La maladie d'Alzheimer (MA) est la forme la plus fréquente de démence chez les personnes âgées. L'une de ses caractéristiques est la formation extracellulaire de plaques séniles dans le cerveau des malades, composées du peptide Amyloïde-ß (Aß) sous forme agrégée et d'ions métalliques tels que le cuivre. Le peptide Aß forme un complexe avec les ions cuivre, capable de catalyser la formation d'espèces réactives de l'oxygène (ERO), en présence d'un réducteur tel que l'ascorbate. Ces espèces oxydantes sont délétères pour les molécules environnantes, ainsi que pour le peptide Aß lui-même. Etant proche du site de production des ERO, Aß est une cible privilégiée, notamment pour le radical hydroxyle HO*. L'objectif de ce travail a été d'étudier la réaction de production des ERO par le système Aß/Cu/ascorbate, de caractériser les dommages oxydatifs subis par Aß et d'évaluer les conséquences de l'oxydation de Aß sur la production des ERO, la coordination des ions métalliques et l'agrégation. Différentes techniques spectroscopiques ont été utilisées, notamment la spectrométrie de masse (MS), la spectroscopie de fluorescence, la résonnance paramagnétique électronique (RPE) et l'absorption de rayons X (XANES). Les sites d'oxydation du peptide Aß ont été étudiés par spectrométrie de masse (MS et MS/MS). Grâce à l'utilisation des outils de la protéomique et de la spectrométrie de masse à haute-résolution (HRMS), les acides aminés oxydés du peptide Aß ont été identifiés. Ainsi, Asp1, His13 et His14 sont les cibles privilégiées de l'attaque de HO*. Ce résultat était attendu puisque ces résidus sont impliqués dans la coordination du cuivre, par l'intermédiaire duquel les ERO sont directement générées. L'impact de l'oxydation du peptide sur la coordination des ions métalliques Cu(II), Cu(I) et Zn(II), la production de ERO ainsi que sur l'agrégation du peptide a été étudié. Les résultats ont montré que l'oxydation du peptide induit un changement de coordination du Zn(II) ainsi que des deux états d'oxydation du cuivre, menant à une augmentation de la production de ERO. De plus, l'oxydation de Aß a également un impact sur l'agrégation, ne privilégiant pas la formation de fibrilles. Le mode de coordination du complexe Cu-Aß lors de la production des ERO a été déduit de l'étude d'une série de peptides Aß comprenant un ou plusieurs acides aminés mutés. L'hypothèse proposant que les acides aminés oxydés sont ceux liés au cuivre lors de la production des ERO (Asp1, His13 et 14) a été renforcée, la mutation de Asp1 ou des deux His13 et 14 ayant un impact direct sur la production des ERO. Enfin, les effets pro- et anti-oxydants de l'ascorbate ont été étudiés, montrant que, sur le système Cu-Aß, l'ascorbate n'exerce ses propriétés anti-oxydantes qu'à forte concentration pour les molécules environnantes, mais qu'il n'a aucun effet protecteur sur le peptide Aß lui-même. / Alzheimer's Disease (AD) is the most frequent for of dementia in the elderly. A hallmark of AD is the extracellular formation of senile plaques in the brain of AD subjects, composed of the Amyloid-ß peptide (Aß) under aggregated form with metal ions such as copper ions. Aß can form a complex with copper ions, able to catalyze reactive oxygen species (ROS) formation in the presence of a reducing agent such as ascorbate. These oxidative species can oxidize the surrounding molecules and the Aß peptide itself. Being close to the production site of ROS, Aß is the preferential target, especially for the hydroxyl radical HO*. The aim of this work was to study the ROS production by the Aß/Cu/ascorbate system, to characterize the oxidation undergone by Aß and to evaluate the consequences of Aß oxidation on ROS production, metal ions coordination and aggregation. Several spectroscopic techniques have been used, in particular mass spectrometry (MS), fluorescence spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR) and X-Ray absorption spectroscopy (XANES). The oxidation sites of Aß have been studied by mass spectrometry (MS and MS/MS). Thanks to the use of proteomic tools and high-resolution mass spectrometry (HRMS), the oxidized amino acid residues have been identified. Asp1, His 13 and His14 have been found to be the preferential targets for HO* on Aß. This result was expected as these residues are involved in copper coordination, from which the ROS are generated. The impact of Aß oxidation on Cu(II), Cu(I) and Zn(II) on metal ions coordination, on ROS production and on Aß aggregation has been studied. Results have shown that Aß oxidation induces a change of coordination of Zn(II) as well as Cu(II) and Cu(I), leading to an increase of ROS production. Moreover, Aß oxidation has also an impact on aggregation, as it does not favor fibrils formation. The Cu-Aß binding mode during ROS production has been deduced from the study of a series of mutated Aß peptides. The hypothesis, in which the amino acid residues bound to Cu during the ROS production are the oxidized one (Asp1, His 13 and His14) has been corroborated by the results of this study, the mutation of Asp1 or the two His having an impact on ROS production. Finally, the pro- and antioxidants effects of ascorbate have been investigated, showing that, on the Cu-Aß system, ascorbate only has antioxidant properties at high concentration for surrounding molecules, but does not exhibit any protecting effect on Aß itself.

De nombreuses protéines associées aux maladies neurodégénératives humaines sont intrinsèquement désordonnées. Ce sont des protéines qui sont dépourvues de structure tertiaire ou secondaire stable dans des conditions physiologiques. Plus précisément, les protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) subissent diverses changements conformationnels entre la pelote aléatoire, des conformations hélicoïdales et des structures en feuillet-β, ces deux dernières étant généralement impliquées dans la reconnaissance protéine-protéine. Parmi une vingtaine de peptides amyloïdogènes connus liés aux maladies dégénératives humaines, notre étude porte sur deux protéines désordonnées: le peptide Amyloïde-β (Aβ) associé à la maladie d'Alzheimer et l'Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) impliqué dans le diabète de type II. Aβ possède deux alloformes courants de 40 et 42 résidus, tandis que IAPP est une hormone peptidique de 37 résidus. Les agrégats de Aβ sont toxiques pour les cellules du cerveau, tandis que la fibrillisation de IAPP affecte les cellules-β du pancréas. Le mécanisme d'agrégation de ces deux peptides reste encore mal connu, mais il a été proposé qu’en solution, ces peptides visitent différentes conformations, l'une d'entre elles étant riche en feuillets-β. Cela conduirait à l’oligomérisation de ces peptides, par le biais d’interactions feuillet-β / feuillet-β et, éventuellement, à la formation de fibrilles. Le but de notre étude est de mieux caractériser la dynamique conformationnelle de ces deux peptides, dans leur forme monomérique et oligomérique. Comprendre les premières étapes de leur agrégation est crucial pour le développement de nouvelles molécules thérapeutiques efficaces contre ces protéines amyloïdes. / Many proteins associated with human neurodegenerative diseases are intrinsically disordered. They are proteins which lack stable tertiary or secondary structure under physiological conditions. More specifically, intrinsically disordered proteins (IDPs) undergo various structural conversions between random coil, helical conformations and β-strand structures, these two latter being generally involved in protein-protein recognition. Among about twenty known amyloidogenic peptides related to human degenerative diseases, we focus our study on two disordered proteins: the Amyloid-β peptide (Aβ) associated to the Alzheimer’s disease and the Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) involved in type II diabetes. Aβ has two common alloforms of 40 and 42 residues in length, meanwhile IAPP is a 37-residues peptide hormone. Aggregates of Aβ are toxic to the brain cells, meanwhile IAPP fibrillization affects the pancreatic β-cells. The aggregation mechanism of these two peptides is not known in detail, but it was proposed that in solution, these peptides visit various conformations, one of them being rich in β-strands. This would lead to peptide oligomerization, through β-strand / β-strand interactions and eventually to the fibril formation. The aim of our study is to provide insights into the conformational dynamics of these two peptides in monomeric and oligomeric forms. Understanding the early steps of their aggregation is crucial for the development of new effective therapeutic molecules against these amyloid proteins.De nombreuses protéines associées aux maladies neurodégénératives humaines sont intrinsèquement désordonnées. Ce sont des protéines qui sont dépourvues de structure tertiaire ou secondaire stable dans des conditions physiologiques. Plus précisément, les protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) subissent diverses changements conformationnels entre la pelote aléatoire, des conformations hélicoïdales et des structures en feuillet-β, ces deux dernières étant généralement impliquées dans la reconnaissance protéine-protéine. Parmi une vingtaine de peptides amyloïdogènes connus liés aux maladies dégénératives humaines, notre étude porte sur deux protéines désordonnées: le peptide Amyloïde-β (Aβ) associé à la maladie d'Alzheimer et l'Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) impliqué dans le diabète de type II. Aβ possède deux alloformes courants de 40 et 42 résidus, tandis que IAPP est une hormone peptidique de 37 résidus. Les agrégats de Aβ sont toxiques pour les cellules du cerveau, tandis que la fibrillisation de IAPP affecte les cellules-β du pancréas. Le mécanisme d'agrégation de ces deux peptides reste encore mal connu, mais il a été proposé qu’en solution, ces peptides visitent différentes conformations, l'une d'entre elles étant riche en feuillets-β. Cela conduirait à l’oligomérisation de ces peptides, par le biais d’interactions feuillet-β / feuillet-β et, éventuellement, à la formation de fibrilles. Le but de notre étude est de mieux caractériser la dynamique conformationnelle de ces deux peptides, dans leur forme monomérique et oligomérique. Comprendre les premières étapes de leur agrégation est crucial pour le développement de nouvelles molécules thérapeutiques efficaces contre ces protéines amyloïdes.

La maladie d'Alzheimer représente un défi mondial pour la société. Il n'y a pas à ce jour de traitement efficace pour traiter ou ralentir les symptômes de la maladie d'Alzheimer. Cette maladie est caractérisée par une perte de synapses, une augmentation du nombre de plaques extracellulaires d'Abêta et une augmentation de Tau hyperphosphorylée agrégée intracellulaire (neurodégénérescence fibrillaire). Il est communément admis que la maladie d'Alzheimer est principalement liée à l’oligomérisation et à la fibrillation de peptides amyloïdes bêta, et que les oligomères Abêta solubles et les fibres sont des espèces neurotoxiques. Une stratégie pour réduire la présence de ces espèces toxiques de Abêta est l'utilisation de peptides ou de peptidomimétiques pour inhiber l'agrégation de Abêta, soit par interaction avec les oligomères d'Abêta pour empêcher davantage son agrégation en fibres ou en stabilisant les conformations hélicoïdales transitoires de Abêta pour empêcher sa transition vers des structures en feuillets bêta. Dans un premier temps, sur la base des résultats encourageants de glycopeptides contenant un élément polaire casseur de feuillets bêta pour moduler l'agrégation du peptide Abêta, et des propriétés uniques du groupe trifluoromethylhydroxyle, nous avons conçu et synthétisé des mimes de pentapeptides contenant la séquence (Boc) Ala-Val-X-Val-Leu-OMe (X = Ser, Thr, (2S, 3R)-CF3 Thr et (2S, 3S)-CF3 Thr), pour interagir avec le site de nucléation du peptide Abêta dans sa forme monomérique ou oligomérique de manière à perturber l'auto-assemblage en oligomères toxiques. Des études conformationnelles par RMN 2D et par modélisation moléculaire ont indiqué que ces peptides adoptent des conformations étendues dans des solvants polaires (eau et méthanol). Nous avons constaté expérimentalement et théoriquement que les pentapeptides contenant l’acide aminé non naturel (2S, 3S)-CF3-thréonine sont plus étendus que les pentapeptides contenant les acides aminés naturels L-sérine et L-thréonine. Nous avons également observé que les pentapeptides (2S, 3S)-CF3-Thr ont une propension à s’auto-associer en formant des brins bêta intermoléculaires. La capacité de ces pentapeptides à inhiber la formation de fibres amyloïdes a été évaluée sur les peptides Abêta 1-42 et IAPP (impliqué dans le diabète de type II) par des essais de fluorescence à la thioflavine T (ThT). Il a été constaté qu'aucun de ces pentapeptides ont un effet d'inhibition de l'agrégation des peptides Abêta 1-42 et IAPP. Au contraire, certains composés ont montré un effet d'accélération de l'agrégation de IAPP. Accélérer l'agrégation est moins intuitif mais cette stratégie a plus récemment suscité un intérêt. Il pourrait être intéressant d'étudier plus en détail l’intérêt de cette accélération de l'agrégation de IAPP par des techniques complémentaires.Dans une deuxième partie de cette thèse, nous avons assemblé une unité amino acide basée sur un motif CF3-1,4 disubstituted-1,2,3-triazole en homo-oligomères (trimères et tétramères) et en peptidomimétiques. Des études conformationnelles de ces oligomères fluorés ont été menées par RMN 2D et par des simulations de modélisation moléculaire. Nos études préliminaires de modélisation moléculaire prévoient des structures hélicoïdales avec des trimères et des tétramères d'acides aminés à base de ces CF3-triazoles. L'analyse par RMN 2D du tétramère affiche des corrélations NOE très intéressantes, ce qui indique une structure repliée. La capacité de ces oligomères fluorés à moduler la formation de fibres amyloïdes des peptides Abêta 1-42 et IAPP a été évaluée par test de fluorescence à la ThT. Nous avons constaté que le trimère est un faible inhibiteur de l'agrégation de Abêta 1-42, mais aussi un promoteur d'agrégation de IAPP. Le tétramère a été trouvé capable de moduler l'agrégation de Abêta 1-42 et de IAPP, mais non d'une manière classique d'inhibition ou de promotion. / It has been widely recognized that Alzheimer’s disease (AD) represents an unsettling, worldwide challenge for society. By far, there has been no effective cure for AD. Pathologically, AD is characterized by a loss of synapses, an increase in the number of extracellular Abeta plaques and an increase in intracellular aggregated hyperphosphorylated Tau (neurofibrillary tangles). It is commonly believed that AD is primarily linked to oligomerization and fibrillization of amyloid beta peptides, and the soluble Abeta oligomers and fibrils are neurotoxic species.One strategy to reduce the Abeta fibrils is the use of peptides or peptidomimetics to inhibit the Abeta aggregation either by interaction with the Abeta oligomers to prevent its further aggregation into fibrils, or by stabilizing the transient Abeta α-helical conformations to prevent its transition to beta-sheet structures.In the first direction, based on the encouraging results of the glycopeptides containing the polar sugar beta-sheet breaker element to modulate Abeta peptide aggregation and the unique properties of trifluoromethylhydroxyl group, we designed and synthesized pentapeptide mimics with the sequence (Boc) Ala-Val-X-Val-Leu-OMe (X = Ser, Thr, (2S, 3R)-CF3-Thr and (2S, 3S)-CF3-Thr) to interact with the nucleation site of Abeta peptide in its monomeric or oligomeric form so as to disrupt the self-assembly into toxic oligomeric form. Both 2D NMR and molecular modelling studies indicated that these peptides in polar solvent (water and methanol) adopt mainly extended backbone conformations. It is found both experimentally and theoretically that, the (2S, 3S)-CF3-threonine-containing pentapeptides are more extended than the L-serine- and L- threonine-containing pentapeptides. It is also observed that the (2S, 3S)-CF3-Thr pentapeptides have a propensity to self-associate of by forming intermolecular beta-strand contacts. The ability of these pentapeptides to inhibit amyloid fibril formation was evaluated on Abeta1-42 and IAPP peptides by ThT fluorescence assay. It was found that none of these pentapeptides have any inhibition effect in Abeta1-42 peptide and IAPP aggregation. On the contrary, some compounds showed an acceleration effect in IAPP aggregation. Accelerating the aggregation pathways is less intuitive but this strategy has more recently aroused interest. It could be interesting to further study the effect of accelerating IAPP aggregation by complementary techniques.In the other direction, we have assembled novel a CF3-1,4-triazole-based amino acid mimic into homo-oligomers (trimer and tetramer) and peptidomimetics. The fluorinated oligomers were investigated both by NMR conformational studies and molecular modelling simulations. Our preliminary modelling studies predict helical structures with trimer and tetramers of CF3-1,4-disubstituted- 1,2,3- triazole-based amino acid. NMR analysis of tetramer displayed very interesting NOE correlations, indicating a folded structure. The ability of these fluorinated oligomers to modulate the amyloid fibril formation of Abeta1-42 and IAPP peptides were evaluated by ThT fluorescence assay. It was found that trimer was a weak inhibitor of Abeta1-42 aggregation but also a promoter of IAPP aggregation. The tetramer was found able to modulate the aggregation of Abeta1-42 and IAPP but not in a classical inhibition or promotion manner.

Les maladies neurodégénératives d’Alzheimer et de Parkinson sont caractérisées par des agrégats des peptides des amyloïdes-beta (Aβ) et l’alpha synucléine (αSyn), respectivement. L’agrégation de ces peptides solubles donne les matériels insolubles (les amyloïdes) sous forme de fibrilles et de plaques. L’agrégation de ces amyloïdes insolubles cause de la toxicité cellulaire dans le cerveau provoquant les effets neurodégénératifs. Les D, L-α-cyclopeptides synthétiques (e. g., CP-2, c-[leu-Nle-trp-His-ser-Lys]) furent synthétisés précédemment par le groupe de Rahimipour. Ils sont capables de former des nanotubes par pont hydrogène capables d’inhiber l’activité néfaste des amyloïdes. Les azapeptides utilisent de semicarbazide comme un substituant d’amide aminé. Insérés dans le D, L-α-cyclopeptide CP-2, les aza-résidus permettent d’améliorer la basicité de Lewis et l’acidité de Bronsted du peptide pour obtenir des ponts hydrogènes plus forts. Les azapeptides [azaNle3]-CP-2, [azaHse6]-CP-2 et [azaGly6]-CP-2 offrent d’excellents résultats au niveau des tests biologiques pour inhiber l’activité des amyloïdes ainsi que pour réduire la mortalité cellulaire en présence d’amyloïdes. À partir de ces résultats prometteurs, l’insertion de deux azapeptides dans un D, L-α-cyclopeptide a été effectué. En remplaçant l’histidine par l’alanine pour éviter des problèmes d’épimérisation, quatre nouveaux diazacyclopeptides ont été synthétisés en insérant les aza-résidus : l’aza-norleucine (azaNle), l’aza-homoserine (azaHse) et l’azaglycine (azaGly). Leur synthèse ainsi que leur caractérisation biophysique préliminaire seront présentés. / Alzheimer's and Parkinson's diseases are neurodegenerative diseases characterized by the aggregation of the peptides amyloid-beta (Aβ) and alpha-synuclein (Synα), respectively. The aggregation of these soluble peptides gives insoluble peptides (amyloids) in the forms of fibrils and plaques. Aggregation of insoluble amyloids can cause cellular toxicity in the brain resulting in neurodegenerative effects. Certain synthetic cyclic D,L-alpha-peptides (e.g., CP-2, c-[leu-Nle-trp-His-ser-Lys]) were previously synthesized by the Rahimipour laboratory and shown to form intermolecular hydrogen bonds and self-assemble into nanotubes capable of inhibiting the aggregation and harmful effects of amyloids. Azapeptides employ semicarbazides as amino amide surrogates. Insertion of aza-residues into the D,L-α-cyclopeptide CP-2 was explored to alter the Lewis basicity and Bronsted acidity of the peptide and improve hydrogen bonding potential. The azapeptides [azaNle3]-CP-2, [azaHse6]-CP-2, and [azaGly6]-CP-2 inhibited effectively amyloid aggregation and reduced amyloid-induced cell death. Based on the promising results of single aza-residue substitutions, the insertion of two aza-residues into D,L-α- cyclopeptide CP-2 analogs was investigated. Histidine was replaced with alanine to minimize epimerization. Four new diazacyclopeptides were synthesized by inserting aza-norleucine (azaNle), aza-homoserine (azaHse) and aza-glycine (azaGly). The syntheses and preliminary biophysical characterizations of the diazacyclopeptides will be presented.

Les dépôts amyloïdes sont des dépôts fibrillaires extracellulaires associés à la maladie d'Alzheimer, dont le constituant principal est le peptide amyloïde (Aβ). La fibrillogenèse d'Aβ s'accompagne d'une transconformation du peptide, depuis une structure secondaire principalement en hélice au voisinage des membranes ou non structurée en milieu aqueux vers une structure en feuillet β. Cette transconformation est couplée à une oligomérisation. Les plaques amyloïdes renferment une quantité importante de cations métalliques, en particulier Zn2+, et le peptide amyloïde y est caractérisé par une grande hétérogénéité de sa partie N-terminale qui présente des troncations et des isomérisations/racémisations. Ces modifications et l'interaction d'Aβ avec les cations ont été proposées comme des facteurs contribuant à la déposition amyloïde.<br />Afin de caractériser ces différents mécanismes moléculaires, nous avons examiné la région N-terminale 1-16 du peptide amyloïde, Aβ(1-16), qui apparaît impliquée dans l'interaction du peptide avec les cations métalliques et renferme plusieurs sites susceptibles de subir des modifications liées au vieillissement protéique. Du fait de son accessibilité au sein des fibrilles amyloïdes, ce domaine d'Aβ constitue une cible thérapeutique potentielle, notamment pour un traitement immunologique.<br />Au cours de ce travail, nous avons mis en évidence la plasticité conformationnelle d'Aβ(1-16) par dichroïsme circulaire (DC) et RMN et nous avons caractérisé la structure qu'adopte ce peptide en milieu aqueux et en milieu mimant un environnement membranaire. Nous avons également identifié les formes produites par vieillissement in vitro. Le complexe Aβ(1-16)/Zn2+ a été examiné par DC, RMN et ESI-MS, ce qui a conduit à établir un modèle d'attachement du cation Zn(II) au peptide Aβ(1-16). Ce modèle implique une coordination tétraédrique de Zn(II), les résidus H6, E11, H13 et H14 étant identifiés comme ligands. Nous avons de plus montré que l'interaction Aβ(1-16)/Zn2+ modifie le profil de vieillissement protéique et exerce un effet agoniste sur la reconnaissance de la région 1-16 d'Aβ par des anticorps spécifiques. La conformation de deux peptides isomères issus du vieillissement d'Aβ(1-16), Aβ(1-16)-L-IsoAsp7 et Aβ(1-16)-D-Asp7 a été examinée par RMN. Un changement conformationnel local est observé dans la région H6-S8 par rapport à Aβ(1-16), mais pas de remaniement conformationnel global. L'étude de l'interaction Aβ(1-16)-L-IsoAsp7/Zn2+ par RMN a suggéré la participation du résidu IsoAsp7 à la coordination du cation Zn(II).<br />Enfin, une étude complémentaire entreprise sur Aβ(1-40) a mis en évidence l'absence de fibrillogenèse du peptide en présence d'ions Zn2+ ou d'anticorps ciblant la région N-terminale d'Aβ, au profit de la formation de différents types d'agrégats. Ces résultats suggèrent que les différentes interactions établies entre la région N-terminale 1-16 d'Aβ et Zn2+ ou des anticorps anti-Aβ inhiberaient la fibrillogenèse du peptide amyloïde pleine longueur.

L’accumulation cérébrale progressive de peptides amyloïdes générés à partir du clivage du précurseur du peptide amyloïde (APP) par les sécrétases est un mécanisme central de la maladie d’Alzheimer. C’est pourquoi, améliorer la compréhension de la régulation et de l’homéostasie du métabolisme de l’APP est devenu primordial. Partant de ce constat, nous avons supposé qu’une partie de la réponse pourrait être apportée par la caractérisation de nouveaux acteurs du métabolisme de l’APP. De part leurs rôles cruciaux dans le cerveau (développement, plasticité et réparations) et dans le métabolisme de l’APP (&#945;-sécrétases), les ADAMs sont des protéines d’intérêt dont certaines fonctions ou rôles restent à déterminer. Précédemment, par une approche transcriptomique ciblant la famille des ADAMs dans des cerveaux de patients et de contrôles, ADAM30 a été retrouvée sous-exprimée dans le cerveau des patients atteints de la pathologie. Dans deux modèles cellulaires nous avions constaté que la sous-expression d’ADAM30 entraînait une augmentation de tous les produits du métabolisme de l’APP comme chez les patients. Le résultat opposé a été obtenu lors de la sur-expression d’ADAM30 dans ces cellules. Pour tenter de répliquer ces résultats dans un modèle plus proche de la physiopathologie humaine, nous avons développé un modèle de souris triples transgéniques surexprimant l’APPSweInd et ADAM30 de manière conditionnelle. Dans ce modèle nous avons observé et mesuré une diminution des dépôts amyloïdes dans le cerveau des souris exprimant ADAM30. Dans un second temps puisqu’il avait été montré au laboratoire qu’ADAM30 ne module pas l’activité des sécrétases et ne clive pas directement l’APP, nous avons cherché à déterminer les substrats d’ADAM30 dans le cadre du métabolisme de l’APP. Par une approche systématique nous avons pu déterminer que la Cathepsine D (CTSD) et l’Insuline Receptor Substrat 4 (IRS4) sont deux substrats potentiels d’ADAM30. Dans nos modèles cellulaires et de souris, nous avons pu constater qu’ADAM30 est capable de cliver et d’activer la CTSD. L’activité de la CTSD semble nécessaire pour l’action d’ADAM30 sur le métabolisme de l’APP. Nous avons pu déterminer que l’action spécifique d’ADAM30 pour la CTSD est dépendante de la séquence d’adressage au lysosome située dans l’extrémité C-terminale de l’APP. Comme la CTSD est une protéine Lysosomale, ADAM30 pourrait favoriser spécifiquement l’activation de la CTSD augmentant ainsi la dégradation de l’APP au sein de la voie endosome/lysosome. Ce mécanisme limiterait l’entrée de l’APP dans son métabolisme et donc la production de peptides amyloïdes. Afin de mieux comprendre la spécificité d’action d’ADAM30 pour la CTSD et l’APP, nous avons commencé à travailler sur le rôle potentiel d’IRS4 et la relation entre la voie de signalisation de l’Insuline et le métabolisme de l’APP. Nos travaux nous ont donc permis de mettre en évidence un nouvel acteur du métabolisme de l’APP, ADAM30, intervenant dans la régulation et la dégradation de ce dernier et ainsi d’améliorer notre compréhension des mécanismes de régulations fins impliqués dans le processus physiopathologique de la maladie d’Alzheimer. / Progressive intra-cerebral accumulation of amyloid peptides formed after sequential cleavage of the amyloid peptide precursor (APP) by secretases , is a central mecanism for Alzheimer’s disease. Therefore, a better understanding of APP regulation and homeostasy is now crucial. With this background, we postulate that the characterization of new actors in the APP metabolism could provide a more subtle understanding of this APP metabolism and trafficking. From their obvious implication in brain (development, plasticity and repair) and in APP metabolism (&#945;-secretases), ADAMs (A Disintegrin And Metalloprotease) are an important protein proteins family which still have some undetermined function or role. Previously, a transcriptomic approach targeting ADAMs family bas been done at the laboratory on Alzheimer’s patient or control brains and found ADAM30 as under-expressed in Alzheimer’s patient brains. On cellular models, we confirmed that ADAM30 under-expression was associate with an increase in production/secretion of all the APP metabolim byproducts. Opposite results were found with ADAM30 over-expression. To replicate those results in another model closest to human pathophysiology, we have developed a triple transgenic mice model over-expressing APPSweInd and conditionally over-expressing ADAM30. In this model, we have observed and measured a decrease in amyloid deposits in mice brains over-expressing ADAM30. Secondly, because ADAM30 did not modulate secretase activities and did not cleave APP directly, we decided to determine ADAM30 substrats in the APP metabolism context. With a systematic approach, we have determined that Cathepsin D (CTSD) and Insulin Receptor Substrat 4 (IRS4) are two ADAM30 potential substrats. In our cellular models, we have found that ADAM30 is able to cleave and activate CTSD. This CTSD activity is required for ADAM30 action on APP metabolism. We have determined that ADAM30 specific action for CTSD is dependent on lysosome adressing sequence localised in APP C-terminal part. CTSD is a lysosomal protein and so ADAM30 would make CTSD specific activation easier. This mecanism would be able to increase APP degradation in endosome/lysosome pathway and reduce APP entry in its metabolism. To better understand ADAM30 specific action on CTSD and APP, we begin to investigate the potential role of IRS4 and the relation between insulin signaling pathway ans APP metabolism. Combined together, those data suggest that ADAM30 is a new APP metabolism actor, involved in an early APP regulation and degradation pathway dependent on lysosome activation. This study participate in a better understanding of the fine mecanism regulations involved in Alzheimer’s disease pathophysiological process.

Les mécanismes de type prion sont désormais reconnus comme sous-tendant la plupart des maladies neurodégénératives humaines, avec en premier lieu la maladie d’Alzheimer (MA) au niveau de ses 2 marqueurs spécifiques, l’amyloïde β (Aβ à l’origine de l’hypothèse étiopathogénique de la cascade amyloïde) et la protéine Tau phosphorylée. Par ailleurs la protéine du prion (PrPC) est décrite comme interagissant à de multiples niveaux avec le métabolisme de l’Aβ sans que les mécanismes physiopathologiques sous-jacents n’aient pu être expliqués. Pour sortir de l’impasse actuelle concernant le développement d’approches thérapeutiques efficaces pour la MA, l’industrie pharmaceutique a besoin de modèles expérimentaux innovants. En effet, à ce jour aucun modèle in vivo, en dépit des progrès réalisés avec les souris transgéniques, n’arrive à refléter la complexité cérébrale humaine ni à mimer une MA clinique. Les cultures in vitro en 2D sont quant à elles très éloignées des situations conduisant à l’accumulation d’agrégats protéiques pathologiques. Le but de notre thèse a été d’utiliser dans le domaine des neurosciences les nouvelles perspectives de recherche ouvertes par les technologies des cellules souches pluripotentes induites (cellules iPS) en développant un modèle de différentiation en 3D pour obtenir des organoïdes cérébraux humains (OC) (mini cerveaux). Leur capacité d’auto-organisation en 3D de tissu neuroectodermique nous a permis de recréer un système complexe mimant différentes structures cérébrales humaines dans lesquelles nous avons pu caractériser les marqueurs attendus. L’étude de l’expression des protéines d’intérêt APP et PrPC pendant la différentiation neurale a permis de caractériser la modulation des niveaux des deux protéines en fonction du temps de culture. Afin d’orienter le modèle vers des mécanismes d’accumulation protéique de type MA, nous avons testé différents inducteurs chimiques dont l’Aftin-5 qui est capable de moduler les voies post-traductionnelles de l’APP. Plusieurs stratégies de traitement ont été adoptées pour induire le clivage de l’APP et la génération d’Aβ. La production des fragments solubles Aβ38, Aβ40, Aβ42 a été mise en évidence par ELISA. Les niveaux générés sont reproductibles et l’augmentation du ratio Aβ42/Aβ40 est cohérente avec les données extrapolées des modèles murins et humains, ce qui a permis de valider notre modèle. Les niveaux d’expression génique et protéique de PrPC et de APP suite au traitement ont été analysés afin de mieux déterminer le rôle de l’interaction entre ces deux facteurs. L’objectif à long terme consiste à améliorer ce modèle, dont les limites actuelles sont notamment l’absence de vascularisation et le niveau de maturation du tissu neural. Le défi majeur dans le cadre de la culture des OC consiste donc à favoriser l’intégration du système vasculaire, et par ailleurs à accélérer le vieillissement in vitro pour l’étude de maladies neurodégénératives. La perspective de pouvoir automatiser le système de culture des OC permet d’envisager l’utilisation de ce modèle à plus grande échelle dans le cadre de test de cytotoxicité et/ou de criblage pharmacologique à haut débit pour identifier de nouvelles molécules thérapeutiques pour la MA. / Prion-like mechanisms are known to underlie most of human neurodegenerative diseases including Alzheimer’s disease (AD), which is characterized by two important pathological markers, β amyloid (or Aβ at the origin of the etiopathogenic amyloid cascade hypothesis) and phosphorylated tau protein. Furthermore, the prion protein (PrPC) interacts at multiple levels with the metabolism of Aβ, by mechanisms which are not well understood. To overcome the current limits in the development of efficient strategies to treat AD, the pharmaceutical industry requires innovative experimental models. However, even if a lot of progress has been achieved by using transgenic mouse models, to date no in vivo model can reflect the complexity of human brain or reproduce a clinical context. 2D in vitro cell culture models are unable to allow the aggregation and accumulation of pathological proteins as observed in vivo. The aim of this study consists in taking advantage of the research prospects offered by induced pluripotent stem cell (iPSCs) in the field of neurosciences. iPSCs can be used to generate 3D models of differentiation also called human cerebral organoids or mini-brains (MBs). Their ability to self-organise in 3D neuroectodermic tissue leds to a complex system that mimics different human cerebral structures in which we were able to characterize the expected markers. The study of the two proteins of interest (APP and PrPC) during neural differentiation has allowed us to follow the modulation of protein expression level occurring during the in vitro development of the human MBs. In order to use this model to reproduce the protein accumulation mechanisms seen in AD, we have tested chemical inductors such as Aftin-5 in order to modulate the APP post-transcriptional pathway towards a pathological outcome. Many strategies of treatment are adopted to lead APP cleavage and Aβ generation. The production of soluble fragments Aβ38, Aβ40, Aβ42 in the supernatant of organoids has been showed using ELISA technique. The levels generated are reproducible and the increase of Aβ42/Aβ40 ratio is consistent with extrapolated data from mouse and human models thus validating our model. Analysis at the gene and protein level has been assessed in order to understand the interaction between PrPC and APP after treatment. The long-term goal consists in improving this model which is notably hampered by the absence of vascularization and the low level of maturation of the neural tissue. The main challenge in MB culture thus consists in the integration of the vascular system, and also in increasing the speed of ageing process in vitro for the study of neurodegenerative diseases. In the long term, the prospect of automating the culture of MBs would allow the use of the system for cytotoxicity testing and/or high throughput screening for the discovery of new drugs for AD.