Thèse de doctorat : mathématiques appliquées : Ecole centrale de Paris : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 422 réf.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative causée par la mutation du gène codant la protéine huntingtine (HTT). Cette protéine, exprimée par toutes les cellules de l'organisme, peut adopter une forme mutée qui lui confère un aspect toxique. Dans les cellules, la mHTT va s'agréger et former di érentes structures dont des agrégats, marqueurs distinctifs de la maladie, ou des brilles. Dans le cerveau, la présence de la mHTT va causer une mort neuronale dramatique entraînant, à l'échelle de l'individu, une panoplie de troubles moteurs, cognitifs et psychiatriques. Depuis plusieurs années des études tendent à démontrent que la mHTT peut se propager de cellules à cellules et corrompre la HTT non mutée tel un prion. Pour mon projet de recherche, j'ai ainsi investigué les propriétés prioniques de la mHTT sous sa forme fibrillaire particulièrement toxique. Des fibrilles synthétiques contenant la mutation pathologique ont été utilisées pour infecter des cellules en culture et des souris. De cette manière, nous avons démontré la capacité des fibrilles à se propager et à provoquer des dommages divers dans 3 types de cellules humaines. La présence des fibrilles a également induit l'agrégation de la forme non mutée de la HTT endogène, normalement présente dans les cellules. Chez la souris, ces résultats ont été confirmés suite à l'injection des fibrilles dans le cerveau des animaux. La présence des fibrilles dans le système nerveux central des souris sauvages a provoqué la manifestation de signes caractéristiques de la MH (troubles cognitifs et moteurs). De plus, une apparition de déficits moteurs et cognitifs qui s'apparentent à la maladie a été observée chez des souris R6/2, modèle transgénique de la MH, suite à l'injection des fibrilles. Les résultats de mon projet de recherche renforcent ainsi l'hypothèse prionique de la mHTT et appuient l'hypothèse que ces propriétés pourraient être impliquées dans la physiopathologie de la MH.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative autosomique dominante qui affecte environ 3 à 8 personnes sur 100 000 dans le monde. La MH est causée par une mutation du gène HTT, lequel code pour la protéine huntingtine (HTT). Cette mutation consiste en une expansion de 35 répétitions CAG à même l'exon 1 du gène et aboutit à une répétition de la séquence polyglutamine (polyQ) au sein du segment N-terminal de la protéine HTT. Les personnes atteintes de MH développent des troubles moteurs, cognitifs et psychiatriques sévères, principalement à l'âge adulte. L'âge d’apparition des symptômes est généralement inversement proportionnel au nombre de répétitions CAG bien que la symptomatologie varie considérablement d'un patient à l'autre. L'origine de la MH est associée à l'expression de la protéine HTT mutée (mHTT) qui, en raison de son expansion polyQ, adopte une conformation pathogène et s'accumule en petits et/ou gros agrégats cytotoxiques. Bien que l'on suppose que ces événements soient responsables de la neurodégénérescence, le mécanisme sous-jacent aux voies physiopathologiques menant à l'apparition de la maladie et à la mort neuronale est toujours à l'étude. Un nombre croissant d'observations suggère que la mHTT possède des capacités de type prion, c’est-à-dire une aptitude à recruter des protéines endogènes normales et les corrompre afin de créer des agrégats toxiques; capacités qui sont également connues pour d'autres protéines, notamment l'amyloïde, la tau et la a-synucléine, associées à diverses maladies neurodégénératives. Nous avons émis l'hypothèse que le mHTT se propage de cellule en cellule et qu'elle se comporter tel un prion, contribuant à influencer le développement de la MH. Afin de tester cette hypothèse, des fibrilles synthétiques de mHTT ont été administrées à plusieurs lignées cellulaires ainsi qu'à des souris de différentes souches génétiques. Suite à une période d'incubation, les effets des fibrilles de mHTT sur la viabilité cellulaire, le comportement animal et les caractéristiques neuropathologiques ont été examiné. Nous avons ainsi observé que les fibrilles de mHTT provoquaient la mort cellulaire et des changements morphologiques des cellules cultivées, tandis qu’elles induisaient un phénotype comportemental transitoire de la maladie chez des souris saines. Les fibrilles de mHTT pouvaient également exacerber les déficits moteurs, anxieux et cognitifs de type MH dans un modèle de souris huntingtonien. Ainsi, notre étude suggère que la mHTT extracellulaire peut se propager de cellule à cellule et, une fois recrutée au sein de la cellule, provoquer des changements pathologiques. À la lumière de ces observations, nous croyons que la mHTT extracellulaire pourrait représenter une cible attrayante pour le développement de futures stratégies thérapeutiques. De surcroît, la plupart des traitements en études cliniques sont conçus pour cibler le gène HTT dans le but de diminuer l'expression de la protéine, ignorant la quantité importante de mHTT déjà présente dans le système à l'âge adulte. Par conséquent, une thérapie combinatoire ciblant, à la fois l'expression de mHTT et la mHTT extracellulaire préexistante, pourrait se révéler une voie prometteuse pour le traitement de la MH. / Huntington’s disease (HD) is an autosomal dominant neurodegenerative disease that affects approximately 3 - 8 people in 100,000 individuals worldwide. HD is caused by a mutation in the HTT gene, which codes for the protein huntingtin (HTT), consisting of an expansion of 35 CAG repeats in the exon 1 of the gene and resulting in the elongated polyglutamine (polyQ) stretch at the N-terminal fragment of the protein HTT. Individuals who suffer from HD develop severe motor, cognitive and psychiatric impairments, which primarily manifest in adulthood. The onset of the disease is usually inversely proportional to the CAG repeat expansion, however, HD comes with a high variability of symptoms. HD is also associated with the expression of the mutated HTT (mHTT) protein. The mHTT protein adopts a pathogenic conformation, which accumulates in small and/or large cytotoxic aggregates. Although these events are suspected to contribute to neurodegeneration, the exact mechanisms underlying the pathophysiological pathways leading to disease onset and neuronal death are still under investigation. A growing body of evidence suggests that mHTT possesses prion-like capacities – the capacity to spread between cells and seed disease – a phenomenon associated with other proteins such as amyloid, tau and a-synuclein, all involved in various neurodegenerative diseases. We hypothesized that mHTT propagates in a non-autonomous manner and behaves in a prion-like fashion to influence the onset and severity of HD. To address this, exogenous synthetic mHTT fibrils were administered to several cell lines and to mice of different genetic backgrounds. Following an incubation period, the effects of mHTT fibrils on cellular viability, animal behavior and neuropathological features were examined. We observed that mHTT fibrils provoked cell death and morphological changes in cultured cells, induced transient HD-related behavioral phenotypes in healthy mice and exacerbated motor, anxiety-like and cognitive deficits in an HD mouse model. Our study suggests that extracellular mHTT can propagate between cellular elements and once uptaken, trigger pathological changes. In light of these observations, we believe that extracellular mHTT could represent an appealing target for future therapeutic strategies. Current disease-modifying treatments tested in the clinic are designed to target the HTT gene to decrease the expression of the protein, overlooking the mHTT load outside of the cell boundaries and/or which has accumulated in the system prior to the application of gene silencing/editing. Hence, a combinational therapy addressing both the intracellular and extracellular expression of mHTT could serve as a more global treatment of HD.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative qui se manifeste par un vaste répertoire de symptômes moteurs, cognitifs et psychiatriques. La pathologie est causée par une expansion anormale de la queue polyglutamine du gène huntingtine (HTT), qui code pour une protéine ubiquitaire du même nom, et qui possède différentes fonctions dans de nombreux processus cellulaires. La MH résulte de l'expression d'une forme mutée de la protéine huntingtine (mHTT), laquelle peut s'agréger et ainsi interférer avec les processus cellulaires conduisant à la dégénérescence des cellules. Une précédente étude a analysé les conséquences délétères de la présence de mHTT dans la barrière-hémato-encéphalique (BHE), une structure cellulaire localisée au niveau du réseau vasculaire cérébral qui empêche le passage de substances périphériques à l'intérieur du système nerveux central (SNC). Par conséquent, nous avons décidé d'explorer l'existence de déficiences similaires au niveau de la barrière entre sang et la moelle épinière, une structure similaire à la BHE, mais localisée dans le réseau vasculaire de la moelle épinière (blood-spinal cord barrier, BSCB). Nous avons d'abord analysé la distribution, la fréquence et la localisation spécifique des agrégats de mHTT dans des échantillons de moelle épinière provenant de patients MH et de contrôles sains. Ces analyses ont révélé la présence quasi-exclusive de la mHTT dans la substance grise de la moelle épinière. Nous avons par la suite mesuré l'impact de ces agrégats sur les composants protéiques de la BSCB. Notre analyse démontre une dérégulation significative de certaines protéines essentielles formant des jonctions serrées dans la barrière, causant possiblement le phénomène de perméabilité accrue de la BSCB observé chez les patients atteints de la MH. Des études précédentes ont conduit à la théorie selon laquelle la mHTT pourrait se comporter à la manière d'un prion, propageant ainsi la maladie dans le SNC. Nous avons validé cette théorie en utilisant trois approches différentes ; une in vitro et deux in vivo. Trois différents modèles cellulaires humains (SH-SY5Y, THP1, et iGABA) ont été traités avec des fibrilles synthétiques afin d'observer l'effet de fibrilles humaines exogènes de mHTT (Q48) et de huntingtine normale (HTT ; Q25). Nous avons observé que les fibrilles pouvaient être internalisées par ces cellules, induisant des changements morphologiques et de la mort cellulaire. De plus, des changements de niveaux de HTT ont été observés. Au cours des expériences in vivo, des souris adultes sauvages (WT) ont reçu une injection intra-corticale unilatérale de fibrilles synthétiques de fragments N-terminaux de (m)HTT (Q25 et Q48), alors que des souriceaux R6/2 et WT ont reçu une injection intraventriculaire bilatérale. Dans les deux protocoles, les injections de fibrilles Q48 ont conduit à des changements comportementaux et les analyses post-mortem ont révélé que ces fibrilles exogènes étaient capables d'induire et d'exacerber la pathologie. Ces résultats démontrent que la mHTT pourrait se comporter tel un prion, se propageant et aggravant la pathologie dans le SNC. De plus, la démonstration que la mHTT perturbe l'intégrité de la BSCB suggère que l'exacerbation de sa perméabilité pourrait être une route possible de la propagation de la mHTT. / Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder that results in a series of motor, cognitive, and psychiatric symptoms. The pathology is caused by abnormal expansion of the polyglutamine tract of the huntingtin gene (HTT), which encodes a ubiquitous protein named huntingtin, and has different functions in several cellular processes. HD results from the expression of a mutated form of the huntingtin protein (mHTT) that forms protein aggregates and disrupts these cellular processes causing neurodegeneration. A previous study analyzed the deleterious consequence of the presence of mHTT on the blood-brain barrier (BBB), a cellular structure located in the brain vasculature that prevents the passage of peripheral substances into the central nervous system (CNS). Therefore, we decided to explore the existence of similar impairments in the blood-spinal cord barrier (BSCB), a structure similar to the BBB, but located in the spinal cord vasculature. To begin with, we analyzed the anatomical distribution, frequency, and specific location of mHTT aggregates in spinal cord samples from HD and healthy control human samples, revealing an almost exclusive presence of mHTT within the grey matter of the spinal cord. We then measured HD impact on the spinal cord vasculature and BSCB permeability. Our analysis showed an increase of the small blood vessel density and the presence of features related to BSCB leakage, such as diffusion of fibrinogen in the surrounding parenchyma and peripheral cells infiltration. Moreover, the measure of the levels of the protein components of the BSCB revealed a downregulation of some essential proteins forming tight junctions in the barrier that is the likely cause of the increased BSCB permeability that we observed in HD patients. Previous studies led to the theory that mHTT might behave in a prion-like fashion spreading and seeding the disease throughout the CNS. We validated this theory using three different approaches; one in vitro and two in vivo. Three different human cell lines (SH-SY5Y, THP1, and iGABA neurons) were treated with synthetic fibrils to observe the effect of exogenous human fibrillar mHTT (Q48) and huntingtin (HTT) (Q25). We observed that the fibrils could be taken up by these cells, subsequently inducing cellular morphological changes and apoptosis. Moreover, changes in HTT levels and sequestration of endogenous HTT within pathological inclusion bodies were observed suggesting a prion-like behavior by mHTT. Subsequently, in in vivo experiments, wild type (WT) adult mice were administered an intracortical unilateral injection of synthetic fibrillar N-terminal fragments of mHTT (Q25 and Q48), while R6/2 and WT pups received a bilateral intraventricular injection. In both protocols, the Q48 injections resulted in behavioral changes and the appearance of features HD-related. The post-mortem analysis revealed that the exogenous fibrils were able to spread through the brain inducing and exacerbating the pathology in both animal models. These results demonstrate that mHTT might behave in a prion-like fashion, spreading and exacerbating the disease throughout the CNS. Moreover, the demonstration that mHTT disrupts the integrity of the BSCB suggests that the increased permeability could be a route of mHTT propagation.