L'objectif principal du présent mémoire était d'étudier les interactions cellulaires de la moelle épinière dans un environnement tridimensionnel à l'aide du génie tissulaire. Pour cela, nous avons développé un tissu reconstruit par la technique d'autoassemblage adapté à l'étude du système nerveux central. Ensuite, nous avons caractérisé le comportement des neurones moteurs sains dans ce tissu reconstruit afin de l'utiliser ultérieurement pour modéliser les maladies neurodegeneratives, dont la sclérose latérale amyotrophique. Différentes combinaisons de neurones moteurs, d'astrocytes et de microglies ont été ensemencés sur un feuillet de fibroblastes. L'évaluation de la survie des neurones moteurs, de l'élongation et de la maturation des neurites ont été assurées par immunofluorescence à l'aide d'anticorps dirigés contre le neurofilament M et le neurofilament H. Pour ce qui est des cellules gliales, les astrocytes et les microglies ont été respectivement marqués à l'aide d'anticorps dirigés contre la protéine gliale fibrillaire acide (GFAP) et contre l'intégrine alpha-M. Après 14 jours de coculture, la présence des cellules gliales, principalement celle des microglies, améliore grandement la migration axonale. De plus, les astrocytes ont formé un réseau tridimensionnel dans le tissu. Cette situation est retrouvée dans l'environnement in vivo de la moelle épinière. Nous avons donc développé, par génie tissulaire, un modèle tridimensionnel de la moelle épinière permettant d'en étudier les interactions cellulaires.

La mauvaise localisation cytoplasmique et l'agrégation de la TDP-43, communément appelée pathologie TDP-43, est une caractéristique de nombreuses maladies neurodégénératives, notamment la SLA (sclérose latérale amyotrophique), la démence frontotemporale (FTD). La TDP-43 est une protéine de liaison ADN / ARN située principalement dans le noyau des cellules et contribue au métabolisme de l'ARN, à la condensation de la chromatine et à la régulation de la traduction. Il a été démontré que l'augmentation de la TDP-43 cytoplasmique dans la SLA / FTD supprime la traduction globale en se liant avec RACK1 sur le polyribosome. Cependant, l'impact de la pathologie du TDP-43 sur le profil de traduction neuronal cérébral in vivo reste inconnu. De nombreux groupes ont généré diverses souris transgéniques exprimant des mutations TDP-43 et ont montré des changements pathologiques rappelant la SLA humaine et la FTD chez ces souris. Auparavant, il a été rapporté que dans les cas de SLA, le TDP-43 se lie à la sous-unité p65 NF-κB et améliore son activité de signalisation dans le système nerveux central (SNC). En outre, un extrait de racine de plante médicinale appelée Withania somnifera et son actif withanolide Withaferin-A (WFA), un puissant inhibiteur de NF-ĸB, a réduit l'inflammation et montré des effets bénéfiques lorsqu'il est administré dans des modèles de souris ALS/FTD. Une étude a montré que le traitement WFA protégeait les neurones dopaminergiques et la fonction motrice chez les rats vieillissants. Il a été rapporté que WFA perturbe la réorganisation du modulateur essentiel NF-ĸB (NEMO) en modifiant de manière covalente la cystéine-397, et par conséquent endommage la signalisation IKKß. Dans la présente étude, nous avons testé le potentiel thérapeutique de deux inhibiteurs de NF-ĸB WFA et un nouvel analogue semi-synthétique de WFA nommé IMS-088 en utilisant des modèles de souris transgéniques pour FTD / ALS exprimant hTDP-43 mutants. En outre, nous avons également cherché à identifier le profil de traduction de l'ARN neuronal sous-jacent aux changements associés à la maladie dans la FTD / SLA. Le traitement de ces inhibiteurs de NF-ĸB à des souris mutantes exprimant hTDP-43 a amélioré les déficits cognitifs, réduit l'activité de NF-ĸB, réduit les agrégats cytoplasmiques de TDP-43 et augmenté les niveaux de marqueurs d'autophagie. En utilisant la spectrométrie de masse de peptides nouvellement synthétisés de ribosomes, nous avons également étudié l'impact du traitement IMS-088 sur le profil de traduction neuronal à l'aide d'un double RiboTag transgénique; souris hTDP-43A315T. Nous avons identifié et rapporté pour la première fois que la protéinopathie TDP-43 provoque une désorganisation neuronale du cytosquelette, y compris la répression traductionnelle des ARNm des neurofilaments. En outre, notre étude a révélé que l'induction de l'autophagie réduit la pathologie TDP-43 et améliore le défaut de traduction observé chez les souris modèles de la SLA / FTD. En se basant sur ces résultats, nous suggérons que ces inhibiteurs de NF-ĸB sont considérés comme des traitements potentiels pour les troubles neurodégénératifs avec protéinopathies TDP-43. / Cytoplasmic mis localisation and aggregation of TDP-43, commonly known as TDP-43 pathology is a characteristic hallmark of many neurodegenerative diseases including Amyotrophic lateral Sclerosis and Frontotemporal Dementia (FTD). TDP-43 is a DNA/RNA binding protein majorly located in the nucleus of the cells and plays a crucial role in RNA metabolism, chromatin condensation and translational regulation. Increased cytoplasmic TDP-43 in ALS/FTD has been shown to suppress global translation by binding with RACK1 on polyribosome. However, the impact of TDP-43 pathology on brain neuronal translational profile in vivo remains unknown. Many groups have generated various transgenic mice expressing TDP-43 mutations and showed pathological changes reminiscent of human ALS and FTD in these mice. Previously, it was reported that in ALS cases, TDP-43 binds with p65 NF-κB subunit and enhance its signalling activity in the central nervous system (CNS). Further, a root extract of herbal medicinal plant named Withania somnifera and its active withanolide Withaferin-A (WFA), a potent NF-ĸB inhibitors has reduced inflammation and shown beneficial effects when administered in ALS/FTD mouse models. A study has shown that WFA treatment protected the dopaminergic neurons and motor function in aging rats. WFA has been reported to disrupt the NF-κB essential modulator (NEMO) reorganization by covalently modifying Cysteine-397, and as a result damages IKKβ signalling. In the present thesis, we have tested the therapeutic potential of two NF-ĸB inhibitors WFA and a novel semisynthetic analog of WFA named IMS-088 using transgenic mouse models of FTD/ALS expressing hTDP-43 mutants. In addition, we also aimed to identify neuronal RNA translational profile underlying disease associated changes in FTD/ALS. Treatment of mutant hTDP-43 expressing mice with these NF-ĸB inhibitors ameliorated cognitive deficits, reduced NF-ĸB activity, reduced cytoplasmic TDP-43 aggregates and enhanced levels of autophagy markers. Using mass spectrometry of newly synthesized peptides of ribosomes, we also studied the impact of IMS-088 treatment on neuronal translational profile using a double transgenic RiboTag;hTDP-43ᴬ³¹⁵ᵀ mice. We identified and report for the first time that TDP-43 proteinopathy causes neuronal cytoskeletal disorganization including translational repression of neurofilament mRNAs. Further, our study revealed that induction of autophagy reduces TDP-43 pathology and improves the translational defect seen in mice models of ALS/FTD. Based on these finding, we suggest that these NF-ĸB inhibitors should be considered as potential therapeutics for neurodegenerative disorders with TDP-43 proteinopathies.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative hétérogène, incurable et sans traitement efficace qui se caractérise principalement par une dégénérescence sélective des neurones moteurs de la moelle épinière et du cerveau. Cette maladie se présente généralement par une faiblesse musculaire progressive, une hypertonie spastique, de la dysphagie, l’apparition de fasciculations, une paralysie presque totale et le décès de 3 à 5 ans après l’apparition des premiers symptômes. La SLA se présente sous deux formes distinctes : la SLA de type familial (SLAF) et la SLA de type sporadique (SLAS). La SLAF est associée à des mutations génétiques précises et est transmise de façon autosomale dominante dans la très grande majorité des cas. Quant à la SLAS, elle se distingue par son côté sporadique, sans cause génétique associée, et représente de 90 à 95 % de tous les cas de SLA. La peau est considérée par certains comme le plus grand organe du corps humain. Elle joue un rôle important dans la thermorégulation ainsi que dans la synthèse de la vitamine D et agit comme barrière naturelle contre l’environnement. Ses couches principales, l’épiderme et le derme, sont principalement et respectivement formées de kératinocytes et de fibroblastes. Le concept du « non-cell autonomous toxicity » stipule qu’une cellule ne présentant pas de mutation associée à une maladie donnée peut présenter un phénotype pathologique. Dans l’étude de la SLA, ce concept s’applique tant aux cellules neuronales qu’aux cellules non neuronales, comme les cellules endothéliales ou les fibroblastes de peau. Hors du système nerveux central, les fibroblastes de peau pourraient représenter une source importante et non invasive d’échantillons biologiques pour l’étude de la SLA. Les exosomes sont des vésicules extracellulaires de 30 à 200 nm de diamètre. Ils sont sécrétés par tous les types cellulaires et représentent un moyen de communication cellulaire important grâce au transport de diverses molécules, dont des protéines et de l’ARN. Ces vésicules représentent une potentielle source de biomarqueur pour l’étude de diverses maladies neurodégénératives, dont la SLA. Dans le cadre du projet de recherche présenté dans cette thèse, les travaux réalisés ont permis de démontrer que l’utilisation de cellules de peau, dont des fibroblastes et des kératinocytes de patients atteints de SLA, permet d’étudier certains aspects de la pathologie de la maladie. En effet, l’utilisation d’un protocole de production de peau reconstruite en laboratoire par génie tissulaire à partir de cellules de patients atteints de SLA a permis de détecter différentes anomalies de la matrice extracellulaire en plus d’une délocalisation de la protéine TDP-43, précédemment détectée uniquement dans le système nerveux central de patients atteints de SLA. Les fibroblastes de peau ont aussi été démontrés comme étant une source d’intérêt pour la découverte de biomarqueurs associés à la maladie. Le sécrétome - le matériel biologique sécrété par une cellule – provenant des fibroblastes peut être purifié à l’aide d’une technique de précipitation protéique qui permet d’obtenir un culot pur, exempt d’impuretés et de sels provenant du milieu de culture. Parmi les éléments identifiés chez les protéines, les exosomes ont été démontrés d’intérêt et importants dans leur culture. En effet, lorsque cultivés en trois dimensions, les exosomes dérivés de fibroblastes de peau 3D contiennent différentes molécules augmentant la prolifération ainsi que la migration cellulaire. De plus, ces vésicules extracellulaires contiennent une grande quantité de protéines de la matrice extracellulaire, démontrant leur importance dans la sécrétion et l’assemblage de celle-ci en culture 3D. Ces exosomes ont de plus la capacité d’améliorer le processus de guérison de plaies dans un modèle de peau reconstruite en laboratoire formé de fibroblastes et de kératinocytes. Finalement, la protéine SOD1, associée au développement de certains types de SLA familiale, a pu être démontrée comme étant un biomarqueur neuropathologique possible de la SLA sporadique. Au même titre que des patients présentant une mutation du gène SOD1, des patients atteints de SLA sporadique présentent certains aspects pathologiques associés à la maladie, dont la présence d’agrégats cytoplasmiques de la protéine mal repliée dans les neurones moteurs du système nerveux central. Globalement, mes travaux démontrent que les cellules de peau représentent un échantillon biologique important dans l’étude de la SLA et qu’elles pourraient constituer un outil novateur dans la découverte de nouveaux biomarqueurs de la maladie. Les exosomes sécrétés par les fibroblastes de peau en culture 3D ont été démontrés comme étant importants dans la prolifération, la migration cellulaire et la sécrétion de protéines de la matrice extracellulaire. Ces vésicules présentent un potentiel énorme dans la découverte de biomarqueurs associés à la maladie. La présence d’agrégats cytoplasmiques de la protéine SOD1 dans les neurones moteurs du système nerveux central de patients atteints de SLA sporadique permet de croire que cette protéine pourrait devenir un biomarqueur important dans le diagnostic de la maladie. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a heterogenous neurodegenerative disease. Presently, it is an incurable disease without any effective treatment and is characterised by selective degeneration of motor neurons in the central nervous system. The symptoms that most patients display include cramps, weakness and muscle atrophy of the hands and feet progressing to the forearms, shoulders and legs, eventually leading to complete paralysis. Nearly 90% of all ALS cases are sporadic, with no known cause. The other 10% of cases represent familial ALS and are associated to ALS-linked genes, such as SOD1, FUS/TLS, TARDBP, and C9ORF72. The skin is considered by some to be the biggest organ of the human body. It plays an important role in thermoregulation as well as vitamin D synthesis. Skin also acts as a natural barrier against environmental threats. It is comprised of the epidermis and the dermis, which are made of keratinocytes and fibroblasts, among other things. The non-cell autonomous toxicity paradigm in ALS has been well established. Outside of the central nervous system, skin fibroblasts could potentially be an important source of biomarkers. The work presented in this thesis demonstrates that skin cells, such as fibroblasts and keratinocytes, derived from ALS patients, allow for the study of different pathological aspects of the disease. The use of a tissue-engineered skin from ALS patients skin cells allows for detection and observation of extracellular matrix structure abnormalities, as well as mislocalization of TDP-43, previously only detected in the motor neurons of patients. Results from experiments associated with this study shed more light on skin fibroblasts, which appear to be a potential source of novel biomarkers. Their secretome can be purified using an optimized protocol leading to pure proteins without salt contamination coming from the cell culture media. As a result, exosomes are of great interest for the discovery of novel biomarkers for the diagnosis of ALS, for following its progression, and for the culture of fibroblast cells. When cultivated in a 3D-fashion, the secreted exosomes contain molecules enhancing cell proliferation and migration, as well as high amounts of extracellular matrix proteins. These extracellular vesicles also help to enhance wound healing in a tissue-engineered model made of skin fibroblasts and keratinocytes. Finally, the SOD1 protein, which is associated with the development of some familial ALS cases, should be considered a potential neuropathological biomarker of sporadic ALS. Cytoplasmic aggregates of the misfolded protein were detected in the motor neurons of sporadic patients, alongside familial ALS patients who were carriers of an SOD1 mutation. Overall, this work shows that skin cells represent an important and minimally invasive biological sample in the study of ALS. These cells are also of interest in the discovery of novel ALS biomarkers. Exosomes secreted by skin fibroblast cells in a 3D culture are important in cell proliferation and migration. They play a crucial role in extracellular matrix protein secretion. The results of this study show that exosomes, proven to be secreted by dermal fibrobasts when cultivated in a 3D fashion, may become as a primary source of biomarkers in ALS. Cytoplasmic aggregates of misfolded SOD1 in motor neurons of sporadic ALS patients could lead to the development of diagnostic tests with SOD1.

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une affection neurodégénérative touchant les motoneurones, habituellement mortelle en 3 à 5 ans. La cause de la maladie n'est pas connue et le seul traitement actuellement disponible ne permet qu'un allongement modeste de la survie. Des altérations fonctionnelles de la jonction neuromusculaire (JNM) ont été rapportées dans la SLA mais leur origine physiopathologique n'est pas connue. Nous avons étudié les JNM chez 11 patients atteints de SLA, en associant étude morphologique en microscopie confocale et analyse ultrastructurale. L'analyse fonctionnelle réalisée en EMG de surface retrouvait une anomalie de transmission neuromusculaire (décrément > 10%) chez 45% des patients. Des altérations morphologiques des JNM étaient visibles chez tous les patients, y compris au stade précoce de la maladie. Associé aux anomalies en rapport avec le phénomène de dénervation, nous avons observé un aspect anormal de spiculation de la gouttière primaire dans environ un tiers des cas. Une interposition marquée de la cellule de Schwann terminale entre la terminaison nerveuse et la membrane postsynaptique, pouvant altérer la transmission synaptique, était parfois visible. Nous avons objectivé une réinnervation compensatrice significativement plus importante chez les patients présentant une SLA d'évolution lente et montré que certains facteurs moléculaires musculaires comme l'histone déacétylase 4 pourraient jouer un rôle crucial dans la capacité de réinnervation. Ce travail a mis en évidence des altérations morphologiques majeures au niveau des JNM des patients atteints de SLA et a permis d'identifier des cibles thérapeutiques potentielles. / Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder affecting motor neurons, usually leading to death in 3 to 5 years. The only treatment currently available, riluzole, has a modest effect on survival. Functional alterations of the neuromuscular junction (NMJ) have been reported in ALS, but their pathophysiological significance remains unknown. We studied the morphology of neuromuscular junctions in muscle samples collected from 11 ALS patients, using confocal and electron microscopy. Functional analysis of the NMJs was performed using surface-recording of compound motor action potentials after repetitive nerve stimulation at slow stimulus rate. A significant decrement (>10%), suggesting impairment of the neuromuscular transmission, was present in 45% of the patients. Morphological alterations of the NMJs were present in all ALS patients even at the early-stages. Beside denervation-induced morphological changes, one third of the NMJs showed abnormal spike-like areas of the outer edge of the postsynaptic primary gutter. A marked interposition of the terminal Schwann cell between the nerve terminal and the postsynaptic membrane, which was likely to alter synaptic transmission, was sometimes present. We found a significantly greater compensatory reinnervation in muscle from patients with slowly progressive ALS. Furthermore, we identified that the muscle molecular factor histone deacetylase 4 could play a key role in muscle reinnervation and disease progression in patients with ALS. This work has highlighted the presence of major morphological changes at the NMJs of ALS patients and identified potential new targets for future treatment.

Les motoneurones spinaux occupent la place centrale du système moteur. Ils intègrent l’ensemble des informations provenant de système nerveux central et périphérique pour élaborer une commande motrice finale adaptée aux demandes de l’organisme et aux contraintes de l’environnement. En particulier, le seuil de recrutement et la fréquence de décharge des motoneurones sont des paramètres déterminants dans l’élaboration d’un signal approprié à l’intensité de l’effort requis. Il permet de définir l’ordre dans lequel les unités motrices sont recrutées au cours d’une activité physique : des unités motrices de type lent (S) pour le maintien de la posture, aux unités motrices de type rapide pour les efforts d’intensité modérée (FR) et de forte intensité (FF). Cette étude met en évidence l’existence d’un nouvel acteur mis en jeu dans la régulation de l’excitabilité motoneuronale. Il s’agit du canal chlorure activé par le calcium TMEM16F exprimé spécifiquement dans les motoneurones α au niveau des synapses cholinergiques appelées « bouton C ». A l’instar du rôle des boutons C, TMEM16F est nécessaire pour l’exécution d’un effort de forte intensité. En effet, en adéquation avec les enregistrements électrophysiologiques montrant une élévation du seuil de recrutement des motoneurones rapides TMEM16F-/-, la perte de TMEM16F induit des défauts moteurs à l’effort.La sclérose latérale amyotrophique (SLA), est une maladie neurodégénérative conduisant à la mort sélective des motoneurones. Parmi les processus pathologiques décrits, nous savons que l’excitabilité motoneuronale et l’homéostasie calcique constituent des éléments majeurs de la progression de la SLA. Ce sont des facteurs de vulnérabilité qui participent à la dégénérescence séquentielle des motoneurones FF et suivie des motoneurones FR. Étant donné la sensibilité de TMEM16F au calcium et son implication dans la régulation de l’excitabilité motoneuronale, nous avons inhibé l’expression de ce canal dans un modèle murin de SLA SOD1G93A et réalisé une étude longitudinale. Celle-ci met en évidence un effet protecteur de la délétion de TMEM16F qui est dépendant du genre. / Spinal motoneurons have a prominent place in motor system. Motoneurons integrate all inputs from the central and peripheral nervous systems to construct a motor output adapted to the organism's demands and environmental constraints. In particular, recruitment threshold and firing frequency are key motoneuronal parameters in developing an appropriate signal regarding task-dependent demands. During muscle activity, motor units are orderly recruited beginning with slow-type (S) motor units for posture maintenance, followed by fast-type motor units for moderate intensity tasks (FR) and high intensity tasks (FF). Our study highlights a new factor involved in the regulation of motoneuron excitability. This refers to a calcium-activated chloride channel called TMEM16F, specifically expressed in α motoneurons at cholinergic C-bouton synapse. Likewise C-boutons, TMEM16F is required for the procution of high intensity effort. Indeed, in accordance with electrophysiological recordings showing an increase in recruitment threshold of fast TMEM16F-/- motoneurons, TMEM16F loss of function induces motor defects during an effort.Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease leading to the selective death of motoneurons. Among the pathological processes already described, we know that motoneuronal excitability and calcium homeostasis are major features in ALS progression. Those are vulnerability factors which contribute to sequential degeneration starting with FF motoneurons and followed by FR motoneurons. Given the TMEM16F sensitivity to calcium and its involvement in regulating motoneuron excitability, we inhibited its expression in a SOD1G93A mouse model of ALS and conducted a longitudinal study. It highlights a gender-dependent protective effect of TMEM16F loss.

Les dégénérescences lobaires fronto-temporale (DLFT) sont des démences neurodégénératives rares. 30-50% des DLFT a une cause génétique, la plupart sont des mutations des gènes C9orf72 et progranuline (GRN). L'objectif de la thèse a été d'élargir le spectre mutationnel et phénotypique des mutations GRN. Nous avons identifié les premières délétions partielles du gène GRN chez des patients avec progranulinémie baisse (la progranulinémie est abaissée en cas de mutation), mais sans mutation détectée par séquençage. Nous avons contribué à élargir le spectre clinique de la maladie en décrivant un phénotype d'atrophie corticale postérieure et des lésions de la substance blanche cérébrale chez des patients GRN, caractéristique évocatrice de cette forme génétique. Enfin, nous avons étudié la phase présymptomatique de la maladie, alors que se développent les premiers essais thérapeutiques, par une approche longitudinale avec IRM et TEP-FDG. Le métabolisme cérébral est réduit dans le lobe temporal latéral gauche 20 ans avant l'apparition des symptômes et, après 20 mois, dans les régions frontales et l'épaisseur corticale dans les régions temporales gauche. Le lobe temporal latéral pourrait être donc l'"épicentre " de la maladie, et le processus lésionnel pourrait, secondairement, progresser vers les régions frontales. J'ai également contribué à définir les phénotypes associés aux mutations de gènes plus rares de DLFT/DLFT-SLA. TARDBP est associé à un large spectre phénotypique; TBK1 est caractérisé par une démence sémantique ou aphasie non fluent associés à l'atteinte de la corne antérieure. Cette étude importante souligne le rôle de ces mutations dans le spectre clinique des DLFT. / Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) are rare neurodegenerative dementias. 30-50% of FTLD has a genetic cause, most are mutations in C9orf72 and in progranulin gene (GRN). The aim of the thesis was to expand the mutational and phenotypic spectrum of GRN mutations. We identified the first partial deletions of GRN gene in patients with low plasmatic progranulin (the plasmatic progranulin is low in case of mutation), but without mutation detected by sequencing. We contributed to expand the clinical spectrum of the disease by describing a posterior cortical atrophy phenotype and lesions of the cerebral white matter in GRN patients, evocative feature of this genetic form. Finally, we studied the presymptomatic stage of the disease, while the first clinical trials develop, for a longitudinal approach with MRI and FDG-PET. The cerebral metabolism is reduced in the left temporal lobe 20 years before clinical onset and, after 20 months, the metabolism is reduced in the frontal regions and the cortical thickness in the left temporal regions. The lateral temporal lobe could thus be the "epicenter" of the disease, and the lesional process could secondarily progress towards the frontal regions. I also contributed to define the phenotypes associated with rare gene mutations in FTLD/FTLD-ALS. TARDBP is associated with a wide phenotypic spectrum; TBK1 is characterized by semantic dementia or not fluent aphasia associated with involvement of the anterior horn. This important study highlights the role of these mutations in the clinical spectrum of FTLD.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative d’évolution toujours fatale. Dans les formes sporadiques (SLAS), l’étiologie demeure inconnue et l’hypothèse d’une participation génétique dans le cadre d’un modèle de maladie complexe est envisagée. Notre travail porte sur deux gènes de susceptibilité dans la SLAS : le gène de l’Apolipoprotéine E (APOE) et le gène impliqué dans l’hémochromatose familiale de type 1 (HFE). Notre première étude confirme sur une population de 1482 patients atteints de SLA sporadique le lien entre allèle ε4 et la forme bulbaire de la maladie mais uniquement chez les hommes. Nous proposons une explication physiopathologique faisant intervenir le récepteur aux androgènes, particulièrement exprimé au niveau des motoneurones bulbaires. Notre deuxième étude sur 244 patients et 302 contrôles ne retrouve pas l’association entre le polymorphisme H63D et le risque de SLA sporadique notée dans d’autres populations. En revanche, l’allèle Y du polymorphisme C282Y semble exercer un effet protecteur vis-à-vis de la SLA. Ces données sont discutées dans le contexte de l’hypothèse physiopathologique du stress oxydant. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease. The cause of sporadic cases (SALS) remains unknown but a genetic participation in a model of complex disease is suspected. Our work concerns two susceptibility genes for SALS: Apolipoprotein E gene (APOE) and the gene involved in familial hemochromatosis (HFE). Our first study including 1482 patients with SALS confirms a link between ε4 allele and bulbar-onset of the disease, only in men. We suggest a pathophysiological explanation with a role for the androgen receptor which is particularly abundant in motor neurons of the brainstem. Our second study about 244 patients and 302 controls did not find any association between the H63D polymorphism and SLAS, which has previously been showed. However, the Y allele of the C282Y polymorphism seems to exert a protective effect against SALS. We discuss these data within the pathophysiological hypothesis of oxidative stress in ALS.

Caractérisé par le déclin progressif et irréversible des fonctions biologiques vitales, le vieillissement est un processus biologique complexe qui s’accompagne souvent par l’apparition de maladies neurodégénératives. D’ici 2050, plus de 1.5 milliards de personnes dans le monde seront définies comme vieillissantes. L'amélioration de la qualité de vie des personnes âgées constitue donc un enjeu majeur pour notre société. Encore mal connue, la dégradation progressive du métallome est associée au vieillissement et à l’apparition de maladies neurodégénératives et en est probablement l’une des causes. L’objectif de cette étude est de mieux caractériser l'évolution du métallome chez deux modèles animaux au cours du temps i.e. la souris et le vers ainsi que chez l’humain atteint de sclérose latérale amyotrophique (SLA). Pour ce faire, nous avons analysé une vingtaine d'éléments traces et majeurs ainsi que les compositions isotopiques du cuivre (δ65Cu) et du zinc (δ66Zn) d’organes de souris, de différentes souches de nématodes, et de liquides céphalo-rachidiens (LCRs) humains. L’analyse des organes de souris montre que d’importants dérèglements chimiques et isotopiques se développent dans l’organisme avec l’âge, chaque organe ayant sa propre signature élémentaire et isotopique. On observe par exemple une hausse de la concentration en Cu dans le cerveau associée à une diminution de δ65Cu dans le foie au cours du vieillissement. Grâce à l’analyse métabolomique et à l’utilisation de mélanges isotopiques, nous montrons que ces variations pourraient s’expliquer par des dysfonctionnements physiologiques et métaboliques majeurs comme des dérèglements de flux hépatique et/ou la dégradation de la barrière hémato-encéphalique avec l’âge. Cela suggère que l’analyse temporelle du métallome pourrait être un marqueur de l’âge biologique. L’analyse de nématodes a révélée qu’un animal génétiquement modifié pour vivre plus longtemps se distinguait des autres nématodes à plus courte durée de vie par une baisse de sa concentration et de sa composition isotopique en Cu dès son plus jeune âge. Le suivi temporel de ces biomarqueurs devrait permettre de détecter un vieillissement précoce. Finalement, l’analyse de LCRs de patients atteints de SLA, une maladie neurodégénérative sévère pour laquelle il n’existe aucun biomarqueur ni traitement, montre qu’une personne atteinte de SLA se distingue de sujets sains et de patients touchés par la maladie d’Alzheimer par des compositions isotopiques en Cu plus positives. Cette spécificité, laissant entrevoir de nouvelles perspectives concernant l’identification de biomarqueurs spécifiques de la SLA, pourrait s'expliquer par la formation d’agrégats protéiques toxiques dans le cerveau. / Characterized by the progressive and irreversible decline of vital biological functions, ageing is a complex biological process that often comes with neurodegenerative disorders. In 2050, more than 1.5 billion elderly are expected in the world. Improve the quality of life of these ageing people is therefore a major challenge for our society. Still poorly known, the progressive degradation of the metallome is asscociated with ageing and neurodegenerative diseases development and is probably one of their causes. The objective of this study is to better characterize the metallome evolution in two animal models over time i.e. the mouse and the worm as well as in human affected by amyotrophic lateral sclerosis (ALS). To do this, we analyzed twenty trace and major elements as well as the isotopic compositions of copper (δ65Cu) and zinc (δ66Zn) of mouse organs, different strains of nematodes, and human cerebrospinal fluid (CSFs).The analysis of mouse organs shows that important chemical and isotopic changes develop in the body over time, each organ having its own elemental and isotopic signature. For example, we observe an increase of the Cu concentration in the brain associated with a decrease of the δ65Cu in the liver over time. Based on the analysis of metabolomic parameters and the use of isotopic mixings, we show that these variations may be explained by major physiological and metabolic dysfunctions, such as the deregulation of hepatic fluxes and/or the degradation of the blood-brain barrier with age. This suggests that the temporal analysis of the metallome could be used as a potential marker of the biological age.The analysis of nematodes revealed that long-lived animals differ from short-lived nematodes by an early-age decrease in their Cu isotopic composition and Cu concentration. The temporal monitoring of these biomarkers could therefore be used to detect premature ageing conditions.Finally, the analysis of CSFs of patients with amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a severe neurodegenerative disease for which there is currently no reliable biomarker or treatment, shows that ALS patients have a higher δ65Cu compared to healthy subjects and Alzheimer’s disease patients. This feature, offering new perspectives to identify ALS-specific biomarkers, may be explained by the formation of toxic protein aggregates in the brain.

Les patients SLA et les souris modèles présentent un dysfonctionnement métabolique qui coïncide avec le changement de concentration de différentes espèces lipidiques. Notre hypothèse est qu’un tel dysfonctionnement métabolique au niveau musculaire conduirait aux premiers changements observés dans la SLA. Nous avons montré que l’expression de la stéaroyl-coenzyme A désaturase 1 (SCD1), une enzyme clé de la synthèse des acides gras mono-insaturés à partir des acides gras saturés, est diminuée dans le muscle avant les premiers symptômes moteurs observés chez les souris modèles de SLA. Dans ce modèle murin, les altérations en acides gras au niveau circulant et hépatique, traduisant les changements de SCD1,apparaissent lors des premiers symptômes de la pathologie. De plus, l’inhibition pharmacologique de l’activité de SCD1 mime le phénotype métabolique des souris modèles de SLA. Notre étude a ainsi montré que la diminution de la SCD1 joue un rôle important pour l’activité neuromusculaire. Elle module les besoins énergétiques, maintien l’activité musculaire par augmentation du métabolisme oxydatif et agit sur l’expression de gènes impliqués dans le développement et le fonctionnement de la jonction neuromusculaire. De plus, l’ablation du gène SCD1 stimule la récupération fonctionnelle musculaire après lésion du nerf. L’inhibition pharmacologique de SCD1 apporte également une protection au muscle. Nous avons pu conclure de cette étude qu’une modification de l’expression de SCD1 ainsi que du profil d’acides gras peut apporter une protection au muscle pour lutter contre la pathologie. En outre, des inhibiteurs de l’activité enzymatique de la SCD1 pourraient être développés comme traitement thérapeutique dans la SLA. / ALS patients and mouse model manifest metabolic dysfunctions that coincide with the modified levels of various lipid species. We postulated that metabolic dysfunctions in muscles function as a leading preliminary change in ALS. We have noted that the expression of stearoyl-CoA desaturase 1 (SCD1), a key enzyme that synthesises monounsaturated fatty acids (MUFAs) from saturated fatty acids (SFAs), is diminished even at pre-symptomatic stage in the muscles of an ALS mouse model. In these mice, alterations in circulating and hepatic fatty acid composition, resulting from SCD1 modification, arise at a critical stage of disease onset. Of note, inhibition of SCD1 enzymatic activity by a specific pharmacological agent mimics the metabolicphenotype of the ALS mouse model. Our study also elucidates that the lack of SCD1 plays a vital role in neuromuscular function. It modulates energy supply, and maintains muscle activity by increasing oxidative metabolism and the expression of genes involved in neuromuscular junction development and function. In addition, ablation of SCD1 gene stimulates functional recovery of muscles after a nerve lesion. Pharmacological SCD1 inhibition also provides a protection to muscle function. We conclude that alteration in SCD1 expression and related altered fatty acid profile may protect muscles against pathology. Therefore, SCD1 inhibitors can be developed as a therapeutic intervention.

La sclérose latérale amyotrophique est une maladie neurodégénérative associée à un dysfonctionnement métabolique. Des altérations du métabolisme des lipides, décrites chez les patients SLA et les animaux modèles, pourraient participer à la mise en place des premières étapes de la maladie. L’objectif de cette thèse était d’étudier le rôle de la stéaroyl-coenzyme A désaturase 1 (SCD1), une enzyme clé du métabolisme des lipides, dans la SLA. En étudiant le profil d’acides gras périphériques dans un modèle de souris SLA, les souris SOD1m, nous avons vu une diminution de l’activité de la SCD1 dès les stades précoces (subcliniques) de la maladie. Cette diminution pourrait expliquer, à elle seule, les altérations du métabolisme des lipides caractéristiques de la SLA. La répercussion de la perte de l’activité de la SCD1 sur l’axe moteur a été étudiée. Une délétion du gène ou une inhibition pharmacologique de la SCD1 améliore la récupération fonctionnelle après lésion du nerf sciatique chez la souris sauvage. Nous avons cherché à voir si la perte d’activité de la SCD1 trouvée chez les souris SOD1m est un mécanisme de protection mis en place pour lutter contre l’évolution de la SLA. Nous avons traité des souris SOD1m avec un inhibiteur de l’activité de la SCD1. Le traitement a conduit à une augmentation du métabolisme oxydatif, une préservation de l’intégrité neuromusculaire ainsi qu’une amélioration de la survie des motoneurones. Nousconcluons que l’inhibition de la SCD1 représente une cible thérapeutique prometteuse dans la SLA. / Amyotrophic lateral sclerosis is a neurodegenerative disease, associated with metabolic dysfunction. Alteration of lipid metabolism has been documented in ALS patients and animal models, and could participate to the first pathological steps of the disease. The objective of this thesis was to study the role of stearoyl-CoA desaturase 1 (SCD1), a key enzyme of lipid metabolism, in ALS. By studying the profile of peripheral fatty acids in an animal model of ALS, the SOD1 mice, we found that SCD1 activity was strongly reduced at early (sub-clinical) disease stage, and that this reduction could explain in itself the alteration of lipid metabolism characteristic of ALS. The impact of loss of SCD1 activity for the motor axis was then studied. Genetic deletion or pharmacological inhibition of SCD1 enhanced functional recovery after sciatic nerve injury in mice. Wefurther explored if the loss of SCD1 activity found in SOD1 mice is a protective mechanism elicited in response to ALS. We treated SOD1 mice with an inhibitor of SCD1 activity. The treatment resulted in exacerbated muscular oxidative metabolism,preservation of neuromuscular integrity and enhanced motor neuron survival. We conclude that inhibition of SCD1 represents a promising therapeutic target for ALS.