Mon projet de thèse a été dédié à l’étude des synucléinopathies. Ces maladies neurodégénératives sont caractérisées par la présence d’inclusions intracytoplasmiques positives pour l’alpha-synucléine et contenues dans les neurones pour la maladie de Parkinson (i.e. les corps de Lewy) ou dans les oligodendrocytes pour l’atrophie multisystématisée (i.e. les inclusions cytoplasmiques oligodendrogliales). L’objectif de mon travail de thèse fut de proposer une approche multifactorielle et translationnelle en développant les aspects de modélisation, de mécanistiques et de thérapeutiques associées aux synucléinopathies. Nous nous sommes tout d’abord intéressés à disséquer les mécanismes sous-jacents à la neurodégénérescence induits par la protéine alpha-synucléine dans un modèle primate non-humain de la maladie de Parkinson. Nous avons ainsi souligné le rôle toxique de la protéine alpha-synucléine et mis en lumière de nouveaux processus cellulaires impliqués dans le phénomène de neurodégénérescence. Dans ce même modèle animal, nous avons étudié l’hypothèse d’une propagation de la pathologie induite par l’alpha-synucléine entre les systèmes nerveux centraux et périphériques. Nous avons ainsi pu démontrer l’existence d’une route bidirectionnelle de propagation et de neurodégénérescence de la protéine entre les deux systèmes nerveux, pouvant corroborer la présence de symptômes non moteurs précoces au cours de la pathologie. Enfin, nous nous sommes concentrés sur le rétablissement de la fonction autophagique comme cible thérapeutique commune aux synucléinopathies. Nous avons ainsi pu démontrer qu’une restauration de la machinerie de dégradation de la voie autophagie était suffisante pour rétablir les taux physiologiques de la protéine alpha-synucléine et induire une neuroprotection dans un modèle rongeur de la maladie de Parkinson et d’atrophie multi-systématisée. Ces travaux corroborent le rôle clé de la protéine alpha-synucléine dans l’étiologie des synucléinopathies et proposent de nouvelles stratégies thérapeutiques communes à toutes les synucléinopathies afin de rétablir les niveaux physiologiques cellulaires de la protéine et une neuroprotection au sein du système nerveux central. / My thesis project was dedicated to the study of synucleinopathies. Synucleinopathies are neurodegenerative diseases characterized by the presence of alpha-synuclein positive intracytoplasmic inclusions which are present either in neurons for Parkinson’s disease (i.e. Lewy Bodies) or in oligodendrocytes for Multiple system atrophy (i.e. Glial Cytoplasmic Inclusions). The aim of my work was to establish a multifactorial and translational approach through modeling, mechanistic and therapeutic aspects associated with synucleinopathies. First, we focused on dissecting the underlying alpha-synuclein-mediated mechanisms of neurodegeneration using a non-human primate model of Parkinson’s disease. We confirmed the toxic role of alpha-synuclein in the pathology and highlighted unpredictable cellular processes involved in neurodegeneration. Using the same Parkinson’s disease model, we studied the hypothesis of a pathological propagation between the central and peripheric nervous systems in an attempt to decipher the initiation point and the direction of propagation of the associated pathology. We thus demonstrated a bidirectional route of propagation of alpha-synuclein between the CNS and the ENS and within the ENS. Finally, we focused on the restoration of the autophagic function as a potential common therapeutic target for all synucleinopathies. We demonstrated through a gene-based restoration of the autophagy, we efficiently reestablish alpha-synuclein physiological protein levels, while inducing neuroprotection in a Parkinson’s disease and Multiple system atrophy rodent models. Thus, this work corroborates the key role of alpha-synuclein in the etiology of synucleinopathy and offers new common therapeutic strategies for all synucleinopathies to decrease alpha-synuclein-induced toxicity into the central nervous system.

Les maladies neurodégénératives sont un sujet de santé publique majeur. La maladie de Parkinson (MP), la démence à corps de Lewy (DCL) et l'atrophie multisystématisée (AMS) font partie d'une famille liées à l'accumulation pathologique d'une protéine : l'α-synucléine (α-syn), appelées les synucléinopathies. Il n'existe pas méthode de diagnostic formel pre-mortem de ces pathologies. À ce jour, la confirmation définitive de synucléinopathies n'est possible que sur des études post-mortem. Le mécanisme de survenue reste incompris. L'exploration des systèmes de neurotransmission et des voies métaboliques pourrait permettre d'élucider ces mécanismes. Les travaux effectués au cours de cette thèse se positionnent dans une optique de développement d'un outil de diagnostic précoce et de compréhension des mécanismes physiopathologiques grâce à l'imagerie TEP. Dans une première partie, nous avons caractérisé et validé un modèle murin de synucléinopathies. Nous avons conclu que le [18F]BF227 ne pouvait être employé comme radiotraceur des agrégats d'α-syn. La seconde partie a permis la mise au point d'une technique d'évaluation de l'affinité de molécules pour une cible donnée. Douze ligands froids ont pu être testés in vitro. Actuellement, aucun composé ne semble présenter les critères pour être un radiotraceur idéal. Enfin, la dernière partie a mis en évidence un hypométabolisme glucidique ainsi qu'une surexpression des récepteurs 5-HT1A à un stade précoce de la pathologie. Au final, cette étude a montré l'intérêt et les limites de l'imagerie TEP et des modèles animaux pour le développement d'un nouveau radiotraceur ainsi que pour l'exploration des mécanismes physiopathologiques / Neurodegenerative diseases are a major public health issue. Parkinson's disease (PD), dementia with Lewy bodies (DLB) and multiple system atrophy (MSA) are part of a family related to the pathological accumulation of a protein, α-synuclein (α- syn), and called synucleinopathies. To date, there is no pre-mortem formal diagnosis method for these diseases and the final confirmation only relies on postmortem studies. While the occurrence mechanisms remain unclear, exploration of neurotransmitter systems and metabolic pathways could bring more information on the underlying pathophysiological processes. The aims of this PhD work were (1) to develop the first radioligand targeting α-syn as an early diagnostic tool and (2) to investigate, with PET imaging, how neurotransmitter systems relates to pathophysiological mechanisms in an accelerated mouse model of synucleinopathy. In the first part of this study, we demonstrated the inability of in vivo PET imaging with [18F]BF227 to label α-syn aggregates in a model of synucleinopathy. The second part allowed the development of a competitive radioligand binding assay to determine α-syn binding parameters of non-radioactive candidate molecules. Twelve ligands were tested in vitro. Currently, no compound appears to present ideal α-syn binding properties. The last part of this study highlighted a serotoninergic hypometabolism and the overexpression of 5-HT1A receptors at an early stage of the disease in the synucleinopathy mouse model. Finally, this study demonstrated the advantages and limitations of PET imaging and animal models for the development of radiotracer and for the exploration of pathophysiological mechanisms

CONTEXTE: La maladie de Parkinson idiopathique (MPI), la démence à corps de Lewy (DCL) et la démence parkinsonienne (DP) sont des synucléinopathies. La dysfonction olfactive est reconnue comme étant une caractéristique principale de ces maladies. L'objectif de ce travail était d'évaluer et de comparer les seuils de détection olfactifs dans ces trois synucléinopathies (MPI, DP, DCL) chez des sujets âgés de plus de 65ans. Dans cette optique, trois études ont été menées utilisant des substances odorantes stimulant variablement les systèmes trigéminal et olfactif.MÉTHODES: les tests de détection des seuils olfactifs ont été réalisés chez (1) 89 patients ayant une MPI versus témoins sains, (2) 17 PD versus MPI et (3) 20 DCL versus PD versus témoins sains appariés, en utilisant l'alcool phényléthylique, le n-butanol et la pyridine comme stimuli. Les seuils de détection de ces 3 odorants ont été évalués à l'aide d'une série de dilution de facteur 2 et une procédure ascendante de choix forcé.Les données ont été analysées en utilisant des tests de Mann-Whitney-Wilcoxon ou Kruskal-Wallis, la corrélation de Spearman et des analyses de covariance. Des analyses discriminantes ont également été réalisées.RÉSULTATS: (1) Les seuils de détection olfactifs sont capables de discriminer les patients MPI des témoins sains et les patients ayant une MPI bénigne de ceux avec autonomie déficiente. De plus, nous avons trouvé une subtile interaction entre les systèmes olfacto-trigeminal.(2) Nos résultats mettent en évidence, une absence de différence significative des seuils de détection des odorants entre MPI et PD appariés.(3) Nous avons constaté des différences significatives des seuils olfactifs entre patients ayant une DCL, une DP et témoins sains (p <0,001), avec une altération majeure de la sensibilité olfactive chez les patients atteints de DCL par rapport à ceux ayant une DP.Au travers des 3 études, une corrélation significative a été trouvée entre les seuils de détection des trois odorants.CONCLUSION: Ce travail souligne que la DCL peut être distinguée de la DP, la DP des sujets sains et la MPI des sujets sains en évaluant les seuils de détection des trois odorants. Cependant, l’absence de différence significative entre les seuils de détection olfactifs entre les MPI et DP soulève des doutes sur l'importance des tests de seuils de détection olfactive dans le suivi cognitif dans la MPI. D'autres recherches sur le dysfonctionnement olfactif dans les synucléinopathies sont nécessaires pour conforter nos résultats.MOTS CLÉS: Principales synucléinopathies (maladie Parkinson idiopathique, Démence parkinsonienne, Démence à corps de Lewy); seuils de détection des odorants; interactions des systèmes olfacto-trigéminal ; diagnostics positif et différentiel. / Idiopathic Parkinson disease (IPD), Dementia with Lewy bodies (DLB) and Parkinson’s disease dementia (PDD) are synucleinopathies. Olfactory impairment is recognized as a characteristic feature of some synucleinopathies. The aim of this study was to assess and compare olfactory detection thresholds in these three synucleinopathies (IPD, PDD and DLB). For that purpose three studies were conducted: (1) Elderly with IPD matched to healthy controls, (2) IPD versus PPD and (3) between DLB, PDD and healthy controls using odor stimuli that variably trigger nasal trigeminal and olfactory systems.METHODS: Olfactory thresholds tests were performed in 89 IPD patients aged over 65 compared to paired matched healthy controls, in 17 IPD versus and matched PDD patients and in 20 LDB patients versus PDD patients versus matched healthy controls, using Phenyl-ethyl alcohol, n-Butanol and Pyridine as stimuli. Detection thresholds for these 3 odorants were assessed using an ascending staircase factor-2 odor dilutions series and a binary forced-choice procedure. Participants were priory evaluated by experimented physicians.Data were analyzed using Mann-Whitney-Wilcoxon or Kruskal-Wallis tests, Spearman correlation and covariance analyses. Discriminant analyses were also carried out to predict and classify the three participants’ groups in the third study.RESULTS: (1) Olfactory detection thresholds are able to discriminate elderly IPD from healthy controls, with a fair detection thresholds performance for pyridine compared to the two other odorants; and the ability to distinguish benign IPD patients with good autonomy from those with impaired autonomy (malign IPD). Moreover, we found subtle olfacto-trigeminal systems interaction.(2) Our results highlight no significant difference on odor detection threshold between elderly IPD compared with matched PDD patients.(3) We found significant odor thresholds differences between LBD patients, PDD patients and healthy controls (all p-values < 0.001), with also a significant poor sense of smell in DLB patients compared to moderate PDD patients. A plain differentiation between the three groups was confirmed by standardized canonical discriminant analyses.Through the 3 studies, a significant correlation was found between the odor detection thresholds.CONCLUSION: This work highlights that DLB can be distinguished from PDD, PDD from healthy controls and IPD from healthy controls by assessing odors (PEA, n-butanol, pyridine) detection thresholds. However, the lack of difference between olfactory thresholds between IPD and PDD raises doubts on the importance of olfactory thresholds tests in the cognitive follow-up of patients with IPD.Further investigations of olfactory dysfunction in patients with synucleinopathies are needed to confirm our results.KEYWORDS: idiopathic Parkinson disease; Parkinson's disease dementia ; Dementia with Lewy bodies; odor detection thresholds; chemonasal trigeminal and olfactory systems interactions; clinical diagnosis.

La maladie de Parkinson (PD) et la démence à corps de Lewy (DLB) sont les deuxième et troisième maladies neurodégénératives les plus communes et font partie d’une classe de maladies appelées synucléinopathies. Les synucléinopathies sont associées à une pathologie liée à l’α-synucléine (α-syn) laquelle se caractérise par une accumulation de cette protéine dans les neurones, formant ainsi les corps de Lewy. L’α-syn pathologique se retrouve aussi sous forme d’oligomères et de fibrilles, qui sont toxiques pour les neurones et leurs synapses. L’une des premières anomalies observables chez les patients atteints de synucléinopathies est la dysfonction synaptique, souvent combinée à une perte de synapses. Il a été rapporté que les oligomères d’α-syn retrouvés au niveau des synapses précèdent la formation de corps de Lewy dans les neurones et leur transmission semble être associée à la progression des symptômes. Pourtant, les mécanismes moléculaires sous-jacents la dysfonction synaptique causée par l’α-syn restent inconnus. D’autre part, le fonctionnement normal des synapses est fortement régulé par une famille de protéines appelées organisateurs synaptiques. Les organisateurs synaptiques, incluant la protéine neurexine, sont des molécules d’adhésion cellulaire qui régulent la synaptogenèse, la plasticité, la libération des neurotransmetteurs et les fonctions cognitives. De plus, nous avons préliminairement montré que l’α-syn interagit avec l’isoforme β des neurexines (NRXs) (β-NRXs). Mon projet avait donc pour but de caractériser l’interaction α-syn/β-NRX et d’évaluer comment celle-ci contribue à la pathologie liée à l’α-syn. Nous avons émis l’hypothèse que cette interaction affecte la fonction synaptogénique liée aux NRXs et son trafic. Dans un premier temps, pour tester notre hypothèse, l’interaction α-syn/β-NRX a été évaluée grâce à des analyses de liaison à la surface cellulaire. Il a été constaté que les oligomères d’α-syn se lient fortement à NRX1,2β de manière dépendante du domaine riche en histidine (HRD), caractéristique de l’isoforme β, et cela sans perturber sa liaison à ses ligands endogènes postsynaptiques, neuroligine 1 (NLG1) et « leucine rich repeat transmembrane neuronal 2 » (LRRTM2). De plus, à travers des essais d’internalisation, nous avons observé que les oligomères d’α-syn altèrent le trafic de NRX1β en augmentant son internalisation de façon dépendante au HRD et altèrent également la différenciation NRX-dépendante de la synapse en synapse inhibitrice. Par conséquent, nous suggérons que cette internalisation accrue pourrait affecter la fonction synaptogénique associée aux NRXs. Ce travail contribue à une meilleure compréhension sur la façon dont l’α-syn provoque un dysfonctionnement synaptique, fournissant de nouvelles perspectives moléculaires et pharmacologiques sur les synucléinopathies. / Parkinson’s disease (PD) and dementia with Lewy bodies (DLB) are the second and the third most common neurodegenerative disorders and are part of a class of diseases called synucleinopathies. Synucleinopathies are associated with an α-synuclein (α-syn) pathology which shows an accumulation of α-syn in neurons, forming Lewy bodies. This pathological α-syn can form oligomers and fibrils, which are toxic for neurons and their synapses. One of the first changes to occur in patients’ brain with synucleinopathies is synaptic dysfunction often combined with synapse loss. Synaptic α-syn oligomers were revealed to precede the formation of Lewy bodies, and their transmission to other neurons to correlate with the progression of the symptoms. Yet, the molecular mechanisms underlying how α-syn leads to synaptic dysfunction are unknown. Synaptic function is highly regulated by a protein family called synaptic organizers. Synaptic organizers are cell adhesion molecules that regulate synaptogenesis, plasticity, neurotransmitter release, synaptic plasticity and cognitive functions. Of this family, we have found that α-syn interacts with the β-isoforms of the neurexins (NRXs) family members (β-NRXs). My project aimed to characterize α-syn/β-NRX interaction and to evaluate how this interaction contributes to α-syn pathology. We hypothesized that this interaction affects NRX trafficking and its synaptic function. Firstly, to test our hypothesis, the α-syn/β-NRX interaction was characterized by performing cell surface binding assays. I found that α-syn oligomers strongly bind to NRX1,2β in a histidine rich domain (HRD)-dependent manner, without disrupting NRX binding to its postsynaptic binding partners, neuroligin 1 (NLG1) and leucine rich repeat transmembrane neuronal 2 (LRRTM2). Moreover, using internalization assays, we discovered that α-syn oligomers impair NRX trafficking by increasing NRX1β internalization in an HRD-dependent manner and impair NRX-dependent inhibitory presynaptic differentiation. Thereby, we suggest that this increased internalization affects the inhibitory synaptogenic function of NRX-based synaptic organizing complexes. This work contributes to a better understanding of how α-syn causes synaptic dysfunction, providing promising new molecular mechanisms and pharmacological insights into synucleinopathies.

L'α-synucléine est reconnue comme une protéine clé dans la physiopathologie de la maladie de Parkinson ainsi que d'autres troubles neurodégénératifs appelés synucléinopathies. Dans ces maladies, la surexpression de l’α-synucléine entraîne la formation d'agrégats toxiques dans les neurones dopaminergiques (DA). Dans cette thèse, nous avons exploré l’effet de la régulation de microARN (miARN) sur l’expression de l’α-synucléine. Pour se faire, des études ont été menées avec la lignée cellulaire humaine SH-SY5Y qui peut être différenciée pour créer un modèle de neurones DA et ensuite traitée avec une neurotoxine pour induire des caractéristiques cellulaires de la maladie de Parkinson. Des observations importantes ont été supportées dans des modèles cellulaires plus avancés, notamment les neurones induits par reprogrammation directe de fibroblastes humains (iNs) et les neurones DA primaires de souris purifiés. Le premier objectif était de mieux comprendre comment la surexpression aberrante de l'α synucléine dans les synucléinopathies pourrait être due à une dérégulation de la maturation des miARN qui ciblent son ARN messager. Tout d’abord, nous avons sélectionné les miARN les plus susceptibles d'avoir un effet régulateur sur l’expression de l’α-synucléine à partir de recherche de la littérature et d’analyse de bases de données spécialisées. Nous avons observé que l’augmentation de l'expression de l'α-synucléine associée à l’ajout de neurotoxine est accompagnée d’une diminution concomitante de l'expression de plusieurs miARN sélectionnés. Sur la base de ces résultats, l'impact de ces miARN sur l'expression de l'α-synucléine a été évalué dans plusieurs types de cellules humaines, notamment les HEK 293T, les SH-SY5Y différenciées et les iNs. À cette fin, nous avons utilisé des cibles de miARN exogènes pour réprimer l'activité régulatrice des miARN et avons mesuré leur effet sur l'expression de l'α synucléine. Ainsi, nous avons démontré que la répression de miR-7, miR-93, miR-140, miR 153 et miR 214 mène systématiquement à la surexpression de l’α-synucléine dans les différents types de cellules. De plus, nous avons démontré que certains miARN sont régulés de manière post-transcriptionnelle en mesurant les niveaux des formes immatures et matures des miARN dans différents contextes cellulaires. Le deuxième objectif était d’identifier des protéines potentiellement aptes à réguler la maturation post-transcriptionnelle de miARN. Des études de purification par affinité et de spectrométrie de masse ont permis d'identifier les protéines qui s’associent avec la tige-boucle des formes immatures des miARN et régulent potentiellement leur maturation. Quelques protéines candidates ont été sélectionnées sur la base d’analyse informatique pour examiner l’effet de leur surexpression dans différents essais cellulaires. À ce jour, nous avons identifié quatre protéines (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) qui, en plus de répondre à certains critères de bases (lient l’ARN, sont présentes dans le cerveau et impliquées dans des maladies associées au système nerveux), ont un effet sur l’activité et l’expression de miR-153 ainsi que sur l’expression de l’α-synucléine. Ces travaux ont permis d’établir de solides bases dans notre compréhension de la régulation de l'α-synucléine par les miARN et d’ouvrir la voie à des études plus élaborées qui permettront d’établir les mécanismes de régulation des niveaux de miARN qui ciblent l’α-synucléine. À plus long terme, cet axe de recherche pourrait fournir des pistes pour le développement d'outils diagnostiques et thérapeutiques pour les synucléinopathies. / Alpha-synuclein is a key protein in the pathophysiology of Parkinson's disease and other neurodegenerative disorders called synucleinopathies. In these diseases, overexpression of α-synuclein leads to the formation of toxic aggregates in dopaminergic (DA) neurons. In this thesis, we explored the effect of microRNA (miRNA) regulation on α-synuclein expression. To do so, studies were conducted with the human SH-SY5Y cell line, which can be differentiated to create a model of DA neurons and then treated with a neurotoxin to induce cellular features of Parkinson's disease. Important observations were supported in more advanced cell models, including neurons induced by direct reprogramming of human fibroblasts (iNs) and purified primary mouse DA neurons. The first objective was to better understand how aberrant overexpression of α-synuclein in synucleinopathies results in the deregulation of the maturation of miRNAs that target its messenger RNA. First, we selected the miRNAs most likely to have a regulatory effect on α-synuclein expression based on literature searches and specialized database analyses. We observed that the increase in α-synuclein expression associated with neurotoxin addition is accompanied by a concomitant decrease in the expression level of several selected miRNAs. Based on these results, the impact of these miRNAs on αsynuclein expression was evaluated in several human cell types, including HEK 293T, differentiated SHSY5Y, and iNs. To this end, we used exogenous miRNA targets to repress miRNA regulatory activity and measured their effect on α-synuclein expression. Thus, we demonstrated that repression of miR-7, miR-93, miR-140, miR-153, and miR-214 consistently leads to overexpression of α-synuclein in different cell types. In addition, we demonstrated that some miRNAs are regulated in a posttranscriptional manner by measuring the levels of immature and mature forms of miRNAs in different cellular contexts. The second objective was to identify proteins potentially able to regulate the post-transcriptional maturation of miRNAs. Affinity purification and mass spectrometry studies were used to identify proteins that associate with the stem-loop of immature forms of miRNAs and potentially regulate their maturation. A few candidate proteins were selected based on computational analysis to examine the effect of their overexpression in different cell-based assays. To date, we have identified four proteins (MIF, PCBP2, Prohibitin-2, and Tfr1) that, in addition, to fitting basic criteria (known to bind RNA, are present in the brain and associated with nervous system-related diseases) affect miR-153 activity and expression as well as α-synuclein expression. This work has established a solid foundation in our understanding of the regulation of α-synuclein by miRNAs and has paved the way for more elaborate studies that will establish the mechanisms of regulation of miRNA levels that target α-synuclein. In the longer term, this line of research could provide avenues for the development of diagnostic and therapeutic tools for synucleinopathies.