuxième partie de la thèse s’intéresse au mécanisme physiopathologique de l’ataxie de Friedreich (FRDA) caractérisée elle aussi par une accumulation de fer dans le cerveau. FRDA est due à des expansions de triplets dans le premier intron du gène FXN conduisant à l’extinction de FXN et de PIP5K1B situé en amont. L’étude de modèles cellulaires dans lesquels le gène FXN et/ou PIP5K1B ont été éteints par siRNA et de fibroblastes de patients a permis de mettre en évidence une anomalie de l’homéostasie du fer qui rappelle celle observée dans les NBIA. L’ensemble de ces résultats a permis de comprendre le mécanisme physiopathologique des NBIA, de mettre à jour une régulation encore inconnue de l’homéostasie du fer mais aussi d’envisager une voie de traitement des NBIA. / Neurodegeneration with brain iron accumulation (NBIA) encompasses a group of rare neurogenerative disorders with different clinical and molecular features, underlined by progressive extrapyramidal dysfunction and iron accumulation in the brain. To date, mutations in 11 genes are currently known. Nevertheless for most of them their link with iron accumulation is still misunderstood. This work presents two novel NBIA genes identified by exome sequencing in two independent families. The first gene, REPS1, is involved in endosome recycling. Patient’s fibroblasts are characterized by iron overload corrected by wild-type REPS1 cDNA overexpression. The second gene, CRAT, encodes a carnitine acetyltransferase and a β-oxidation deficit in patient’s fibroblasts has been fixed by overexpression of wild-type CRAT cDNA. The function of REPS1 in endosome recycling put on the path of the NBIA pathophysiological mechanism. Indeed, fibroblasts of REPS1 patients but also from other patients mutated in various NBIA genes (CRAT, PANK2, PLA2G6, FA2H, C19ORF12) present massive iron accumulation and abnormal transferrin receptor (TfR1) recycling. TfR1 allows iron uptake by endocytosis and its expression is regulated by the iron cellular status. The only known regulation of iron homeostasis occurs at the posttranscriptional level by the IRE/IRP system which is functional in NBIA fibroblasts whereas TfR1 protein accumulates. This iron accumulation highlights a yet unknown posttranslational regulation which is not functional in NBIA. We have been able to demonstrate that this regulation occurs via TfR1 palmitoylation, which is defective in NBIA, but restored by artesunate. Hence, whatever the disease gene, all NBIA gave rise to abnormal TfR1 recycling which allows defining NBIA as intracellular trafficking disease. The second part of the thesis focused on the pathophysiological mechanism of the Friedreich ataxia (FRDA) also characterized by brain iron overload . FRDA is related to triplets expansions in the first intron of FXN gene leading to the extinction of FXN and PIP5K1B upstream gene. Studying cellular models knocked down for FXN and/or PIP5K1B by siRNA and patients’ fibroblasts of patients allowed to detect abnormal iron homeostasis reminiscent of NBIA. All these results allowed to decipher the NBIA pathophysiological mechanism, to highlight a yet unknown iron homeostasis regulation and to open possible ways towards therapeutic drugs for NBIA.

Ce travail porte sur l’étude fonctionnelle de deux gènes préférentiellement exprimés dans deux régions du cerveau touchées par des pathologies neurodégénératives : Capucine, un marqueur du striatum, structure qui dégénère au cours de la maladie de Huntington et Agpat4, un marqueur de l’aire tegmentaire ventrale et de la substance noire compacte, dont les neurones dopaminergiques sont sélectivement atteints lors de la maladie de Parkinson. Des lignées de souris invalidées pour ces gènes ont été générées au laboratoire et au cours de ma thèse j’ai procédé à leur caractérisation. L’expression striatale du gène de la Capucine étant significativement diminuée dans des modèles murins de la maladie de Huntington, nous avons souhaité évaluer son rôle éventuel dans la pathogenèse de cette maladie. Pour ce faire, nous avons examiné, dans le cadre d’une collaboration, l’effet du knock-out et de la surexpression du gène de la Capucine sur la vulnérabilité des neurones striataux à un fragment de la Huntingtine mutée dans un modèle murin de la maladie de Huntington. Les données montrent que la Capucine n’a pas d’effet significatif sur la toxicité du fragment de la Huntingtine mutée dans le modèle étudié.La protéine Agpat4 présente des homologies de séquence avec des acyltransférases impliquées dans le métabolisme des phosphoglycérides. J’ai réalisé des études d’expression par différentes techniques de biologie moléculaire qui montrent que le gène d’Agpat4 est exprimé dans la plupart des tissus catécholaminergiques. Pour déterminer l’activité endogène d’Agpat4 et son rôle physiologique dans les tissus où elle est exprimée, j’ai comparé le métabolome de tissus de souris invalidées pour le gène d’Agpat4 et sauvages par chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse. Mes résultats indiquent que l’invalidation du gène d’Agpat4 perturbe le métabolisme non seulement de différentes classes de lipides, notamment les lysophosphatidyléthanolamines, mais aussi celui des catécholamines. / This work concerns the functional study of two genes preferentially expressed in two brain regions affected by neurodegenerative diseases: Capucine, a marker of the striatum, a structure that degenerates in Huntington's disease and Agpat4, a marker of the ventral tegmental area and the substantia nigra pars compacta, whose dopaminergic neurons are selectively affected in Parkinson's disease. Mouse lines deficient for Capucine and Agpat4 have been generated in the laboratory and during my PhD thesis I carried out their characterization.As the striatal gene expression of Capucine is significantly reduced in mouse models of Huntington's disease, we wished to evaluate its possible role in the pathogenesis of this disease. In a collaborative work, we examined the effect of the knockout and overexpression of the Capucine gene on the vulnerability of striatal neurons to a mutant Huntingtin fragment in a mouse model of Huntington’s disease. The data show that Capucine has no significant effect on the toxicity of the mutant Huntingtin fragment in the considered model.The Agpat4 protein has sequence homologies with acyltransferases involved in the metabolism of phosphoglycerides. I conducted expression studies using different molecular biology techniques, which showed that the Agpat4 gene is expressed in most catecholaminergic tissues. To determine the endogenous activity of Agpat4 and its physiological role in the tissues where it is expressed, I compared the metabolomes of Agpat4-deficient and wild-type mice tissues by liquid chromatography coupled with mass spectrometry. My results indicate that Agpat4 deficiency alters not only the metabolism of different lipid classes, in particular lysophosphatidylethanolamines, but also the metabolism of catecholamines.

La détection de la protéine prion anormale dans les tissus lymphoïdes de patients britanniques suggère qu’après exposition à l’agent de la variante de la maladie de Creutzfeldt-Jakob (vMCJ) plus de 99% des contaminations pourraient demeurer cliniquement silencieuses. Ces données soulignent un risque de transmission secondaire par transfusion sanguine ce qui nous a conduit à une étude expérimentale. En parallèle des formes classiques de vMCJ, nos modèles murins et simiens de retransmission ont mis en evidence des phenotypes atypiques. Ces phénotypes échappent actuellement aux critères de diagnostic puisqu’aucune protéine prion anormale (PrPres) n’est détectée.Nos travaux ont eu pour but principal d’évaluer expérimentalement le risque sanguin au travers d’études de retransmission et de caractérisation de la replication des souches classiques et atypiques aux niveaux périphérique et central.Nous observons une très forte hétérogénéité dans la réplication de la PrP anormale dans les différents tissus lymphoïdes des macaques transfusés développant une vMCJ. Le niveau de contamination des tissus lymphoïdes apparait proportionnel à l’infectiosité sanguine de ces animaux et au risque de transmission de la maladie in vivo. Concernant les formes atypiques, la majorité des macaques transfusés n’ont pas de réplication dans les tissus lymphoïdes bien que ces phénotypes soient transmissibles expérimentalement à des modèles murins. Des transmissions à des souris immunodéficientes révèlent que les souches atypiques sont transmissibles par voie périphérique en l’absence d’un système immunitaire fonctionnel.Une alternative à l’expérimentation animale a été réalisée grâce aux « mini-brains » mimant la complexité du cerveau humain. Ces organoïdes cultivés en trois dimensions sont sensibles à au moins un isolat de prion associé aux formes sporadiques humaines. Les mini-brains pourraient ainsi constituer un nouvel outil d’étude des maladies à prions et permettre à termes la caractérisation des souches atypiques. / The detection of abnormal prion protein in the lymphoid tissues of UK patients suggests that after exposure to the agent of variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD), more than 99% of contaminations may remain clinically silent. These data highlight a risk of secondary transmission through blood transfusion. In parallel to the classical vCJD forms, our experimental models in mice and macaques revealed another group which avoids the current diagnostic criteria, including the absence of abnormal prion protein (PrPres).The main goal of our work was to experimentally assess the risk of blood through retransmission studies and characterization of the abnormal replication of classical and atypical strains examined at peripheral and central levels.We observed a high heterogeneity of the distribution of the abnormal PrP in the lymphoid tissues of vCJD transfused macaques. The global level of contamination in lymphoid tissues seems proportional to the blood infectivity in these animals and to the risk of in vivo transmission of the disease. Regarding atypical forms, despite an absence of replication in lymphoid tissues, these phenotypes are experimentally transmissible. Transmissions to immunodeficient mice reveal that atypical strains are transmissible through peripheral routes in the absence of functional immune system.An alternative to animal testing has been achieved using to "mini-brains" mimicking the complexity of the human nervous system. These organoids cultured in three dimensions are sensitive to at least one prion isolate associated with human sporadic forms. Thus, mini-brains could constitute a new tool for studying prion diseases and improve the characterization of atypical strains.

Ce travail porte sur l'étude fonctionnelle de deux gènes préférentiellement exprimés dans deux régions du cerveau touchées par des pathologies neurodégénératives : Capucine, un marqueur du striatum, structure qui dégénère au cours de la maladie de Huntington et Agpat4, un marqueur de l'aire tegmentaire ventrale et de la substance noire compacte, dont les neurones dopaminergiques sont sélectivement atteints lors de la maladie de Parkinson. Des lignées de souris invalidées pour ces gènes ont été générées au laboratoire et au cours de ma thèse j'ai procédé à leur caractérisation. L'expression striatale du gène de la Capucine étant significativement diminuée dans des modèles murins de la maladie de Huntington, nous avons souhaité évaluer son rôle éventuel dans la pathogenèse de cette maladie. Pour ce faire, nous avons examiné, dans le cadre d'une collaboration, l'effet du knock-out et de la surexpression du gène de la Capucine sur la vulnérabilité des neurones striataux à un fragment de la Huntingtine mutée dans un modèle murin de la maladie de Huntington. Les données montrent que la Capucine n'a pas d'effet significatif sur la toxicité du fragment de la Huntingtine mutée dans le modèle étudié.La protéine Agpat4 présente des homologies de séquence avec des acyltransférases impliquées dans le métabolisme des phosphoglycérides. J'ai réalisé des études d'expression par différentes techniques de biologie moléculaire qui montrent que le gène d'Agpat4 est exprimé dans la plupart des tissus catécholaminergiques. Pour déterminer l'activité endogène d'Agpat4 et son rôle physiologique dans les tissus où elle est exprimée, j'ai comparé le métabolome de tissus de souris invalidées pour le gène d'Agpat4 et sauvages par chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse. Mes résultats indiquent que l'invalidation du gène d'Agpat4 perturbe le métabolisme non seulement de différentes classes de lipides, notamment les lysophosphatidyléthanolamines, mais aussi celui des catécholamines.

La microscopie non-linéaire résolue en polarisation est un outil puissant pour accéder à des informations structurelles dans les assemblages biomoléculaires. Les interactions non-linéaires entre matière et lumière induisent des processus complexes où des champs électromagnétiques cohérents interagissent avec les dipôles de transitions moléculaires. Le contrôle de la polarisation des champs électromagnétiques excitateurs et l’étude des réponses non-linéaires induites procurent de riches informations sur la distribution angulaire des molécules présentes dans le volume focal de l’objectif du microscope. Dans cette thèse, nous appliquons cette sensibilité à la polarisation à plusieurs modalités de microscopie cohérentes sans marquage (diffusion cohérente Raman anti-Stokes (CARS), diffusion Cohérente stimulée (SRS)) et à la fluorescence à deux photons (2PEF) afin d’obtenir des informations quantitatives sur la forme de la distribution moléculaire et l’orientation des lipides dans les membranes artificielles, ainsi que dans les membranes biologiques telles que la myéline des tissus de la moelle épinière. Avec cette technique, nous adressons une question fondamentale sur le comportement des ensembles lipidiques dans les membranes et sur l’effet d’autres molécules telles que le cholestérol et les marqueurs fluorescents. Nous démontrons que le CARS résolu en polarisation permet d’accéder à de fines informations sur l’organisation des lipides dans les membranes de la myéline, en deçà de la limite de diffraction. / Polarization resolved nonlinear microscopy is a powerful tool to image structural information in biomolecular assemblies. Nonlinear interaction between light and matter lead to complex processes where coherent combinations of optical fields couple to assemblies of molecular transition dipoles. Controlling polarized optical fields and monitoring nonlinear induced signals in a medium can nevertheless bring rich information on molecular orientational organization within the focal spot of a microscope objective. In this PhD thesis we apply this polarization sensitivity to different label-free optical coherent techniques (coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), stimulated Raman scattering (SRS)) and to two-photon fluorescence (2PEF) to retrieve quantitative information on the static molecular distribution shape and orientation of lipids in model membranes and biological membranes such as myelin sheaths in spinal cord tissues. With this technique, we address fundamental questions about lipid packing behavior in membranes, and how it can be affected by other molecules such as cholesterol and the insertion of fluorescent lipid probes. We demonstrate that polarization resolved CARS give access to fine details on lipids arrangement in myelin sheaths, at a sub-diffraction scale. In the context of experimental autoimmune encephalomyelitis disease (EAE) we show, that even at the stage of disruption of the myelin envelope during the demyelination process, lipids multilayers reveal strong capability to preserve their macroscopic self-assembly into highly organized structures, with a degree of disorganization occurring only at the molecular scale.

Les maladies d’Alzheimer et de Parkinson (MA et MP) sont des maladies neurodégénératives entrainant une diminution des fonctions cognitives et locomotrices et toujours dépourvues de traitements curatifs. La consommation d’huile d’olive et des polyphénols qu’elle contient atténuerait la survenue des démences telles qu’observées dans la MA ou la MP. À ce jour, ces composés phénoliques ont été étudiés de manière isolée afin de caractériser leur réactivité vis à vis des radicaux et leurs effets biologiques, mais les concentrations utilisées (5–100 µM) sont supérieures aux concentrations retrouvées dans le plasma (0.5-2,8 ng/ml). Jusqu’à présent, aucune étude n’a observé les effets de ces composés combinés, alors que l’oleuropéine et le tyrosol, des composés phénoliques parmi les plus abondants dans l’huile d’olive et que l’acide p-coumarique, un dérivé d’acide hydroxycinnamique, sont connus pour leurs activités antioxydantes et leur biodisponibilité. Dans un contexte cellulaire, les composés phénoliques agissent à travers leurs capacités de donneurs d’atomes d’hydrogène et/ou d’électrons, et impactent la régulation des défenses antioxydante. En conditions oxydatives, ils peuvent subir des modifications structurelles et mener à de nouveaux composés. L’impact cellulaire de ces derniers est encore peu étudié, car leur devenir dans le contexte d’un métabolisme oxydatif reste obscur. L’étude des métabolites issus de l’oxydation des composés phénoliques est donc d’une réelle importance afin d’approfondir les connaissances sur leurs mécanismes d’actions au niveau biologique. Nous avons émis l’hypothèse que la combinaison de l’oleuropéine, du tyrosol et de l’acide p-coumarique potentialise leurs effets neuroprotecteurs à travers leurs capacités de donneurs d’électrons et en lien avec la production des métabolites associés. Ce propose une approche pluridisciplinaire intégrant des composantes biologiques et des questions relevant de la physico-chimie, en s’appuyant sur des outils électrochimiques. En premier lieu, nous avons démontré que l’association de ces trois composés (Mix 1) permettait de potentialiser leurs effets neuroprotecteurs avec concentrations efficaces à 0.1 et 1µM, contrairement aux concentrations neuroprotectrices lorsque ces composés sont utilisés individuellement (5 à 10 fois plus élevées). Le Mix1 augmente la réactivité des composés phénoliques vis-à-vis d’espèces réactives de l’oxygène et permet une diminution de leur génération intracellulaire. Cette neuroprotection semble en partie médiée par une régulation des facteurs de régulation rédox endogènes. Dans un second temps, nous avons comparé le comportement en conditions oxydatives acellulaires de l’oleuropéine, du tyrosol et de l’acide p-coumarique individuellement et dans le Mix1. L’analyse en LC-MS2 des composés stables issus de l’oxydation du Mix 1 a montré une diminution des taux d’oxydation relatifs de chacun des composés, ainsi que la détection de trois néocomposés spécifiques de l’oxydation du Mix1. De plus, un effet neuroprotecteur significatif du Mix1 oxydé a été observé dès 1 et 5 nM, ce qui soutient l’hypothèse que les produits issus de l’oxydation des composés phénoliques peuvent participer aux effets biologiques des composés natifs. Notre troisième objectif était d’évaluer si les composés issus de l’oxydation des composés phénoliques pouvaient être générés dans un système biologique. L’analyse en LC-HRMS des extraits de cellules neuronales traitées avec le Mix1 en conditions oxydatives a révélé que ces composés étaient toujours présents sous leurs formes natives dans les cellules après plusieurs heures de traitement. Ce projet multidisciplinaire a permis d’observer les effets des composés phénoliques sous plusieurs angles. Il confirme qu’un effet neuroprotecteur de composés issus de l’oxydation est possible et ouvre la voie à de nouvelles approches pour le développement de formulations efficaces pour limiter le stress oxydatif au niveau cérébral. / Alzheimer and Parkinson diseases (AD and PD) are neurodegenerative disorders leading to cognitive function decline and curative treatments are still missing. Olive oil and related phenolic compounds consumption could prevent or slow down cognitive decline through neuronal preservation. Indeed, they have direct antioxidant properties as electrons or H-atom donors, which are largely suspected of being responsible for their biological effects, but also of some indirect properties as modulators of endogenous antioxidant defenses. The secoiridoid oleuropein and the monophenols tyrosol and p-coumaric acid have shown abilities to counteract oxidative injuries and associated neuronal death in several cellular and in vivo models. However, the basic mechanisms of action of phenolic compounds remain to be elucidated. In fact, phenolic compounds are highly sensitive to oxidative modifications and could be transformed into new compounds in an oxidative context. Cellular impacts of these products are rarely considered, probably because their intracellular detection is a great challenge and remain an important field to explore. Moreover, oleuropein, tyrosol and p-coumaric were individually evaluated in order to characterize their own reactivity towards ROS and their biological properties. However, the concentration ranges used to observe neuroprotection in cellular models (5 – 100 µM) were far from the possibly recovered phenolic concentration in plasma (0.5 - 2,8 ng /ml of plasma). To observe an effect with concentration range closer to the physiological ones, several antioxidant combinations could be proposed. Nevertheless, despite the biological promises of phenolic compounds from olive oil, studies which combined some of the most abundant phenolic compounds in the neuroprotection field is still missing. We thus hypothesized that the combination of oleuropein, tyrosol and p-coumaric acid in equimolar proportion (Mix 1) could potentiated their ROS scavenging and neuroprotective properties to counteract oxidative stress-induced neuronal death. These effects could be in part due to their oxidized metabolites. First, we demonstrated that the association of these three phenolic compounds potentiated their neuroprotective effects with efficient concentrations at 0.1 and 1µM, contrary to concentration ranges when there are used individually (5 to 10 higher). The Mix1 increase the reactivity of phenolic compounds towards ROS and decreases their intracellular production. These neuroprotective properties seems, at least in part, lead by a regulation of the endogenous redox factors. Then, we compared the behavior of Oleuropein, tyrosol and p-coumaric acid individually and in the Mix1 under acellular oxidative conditions. The oxidized Mix1 LC-ESI-MS2 profiles showed a regeneration of oleuropein through a decrease of the phenolic compounds oxidation rate and highlight the presence of specific oxidized products in Mix 1. This study also showed a significant neuroprotection of oxidized Ole and oxidized Mix1 with very low concentrations (1 and 5 nM), suggesting the putative relevant role of oxidized Ole products to protect or delay neuronal death. Our third objective was to evaluate if these oxidized metabolites could be produced in a biological system. Even under oxidative conditions, we recovered these compounds in cellular extracts under their native forms after few hours of treatments, attesting their accumulation in neuronal cells. Taking together, our results pointed out the relevance to study the phenolic compounds from a chemical and a biological point of view, which should always be as cellular redox reactions are between biological and chemical fields. Lastly, we confirmed the significance to take into account the oxidized metabolites from phenolic compounds to deeper understand their biological properties.