Titre de l'écran-titre (visionné le 5 juin 2023) / Au cours des dernières décennies, la prévalence des maladies neurodégénératives, dont la sclérose latérale amyotrophique (SLA), a augmenté au point d'être considérées comme des maladies épidémiques ayant un énorme impact socio-économique. La SLA est une maladie mortelle des motoneurones caractérisée par la dégénérescence des motoneurones supérieurs et inférieurs. Après des années de recherche, les mécanismes pathologiques demeurent peu clairs. À ce jour, il n'existe aucun traitement efficace pour prévenir, guérir ou arrêter la progression de la maladie. La neuroinflammation et l'activation chronique des cellules microgliales sont l'une des principales caractéristiques de la pathologie de la SLA. Alors que le profil moléculaire de la microglie associée à la maladie (DAM) a été bien caractérisé au niveau de l'ARN, le profil protéomique de la maladie n'est pas bien élucidé. Dans le chapitre 2 de cette thèse, nous avons réalisé une caractérisation fonctionnelle ainsi que des analyses du protéome des DAMs aux différents stades de la maladie dans le modèle SOD1[exposant G93A]. Les analyses fonctionnelles des DAMs dérivées de la moelle épinière lombaire de souris SLA symptomatiques ont révélé: i) un indice mitotique remarquablement élevé; ii) une diminution significative de la capacité phagocytaire par rapport aux microglies de type sauvage; et iii) une réponse attétuée aux stimulateurs de l'immunité innée in vitro et in vivo. L'analyse du protéome a révélé le développement de deux signatures moléculaires distinctes aux stades précoce et avancé de la maladie. Malgré qu'aux stades précoces de la maladie, nous avons identifié plusieurs protéines impliquées dans les fonctions immunitaires de la microglie telles que GPNMB et HMBOX1, aux stades avancés de la maladie, la signature protéique des cellules DAM a été caractérisée par une forte régulation à la hausse de plusieurs protéines non conventionnelles, notamment Rootletin, les protéines des voûtes majeures (MVP) et STK38. L'expression de la GPNMB et de la Rootletin a également été validée dans les tissus humains de la maladie. Il est important de noter que les principales fonctions biologiques associées aux cellules DAM, en particulier celles des stades avancés, n'étaient pas liées à l'immunité/réponse immunitaire, mais plutôt au métabolisme de l'ARN. L'ensemble de nos résultats suggère qu'au fil du temps, les microglies activées de façon chronique dans la SLA développent des signatures protéiques non conventionnelles et perdent progressivement leur identité immunitaire pour finalement se transformer en cellules immunitaires inefficaces. De plus en plus de preuves mettent en évidence le rôle critique du système immunitaire périphérique (SIP) dans la régulation de la pathogenèse de la SLA. Par conséquent, dans le chapitre 3 de cette thèse, nous avons évalué le rôle du SIP dans la régulation de la pathogenèse de la SLA. L'étude du rôle du SIP peut améliorer les stratégies thérapeutiques et la découverte de biomarqueurs. En utilisant un modèle in-vivo appelé «EDTA-TRAP» pour l'analyse de l'état traductionel dynamique des ribosomes au niveau des monocytes/macrophages. Avec des ARNm à l'entrée des ribosomes et des peptides nouvellement synthétisés à la sortie, nous avons observé un arrêt de la traduction et une dissociation marquée des profils d'ARNm et de protéines des monocytes/macrophages. Les ARNm fortement régulés sont impliqués dans les réponses immunitaires innées et enrichis en termes d'infections virales et bactériennes, alors que les peptides régulés n'étaient impliqués que dans les fonctions du cytosquelette. Nous avons détecté une augmentation des niveaux de pSRSF3 dans les PBMCs et le plasma des souris SOD1[exposant G93A]. De plus pSRSF3 montre une localisation cellulaire cytoplasmique. Dans ce contexte, nous avons pointé la protéine de liaison à l'ARN SRSF3 en tant que régulateur principal de la traduction. L'administration intrapéritonéale hebdomadaire des oligos antisens de type Morpholino anti-SRSF3 initiée à un stade avancé de la maladie chez les souris transgéniques SOD1[exposant G93A] a ralenti la progression de la maladie, diminué la perte de poids corporel et prolongé la survie des souris SLA. De façon remarquable, le blocage de SRSF3 dans les monocytes humains en culture a restauré leurs propriétés phagocytaires. Dans l'ensemble, nos résultats présentent de nouvelles cibles possibles pour immunomoduler et reprogrammer la machine inflammatoire plutôt que de la supprimer. De plus, nous avons proposé le SRSF3 comme nouveau biomarqueur potentiel, qui pourrait être utilisé pour la stratification de la maladie SLA. / In the last decades neurodegenerative diseases, including Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), have increased their prevalence until the point of being considered as epidemic diseases with enormous socio-economic impact. ALS is a fatal motoneuron disease characterized by the degeneration of upper and inner motoneurons. After years of research, the pathological mechanisms remain poorly understood. To date, there are no effective treatments to prevent, cure or stop the progression. Neuroinflammation and chronic activation of microglial cells are one of the prominent features of ALS pathology. While the molecular profile of disease-associated microglia (DAM) has been well characterized at the RNA level, the disease-related changes in proteome remain elusive. In chapter 2 of this thesis, we performed a functional characterization together with proteome analyses of DAMs at the different stages of disease in the in the SOD1[superscript G93A] model. Functional analyses of DAMs derived from the lumbar spinal cord of symptomatic ALS mice revealed: i) remarkably high mitotic index ii) a significant decrease in the phagocytic capacity when compared to age-matched wild-type microglia and iii) diminished response to innate immune challenges in vitro and in vivo. Proteome analysis revealed development of two distinct molecular signature at early and advanced stages of disease. While at early stages of the disease, we identified several proteins implicated in microglia immune functions such as GPNMB, Hmbox1, at advanced stages of disease DAM signature at protein levels was characterized with a robust upregulation of several unconventional proteins including Rootletin, major vaults proteins, STK38. Furthermore, we validated the expression of GPNMB and Rootletin in human disease. Importantly, the top associated biological functions of DAMs, in advanced disease, were not related to immunity/immune response, as the top biological functions were linked to RNA metabolism. Together, our results suggest that, over time, chronically activated microglia in ALS develop unconventional protein signatures and gradually lose their immune identity ultimately turning into functionally inefficient immune cells. Increasing evidence pinpoints the critical role of the peripheral immune system (PIS) in regulating the pathogenesis of ALS disease. Therefore, in chapter 3 of this thesis, we evaluated the role of the PIS in regulating the pathogenesis of ALS disease. Investigating the role of the PIS may improve therapeutic strategies and biomarker discovery. Using an in-vivo model system EDTA-TRAP for analysis of the dynamic translational state of monocyte/macrophage ribosomes. With mRNAs as input and newly synthesized peptides as output we observed a shut-down of the translation and a marked dissociation of monocyte/macrophage mRNA and protein profiles. The highly upregulated mRNAs are involving in innate immune responses and enriched in viral and bacterial infection terms while the upregulated peptides were only involving in cytoskeletal functions. We detected increase levels of pSRSF3 in PBMCs and plasma of SOD1[superscript G93A] mice and it showed a cytoplasmic accumulation. In this context, we targeted the RNA binding protein SRSF3 as a master regulator of translation. Weekly intraperitoneal delivery of anti-SRSF3-morpholinos initiated at late symptomatic disease in SOD[superscript G93A] transgenic mice slowed down the disease progression, decreased the body weight loss, and extend the survival of the ALS-model treated mice. Remarkably, targeting SRSF3 in human cultured monocytes restored their phagocytic properties. Taken together, our results present a new possible targets to immunomodulate and re-programmate the inflammatory machine rather than suppress it. Additionally, we proposed SRSF3 as a new potential biomarker, that could be used for ALS disease stratification.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La Sclérose Latérale Amyotrophique se caractérise par la perte sélective de motoneurones (MNs) du cortex, du tronc cérébral et de la moelle épinière. Les souris surexprimant le gène humain muté codant pour la superoxide dismutase 1 (mSOD1) constitue un bon modèle d'étude. Les MNs mSOD1 présentent une hypersensibilité à la mort après activation du récepteur Fas et la production d'oxyde nitrique (NO). Notre étude protéomique a identifié deux effecteurs du NO, la calréticuline (CRT) et CRMP4. CRT est une protéine chaperonne de stockage du calcium dans le réticulum endoplasmique. Nous montrons que, in vivo, CRT diminue de moitié dans une sous population de MNs mSOD1 dits vulnérables, car dégénérant les premiers. Sa diminution est nécessaire et suffisante pour induire la mort des MNs mSOD1 en activant le stress du RE. CRMP4 est une protéine de régulation de la croissance axonale, qui augmente in vivo dans les MNs mSOD1 à un stade pré-symptomatique. Sa surexpression est suffisante pour induire une dénervation périphérique et la dégénérescence de MNs mSOD1. Nos résultats mettent en évidence CRT et CRMP4 comme étant deux cibles thérapeutiques potentielles dans la SLA. / Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is characterized by the selective degeneration of upper and lower motoneurons (MNs). The most common familial form and best characterized mouse model of ALS is linked to mutations in the gene coding for the superoxide dismutase 1 (mSOD1). MNs expressing mSOD1 show an increased sensitivity to the death induced by Fas/NO activation. Our proteomic study identified two downstream effectors of NO, Calreticulin (CRT) and CRMP4. CRT is a chaperone-calcium-binding protein of the endoplasmic reticulum, which is decreased two-fold in vivo, in an early degenerating MNs sub-population, named vulnerable. The decrease in CRT expression is both necessary and sufficient to kill mSOD1 MNs through ER stress activation. CRMP4 is a neurite outgrowth regulator which expression is increased in vivo in mSOD1 MNs at a presymptomatic stage. CRMP4 overexpression is sufficient to induce peripheral denervation and, through a dying-back effect, to kill mSOD1 MNs. Our results point out CRT and CRMP-4 as two potential therapeutic targets for ALS.

La nanobiomécanique est un domaine interdisciplinaire émergent qui apporte une contribution significative à l'étude des processus biologiques liés à des diverses maladies humaines. Dans le cadre de ces travaux, des méthodes nanomécaniques basées sur la microscopie à force atomique ont été directement appliquées pour comprendre les processus pathogènes sous-jacents de deux maladies qui sont la formation de métastases cérébrales et à la sclérose latérale amyotrophique.Une cellule tumorale maligne, pour se propager et former des métastases, doit modifier et adapter en permanence ses propriétés adhésives et élastiques. Ici, nous avons combiné la cartographie des forces avec la spectroscopie de force monocellulaire (SCFS) afin d'obtenir un aperçu direct du processus de "criblage" de surface des cellules tumorales pendant leur extravasation dans le parenchyme cérébral. Les cartes élastiques et adhésives obtenues ont montré que les propriétés adhésives ne dépendent que faiblement des caractéristiques élastiques, et souligne l'importance des liaisons à long distances de type attache pour des adhésions réussies.Afin d'étudier comment le potentiel métastatique est lié aux propriétés nanomécaniques des cellules tumorales, des mesures SCFS comparatives ont été effectuées entre trois types de cellules mélanomateuses (WM35, A2058 et A375), montrant des caractéristiques invasives altérées. Nos résultats indiquent une faible élasticité relative, une adhérence maximale élevée et un nombre de liaisons individuelles élevé, comme propriétés clés des cellules mélanomes hautement métastatiques. En conclusion nos études permettent de catégoriser les cellules suivant leur potentiel métastatique agrandissant dans l’ordre suivant : WM35, A2058 et A375.La pathogenèse de la sclérose latérale amyotrophique (SLA) est multifactorielle et ce caractérise également par la présence de processus inflammatoires. Nos études montrent des différences significatives dans l'adhésion de cellules T cytotoxiques CD8+ isolées chez des souris mutantes SOD1G93A et ce de type sauvage avec des neurones moteurs. Les cellules T dérivées de souris mutantes présentent une force d'adhésion améliorée par rapport aux souris saines dérivées. En outre, elle présente une réduction très significative après le blocage des liaisons entre pMHC-I et TCR. Ces résultats corroborent la contribution des lymphocytes T cytotoxiques au développement de la SLA, en tant qu'acteur actif de la neurodégénérescence.Les myoblastes jouent un rôle primaire dans les processus moléculaires impliqués dans le développement musculaire, le vieillissement et la réparation. Les cartes nanomécaniques à haute résolution réalisées sur des myoblastes et des myotubes multi-nucléaires, isolés à partir d'un modèle de souris SLA, ont révélé des modifications d'élasticité lors de la différenciation des myotubes. Des augmentations significatives du module d'élasticité ont été observées dans les projections des myoblastes allongés par rapport à leur corps cellulaire. Pour les myotubes, des différences ont été observées entre l'élasticité d'une population mince et épaisse de myotubes de souris sain. Cependant, chez le mutant SOD1, l'augmentation observée du module élastique de la population mince suggère un durcissement autonome accru des myotubes dérivés de souris SLA.En résumé, nos études mécaniques au niveau cellulaire ont décrypté divers aspects de deux pathologies graves, ce qui a donné lieu à de nouvelles découvertes sur leurs processus fondamentaux. Ces travaux mettent en lumière la pertinence et adéquation des méthodes d’études nanomécaniques basées sur l’AFM pour révéler des connaissances précieuses sur la physiopathologie, le développement, le diagnostic et la progression des maladies. / Nano-biomechanics is an emerging field of science that opened a new horizon in scientific research by generating significant contribution in the study of human diseases. In this work, atomic force microscopy-based nanomechanical methods were directly applied in order to elucidate important questions related to brain metastasis formation and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Better understanding of the underlying pathogenic processes of these life-threatening diseases is fundamental for the advancement of early diagnostics and improved therapeutics.A malignant tumor cell, in order to spread and form metastasis, has to vary and continuously adapt its adhesive and elastic properties. Here, we combined force mapping with single cell force spectroscopy (SCFS) in order to gain direct insight into the surface “screening” process of tumor cells during their extravasation into the brain parenchyma. Intercellular adhesive forces and works, as well as elastic properties were spatially mapped showing that adhesive properties are only slightly dependent on elastic characteristics, and highlighting the importance of long range tether-like linkages for successful adhesions.In order to examine how the metastatic potential relates to tumor cell’s autonomous and inter-cellular nanomechanical properties, comparative SCFS measurements were performed between three melanoma cell types (WM35, A2058 and A375), showing altered invasive characteristics, and blood vessel lining endothelials. Our results indicate low relative elasticity, high maximal adhesion and high number of individual linkages, as the key properties of highly metastatic melanoma cells. This enables us to suggest the following ordering of tumor cells from lower to higher metastatic potential: WM35, A2058 and A375.The pathogenesis of ALS is multifactorial, being characterized by the presence of inflammatory processes as well. In our results significant differences have been observed, by comparing the adhesion of CD8+ cytotoxic T cells isolated from wild-type as well as SOD1G93A mutant mice against wild-type motor neurons. Mutant mice derived T cells show enhanced adhesion strength, compared to the healthy mice derived ones. Moreover, we observe a significant reduction of T cell - motoneuron interactions after blocking the specific recognition bindings between pMHC-I and TCR. These results corroborate the contribution of cytotoxic T cells in the development of ALS, as an active player in neurodegeneration.Investigating primary myoblasts allow deciphering molecular processes involved in muscle development, aging and repair. Therefore, in our study high resolution nanomechanical mapping was performed on single elongated myoblasts and multinuclear myotubes, isolated from an ALS mouse model, to reveal elasticity features during early differentiation stage into myotubes. We have found that projections of the elongated myoblasts show significantly increased elastic modulus values compared to their cell body. Regarding myotubes, differences have been observed between the elasticity of a thin and thick population of wild-type myotubes, indicating the different maturity of the two populations. However, in SOD1 mutant, the observed increase in the elastic modulus of the thin population suggests an enhanced autonomous hardening of ALS derived myotubes.In summary, our cellular-level mechanical studies deciphered various aspects of two different life-threatening pathologies resulting in novel discoveries about their fundamental processes. This work highlights the high impact and the important role of AFM-based nanomechanical methods in providing valuable knowledge about disease pathophysiology, development, diagnostics and progression that could contribute to the evolvement of future therapies.

La sclérose latérale amyotrophique ou SLA est une affection neurodegenerative conduisant à la mort des motoneurones, et responsable du décès des patients en moins de trois ans après la survenue des premiers symptômes. En l'absence de la découverte des causes chez la plupart des patients a considérablement pesé dans les difficultés que nous rencontrons pour découvrir un nouveau traitement. Une meilleure approche de l'épidémiologie pourrait permettre d'améliorer la connaissance de la maladie et pourrait offrir la possibilité de mieux formuler les hypothèses physio pathologiques possibles. Dans un premier temps, nous avons etudié le taux de mortalité de la SLA en France entre 1968 et 2007. Le taux brut a été de 1,74/100.000 avec un taux plus important chez l'homme que chez la femme. Le rapport standardisé de mortalité, après correction pour l'âge et le sexe, a augmenté de 0,54 (95% IC = .49-.59) en 1968 pour atteindre 1.26 (95% IC =1.20, 1.32) en 2007. Cette augmentation de mortalité est mieux expliquée par un effet dit cohorte, qui implique tous les sujets nés en même temps, plutôt que par un effet dit période. Le changement d'exposition à des toxiques environnementaux pourraient expliquer ces effets cohortes. Nous avons ensuite analysé les taux et les prédicteurs de survie au Centre SLA de la Salpêtrière en se focalisant sur la période 2002-2009 pour la survie et 1995-2009 pour les prédicteurs. Aucune variable n'est meilleure pour prédire la survie, mais une combinaison de variables (le début par les membres, la durée début des symptômes et première visite, et la force musculaire) est associée à une survie prolongée. Ce taux de survie a clairement augmenté depuis 2006.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie dégénérative neuromusculaire fatale. Elle est accompagnée par des altérations métaboliques, se manifestant précocement dans des modèles murins. L’objectif de cette thèse a été d’identifier les cibles moléculaires impliquées dans ces changements. Pour ce faire, nous avons étudié le muscle glycolytique, le premier touché par la dénervation au cours de la maladie dans un modèle de SLA, la souris SOD1G86R. Nous avons montré un déséquilibre entre les voies métaboliques glucidiques et lipidiques à un stade présymptômatique, avec une préférence pour la voie catabolique des lipides. Cette altération peut expliquer notre observation sur le changement des capacités à l’exercice des souris SOD1G86R présymptômatiques. Dans ce contexte, nous avons montré que l’inhibition pharmacologique de PDK4, un des principaux inhibiteurs de la glycolyse, est bénéfique, retardant l’apparition des symptômes. En prenant compte des spécificités métaboliques des différents éléments de l’axe neuromusculaire, ce travail ouvre des nouvelles pistes thérapeutiques pour le traitement de la SLA. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal degenerative disease characterized by loss of upper and lower motor neurons, denervation and skeletal muscle atrophy. ALS is accompanied by metabolic alterations that are early events in mouse models for ALS. The main objective was to identify molecular targets responsible for these alterations. For this, we analyzed several metabolic regulators localized in presymptomatic glycolytic muscle tissue of an ALS mouse model, the SOD1G86R. We identified a pre-symptomatic alteration of metabolic equilibrium, showing an inhibition of glycolysis accompanied by an upregulation of lipid catabolic pathway. This alteration has functional significance, being reflected in a modified capacity of SOD1G86R mice to adapt to different types of exercise. Pharmacological inhibition of PDK4, one of the main inhibitors of glycolysis, delayed disease onset, underpinning the importance of metabolic equilibrium in disease progression. Taking into consideration the metabolic specificity of the different elements on the neuromuscular axis, this work opens towards new therapeutic approaches for ALS.

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) et la Démence Frontotemporale (DFT) sont deux maladies neurodégénératives formant un continuum clinique, génétique et histopathologique. Des mutations dans le gène CHMP2B sont associées à la fois à des cas de SLA et de DFT. Le but de cette thèse a été de caractériser un nouveau modèle de souris transgéniques basé sur l'expression neuronale de la mutation humaine CHMP2Bintron5.Ces souris présentent une faiblesse musculaire progressive et des défauts de coordination motrice. Les motoneurones présentent des altérations au niveau distal. Les souris transgéniques développent des modifications du comportement alimentaire, un désintérêt social et des stéréotypies, tandis que les fonctions mnésiques sont préservées. Nous avons observé une accumulation d'agrégats protéiques dans les neurones ainsi qu'une astrocytose, reflétant le profil histopathologique des patients.Ainsi, l'expression neuronale de CHMP2Bintron5 induit chez les souris des symptômes caractéristiques de la SLA et de la DFT ainsi que l'apparition des marqueurs histopathologiques de ce syndrome. Cette lignée permettra l'étude des mécanismes communs impliqués dans le syndrome SLA-DFT. / The neurodegenerative diseases Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) and Frontotemporal Dementia (FTD) form a clinical, genetic and histopathological continuum. Mutations in CHMP2B can cause ALS or DFT. The aim of this study was to characterize a new transgenic mouse model based on the neuronal expression of the human mutation CHMP2Bintron5.The mice develop a progressive muscle weakness and motor coordination defects, associated with a distal alteration of the motoneurons. Moreover, their feeding behavior is altered and they develop social disinterest and stereotypies, while mnesic functions are spared. We observed protein aggregates in neurons and an astrocytosis, mirroring the histopathological profile of patients.The neuronal expression of the mutant CHMP2Bintron5 triggers a motor phenotype associated with dementia symptoms and histopathological hallmarks of ALS and FTD. This transgenic line willallow the study of the common mechanisms implicated in the ALS-FTD syndrom.

La SLA est une maladie neurodégénérative grave touchant l’adulte qui se caractérise principalement par la perte sélective des neurones moteurs cortico-spinaux et des motoneurones bulbaires et spinaux. La SLA se caractérise également par des altérations de l’homéostasie énergétique et du métabolisme des lipides. L’objectif de ce travail de thèse était, dans un premier temps, d’identifier des changements dans la composition en acides gras, dans le sang, comme potentiels biomarqueurs diagnostiques et pronostiques de la SLA. Dans un second temps, le but était de moduler ces changements, par des approches nutritionnelles, afin de mieux comprendre l’implication d’un métabolisme lipidique altéré dans le processus pathologique de la SLA. Ces travaux ont montré que des taux élevés d’acides gras mono-insaturés (MUFA), ainsi que des taux diminués d’acides gras poly-insaturés (PUFA), sont associés à un meilleur pronostic. L’analyse des effets de la modification de la composition en acides gras, dans des modèles de dénervation pathologique et lésionnelle, a confirmé l’implication de l’antagonisme MUFA/PUFA dans le processus neurodégénératif. Ces travaux font apparaitre des mises en garde quant à l’utilisation des acides gras dans des approches à visée thérapeutique pour la SLA. / ALS is a fatal neurodegenerative condition characterized by the selective loss of upper and lower motor neurons. The disease is also characterized by alterations of energy homeostasis and lipid metabolism. The objective of this PhD work was, first, to identify changes in fatty acid composition of lipids in blood of ALS patients, as potential diagnosis and prognosis biomarkers of the disease. The second goal was to modulate these changes, by nutritional approaches, in order to better understand the involvement of an altered lipid metabolism in the pathological process. Our results showed that high levels of monounsaturated fatty acid (MUFA), as well as low levels of polyunsaturated fatty acids (PUFA), are associated with a better prognosis. The analysis of the effects of a modified fatty acid composition in both pathological and lesion models of denervation, has confirmed implication of the antagonistic relationship between MUFA and PUFA in the neurodegenerative process. This work suggests a cautious usage of fatty acids in therapeutic approaches targeting ALS.

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) et l'ataxie récessive spastique autosomique de Charlevoix-Saguenay (ARSACS) sont deux maladies neurodégénératives incurables. La SLA, le plus souvent d'apparition tardive, se caractérise par la dégénérescence des neurones moteurs (NM) supérieurs et inférieurs, ainsi que par une atrophie musculaire. En plus des causes sporadiques, de nombreuses mutations génétiques, dont la mutation G93A dans le gène de la superoxyde dismutase 1 (SOD1), ont été identifiées comme causes de la maladie. Le processus de dégénérescence des NM est dit non-autonome et fait intervenir des cellules non-neuronales à l'image des astrocytes, microglies ou oligodendrocytes. Cependant, l'implication des cellules de Schwann (CS) dans la pathogenèse demeure encore floue. À l'inverse de la SLA, l'ARSACS apparait au cours de l'enfance et est caractérisée par une dégénérescence des cellules neuronales du cervelet, une atteinte pyramidale ainsi que par une atteinte neuropathique. Des mutations dans le gène SACS, sacsin molecular chaperone, ont été identifiées responsables de la maladie. La fonction de la protéine sacsine, encodée par le gène SACS et très fréquemment retrouvée dans les cellules de Purkinje ou les neurones corticospinaux, n'a pas totalement été élucidée. Cependant, seuls des tissus post-mortem, des modèles animaux, et des cellules normales sont disponibles pour l'étude de cette pathologie. Tout d'abord, un modèle 3D in vitro récapitulant la SLA a été développé. Ce modèle tri-compartimenté, ayant pour base une éponge de collagène/chitosan, comprenait des astrocytes, microglies, fibroblastes d'épineurium, NM et CS, extraites de souris SLA comportant la mutation d'intérêt (SOD1ᴳ⁹³ᴬ) ou de souris sauvage (SOD1ᵂᵀ) dépendamment du modèle souhaité, ainsi que des cellules musculaires. Nous avons montré que les NM SOD1ᴳ⁹³ᴬ ou SOD1ᵂᵀ étaient capables de migrer respectivement dans les modèles 3D SLA ou sain, et que les CS impactaient la migration neuronale puisque les CS SOD1ᵂᵀ étaient capables d'induire une augmentation du nombre de neurites dans le modèle sain, contrairement aux CS SOD1ᴳ⁹³ᴬ dans le modèle SLA. Par la suite, en vue d'une utilisation de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) pour l'étude de l'ARSACS, nous avons élaboré un protocole de différenciation d'iPSC en CS; et nous avons montré que malgré l'absence de sérum, il permettait l'obtention de CS myélinisantes. Enfin, en vue de générer le premier modèle in vitro 3D modélisant l'ARSACS, nous avons différencié des iPSC dérivées de patients ARSACS en NM et cellules de Purkinje et montré qu'elles exprimaient des marqueurs caractéristiques de ces cellules. Par ailleurs, la culture des NM et cellules de Purkinje ARSACS dans le modèle en éponge a permis de montrer que ces cellules mimaient des aspects physiopathologiques retrouvés dans la maladie comme une agrégation des neurofilaments dans les dendrites ou corps cellulaires des NM et des cellules de Purkinje, ainsi qu'une diminution des niveaux de protéines sacsine et Drp1, Dynamin related Protein 1 dans les cellules de Purkinje. Le modèle 3D en éponge réalisé par génie tissulaire nous a permis d'étudier deux maladies distinctes, et serait tout à fait adaptable à l'étude de diverses mutations touchant d'autres gènes impliqués dans la SLA par exemple. L'utilisation d'iPSC en combinaison avec ce modèle facilement modifiable pourrait apporter une approche prometteuse dans l'étude d'autres maladies neurodégénératives dont les mécanismes physiopathologiques demeurent inconnus. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix-Saguenay (ARSACS) are two incurable neurodegenerative diseases. ALS, usually with a late-onset, is characterized by upper and lower motor neuron (MN) degeneration, as well as by muscle atrophy. Besides sporadic causes, numerous genetic mutations, including the G93A mutation in the superoxide dismutase 1 (SOD1) gene, have been identified as causes of the disease. MN degeneration is considered to be a non-autonomous process and involves non-neuronal cells such as astrocytes, microglia, or oligodendrocytes. Nevertheless, the involvement of Schwann cells (SCs) in the pathogenesis remains unclear. In contrast to ALS, ARSACS appears during childhood and is characterized by degeneration of cerebellar neuronal cells, and pyramidal and neuropathic involvement. Mutations in the sacsin molecular chaperone (SACS) gene, have been identified as responsible for the disease. The function of the sacsin protein, encoded by the SACS gene and frequently found in Purkinje cells or corticospinal neurons, has not been fully elucidated. However, only post-mortem tissues, animal models, and normal cells are available to study this pathology. First, a 3D in vitro model recapitulating ALS has been developed. This tri-compartmented model, based on a collagen/chitosan sponge, included astrocytes, microglia, epineurium fibroblasts, MNs, and SCs, extracted from ALS mice with the mutation of interest (SOD1ᴳ⁹³ᴬ) or from wild type mice (SOD1ᵂᵀ) depending on the desired model, as well as muscle cells. We showed that SOD1ᴳ⁹³ᴬ or SOD1ᵂᵀ MNs were able to migrate in the ALS or healthy 3D models, respectively, and that the SCs impacted neuronal migration since SOD1ᵂᵀ SCs were able to induce an increase in the number of neurites in the healthy model, unlike SOD1ᴳ⁹³ᴬ SCs in the ALS model. Subsequently, in order to use induced pluripotent stem cells (iPSC) for the study of ARSACS, we developed a protocol for the differentiation of iPSC into SCs; and we showed that despite the absence of serum, it allowed the generation of myelinating SCs. Finally, to generate the first in vitro 3D model of ARSACS, we differentiated iPSC derived from ARSACS patients into MNs and Purkinje cells and showed that they expressed characteristic markers of these cell types. Moreover, the culture of ARSACS MNs and Purkinje cells in the sponge model allowed us to show that these cells mimicked physiopathological aspects found in the disease such as an aggregation of neurofilaments in the dendrites or cell bodies of the MNs and Purkinje cells, as well as a decrease in the levels of sacsin and Drp1 (dynamin related protein 1) proteins in the Purkinje cells. The 3D tissue-engineered sponge model allowed the study of two distinct diseases and would be highly adaptable to the investigation of various mutations affecting other genes involved in ALS for example. The use of iPSC in combination with this flexible model could provide a promising approach to the study of other neurodegenerative diseases whose pathophysiological mechanisms remain unknown.