La maladie d’Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative du système nerveux central qui se caractérise notamment par l’accumulation de peptide beta-amyloïde (Aβ) dans le tissus nerveux. Dans la première partie de cette thèse nous avons montré que l’interaction des oligomères Aβ1-42 de haut poids moléculaire avec la membrane plasmique des cellules PC12 différenciées ou des cellules nerveuses (neurones et astrocytes primaires) provoque des variations de la [Ca2+]i dépendant de l’activation des récepteurs NMDA. Dans la seconde partie nous avons montré qu’une pré-exposition des cellules PC12 et des cellules nerveuses à de faibles concentrations de peptide Aβ module l’interaction ultérieure des oligomères avec la membrane plasmique. Enfin dans le cadre d’une collaboration avec l’entreprise Innovative Health Diagnostics (IHD) nous avons participé à la caractérisation d’une sonde amyloïde fluorescente développée pour réaliser des tests de détection de la MA à partir d’échantillons sanguins. / Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disease of the central nervous system which is characterized in particular by the accumulation of beta amyloïde peptide (Aβ) in nerve tissues. In the first part of this thesis we showed that the interaction of high molecular weight Aβ1-42 oligomers with the plasma membrane of differenciated PC12 or nerve cells (neurons and astrocytes) triggers variations of their depending on the activation of the NMDA receptors. In the second part we showed that a pre-exposure of PC12 and nerve cells with low concentrations Aβ1-42 of modulates the later interaction of oligomers with the plasma membrane. Finally in collaboration with the company Innovative Health Diagnostics (IHD) we participated in the characterization of a fluorescent amyloid probe developed to realize detection test of AD from blood samples.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue à travers le monde et reste actuellement incurable. Le peptide beta amyloïde (Abeta), composant principal des plaques séniles retrouvées dans le cerveau des patients, joue un rôle majeur dans le développement de la MA, d'où l'importance de contrôler sa production et/ou son élimination. Dans cette optique, nous travaillons sur des molécules nommées métalloprotéases matricielles (MMPs). Bien qu'ayant été impliquées à la fois dans de nombreux processus physiologiques et pathologiques dans système nerveux, leur rôle dans la MA reste encore relativement inexplorée. Nous avons utilisé comme modèle d'étude des souris qui développent les symptômes de la MA (déclin cognitif, mort des neurones). Nous montrons que deux MMPs, MMP-2 et MT1-MMP, augmentent leurs niveaux d'expression avec le vieillissement de l'animal et donc avec l'aggravation de la pathologie. Ceci a lieu dans l'hippocampe, une région du cerveau qui est particulièrement sensible car elle est impliquée dans l'apprentissage et la mémoire. Par la suite nous avons utilisé des cellules HEKswe qui produisent beaucoup d'Abeta et miment d'une certaine manière ce qui se passe dans le cerveau de la souris, afin de mieux appréhender la signification des augmentations de ces MMPs. Nous montrons que la surexpression de MT1-MMP dans ces cellules favorise la formation d'Abeta, alors que MMP-2 l'empêche. Ces résultats montrent pour la première fois une dualité fonctionnelle au sein de la famille des MMPs, et plus important, révèlent une nouvelle molécule amyloïdogénique (MT1-MMP) qui pourrait devenir à terme une cible thérapeutique. / We investigate the role of matrix metalloproteinases in the metabolism of beta amyloid peptide (Abeta) and its amyloid precursor protein (APP) in Alzheimer's disease (AD). Our results in the 5xFAD mouse model of AD indicate a cell-type and age-dependent upregulation of MMP-2 -and MT1-MMP active forms. This is concomitant with the increase of toxic forms of Abeta, but also of cytotoxic C99, a membrane fragment of APP generated by beta-secretase and that gives rise to Abeta after gamma-secretase cleavage. We show in HEK cells overproducing Abeta that while MT1-MMP interacts with APP and boosts C99 and Abeta production, MMP-2 does not interact with APP and degrades Abeta. These results uncover a MMP-specific regulatory crosstalk with amyloid and also MT1-MMP as a new pro-amyloidogenic proteinase. We want now to gain further insight into the mechanisms that support MT1-MMP effects, namely the possible modulation by MT1-MMP of beta- and gamma-secretase activities and/or APP trafficking.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative liée à l’oligomérisation et à la fibrillation du peptide bêta amyloïde, avec Abêta 1-42 étant le plus agrégeant et neurotoxique. La cause exacte de la maladie d'Alzheimer n’est pas encore connue et donc il n'y a pas de traitement efficace contre cette maladie.Une stratégie prometteuse pourrait être l'inhibition de l'oligomérisation de monomères solubles d'Abêta;, en stabilisant la conformation non structurée native du peptide, à travers l’utilisation de composés capables d'empêcher la formation de feuillets bêta. En effet, les peu d'études structurales des espèces oligomériques et des fibrilles ont révélé que l'agrégation implique des structures en feuillet bêta.De nombreuses petites molécules ont été proposées pour leur capacité à inhiber ou moduler l'agrégation de Abêta 1-42 et sa toxicité. Cependant, le processus d'agrégation est très complexe et difficile à contrôler. Des études récentes indiquent que les oligomères solubles transitoires précédant la formation de fibrilles sont les espèces les plus toxiques. Ainsi, le développement d'inhibiteurs ciblant à la fois l’oligomérisation et la fibrillation reste difficile en dépit de son importance thérapeutique. Les peptides sont des alternatives raisonnables aux autres produits pharmaceutiques chimiques. En particulier, l'inhibition de l'agrégation de Abêta; a été ciblée en utilisant des éléments d'auto-reconnaissance (SRE), qui sont des séquences d'acides aminés clés impliqués dans les différentes espèces agrégées. À notre connaissance, l'utilisation de petites "bêta-hairpins" acycliques a été très rarement explorée comme ligands de feuillets-bêta et comme inhibiteurs de l'agrégation.Comme l’agrégation de Abêta est un processus dynamique et complexe, nous avons supposé que les "bêta-hairpins" flexibles pourraient mieux s'adapter dans l'interaction avec les différentes conformations de Abêta 1-42 présents pendant le processus d'agrégation, et en particulier dans les premiers stades de l'oligomérisation. Nous avons conçu des mimes de feuillets bêta acycliques basés sur un squelette semi-rigide de type pipéridine-pyrrolidine comme inducteur flexible de coude bêta, et sur différents SREs de Abêta 1-42. Le choix des SREs a été basée sur les structures d'oligomères et fibrilles.La capacité de tous les composés a été évaluée par spectroscopie de fluorescence à la thioflavine-T pour déterminer l'activité inhibitrice. Les résultats obtenus ont été complétés par microscopie à transmission électronique. Les composés les plus prometteurs ont également été étudiés par électrophorèse capillaire (EC) pour suivre les étapes très précoces du processus d'oligomérisation. Les meilleurs inhibiteurs ont été étudiés afin de déterminer leur capacité à réduire la toxicité de Abêta 1-42 sur des cellules de neuroblastome SH-SY5Y.Nous rapportons également dans cette thèse les études conformationnelles, effectuées par RMN et réalisées pour étudier et confirmer la capacité de composés de se structurer en solution comme des "bêta-hairpins".Enfin, nous avons développé une voie de synthèse pour obtenir de nouvelles chaînes peptidomimétiques composées par des résidus aza-aminoacides. Dans la littérature, seules des séquences peptidiques comportant un seul résidu aza-aminoacide au milieu, sont connues, mais les propriétés de liaison hydrogène d’un 2:1 [aza/alpha]-tripeptide ne sont pas encore, à notre connaissance, étudiées ni exploitées dans la conception d’inhibiteurs des interactions protéine-protéine. Nous présentons dans cette thèse les études conformationelles réalisées par RMN, cristallographie aux rayons X et modélisation moléculaire.On peut conclure que les éléments structurels décrits dans cette thèse fournissent des indications précieuses dans la compréhension du processus d'agrégation du peptide Abêta 1-42 et dans la conception de nouveaux " bêta-hairpins" acycliques ciblant des protéines amyloïdes. / Amyloidosis is the generic word to name a group of diseases that are caused by the misfolding and extracellular accumulation of various proteins. Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disorder linked to oligomerization and fibrillization of amyloid β peptides, with Aβ 1-42 being the most aggregative and neurotoxic one. To date, the exactly cause of the Alzheimer's disease is not still known and so there is no effective treatment of the disease.An attractive strategy for treating AD could be the inhibition of the oligomerization of soluble Aβ monomers, by stabilizing the native unstructured conformation of the peptide, using compounds able to prevent the formation of β-sheets. Indeed, few structural studies of oligomeric species and fibrils revealed that the aggregation involves β-sheet structures.A large number of small molecules have been proposed for their ability to inhibit or modulate Aβ1-42 aggregation and toxicity. However, the aggregation process is highly complex, and extremely difficult to control. Recent studies indicate that soluble transient oligomers preceding fibril formation are highly toxic species. Thus, the development of inhibitors targeting both oligomerization and fibrillization remains challenging despite its therapeutic significance. Peptides are today reasonable alternatives to small molecule pharmaceuticals. In particular, inhibition of Aβ-aggregation has been targeted using self-recognition elements (SREs), which are key amino acid sequences involved in the different aggregated species. To our knowledge, the use of small acyclic β-hairpins has been very rarely explored as β-sheet binders and inhibitors of aggregation.As Aβ-aggregation is a dynamic and complex process, we hypothesized that flexible β-hairpins could adapt themselves in the interaction with the different Aβ1-42 conformations present during the aggregation process, and in particular in the early stages of oligomerization. We designed acyclic β-hairpin mimics based on a piperidine-pyrrolidine semi-rigid scaffold developed recently as a flexible β-turn inducer, and on different SREs of Aβ1-42. The choice of the SREs was based on oligomer and fibril structures.The ability of all compounds to influence the Aβ 1-42 fibrillization process was evaluated by thioflavin-T fluorescence spectroscopy, used as an evaluation tool to define the inhibitory activity. The obtained results were successively supplemented by transmission electron microscopy. The most promising compounds were also studied by Capillary Electrophoresis (CE) using a method we recently proposed to monitor the very early steps of the oligomerization process overtime. The best inhibitors were investigated to determine their ability to reduce the toxicity of aggregated Aβ1-42 to SH-SY5Y neuroblastoma cells.Together with the evaluation of these molecules, we report in this thesis the conformational studies performed by NMR. These structure investigations were performed to investigate and confirm the β-hairpin conformational preference of the compounds in solution.Finally, we performed a practical synthetic pathway to obtain new peptidomimetic chains composed by aza-amino acid residues. In the literature only peptide sequence, with just one aza-amino acid residue in the middle, are known, but the hydrogen-bonding properties of 2:1 [Aza/α]-tripeptides have not yet, to our knowledge, been exploited in the design of the inhibition of protein-protein interactions. We present in this thesis the conformational studies of the 2:1 [Aza/α]-tripeptide sequence by NMR analyses, X-ray crystallography and molecular modelling.In conclusion, the structural elements made in this thesis provide valuable insights in the understanding of the aggregation process of Aβ 1-42 peptide and to explore the design of novel acyclic β-hairpin targeting amyloid-forming proteins.