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La maladie sporadique de Creutzfeldt-Jakob (sCJD) est une encéphalopathie spongiforme transmissible mortelle caractérisée par une large gamme de manifestations cliniques et pathologiques. Les caractéristiques pathologiques de la SDMC dépendent en grande partie de la présence d'une forme mal repliée de protéine prion cellulaire (PrPC); Connu sous le nom de PrPSC et polymorphisme (méthionine et valine) au codon 129 du gène PRNP qui code pour PrPC. Les facteurs étiologiques exacts de la MCSJ sont encore inconnus. Le génotype Codon 129 du gène PRNP et le type de PrPSC (type 1 ou type 2) influent sur l'hétérogénéité de la maladie telle que définie par des caractéristiques pathologiques spécifiques de la région qui peuvent réguler les voies moléculaires qui conduisent au développement de phénotypes pathogènes dépendants des sous-types. Dans cette étude, nous avons étudié l'ensemble de la réglementation protéomique dans la région cerebrale du cerveau des deux sous-types les plus répandus (MM1 et VV2) des patients atteints de SDMC utilisant une électrophorèse sur gel bidimensionnelle (2DE) et une spectrométrie de masse. L'analyse de toutes les taches de protéines sur les gels 2DE avec le logiciel DECODON Delta2D a révélé vingt-cinq taches de protéines différenciées et l'identification de ces taches avec MALDI-TOF MS / MS a révélé quatre-vingts trois protéines différentiellement réglementées dans les deux sous-types dans la région du cervebelle du cerveau par les patients atteints de sCJD. Quarante protéines dans le sous-type MM1 et quarante-trois protéines dans le sous-type VV2 ont été classées. Douze protéines étaient communément réglementées dans les deux sous-types, dont cinq d'entre elles présentaient une régulation expresnelle inverse et le repos sept avait une régulation expresnelle similaire dans les deux sous-types. Les trois principaux mécanismes moléculaires cellulaires réglementés dans les deux sous-types comprennent: i) le cycle cellulaire; L'expression des gènes et la mort cellulaire, ii) - la réponse au stress cellulaire / le stress oxydatif et iii) - la transduction du signal et les fonctions synaptiques La plupart des protéines sous la classification des réponses au stress cellulaire étaient associées aux fonctions moléculaires cellulaires liées au stress oxydatif. DJ-1 qui est un capteur bien connu de stress oxydatif, a également été jugé réglementé dans la catégorie des réponses au stress cellulaire. Le DJ-1 protège les cellules contre le stress oxydatif directement en translocant au noyau pour l'activation de gènes antioxydants et indirectement en activant la voie Nrf2 / ARE. Nos résultats expérimentaux ont démontré l'activation de la voie Nrf2 / ARE dans les sous-types MM1 et VV2 de sCJD. Le DJ-1 a également montré une régulation positive significative dans son expression de l'ARNm dans les sous-types MM1 et VV2 mais l'expression des protéines uniquement dans le sous-type VV2 dans le cervelet du cerveau des patients atteints de sCJD. En outre, l'expression de la protéine DJ-1 a également été augmentée au cours des stades pré-symptomatiques et symptomatiques dans le cervelet du cerveau des modèles de souris de sCJD (MM1 et VV2) et pendant le stade clinique dans les échantillons de CSF des patients atteints de SDMC. Ces résultats suggèrent l'implication du stress oxydatif lors de la pathophysiologie de la SDMC et l'utilisation de DJ-1 comme capteur potentiel de stress oxydatif pendant la phase clinique de la sCJD.

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Transmissible spongiform encephalopathies (TSEs), also known as prion diseases, are lethal and infectious neurodegenerative diseases of humans and animals. The misfolding of the normal, or cellular isoform of the prion protein (PrPC) into the abnormal disease-associated isoform of PrP (PrPSc) could change the properties of PrP, consequently, PrPSc has lethal infectivity to transmit diseases. The proteinaceous infectious particle consisting mainly of PrPSc is called prion. Transmissibility of prions is strongly influenced by multiple factors including PrP polymorphisms, species barriers (PrP sequence specificity) and prion strains (conformational specificity) by unknown mechanisms. Even though the ability of prions to cross a species barrier has been recognized, the precise mechanisms of interspecies prion transmission remain unclear. This dissertation research was conducted in order to learn more about the molecular mechanisms of conversion, propagation and transmission of PrPSc; about determinants of genetic susceptibility to infection in prion diseases; and about understanding those mechanisms, which might govern the zoonotic potential of prion diseases. First, we investigated the transmissibility risk of multiple strains of Chronic Wasting Disease, which is a cervid TSE, with humanized transgenic mice and showed that the transmission barriers between cervid and the humanized mice are high. Next, the structural factors underlying the species barrier of prion diseases were studied using cell culture systems by systematically introducing amino acid substitutions in the regions of PrP, where the most divergences of different PrP species are recognized. Thirdly, we investigated the effects of the genetic susceptibility to prions as well as conversion kinetics and properties of PrPSc using Tg mice expressing ovine PrP polymorphism (OvPrP) at codon 136 either alanine (A) or valine (V). The templating characteristics of OvPrPSc-V136 were dominant over OvPrPSc-A136 under co-expressions of OvPrPC-A136 and OvPrPC-V136. Finally, the function of PrP was studied in relation to the pathogenesis of Alzheimer’s disease. These studies demonstrated that the conformational compatibility between PrPC and PrPSc contributed to the conversion kinetics and species barrier. We concluded that the conformational compatibility of PrPC to PrPSc is controlled not only by the PrP sequence specificity but also by the tertiary structure of PrPC.

La conversion de la protéine prion cellulaire PrPC en une isoforme pathologique, la protéine prion scrapie PrPSc, est à l'origine d'un groupe de maladies neurodégénératives, les Encéphalopathies Spongiformes Transmissibles (EST). De nombreux travaux indiquent que la toxicité de la PrPSc implique une déviation de la fonction normale de la PrPC, cependant le rôle physiologique de la protéine prion n’est que partiellement compris. Dans ce travail, nous nous sommes attachés à identifier des voies de signalisation mobilisées par la PrPC qui pourraient à la fois rendre compte du rôle de cette protéine dans le développement du système nerveux et être impliquées dans la pathogénèse des EST. Nous montrons que la protéine prion contrôle l’activité de la voie Notch, une voie de signalisation qui joue un rôle majeur dans le développement mais également dans l’homéostasie du système nerveux central et la plasticité synaptique. Dans des modèles ex vivo et in vivo d’EST, nous mettons en évidence une diminution de l’activité de la voie Notch, ainsi que de l’expression des récepteurs de la famille Eph - connus pour leur implication dans l’activité synaptique. Cette diminution des Eph est retrouvée dans des cellules dépourvues de PrPC. Ainsi, l’observation d’un profil similaire entre la perte d’expression de la PrPC et l’infection par les prions renforce l’idée d’une déviation de la fonction normale de la PrPC par la PrPSc. Des inhibiteurs de l’activité histone désacétylase (HDAC) permettent de rétablir l’expression des acteurs de la voie Notch et des récepteurs Eph aussi bien dans les cellules déplétées en PrPC que dans celles infectées par les prions, suggérant que des mécanismes épigénétiques sont impliqués dans le contrôle transcriptionnel de ces gènes par la protéine prion. Ce travail fournit les bases pour évaluer un effet bénéfique des inhibiteurs de HDAC dans un modèle de souris infectées par les prions et ainsi déterminer si les HDAC pourraient constituer de nouvelles cibles thérapeutiques pour combattre les EST. / The conversion of the cellular prion protein PrPC into a pathogenic isoform, the scrapie prion protein PrPSc, lies at the root of a group of neurodegenerative disorders known as Transmissible Spongiform Encephalopathies (TSEs). Several lines of evidence indicate that PrPSc-mediated toxicity involves a subversion of PrPC normal function, however, our knowledge of PrPC physiological role is still far from complete. In this work, we sought to identify signalling pathways mobilized by PrPC that could accommodate both its role in central nervous system development and its implication in TSE pathogenesis. We show that the prion protein controls the activity of the Notch pathway, which plays an overriding role during embryonic development as well as central nervous system homeostasis and synaptic plasticity. In both ex vivo and in vivo models of TSE, we monitored a decrease in Notch activity, together with reduced expression of Eph receptors, which are key players in synaptic activity. The reduction in Eph is also found in PrPC-depleted cells. Hence, our observation of a similar signature of PrPC depletion and prion infection strengthens the view that PrPSc diverts PrPC function. We found a restoration of Notch and Eph effectors expression in response to histone deacetylase (HDAC) inhibitors, both in PrPC-depleted and prion-infected cells, suggesting that epigenetic mechanisms are involved in the PrP-dependent transcriptional control of these genes. This work provides a foundation for assessing a beneficial effect of HDAC inhibition in prion-infected mice and thereby defining whether HDAC could represent novel therapeutic targets to combat TSEs.

A proteína prion celular (PrPC) consiste em uma glicoproteína de membrana que atua como receptora para diversas moléculas, desencadeando sinais intracelulares. Ao interagir com a co-chaperona STIP1, PrPC promove a autorrenovação e proliferação de células-tronco/progenitoras neurais (NSPCs) durante a fase embrionária. De fato, PrPC tem se destacado por sua participação na neurogênese embrionária e adulta, porém o papel de sua interação com a proteína STIP1 na neurogênese adulta permanece obscuro. Deste modo, o presente trabalho adotou abordagens in vitro para avaliação do complexo PrPC-STIP1 em processos celulares que culminam na neurogênese adulta. Para isso, culturas primárias de NSPCs de camundongos deficientes (Prnp-/-) e tipo-selvagens (Prnp+/+) para PrPC foram realizadas, e a cultura foi devidamente padronizada e caracterizada. Através de ensaios de autorrenovação, proliferação e migração celular sugere-se que PrPC promove estes eventos celulares independentemente de STIP1, e que possivelmente a proteína laminina seja um alvo crítico para migração via PrPC. / Cellular prion protein (PrPC) consists in a membrane glycoprotein that acts as a receptor to several molecules, triggering intracellular signals. By interacting with co-chaperone STIP1, PrPC promotes self-renewal and proliferation of neural stem/progenitor cells (NSPCs) during embryonic stage. Indeed, PrPC has excelled for its participation in embryonic and adult neurogenesis, but the role of its interaction with STIP1 protein in adult neurogenesis remains unclear. Thus, herein it was adopted in vitro approaches in order to evaluate the PrPC-STIP1 complex on cellular processes that culminate in adult neurogenesis. In order to assess that, NSPC primary cultures of PrPC deficient (Prnp-/-) and wild-type (Prnp+/+) mice were performed, and the culture was properly standardized and characterized. Through self-renewal, proliferation and cell migration assays, it was suggested that PrPC promotes these cellular events regardless of STIP1, and possibly the laminin protein is a critical target for migration via PrPC.

Den kopparbindande egenskapen hos prionproteiner är sannolikt kopplad till proteinets funtion. Det mänskliga prionproteinet innehåller ett kopparbindande oktapeptidområde, där PHGGGWGQ-sekvensen upprepas fyra gånger i följd. Syftet med detta arbete är att undersöka strukturen och dynamiken i oktapeptidområdet genom att använda teoretiska metoder. Med kvantkemisk strukturoptimering genomfördes en detaljerad jämförelse av växelverkan mellan flera katjoner och det kopparbindande området. Enligt dessa beräkningar är rodium(III) en möjlig ersättare för koppar(II) i NMR-specktroskopiska koordinationsstudier. Alternativa solvatiseringsmodeller i molekyldynamiksimuleringar har också jämförts. Periodiska randvillkor är mest lämpade för användning i de system som undersöks i detta arbete. Molekyldynamiksimuleringar användes för att jämföra oktapeptidområdets struktur och dynamik med och utan kopparjoner. Växelverkan mellan aminosyrornas ringar påverkar starkt strukturen i detta område i frånvaro av kopparjoner. Fyra olika icke-bindande och bindande modeller har studerats, vilka skiljer i sin beskrivning av växelverkan mellan koppar och proteinet. Teoretiska EXAFS spektra beräknades från dem simulerade strukturerna. Spektra som genererats för den bindande modellen är nästan identiska med experimentiella resultat, vilket stöder användandet av den bindande modellen. Detta arbete visar att kopparjoner interagerar med histidin imidazolringens Nδ, deprotonerade amidkväven hos de därpå följande glycinerna samt karbonylsyret hos den andra glycinen. Simuleringarna kunde visa att kopparjonen inte stabilt binder några axiella vattenmolekyler i lösning, till skillnad från en kristallstruktur av koordinationsstrukturen. Indolringen hos tryptofan interagerar direkt med kopparjonen genom stabiliserande katjon-π växelverkan utan direkt medverkan av någon vattenmolekyl. Växelverkan mellan indolringen och kopparjonen var väldefinierad och observerades kunna ske på båda sidor av koordinationsplanet. Molekyldynamiksimuleringarna med kopparjoner och oktapeptidområdet visade hur närvaron av kopparjoner ledde till ett mer strukturerat oktapeptidområde. / The copper-binding ability of the prion protein is thought to be closely related to its function. The human prion protein contains a copper-binding octapeptide region, where the octapeptide PHGGGWGQ is repeated four times consecutively. This work focuses on investigation of the structure and the dynamics of the octapeptide region by means of theoretical methods. Quantum chemical structural optimization allowed a detailed comparison of the interaction of several cations at the copper coordination site. These calculations identified rhodium(III) as a potent substitute for copper(II) that could be used to study the coordination site with NMR-spectroscopic methods. Solvation models that could be used in molecular dynamics simulations as an alternative to periodic boundary conditions were evaluated. Periodic boundary conditions are the best method for modeling the aqueous bulk in the kind of systems that are studied in this work. Molecular dynamics simulations were used to compare the behavior of the octapeptide region in the absence and presence of copper ions. Interaction between nonpolar rings strongly influences the structure of the region in the absence of copper ions. Four different non-bonded and bonded models for describing the interaction between copper and the protein were evaluated. Theoretical EXAFS spectra were calculated from the simulated structures. The results obtained for the bonded model are nearly identical with experimental data, which validates the use of the bonded model. This work thus shows strong evidence for copper(II) ions interacting with the octapeptide region through the histidine imidazole Nδ, the deprotonated nitrogen atoms of the following two glycine residues and the carbonyl oxygen atom of the second glycine residue. Notably, the simulations show that the axial sites of the copper ion do not stably coordinate water molecules in solution, as opposed to the crystal structure reported for the coordination site. Instead, the tryptophan indole ring interacted directly with the copper ion through stabilizing cation-π interaction without water mediation. The interaction of the indole ring with the copper ion was well-defined and was observed to occur on both sides of the coordination plane. The investigations of the interaction between copper ions and the octapeptide region with molecular dynamics simulations show how the presence of copper ions results in a more structured octapeptide region. / QC 20100816