Une altération de l’épissage alternatif est impliquée dans certaines pathologies telles que la Dystrophie Myotonique de type 1 (DM1). La DM1 est une maladie génétique multisystémique appartenant à la famille des maladies à expansion de triplets. En effet, bien que non traduites, les expansions CUG localisées en 3’ des transcrits DMPK répriment l’exportation nucléaire de ces transcrits. Ce phénomène entraine notamment une dérégulation de l’activité de plusieurs facteurs régulateurs d’épissage parmi lesquels les familles CELF (CUGBP and ETR-3 like factor) et MBNL (MuscleBlind like). Cette dérégulation aboutit à un défaut d’épissage alternatif de nombreux transcrits, en particulier dans les muscles squelettiques, le cœur et le cerveau. On compte parmi ces transcrits dérégulés celui du gène MAPT codant pour les protéines Tau. Six isoformes de Tau, issues de l’épissage alternatif des exons 2, 3 et 10, sont principalement exprimées dans le cerveau adulte humain. Dans le cerveau DM1, ces exons sont préférentiellement exclus.La régulation et la dérégulation de l’épissage alternatif de l’exon 2 de Tau dans la DM1 peuvent être étudiées via l’utilisation de minigènes. Ces minigènes sont constitués de séquences Tau plus ou moins délétées insérées dans un vecteur plasmidique. Nous avons démontré que la nature de ce vecteur a une influence sur l’épissage. La construction de différents minigènes a donc permis de sélectionner celui le plus adapté à la recherche des séquences cis régulatrices de Tau. L’étude de ces minigènes démontre l’existence d’éléments cis répresseurs éloignés de l’exon, entre les nucléotides +500 et +2100 en aval de l’exon 2. Par contre, les éléments ciblés par les répétitions CTG dans la DM1 sont proximaux à l’exon 2, dans les 250 pb de part et d’autre de l’exon. Dans ces expansions CTG peuvent être séquestrés certains facteurs d’épissage tels que ceux de la famille MBNL. Dans notre modèle cellulaire, l’extinction de l’expression de MBNL1 ou l’utilisation de minigènes mutants MBNL démontrent que ces facteurs sont impliqués dans la régulation et la dérégulation de l’épissage de l’exon 2 de Tau. De plus, la surexpression de MBNL2 restaure un épissage normal de l’exon 2 en présence de la mutation DM1. Cette restauration est augmentée lorsque MBNL1 est également surexprimé suggérant un effet synergique de ces deux facteurs. Par la suite, nous avons étudié l’intervention d’autres familles de facteurs ubiquitaires ou impliqués dans les pathologies à expansion de triplets. Les facteurs conduisant à la dérégulation de l’exon 10 dans la DM1 n’étant que très peu connus, l’épissage du transcrit de Tau endogène a été analysé afin d’étudier à la fois les exons 2 et 10. Ainsi, de nouveaux facteurs impliqués dans la régulation de l’exon 2 (CELF2, 4 et 6, PTB1 et 2, Sam68, MBNL2) et de l’exon 10 (Sam68, MBNL2, Fox 1 et 2) ont été identifiés. Pour la première fois, l’implication des facteurs CELF5, SC35, SRp20, SRp75, 9G8 pour l’exon 2 et CELF3, hnRNPA1 et Fox1 pour l’exon 10 dans la restauration d’un épissage normal en présence de la mutation DM1 a été identifiée. En conclusion, les exons 2 et 10 de Tau, bien que tous deux dérégulés dans la DM1, sont régulés et dérégulés de façon différente. / Myotonic Dystrophy Type 1 (DM1) belongs to the group of pathologies referred as misregulated alternative splicing or spliceopathies. DM1 is a multisystemic inherited disease characterized by an unstable CTG-repeat expansion in the 3’ UTR of the DMPK gene. These CUG expansions are not translated, but they inhibit nuclear exportation of DMPK transcripts modifying in this way, the pool of available splicing regulating factors like CELF (CUGBP and ETR-3 like factor) and MBNL (Muscleblind Like) families. This deregulation leads to a default of alternative splicing of numerous transcripts, particularly in skeletal muscle, heart and brain. Beyond them, we focus on RNA from the microtubule-associated protein Tau (MAPT). In human brain, six Tau RNA variants have been described from alternative splicing of exons 2, 3 and 10. In DM1 brains, it has been reported a repression of the inclusion of these exons. The functionality of alternative splicing of Tau exon 2 in DM1 can be studied by the use of minigenes. These minigenes are constituted of Tau sequences more or less deleted, inserted in a plasmidic vector. We demonstrated that the nature of the vector has an influence on splicing. The construction of different minigenes permit to choose the one more adaptated to the research of cis-elements involved in both normal and pathological splicing of Tau RNAs. So, cis elements implicated in regulation of Tau exon 2 are distant of the exon (between nucleotides +500 and +2100 upstream exon 2). On the over hand, cis elements targeted by CUG repetitions in DM1 are close to exon 2 (in 25O nucleotides around exon 2). In this CUG expansions, some splicing factors like MBNL family members can be sequestered. In our cellular model, extinction of expression of MBNL1 and the use of minigenes mutants for MBNL sites show that these factors are implicated in both regulation and deregulation of Tau exon 2 alternative splicing. Moreover, over-expression of MBNL2 can restore a normal Tau exon 2 splicing in presence of DM1 mutation. This restoration is increased when MBNL1 is also over-expressed, suggesting a synergic effect between MBNL1 and MBNL2. Secondly, we studied the involvement of other families of splicing factors such as ubiquitary factors (SR, hnRNP) or factors implicated in others pathologies with triplets expansions (p68, Sam68, Fox). Exon 10 deregulation was very studied in FTDP-17 (Frontotemporal dementia and parkinsonism linked to chromosome 17) but not in DM1. So, Tau endogene has been analysed to study both exon 2 and 10. So, new factors implicated in regulation of exon 2 (CELF2, 4, 6, PTB1 and 2, Sam68, MBNL2) and 10 (Sam68, MBNL2, Fox 1 and 2) were identified. For the first time, the implication of the factors CELF5, SC35, SRp20, SRp75, 9G8 for exon 2 and CELF3, hnRNPA1, Fox1 for exon 10 in the restoration of a normal Tau splicing in presence of DM1 mutation have been identified. In conclusion, our data show that Tau exon 2 and 10, both alterated in DM1 pathology, are regulated and deregulated by different mechanisms.

La pathologie Tau est une lésion commune à plus d’une vingtaine de maladies neurodégénératives, regroupées sous le terme de Tauopathies. Elle correspond à l’accumulation intracellulaire de matériel fibrillaire constitué de protéines Tau hyper- et anormalement phosphorylées. Dans la maladie d’Alzheimer (MA), démence la plus courante chez la personne âgée, la progression et la distribution topographique de ces agrégats évoluent au cours du temps et sont corrélés aux déficits cognitifs observés. A ce jour, les traitements sont principalement symptomatiques. Cependant, plusieurs stratégies thérapeutiques sont étudiées parmi lesquelles l’immunothérapie. Les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif d’étudier les effets de l’immunothérapie Tau, active et passive, dans un modèle transgénique murin mimant la pathologie Tau de type Alzheimer. Les souris THY-Tau22, surexpriment une isoforme de Tau humaine mutée sur deux sites et sous contrôle d’un promoteur neuronal. Ce modèle présente dès l’âge de trois mois des altérations progressives de l’apprentissage et de la mémoire en parallèle d’une accumulation de protéine Tau principalement au niveau hippocampique, sans perte neuronale majeure, ce qui lui confère les caractéristiques d’un stade précoce de MA. Au sein du modèle THY-Tau22, on retrouve la protéine Tau phosphorylée en Ser422, un épitope particulièrement pertinent pour l’immunothérapie. En effet, la pSer422 est un épitope de phosphorylation anormale unique, présent dans la plupart des Tauopathies. Dans ces travaux de thèse, nous montrons que la vaccination précoce contre la Ser422 phosphorylée de la protéine Tau peut prévenir l'altération de mémoire spatiale mesurée par le test du labyrinthe en Y. Cette diminution de l'atteinte cognitive est associée à une diminution de la phosphorylation anormale de Tau au niveau de l'hippocampe et à une réduction significative des espèces insolubles de Tau. Les résultats de cette vaccination nous ont amenés à générer un anticorps monoclonal dirigé contre la pSer422 (2H9) afin d’évaluer les effets de l’immunothérapie passive. Selon la même cinétique d’âge, nous avons injecté, chaque semaine, par voie intrapéritonéale, des souris THY-Tau22 avec 5mg/kg et 10mg/kg de 2H9 ou une solution saline. Cette approche prévient l’apparition de déficits de mémoire spatiale mesurée par les tests du labyrinthe en Y et de la piscine de Morris. Les analyses immunohistochimiques révèlent également une réduction des protéines Tau anormalement phosphorylées au niveau de l’hippocampe. Afin d’étudier les mécanismes sous-jacents à l’immunothérapie anti Tau, nous avons injecté des anticorps anti-phosphoTau par stéréotaxie au niveau de l’hippocampe de souris THY-Tau22. Nous montrons, qu’une fois au sein du cerveau, ils sont capables d’entrer dans les neurones contrairement au contrôle isotypique. Plusieurs études récentes d’immunothérapie, suggèrent une implication de la macroautophagie dans la dégradation médiée par les anticorps. Nous montrons que les anticorps internalisés dans les neurones colocalisent avec différents marqueurs de la voie lysosomiale (NPC1, Lamp2) confirmant l’hypothèse d’une dégradation par le lysosome. Cependant, la barrière hémato encéphalique étant très sélective, il est fort probable que les anticorps générés restent en périphérie. [...] / Tau pathology is a common lesion observed in more than twenty neurological disorders, refered to as Tauopathies. It corresponds to the aggregation of the microtubule associated protein Tau hyper and abnormally phosphorylated into neurofibrillary tangles. In Alzheimer's disease (AD), the most common age-related dementia, the distribution and progression of Tau pathology have been reported to be well-correlated to the cognitive decline. Currently, treatments remain essentially symptomatic. However, several therapeutic approaches, including immunotherapy, are being developed to treat Tau pathology. The work presented in this thesis aim to investigate the effects of both active and passive Tau immunotherapy in a transgenic mouse model of Alzheimer’s disease-like Tau pathology. THY-Tau22 mice overexpress a double-mutated isoform of the human Tau protein, whose expression is under the control of a neuronal promoter. Several lines of evidence suggest that this transgenic mouse model is reproducing early stages of AD. Indeed, at three month old, the THY-Tau22 mouse model presents a progressive impairment of learning and memory without major neuronal loss, in parallel to Tau accumulation in the hippocampus. Moreover, Tau is hyper and abnormally phosphorylated at different sites including Ser422. Noteworthy, the pSer422 epitope is a single abnormal site of phosphorylation present only in pathological conditions, rendering it of particular interest for immunotherapy. In this present thesis work, we showed that early vaccination against the phosphorylated Ser422 Tau protein reduced spatial memory impairment as measured by the Y-maze test. Interestingly, this is associated with the decrease of the abnormal phosphorylation of Tau in the hippocampus and with a significant reduction of insoluble Tau species. Based on these results, we generated a new monoclonal antibody raised against pSer422 (2H9) to evaluate the effects of passive immunotherapy. The antibody was injected every week, intraperitoneally (5mg/kg and 10mg/kg of 2H9 or saline buffer) in the THY-Tau22 mice. We show that this approach can prevent the appearance of spatial memory deficits as measured by the Y maze and the Morris water maze tests. Immunohistochemical analysis also revealed a reduction of abnormally phosphorylated Tau proteins in the hippocampus. To investigate the mechanisms underlying Tau immunotherapy, we performed stereotaxic injections of anti-phosphoTau antibodies in the hippocampus of THY-Tau22 mice. We showed that, once in the brain, anti-phosphoTau antibodies were located inside the neurons in contrast to the isotype control. Several recent studies of immunotherapy, suggest an involvement of macroautophagy in the antibody-mediated degradation. We showed that internalized antibodies colocalized with different markers of the lysosomal pathway (NPC1, Lamp2) confirming this hypothesis of a lysosomal-mediated degradation. However, since the blood-brain barrier is highly selective, the antibodies may more likely act in the periphery. Indeed, we showed that peripheral administration of 250μg of the 2H9 generates a significant increase of Tau proteins levels in plasma, suggesting a peripheral sink mechanism as for Aβ immunotherapy. Vaccination, which generates a polyclonal response, leads to a greater increase of plasmatic Tau that confirms the peripheral degradation of Tau. Overall, the results of this PhD work confirmed the promising potential of Tau immunotherapy for Alzheimer\\\\\\\'s disease and other Tauopathies treatment. Moreover, it address a new hypothesis suggesting that the antibodies mediated degradation of Tau proteins might be through a peripheral sink such as for Aβ.

A l’heure actuelle, le processus neurodégénératif responsable de la MA n’est pas complètement élucidé et ses causes sont probablement multiples. Cependant, on sait qu’il met en jeu Tau, une protéine associée aux microtubules et qui permet leur stabilisation ; dans les cerveaux des patients Alzheimer, Tau est présente sous un état anormalement phosphorylée, agrégeant en filaments appariés en hélice à l’intérieur des neurones. Notre modèle d’étude in vitro consiste en une protéine Tau recombinante phosphorylée par la CDK2/CycA3 sur deux phosphoépitopes spécifiques à la MA et reconnus par les anticorps AT8 et AT180. Ce profil de phosphorylation a été caractérisé de façon qualitative et quantitative par spectroscopie RMN (Résonance Magnétique Nucléaire). Nous avons ensuite tenté de cartographier ces phosphoépitopes par deux techniques complémentaires originales : la RMN et le FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Nous avons également montré que l’(hyper)phosphorylation de Tau ne menait pas forcément à son détachement des microtubules, hypothèse largement répandue dans la littérature. Finalement, nous avons pu mettre en évidence une interdépendance entre les deux phosphoépitopes AT8 et AT180 lors de la déphosphorylation de notre échantillon de protéine Tau phosphorylée par PP2AT55, une phosphatase trimérique majeure du cerveau. / The neurodegenerative process responsible for Alzheimer’s disease is not yet elucidated and its causes are probably multiple. Nevertheless, we know that it brings into play Tau, a microtubule associated protein that allows their stabilization; in Alzheimer patients’ brain; Tau proteins are present under an abnormally hyperphosphorylated state which aggregate in paired helical filaments inside the neurons. Our in vitro study model is based on a recombinant Tau protein phosphorylated by CDK2/CycA3 on two Alzheimer’s disease specific phosphoepitopes recognized by AT8 and AT180 antibodies. This phosphorylation pattern was qualitatively and quantitatively characterized by NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spectroscopy. We tried then to map these phosphoepitopes by two original and complementary methods NMR and FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). We also showed that (hyper)phosphorylation of Tau doesn’t lead necessarily to its detachment from microtubules, a hypothesis widely spread in literature. Finally, we highlighted that during the dephosphorylation of our phospho-Tau sample by PP2AT55, a major trimeric phosphatase in brain, the dephosphorylation of AT8 phosphoepitope was under AT180 phosphorylation status control.

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La protéine Tau est une protéine associée aux microtubules, localisée principalement dans les axones. Elle joue un rôle important dans la polymérisation et la stabilisation des microtubules, in vitro. Sa fixation aux microtubules est régulée par de nombreuses kinases et phosphatases. En effet, lorsque Tau est phosphorylée, elle se détache des MTs. Inversement, elle se fixe aux MTs lorsqu’elle est déphosphorylée. Le dysfonctionnement de la protéine Tau est à l’origine de différentes maladies neurodégénératives appelées Tauopathies comme la maladie d’Alzheimer. Dans ce contexte pathologique, Tau est anormalement phosphorylée et s’accumule sous forme de structures neurofibrillaires appelées PFH (paires de filaments hélicoïdaux). Ces structures sont retrouvées dans les neurones en dégénérescence et constituent une des caractéristiques majeures de lésion histopathologique de la MA. Dans le cadre de cette maladie, deux principaux mécanismes de toxicité neuronale induite par la protéine Tau ont été suggérés. La première hypothèse considère que l’hyperphosphorylation de Tau provoque son détachement des microtubules induisant ainsi une déstabilisation du cytosquelette microtubulaire, une altération du transport axonal et une mort neuronale. Selon la seconde hypothèse, la fixation excessive de Tau aux microtubules altèrerait le transport axonal des vésicules et autres organites nécessaires au bon fonctionnement de la synapse. Dans ce cas, l’hyperphosphorylation de Tau et la formation des structures PFH auraient en premier lieu un effet protecteur pour la cellule. Lors de ce travail de thèse, nous avons confronté ces deux théories en utilisant le modèle invertébré : Drosophila melanogaster. Tout d’abord, nous avons étudié l’effet de la perte de fonction de la protéine Tau de drosophile (dTau) sur l’architecture du cytosquelette microtubulaire et sur le transport axonal des neuropeptides. Ce travail nous a permis d’une part, de tester l’hypothèse de l’effet du détachement de la protéine Tau des MTs sur le transport axonal, et d’autre part d’étudier la fonction endogène de la protéine dTau. En effet, le rôle in vivo de la protéine Tau endogène sur la morphologie et la physiologie axonale reste inconnu à ce jour, et ceci probablement dû à une redondance fonctionnelle avec les autres protéines associées aux microtubules (MAPs). Dans cette présente étude nous utilisons le modèle Drosophila melanogaster qui présente l’avantage de n’avoir qu’un seul homologue de la famille Tau/MAP2/MAP4 des mammifères. Nos données montrent pour la première fois, in vivo, que la protéine Tau contrôle la densité des microtubules axonaux, et que la perte de la protéine Tau altère le transport axonal microtubule-dépendant. Cependant, les défauts observés ne semblent pas être suffisant pour induire une neurodégénérescence, mais pourraient néanmoins constituer un défaut apparaissant précocement chez les individus atteints. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons étudié l’hypothèse centrée sur l’effet de la fixation excessive de la protéine Tau humaine aux microtubules. Pour cela, nous avons utilisé des drosophiles transgéniques exprimant différentes isoformes mutées de Tau humain (hTau) mimant différents états de phosphorylation de la protéine Tau et s’attachant différemment aux microtubules. Nos résultats montrent clairement que la fixation de Tau en excès sur les microtubules induit des défauts majeurs du transport axonal et de la libération des neuropeptides. Nous démontrons ainsi que l’un des mécanismes possible de la maladie d’Alzheimer est la fixation précoce excessive de Tau sur les microtubules. Par ailleurs, nos résultats mettent en évidence une limite sérieuse des thérapies visant à inhiber la phophorylation de Tau dans la MA. / Tau is a microtubule associated protein that belongs to the MAP structural family. it polymerizes and stabilizes microtubules, in vitro. Tau is found in high amount in axons. The microtubule binding capacity of Tau is regulated by kinases and phophatases. Indeed, when Tau is phosphorylated it desengages from microtubules and when it is dephosphorylated it binds to microtubules and stabilizes them. Tau is involved in several neurodegenerative disorders called tauopathies like the elderly neuropathy, Alzheimer disease (AD). In this neurodegenerative disorder, Tau is abnormally phosphorylated and aggregates to forme neurofibrillary tangles called paired helicoidal filament (PHF), witch is one of the hallmark of AD. Hence, two major hypothesis explaining neurodegeneration in this condition have been suggested. The first hypothesis considers that because of Tau hyperphosphorylation, it detaches from microtubules and starts to form aggregates. Tau detachment from microtubules leads to their destabilization and subsequent defects in axonal transport. These defects in axonal transport lead to synaptic dysfonction and neuronal degeneration. The second hypothesis suggests that an excess of Tau binds onto microtubules, induces axonal transport defects and subsequently neuronal loss. The hyperphosphorylation of Tau and PHF formation would represent a protective response of the cell to prevent axonal defects and neurodegeneresence. The aim of our work is to evaluate these two mechanisms using Drosophila melanogaster model. First, we studied the effect of drosophila Tau (dTau) loss of function on microtubule organisation and axonal transport of neuropeptide in vivo. This work allows us to study the first hypothesis of detachment of Tau from microtubules an its consequences, as well as understanding the endogenous function of dTau. Infact, we took the advantage of drosophila lower genetic redundancy in witch dTau is the only homologue of the mamalian Tau/MAP2/MAP family. Our results demontrated that dTau control axonal microtubule number and that the loss of Tau function affects vesicular axonal transport. However, these defects do not seem to be toxic for the neuron but represent an early event that may progressively become toxic. In the second part of this work we evaluated the second hypothesis. It consists of studying the consequences of an excess of hypophosphorylated Tau bound to microtubules on axonal transport. Our results demontrate for the first time a stronger toxicity of hypophosphorylated Tau for neuronal function compared to pseudophosphoryated Tau. These data demonstrate an important mechanism that could probably be implicated in AD. In addition, our work point out a potentiel limit of a current therapeutic strategy aimed at inhibiting Tau phosphorylation.

La maladie d’Alzheimer, de nombreux syndromes parkinsoniens, certaines démences fronto-temporales telle que la maladie de Pick sont des exemples de maladies neurodégénératives appelées « tauopathies » qui sont caractérisées par la présence d’agrégats intracellulaires de protéines Tau dans le cerveau des sujets atteints. La formation de tels agrégats résulterait de l’altération des propriétés et fonctions normales des protéines Tau à réguler et structurer les réseaux de microtubules au sein des axones ; ce qui se traduit par une perte progressive de la masse des microtubules dans les axones, la désorganisation du transport axonal et au final la mort cellulaire. La compréhension des tauopathies passe donc par celle :- de la dynamique des microtubules qui est régie par les mécanismes de l’instabilité dynamique au cours desquels les microtubules alternent en permanence entre une phase de croissance (polymérisation des GTP-tubulines) et de rétrécissement (dissociation des GDP-tubulines);- et des interactions entre protéines Tau – microtubule qui jouent un rôle important dans la polymérisation, la stabilisation des microtubules et l’organisation spatiale du réseau de microtubules dans l’axone.L'objectif de ce travail de thèse est de construire et de consolider les bases qui permettront d'aller vers une modélisation fine de l'interaction des microtubules dynamiques avec une population de protéines Tau. Pour y parvenir, deux problèmes ont été abordés : (i) la dynamique intrinsèque des microtubules, c'est-à-dire en l'absence de protéines Tau et (ii) l'interaction Tau-Microtubule pour des microtubules stabilisés, c'est-à-dire non-dynamiques.Afin d’aborder ces problèmes, le travail de cette thèse a été mené selon deux approches :-Théorique : développements de modèles mathématiques décrivant les différents processus-Simulations numériques : développement de programmes Monte-Carlo (sous Matlab)Les résultats principaux ont été organisés et structurés en deux grandes parties :Développement d’un modèle mésoscopique décrivant l’instabilité dynamique des microtubules à l’échelle de la tubuline (unité fondamentale du microtubule). Ce modèle décrit une instabilité dynamique des microtubules non-Markoviènne dont les caractéristiques sont comparables aux observations expérimentales.2) Développement d’un modèle décrivant la dynamique de décoration d’un microtubule stabilisé (absence d’instabilité dynamique) par une population de protéines Tau. Les caractéristiques de ce modèle sont basées, pour la construction, et comparables aux expériences de cosedimentation et de microscopie électronique. / Alzheimer’s disease, some frontotemporal dementias such as the Pick’s disease are examples of neurodegenerative diseases called "Tauopathies" which are characterized by the presence of intracellular aggregates of Tau-proteins in the brain of patients. The formation of such aggregates would result from the loss of the normal functions of the Tau-proteins to properly organize the microtubule network within the axon ; which leads to a progressive loss of microtubule’s mass within the axons, the disorganization of the axonal transport and at the end, the cell death. To understand the Tauopathies, we have to understand :- the dynamic of microtubules which is controlled by the mechanisms of the dynamic instability in which microtubules switch between a phase of growth (polymerization of GTP) and a phase of shrinkage (dissociation of GDP)- the interaction between Tau-proteins and microtubules which play an important role in the polymerization, stabilization and spatial organization of microtubules within the axonal network.The objective of this work is to build and consolidate the blocks in order to go to precise modeling of the interaction of microtubules with a dynamic population of Tau-proteins. To this purpose, two problems were considered : (i) the intrinsic dynamic of microtubules (i.e., in absence of Tau-proteins) and (ii) the interaction between Tau-proteins and a stabilized-microtubules (i.e., in absence of dynamic instability)In order to this, the work has been done according to two approaches :- Theoretical : development of mathematical models describing the different process.- Simulation : development of Monte-Carlo programs (under Matlab)The main results have been organized in two main parts :1) Development of a mesoscopic model describing the dynamic instability of microtubules at the scale of the tubulin. This model describes the non-Markovian dynamic of microtubules and the characteristics are compatible with the experimental observations.2) Development of a model describing the dynamical decoration of a microtubule by a population of Tau-proteins. The characteristics of the model are based, for the construction, and compatible with the experimental observations.

Tau est une protéine stabilisatrice des microtubules majoritairement exprimée au niveau neuronal qui existe en six isoformes différentes appelées isoformes 3R ou 4R en fonction de l’inclusion de 3 ou 4 séquences répétées dans leur domaine de liaison aux microtubules. Dans une vingtaine de pathologies neurodégénératives appelées tauopathies, des protéines Tau anormalement modifiées s’agrègent formant des lésions intracellulaires appelées dégénérescence neurofibrillaire (DNF). Selon les tauopathies, la morphologie des lésions, leur composition en isoformes ainsi que l’évolution spatio-temporelle de la pathologie diffèrent. Dans la plupart des cas, les tauopathies sont sporadiques mais quelques mutations du gène codant Tau (MAPT) causent des formes familiales de démences fronto-temporales. Dans certaines tauopathies sporadiques comme la maladie d’Alzheimer, la DNF est initiée dans des régions spécifiques et évolue ensuite de manière stéréotypée. Ces stades neuropathologiques sont bien définis, mais les mécanismes expliquant cette évolution restent méconnus. Récemment, certaines études ont proposé que des espèces pathologiques de la protéine Tau sont capables de se déplacer activement de région en région suivant des connections neuro-anatomiques propageant ainsi la pathologie Tau dans le cerveau.Dans ce contexte, nous avons démontré à la fois in vitro, en utilisant un système de chambre microfluidique mais également in vivo dans un nouveau modèle de rat, que la protéine Tau est activement et physiologiquement transférée de cellule en cellule. De manière intéressante, la pathologie Tau qui se développe dans l’hippocampe des rats se propage également de région en région. Ce modèle étant basé sur une technologie de vectorisation virale, nous avons pu tester différentes constructions pour montrer qu’étonnamment, la pathologie Tau induite par des espèces mutées ou des isoformes 3R est restreinte autour du site d’initiation et ne propage pas aussi loin que pour les espèces sauvages 4R. La protéine Tau ainsi que la DNF se propagent donc de cellules en cellules mais les mécanismes expliquant cette propagation restent inconnus. Pour aborder cette question, et connaissant l’importance des vésicules extracellulaires (EVs) dans les mécanismes de communication intercellulaire, nous avons analysé leur implication dans le transfert de la protéine Tau. Nous avons purifié des EVs in vitro depuis des surnageants de culture mais également in vivo depuis des échantillons de liquide céphalorachidien de primates ainsi que des échantillons de fluide interstitiel cérébral de rat. Nous avons ainsi démontré que la protéine Tau est sécrétée de manière physiologique sous forme libre mais également au sein de EVs issues du bourgeonnement de la membrane plasmique nommées ectosomes. Il apparaît aussi qu’en cas de surexpression ou de présence de DNF, la protéine Tau est retrouvée dans des exosomes, des EVs issues de la voie endosomes/lysosomes.Ces résultats nous montrent que la protéine Tau se propage de neurone en neurone physiologiquement mais aussi durant des processus pathologiques. Il semble aussi exister des espèces particulières de protéine Tau plus promptes à se propager que d’autres. Ces différences pourraient en partie expliquer les différents phénotypes observés au sein des tauopathies. Nous avons aussi démontré que la protéine Tau est sécrétée via plusieurs voies de sécrétions qui pourraient refléter différents stades physiopathologiques. Des études complémentaires sont nécessaires notamment pour 1-clairement identifier les mécanismes de sortie et d’entrée de Tau dans les neurones. 2-comprendre si certaines espèces vont spécifiquement induire la pathologie dans les neurones secondaires et s’il est possible de les bloquer grâce à des thérapies ciblées. Et 3-identifier les raisons qui expliquent les vulnérabilités de certaines populations cellulaires. / Tau is a microtubule-associated protein mainly expressed in neurons. There are six different isoforms of this protein bearing either 3 or 4 microtubule-binding domains and called 3R-Tau or 4R-Tau. During the course of tauopathies, Tau proteins are abnormally modified and aggregate in specific intracellular lesions called neurofibrillary degeneration (NFD). According to tauopathies, the morphology of lesions, their isoforms’ composition and the spatiotemporal evolution of the pathology are different. Moreover, tauopathies are mostly sporadic but some mutations on Tau gene (MAPT) induce rare forms of familial fronto-temporal dementia. In some sporadic tauopathies like Alzheimer’s disease, the NFD is initiated in specific brain areas and evolves stereotypically in well-defined neuropathological stages. The mechanisms underlying such evolutions are mainly unknown but recently, different studies had proposed that some pathological species of Tau protein are able to actively move from region-to-region following neuro-anatomical connections and to spread the Tau pathology intra-cerebrally by this way.Within this context, we have demonstrated either in vitro using a microfluidic chamber system or in vivo using a new rat model, that Tau proteins are actively and physiologically transferred from cell-to-cell. Interestingly, in this model we could also follow the development of the Tau pathology inside the rats’ hippocampus but also its propagation from region-to-region. This model is based on a viral vector technology; therefore, we were able to test different construct and to show that surprisingly, Tau pathology induced by mutated or 3R-Tau species is restricted to the vicinity of the initiation site and do not propagate as far as the wild-type 4R-Tau species.Tau proteins as well as NFD are cell-to-cell propagating but the mechanisms underlying this phenomenon are still unknown. In order to address this point and knowing the significance of extracellular vesicles (EVs) in the intercellular communication mechanisms, we analysed their implication in the transfer of Tau proteins. We purified EVs in vitro from culture supernatants but also in vivo from primates’ cerebrospinal fluid samples and rats’ cerebral interstitial fluid samples. We demonstrated that Tau proteins are secreted physiologically in a free form but also within specific EVs named ectosomes and coming from a budding of the plasma membrane. Also, it seems that when Tau is overexpressed and when NFD is present, Tau proteins are retrieved within EVs named exosomes and derived from the endosomes/lysosomes pathway.These results clearly show that Tau proteins are propagating from neuron to neuron physiologically but also during pathological processes. It seems also that some specific Tau species are more prone to propagate than others. These differences could partly contribute to the different phenotypes observed among tauopathies. We have also demonstrated that Tau proteins are secreted via several pathways of secretion that could reflect different pathophysiological stages. Some complementary studies are needed particularly to 1- clearly identify the cellular mechanisms of Tau exit and entry. 2- to understand if some Tau species will specifically induce Tau pathology in secondary neurons and if it is possible to block this phenomenon thanks to targeted therapy. And 3- to identify the reasons that explain the vulnerability of some specific cell populations to Tau pathology propagation.

Le diagnostic de la maladie d'Alzheimer (MA) est tardif et présente un manque de fiabilité en regard de l'examen neuropathologique postmortem permettant de confirmer ce diagnostic. En effet, les présentations cliniques de la MA peuvent être multiples et parfois atypiques. Des anomalies dans les concentrations des protéines tau, tau phosphorylées et amyloïdes bêta, au sein du liquide céphalorachidien (LCR), ont permis d'améliorer le diagnostic du vivant du patient. Nous avons évalué la performance de ces marqueurs, dans le LCR, utilisés pour le diagnostic de la MA dans les formes syndromiques atypiques. L'utilisation de ces marqueurs augmente la précision du diagnostic lors de ces différentes présentations cliniques. De plus, nous avons mis au point un test diagnostic biochimique postmortem des différentes tauopathies permettant de mieux les caractériser en complément de l'examen neuropathologique. Enfin, nous avons conçu et caractérisé des anticorps spécifiquement dirigés contre la protéine tau phosphorylée en position 231. Cet outil nous a permis de développer un test ELISA dans le LCR. Des résultats préliminaires suggéreraient une interaction in vivo entre les protéines tau et Prion. Ces résultats, décrits pour la première fois, sont corrélés à nos observations histologiques.

La phosphorylation constitue un mécanisme de régulation de la fonction biologique des protéines lié au contrôle des associations inter-moléculaires, de l'activité enzymatique ou de la liaison de ligands. L'isomérisation des liaisons Ser/Thr-Pro après phosphorylation par des kinases spécifiques, souvent impliquées dans le contrôle du cycle cellulaire, se présente comme un nouveau mode de régulation. Ces deux mécanismes de signalisation sont étroitement liés par l'intermédiaire d'enzymes catalysant l'isomérisation cis/trans des prolines au niveau de motifs Ser/Thr-Pro phosphorylés telles que les peptidyl-prolyl cis/trans isomérases de la famille de Pin1. Elles jouent un rôle cellulaire essentiel mais leur rôle moléculaire exact est encore mal connu. Les interactions moléculaires entre Pin1 et de nombreuses phospho-protéines mitotiques indiquent un rôle dans la régulation du cycle cellulaire et dans l'oncogénèse, et font de Pin1 une cible pharmacologique émergente dans le traitement des cancers. Récemment, des interactions avec la protéine microtubulaire Tau dans sa forme pathologique hyperphosphorylée, au niveau d'un site unique centré autour du motif Thr231-Pro232, pourraient impliquer Pin1 dans la régulation de la liaison de Tau aux microtubules et dans les phénomènes de neurodégénérescence observés dans la maladie d'Alzheimer.<br /><br />Nous avons ciblé les interactions entre Pin1 et la protéine Tau comme modèle de substrats pour une étude détaillée des mécanismes intervenant à l'échelle moléculaire, sur base de substrats peptidiques, qui permettraient d'expliquer le rôle fonctionnel de Pin1. L'interaction avec les substrats au travers des motifs Ser/Thr-Pro phosphorylés est double : un domaine de liaison WW permet la liaison du substrat et un domaine catalytique PPIase (peptidyl-prolyl isomérase) catalyse l'isomérisation cis/trans des prolines. Un criblage par RMN des différents motifs phospho-Ser/Thr-Pro au sein de la protéine Tau a permis de déterminer un nouveau site d'interaction centré autour du motif Thr212-Pro213, phosphorylé uniquement dans la forme pathologique de Tau. <br /><br />Nous avons étendu l'investigation des interactions avec Pin1 à l'échelle de la protéine Tau entière. Comme pour la plupart des régions protéiques impliquées dans les interactions avec Pin1, la protéine Tau se caractérise par une absence de structure globale qui limite considérablement les études par RMN. Un fragment peptidique de 40 acides aminés comprenant les sites Thr231 et Thr212 phosphorylés a permis de montrer un rôle régulateur du domaine WW dans l'activité enzymatique. Une première étude avec une protéine mutante mimant l'état phosphorylé de Tau a montré une interaction avec le domaine catalytique de Pin1 et a nécessité la mise au point préalable d'une technique d'attribution de la protéine Tau par RMN que nous avons appelé « mapping peptidique ».<br /><br />La phosphorylation du domaine WW de Pin1 est associée à l'inhibition de la liaison des substrats et joue un rôle dans la régulation de l'activité de Pin1 in vivo. La forme non phosphorylée active de Pin1 est retrouvée majoritairement dans les cellules cancéreuses et la forme phosphorylée inactive dans les cellules saines. Nous avons envisagé de cibler les interactions entre Pin1 et les phospho-peptides avec la synthèse de molécules organiques mimant le dipeptide phosphoThr-Pro et la mise en œuvre d'un test de criblage par RMN pour l'obtention d'inhibiteurs ciblant le domaine WW de Pin1 qui pourraient mimer la forme inactive de la protéine.

La maladie d’Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative caractérisée d’un point de vue anatomopathologique par une accumulation extracellulaire de peptides amyloïdes et d’une dégénérescence neurofibrillaire (DNF), résultant de l’agrégation intraneuronale de protéines Tau hyper-et-anormalement phosphorylées. D’autres déterminants sont également associés à la MA dont une neuroinflammation chronique et une insulinorésistance centrale qui contribueraient tous deux au développement des lésions ainsi qu’aux troubles synaptiques et mnésiques associés.La neuroinflammation observée dans la MA est caractérisée par une activation des cellules gliales, une infiltration lymphocytaire ainsi que par la libération de médiateurs inflammatoires solubles dont les chimiokines. Le CCL3 est une chimiokine hautement dérégulée dans le cerveau des patients de MA. Dans notre laboratoire, nous avons montré que dans un modèle de DNF, le CCL3 était le facteur pro-inflammatoire le plus affecté au niveau hippocampique laissant ouverte l’hypothèse d’un rôle dans les dysfonctions mnésiques associées à la pathologie Tau. Pour aborder cette question, nous avons précisément évalué l’impact du CCL3 sur le fonctionnement synaptique hippocampique et sur les fonctions mnésiques. Nos travaux montrent que l’application de CCL3 sur des tranches d’hippocampe entraine une diminution des activités basales ainsi que de la potentialisation à long terme (LTP) sans altérer le fonctionnement présynaptique ni la dépression synaptique à long terme (LTD). Par ailleurs, l’élévation intracérébrale de CCL3 par injections intracérébroventriculaires sub-chroniques affecte également la transmission synaptique basale et la LTP ainsi que la mémoire spatiale à court terme et la mémoire à long terme. La réversion de ces altérations par le Maraviroc permet de conclure que l’effet néfaste du CCL3 est dépendant du récepteur CCR5. Ainsi, ces travaux soulignent l’importance du CCL3 dans la physiopathologie de la MA, notamment en lien avec la DNF.L’insulinorésistance observée dans les cerveaux de patients atteints de la MA est connue pour favoriser le développement des lésions caractéristiques et est suggérée comme participant aux atteintes synaptiques et mnésiques. Cependant les causes de cette insulinorésistance centrale sont peu connues. Quelques études montrent que les oligomères d’A&#946;, le diabète de type II ou même la neuroinflammation sont susceptibles de conduire à une insulinorésistance centrale. Néanmoins, à ce jour aucune relation n'a été établie avec la protéine Tau. La seconde partie de ce travail s’est attachée à étudier le rôle de la protéine Tau dans la régulation de la réponse centrale à l’insuline. Diverses expériences réalisées in vitro et in vivo montrent que la surexpression de la protéine Tau induit une augmentation de la sensibilité neuronale à l’insuline alors que la délétion de Tau aboutit à l’effet inverse. Cette régulation semble être liée à une interaction entre la protéine Tau et PTEN, une phospholipase inhibitrice de la signalisation de l’insuline. L’interaction entre Tau et PTEN réduirait l’activité de cette dernière, favorisant de ce fait l’action de l’insuline au niveau central. Par ailleurs, des données physiologiques indiquent que cette régulation de la signalisation centrale de l’insuline pourrait avoir une répercussion sur la régulation de l’homéostasie énergétique. En ce sens, la délétion de la protéine Tau induit une prise de poids, une hyperinsulinémie et une glucointolérance périphérique. Ces données proposent donc une nouvelle fonction de la protéine Tau dans la signalisation neuronale et le métabolisme. Cette perte de fonction dans la MA pourrait expliquer les mécanismes d’insulinorésistance centrale liés à la DNF.En conclusion, nos données mettent en évidence deux mécanismes liant la pathologie Tau aux atteintes mnésiques, l’un passant par la production de la chimiokine CCL3, l’autre impliquant une résistance neuronale à l’insuline. / Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by extracellular amyloid deposits and intraneuronal neurofibrillary tangles, made of aggregated and abnormally hyperphosphorylated Tau proteins. Other components are also involved in AD pathophysiology, including chronic neuroinflammation and central insulinoresistance that would contribute both to the development of Alzheimer lesions as well as associated synaptic and memory impairments.Neuroinflammation observed in AD is characterized by glial cell activation, lymphocyte infiltration, and the release of soluble inflammatory mediators including chemokines. CCL3 is a highly upregulated chemokine in the brain of AD patients. In our lab, we have shown, in a mouse model of Tau pathology, that hippocampal CCL3 was largely upregulated and, thus, we made the assumptions that such increase could play a key-role in the memory dysfunctions associated with Tau pathology. To address to this question, we precisely evaluated the impact of CCL3 upon hippocampal synaptic activity and memory function. Our data show that CCL3 application on hippocampal slices induces a significant decrease of basal synaptic activity and long term potentiation (LTP) impairment without affecting presynaptic activity and long term depression (LTD). Further, intracerebral elevation of CCL3 by sub-chronical intracerebroventricular injections was also found to impact hippocampal basal synaptic activity and LTP but also short term spatial memory and long term memory. Reversion of these alterations by Maraviroc finally suggests that CCL3 deleterious effects are CCR5 dependent. Overall, these studies show the important role of CCL3 towards plasticity and memory as well as in AD physiopathology.Besides chronic inflammation, insulinoresistance observed in AD brain is suggested to favor the development of amyloid and Tau lesions but also to participate to synaptic impairments underlying memory loss. However, origins of the brain insulinoresistance described in AD are unclear. Previous studies ascribed central insulin-resistance to Aβ oligomers, type II diabetes or even neuroinflammation. So far, no relationship has been established with Tau protein. The aim of the second part of the present thesis was evaluate the potential role of Tau protein towards the regulation of central insulin sensitivity. Various experiments performed in vitro and in vivo show that Tau favors the neuronal response to insulin, whereas Tau deletion favors insulin-resistance. This regulation seems to be related to an interaction between Tau and PTEN, a phospholipase inhibiting insulin signaling, which results in a reduced PTEN activity, itself favoring insulin pathway activation. Regulation of brain insulin signaling is known to modulate energy homeostasis, food intake and weight gain. In line with the idea that Tau protein modulates insulin signaling, we found that Tau deletion induces weight gain, hyperinsulinemia and glucointolerance. Together, these data provide a new function for Tau in the control of neuronal signaling and peripheral metabolism. These data also highlight that the loss of Tau function in AD might explain at last in part the central insulinoresistance described as “type 3 diabetes”.In conclusion, our data highlight two mechanisms linking Tau pathology and memory deficits, one through the detrimental effect of the chemokine CCL3 and the other involving neuronal insulin resistance.