Les maladies neurodégénératives liées à l’âge, telle celle de Parkinson, sont un problème majeur de santé publique. Cependant, la maladie de Parkinson reste incurable et les traitements sont très limités. En effet, les causes de la maladie restent encore mal comprises et la recherche se concentre sur ses mécanismes moléculaires. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à deux phénomènes anormaux se produisant dans la maladie de Parkinson : l’agrégation de l’α-synucléine et l’activation des cellules microgliales. Pour étudier la polymérisation de l’α-synucléine, nous avons établi de nouvelles méthodes permettant la production in vitro de différents types d’oligomères d’α-synucléine. Grâce à des méthodes biophysiques de pointe, nous avons caractérisé ces différents oligomères à l’échelle moléculaire. Puis nous avons étudié leurs effets toxiques sur les neurones. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l’activation des microglies et en particulier à leurs canaux potassiques et aux changements liés au vieillissement. Nous avons identifié les canaux Kv1.3 et Kir2.1 et montré qu’ils étaient impliqués dans l’activation des microglies. En parallèle, nous avons établi une méthode originale qui permet l’isolation et la culture de microglies primaires issues de cerveaux adultes. En comparaison à celles de nouveaux-nés, les microglies adultes montrent des différences subtiles mais cruciales qui soutiennent l’hypothèse de changements liés au vieillissement. Globalement, nos résultats suggèrent qu’il est possible de développer de nouvelles approches thérapeutiques contre la maladie de Parkinson en modulant l’action des microglies ou en bloquant l’oligomérisation de l’ α-synucléine. / Age-related neurodegenerative disorders like Parkinson’s disease take an enormous toll on individuals and on society. Despite extensive efforts, Parkinson’s disease remains incurable and only very limited treatments exist. Indeed, Parkinson’s pathogenesis is still not clear and research on its molecular mechanisms is ongoing. In this study, we focused our interest on two abnormal events occurring in Parkinson’s patients, namely α-synuclein aggregation and microglial activation. We first investigated α-synuclein and its abnormal polymerisation. For this purpose, we developed novel methods, which allowed the in vitro production of different types of α-synuclein oligomers. Using highly sensitive biophysical methods, we characterised these different oligomers at a single-particle level. Then, we tested their biological effects on neurons. Afterwards, we studied microglial activation. We concentrated our efforts on two axes, namely age-related changes in microglial function and K+ channels in microglia. We showed that Kv1.3 and Kir2.1 K+ channels are involved in microglial activation. In parallel, we developed a new approach, which allows the effective isolation and culture of primary microglia from adult mouse brains. Adult primary microglia presented subtle but crucial differences in comparison to microglia from neo-natal mice, confirming the hypothesis of age-related changes of microglia. Taken together, our results support the hypotheses that microglial modulation or inhibition of α-synuclein oligomerisation are possible therapeutic strategies against Parkinson's disease.

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La neteja del moc i dels patògens dels pulmons, i el transport de gàmets i embrions en els òrgans reproductius de les femelles són funcions clau en els epitelis ciliats, tals com aquells que es troben presents en les vies respiratòries i l'oviducte. La taxa de transport mucociliar és funció de la freqüència de batut ciliar (CBF) i aquesta freqüència és augmentada per increments en la concentració de Ca2+ intracelul·lar. El canal catiònic "transient potential vanilloid 4" (TRPV4) intervé en l'entrada de Ca2+ en resposta a estímuls mecànics i osmòtics. L'expressió del TRPV4 en l'epiteli ciliat de les vies respiratòries i de l'oviducte és confirmada mitjançant la localització per immunofluorescència del canal iònic a la membrana apical de l'epiteli ciliat i polaritzat, allà on la senyalització de Ca2+ és requerida per la regulació de la CBF. Cèl·lules ciliades de la tràquea de ratolins TRPV4-/- no expressen el canal TRPV4, no responen a l'activador específic del TRPV4, el 4α-phorbol 12,13-didecanoate (4α-PDD) i presenten respostes de Ca2+ reduïdes a temperatures mitjanes (~25ºC- 8ºC), un altre estímul dels canals TRPV4. L'activació dels canals TRPV4 per solucions altament viscoses i per hypotonicitat depèn de l'activació de la via de la fosfolipasa A2(PLA2)i la subseqüent producció de àcid epoxieicosatrienoic (EET). En condicions de baixa activació de la PLA2, estímuls mecànics i hipotònics alliberen ATP per a l'activació de la via de la fosfolipasa C (PLC)-inositol trifosfat (IP3) per contribuir a l'activació dels canals TRPV4. Descrivim que el metabòlit IP3 sense ser un agonista per ell mateix, sensibilitza el TRPV4 per a l'activació de EET, essent aquest un mecanisme general. L'acoblament funcional entre els canals TRPV4 de la membrana plasmàtica i els receptors de IP3 (IP3R) és necessari tant per iniciar com mantenir la senyalització oscil·latòria del Ca2+ desencadenada per estímuls viscosos i hipotònics. Un dels principals activadors de la CBF, la adenosina-5'-trifosfat (ATP), desencadena una resposta cel·lular mediada per Ca2+ en la que es desencadena tant l'alliberament de Ca2+ des dels dipòsits intracel·lulars com l'entrada de Ca2+. És destacable la contribució de el TRPV4 en l'augment de la CBF mediada per ATP. És més, el nostre treball implica als canals TRPV4 exclusivament en l'entrada de Ca2+ activada per receptor (ROCE). Tot plegat, aquesta tesi doctoral mostra el paper dels canals TRPV4 en l'acoblament d'estímuls fisiològics tipus mecànic, osmòtic i químic a la regulació de la CBF en l'epiteli ciliat destinat al transport mucociliar. / Clearance of mucus and pathogenic agents from lungs and the transport of gametes and embryos in the female reproductive organs are key functions of ciliated epithelia such as those present in the airways and the oviduct. The rate of mucociliary transport is a function of ciliary beat frequency (CBF) and this, in turn, is increased by increases in intracellular calcium. Transient potential vanilloid 4 (TRPV4)cation channel mediates Ca2+ influx in response to mechanical and osmotic stimuli. TRPV4 expression in ciliated epithelia from airways and oviduct is confirmed by immunofluorescence localization of the channel at the apical membrane of the polarized ciliated epithelia, where the Ca2+ signalling is required for CBF regulation. Ciliated tracheal cells from TRPV4-/-mice show no TRPV4 expression, neither increases in intracellular Ca2+ and CBF in response to the TRPV4-specific activator 4α- phorbol 12,13- idecanoate (4α-PDD), and reduced responses to mild temperatures (~25ºC - 38ºC), another TRPV4-activating stimulus. TRPV4 gating by high viscous loads and hypotonicity depends on phospholipase A2 (PLA2) pathway activation and subsequent production of epoxyeicosatrienoic acid (EET). Under conditions of low PLA2 activation, mechanical and hypotonic stimuli use extracellular ATP release-mediated activation of phospholipase C (PLC)-inositol triphosphate(IP3)signalling to support TRPV4 gating. We describe that IP3, without being an agonist itself, sensitizes TRPV4 to EET activation. Besides, the functional coupling between plasma membrane TRPV4 channels and IP3 receptors (IP3R) is required to initiate and maintain the cellular oscillatory Ca2+ signal triggered by high viscous loads and hypotonic stimuli. One of the main CBF activators, adenosine-5'-triphosphate (ATP), triggers both Ca2+ release from intracellular Ca2+ stores and Ca2+ entry. Interestingly, TRPV4 contributes to ATP-induced increase in CBF. Furthermore, our work implicates TRPV4 channel exclusively in receptor-operated Ca2+ entry. Collectively, this PhD thesis shows the role of TRPV4 channels coupling physiologically relevant mechanical, hypotonic and chemical stimuli to CBF regulation in motile ciliary epithelia.

Les maladies neurodégénératives liées à l'âge, telle celle de Parkinson, sont un problème majeur de santé publique. Cependant, la maladie de Parkinson reste incurable et les traitements sont très limités. En effet, les causes de la maladie restent encore mal comprises et la recherche se concentre sur ses mécanismes moléculaires. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à deux phénomènes anormaux se produisant dans la maladie de Parkinson : l'agrégation de l'α-synucléine et l'activation des cellules microgliales. Pour étudier la polymérisation de l'α-synucléine, nous avons établi de nouvelles méthodes permettant la production in vitro de différents types d'oligomères d'α-synucléine. Grâce à des méthodes biophysiques de pointe, nous avons caractérisé ces différents oligomères à l'échelle moléculaire. Puis nous avons étudié leurs effets toxiques sur les neurones. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l'activation des microglies et en particulier à leurs canaux potassiques et aux changements liés au vieillissement. Nous avons identifié les canaux Kv1.3 et Kir2.1 et montré qu'ils étaient impliqués dans l'activation des microglies. En parallèle, nous avons établi une méthode originale qui permet l'isolation et la culture de microglies primaires issues de cerveaux adultes. En comparaison à celles de nouveaux-nés, les microglies adultes montrent des différences subtiles mais cruciales qui soutiennent l'hypothèse de changements liés au vieillissement. Globalement, nos résultats suggèrent qu'il est possible de développer de nouvelles approches thérapeutiques contre la maladie de Parkinson en modulant l'action des microglies ou en bloquant l'oligomérisation de l' α-synucléine.

Les neurones sont des cellules excitables capables de coder et transmettre l’information sous forme d’oscillations du potentiel membranaire. Cette activité électrique est produite par une modification des flux ioniques transmembranaires. Les neurones constituent un exemple d’oscillateur cellulaire dont la dynamique non linéaire permet l’apparition d’une activité électrique complexe. Dans ce système, les ions calciques sont des messagers intracellulaires importants. Ils servent de médiateur entre un signal électrique et un signal chimique, par une modulation de l’activité enzymatique de certaines protéines. Ils interviennent dans de nombreuses fonctions neuronales, dont l’excitabilité électrique. Un des mécanismes mis en place par les neurones pour contrôler l’homéostasie du calcium intracellulaire provient de protéines cytoplasmiques capables de lier les ions calciques. Ces protéines jouent un rôle de « tampon » du calcium. Cependant, toutes leurs fonctions n’ont pas encore été mises en évidence. C’est l’objectif de notre travail. Nous avons voulu comprendre le rôle joué par une protéine « tampon » particulière, la calrétinine, sur le mode de décharge électrique d’un neurone où elle est exprimée en abondance, le grain cérébelleux. Pour cela, nous avons utilisé une approche théorique et expérimentale. <p>Au niveau théorique, nous avons élaboré un modèle mathématique de l’activité électrique du grain cérébelleux, prenant en compte la chélation du calcium intracellulaire. Il permet de clarifier le rôle de la chélation du calcium intracellulaire sur les oscillations du potentiel membranaire. La modélisation de l’activité électrique du grain cérébelleux repose sur le formalisme développé par Hodgkin et Huxley pour l’axone géant de calmar. Dans ce contexte, l’application de la conservation de la charge au circuit équivalent de la membrane cellulaire fournit un système d’équations différentielles ordinaires, non linéaires. Dès lors, notre modèle nous a permis d’étudier l’impact des variations de la concentration de chélateur calcique sur les oscillations du potentiel membranaire. Nous avons ainsi pu constater qu’une diminution de la concentration en chélateur calcique induisait une augmentation de l’excitabilité électrique du grain cérébelleux, sans altérer le régime d’oscillations. Par contre, en augmentant fortement la concentration en chélateur calcique, nous avons montré que le grain cérébelleux changeait de dynamique oscillatoire, montrant des transitions d’un mode de décharge périodique régulier vers des oscillations en salve du potentiel membranaire.<p>Au niveau expérimental, nous avons vérifié les résultats prévus par le modèle théorique. Nous avons ainsi montré que des grains de souris transgéniques déficientes en calrétinine présentaient une excitabilité électrique accrue par rapport aux grains contrôles.<p>Puis, en restaurant un niveau de chélation calcique normal dans ces grains, par perfusion intracellulaire de chélateur calcique, nous montrons qu’ils retrouvent un niveau d’excitabilité normal. Ensuite, nous avons introduit dans des grains cérébelleux de souris sauvages, une forte concentration en chélateur calcique exogène. Conformément aux résultats théoriques, nous avons pu observer des transitions vers des oscillations en salve du potentiel membranaire. Enfin, nous avons montré que l’absence de calrétinine affecte les paramètres morphologiques du grain cérébelleux des souris transgéniques déficientes en calrétinine.<p>En conclusion, ces résultats suggèrent que le mode de décharge des cellules excitables peut être modulé d’une façon importante par les protéines liant le calcium. De ce fait, des changements dans le niveau d’expression et/ou dans la localisation subcellulaire des protéines liant le calcium pourraient aussi jouer un rôle critique dans la régulation de processus physiologiques contrôlés par l’excitabilité membranaire. De plus, les mécanismes que nous avons mis en évidence pourraient être à l’origine d’un nouveau principe de régulation de la signalisation dans les circuits neuronaux et pourraient jouer un rôle fonctionnel dans le contrôle du codage de l’information et de son stockage dans le système nerveux central. / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

No / The ability of neurons to modulate synaptic strength underpins synaptic plasticity, learning and memory, and adaptation to sensory experience. Despite the importance of synaptic adaptation in directing, reinforcing, and revising the behavioral response to environmental influences, the cellular and molecular mechanisms underlying synaptic adaptation are far from clear. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) is a prime initiator of structural and functional synaptic adaptation. However, the signaling cascade activated by BDNF to initiate these adaptive changes has not been elucidated. We have previously shown that BDNF activates mitogen- and stress-activated kinase 1 (MSK1), which regulates gene transcription via the phosphorylation of both CREB and histone H3. Using mice with a kinase-dead knock-in mutation of MSK1, we now show that MSK1 is necessary for the upregulation of synaptic strength in response to environmental enrichment in vivo. Furthermore, neurons from MSK1 kinase-dead mice failed to show scaling of synaptic transmission in response to activity deprivation in vitro, a deficit that could be rescued by reintroduction of wild-type MSK1. We also show that MSK1 forms part of a BDNF- and MAPK-dependent signaling cascade required for homeostatic synaptic scaling, which likely resides in the ability of MSK1 to regulate cell surface GluA1 expression via the induction of Arc/Arg3.1. These results demonstrate that MSK1 is an integral part of a signaling pathway that underlies the adaptive response to synaptic and environmental experience. MSK1 may thus act as a key homeostat in the activity- and experience-dependent regulation of synaptic strength.