Optische Pinzetten stellen neuartige Werkzeuge in der Biophysik dar, die sich durch eine außerordentliche Präzision auszeichnen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden verfeinerte Bildanalysetechniken vorgestellt und neu entwickelt, die es erlauben, die Position eines Mikropartikels mit einer zeitlichen Auflösung von 0,017 s und einer Genauigkeit von ±2nm in lateraler und in axialer Richtung zu bestimmen. Dies ermöglicht eine Kraftauflösung von bis zu ±50 fN. Damit sind die Voraussetzungen für die Untersuchung von Rezeptor/Ligand-Wechselwirkungen auf der Ebene einzelner Bindungsereignisse gegeben. In der vorliegenden Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen den phosphorylierungsspezifischen Antikörpern HPT-101, HPT-104 und HPT-110 und Tau-Peptiden mit verschiedenen Phosphorylierungsmustern sowie zwischen DNA und den Proteinen TmHU und oPrPC untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen Tau-Peptiden und Antikörpern werden jeweils anhand ihrer Bindungshäufigkeit sowie der Verteilung der Abrisskräfte charakterisiert. Mit einem aus der Literatur bekannten, theoretischen Modell werden folgende Bindungsparameter bestimmt: Lebenszeit der unbelasteten Bindung, charakteristische Länge und freie Aktivierungsenergie der Dissoziation. Im Einklang mit Ergebnissen einer immunochemischen Messung werden spezifische Wechselwirkungen zwischen HPT-101 und dem biphosphorylierten Tau-Peptid sowie zwischen HPT-104 bzw. HPT-110 und den Peptiden, die eine Phosphorylierung an Thr231 bzw. Ser235 enthalten, beobachtet. Zusätzlich ermöglicht die Einzelmolekülmethode auch eine detaillierte Charakterisierung der unspezifischen Wechselwirkungen mit den Tau-Peptiden, welche das jeweilige spezifisch erkannte Phosphorylierungsmuster nicht beinhalten. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Proteine TmHU und oPrPC auf einen einzelnen, mit konstanter Kraft gehaltenen DNA-Strang. Der zeitliche Verlauf der TmHU-induzierten Kondensationsreaktion wird bei Kräften zwischen 2 pN und 40 pN sowie in Abhängigkeit von der Proteinkonzentration untersucht. Bei kleinen Kräften ist eine Verkürzung in zwei Phasen auf bis zu 30% der Konturlänge zu beobachten. Unter zusätzlicher Einbeziehung der Ergebnisse einer SMD-Simulation sowie einer rasterkraftmikroskopischen Untersuchung kann die erste Phase der Verkürzung einer primären Anbindung von TmHU zugeordnet werden. Die zweite Reaktionsphase entspricht hingegen vermutlich der Ausbildung einer Überstruktur. Die Wechselwirkung von oPrPC mit DNA wird zusätzlich mit einer kombinierten Anordnung aus Nanokapillare und optischer Pinzette untersucht. Dabei zeigt sich, dass ein Protein/DNA-Komplex ausgebildet wird, der eine negative Oberflächenladung aufweist und sich in seinem Volumen und seiner Ladung von reiner DNA unterscheidet. Allerdings hat oPrPC keinen Einfluss auf den Ende-zu-Ende-Abstand bzw. die Elastizität der DNA.

Hook-Proteine spielen eine wichtige Rolle im intrazellulären Transport. Sie binden n-terminal Mikrotubuli, haben eine coiled-coil-Domäne und binden c-terminal Organellen. Da aus humanen Hirnschnitten eine Kolokalisation mit den bei Alzheimerscher Erkrankung auftretenden neurofibrillären Tangles bekannt war, erscheint eine weitere Untersuchung der Expression und Lokalisation von Hook-Proteinen im zentralen Nervensystem interessant. Hierzu wurde die Expression der humanen Hook-Proteine mittels real-time RT-PCR quantifiziert und die Lokalisation der Hook-Proteine in verschiedenen transgenen Mausmodellen der Tauopathie mittels Immunhistochemie dargestellt. Außerdem wurde die cDNA der Hook-Proteine mittels PCR auf alternatives Spleißen untersucht.

Immunotherapy for Alzheimer\'s disease has emerged as a promising approach for clearing pathological tau protein conformers. To explore this kind of treatment we tested an active immunization with pseudo-phosphorylated tau fragments in P301L tangle model mice that develop neuronal tau aggregates as observed in frontotemporal dementia and Alzheimer’s disease. We found that an immunization reduces neurodegeneration in α-motor neurons in the spinal cord and slows progression of the tangle-related behavioral phenotype. Performance on behavioral assays correlated with tau pathology at the corresponding spinal cord level. Interestingly, a slowed progression of these tauopathy related characteristics were only seen in mice that received a specific immunization with pseudo-phosphorylated tau fragments, not in animals that received a non-specific activation of the immune system. An immunization witch pseudo-phosphorylated tau fragments may be a valuable therapeutic option in targeting one of the major hallmarks of Alzheimer’s disease and frontotemporal dementia.

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Die Liquordiagnostik ist neben der Anamnese, neuropsychologischen Testung und der Bildgebung eine wichtige Säule in der Demenzdiagnostik. Bisher diente sie vorrangig dazu, Demenzen von nicht-dementiellen Erkrankungen abzugrenzen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Trennschärfe der Kombination der Liquormarker Aß 1-42, T-Tau und P-Tau in der Differenzialdiagnostik innerhalb verschiedener Demenzformen. So bestätigten wir die liquorgestützte Alzheimerdiagnose bei erhöhten Werten von T-Tau und P-Tau, sowie bei erniedrigtem Aß 1-42. Bei den alpha-Synucleinopathien ließ sich bei einem normalen Befund eine Demenz bei Parkinson von einer Lewy-Body-Demenz abgrenzen (Aß erniedrigt). Vaskuläre Demenzen ließen sich durch ein normales Liquorprofil vom M. Alzheimer trennen; nach ischämischen Schlaganfällen jedoch traten stark erhöhte Werte des neuronalen Destruktionsmarkers T-Tau auf (abhängig von Größe und Alter des Infarktes) sodass hier die Aussagekraft eines Liquorbefundes bei Z.n. Schlaganfall gemindert war. Eine Lumbalpunktion bei Infarktnachweis in Anamnese oder Bildgebung sollte in ausreichend zeitlichen Abstand erfolgen (abhängig von Infarktgröße bis 6 Monate). Eine korrekte Therapie hängt von einer korrekten Diagnose ab, diese kann durch Liquordiagnostik unterstützt werden.

La fibrillation anormale de la protéine tau est un phénomène présent dans de nombreuses maladies neurodégénératives, dont la maladie d’Alzheimer, et conduit à la formation de fibres amyloïdes appelées dégénérescences neurofibrillaires. L’utilisation de molécules organiques capables de marquer ces fibres ou d’inhiber leur formation revêt un intérêt à la fois diagnostic et thérapeutique dans la maladie d’Alzheimer. Une série d’aurones a été synthétisée et leur capacité à interagir et interférer avec le processus de fibrillation a été évaluée in vitro sur des modèles de fibres de tau développés ou optimisés lors de ce projet. Ce travail a permis de montrer que des aurones polyhydroxylées sont capables d’agir comme sonde et/ou comme inhibiteur du processus de fibrillation. Afin d’élargir les applications possibles des aurones, la ligation d’aurones avec des biomolécules ou encore leur radiomarquage a également été évaluée. / The fibrillation of the tau protein occurs in many neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s disease, and leads to the formation of amyloid fibres called neurofibrillary tangles. Using organic molecules able to mark these fibres or inhibit their formation provides an interest both in diagnosis and therapy in Alzheimer’s disease. A series of aurones was synthesized and their ability to interfere with the fibrillation process was evaluated in vitro on models of tau fibres developed in this project. This work shows that polyhydroxylated aurones are able to act both as probes and as inhibitors of the fibrillation process. The ligation of these aurones with biomolecules or their radiolabelling has also been investigated.

Systemic inflammation is thought to be an important driver in chronic neurodegeneration. During systemic infection, the inflammatory status of the periphery is communicated to the brain and conserved sickness behaviours initiated. However, in the context of dementia the same inflammatory stimulus might trigger delirium. Delirium is a severe, transient neuropsychiatric condition characterised by altered levels of arousal, inattention, cognitive deficits and psychoses. Delirium and systemic inflammation exacerbate the trajectory of pre-existing dementia, and are associated with increased risk of future dementia. Accumulating experimental studies suggest microglia are “primed” by chronic neurodegeneration, such that a subsequent inflammatory insult – central or systemic – induces an increased inflammatory response which manifests as exaggerated sickness behaviours. To date there have been no studies of microglial priming in the context of pure tau pathology, without amyloid pathology, and none investigating acute sickness behaviour in such a model. The overarching aim of this thesis is to address this gap in the literature and further our understanding of the interactions between systemic inflammation, neuroinflammation and neurodegeneration in the context of tauopathy. The P301S mouse over-expresses human mutant tau protein under the Thy1.2 promoter. It develops hyperphosphorylated and insoluble tau accumulations and progressive neuronal loss. Consequently, P301S mice develop progressive hind limb paralysis. This study identified the horizontal bar task, a test of motor control and coordination, conducted at weekly intervals from 8-22 weeks of age, as a non-invasive measure of disease progression. In addition, a detailed temporal profile of pathological hallmarks at 8, 9, 10, 11, 12, 16 and 20 weeks of age was determined. Key results presented here demonstrate progressive, superficial neuronal loss in the cortex of P301S mice, with associated astrogliosis and surprisingly this occurs in the absence of apparent cortical microgliosis. In stark contrast, there is progressive microgliosis in the spinal cord of P301S mice. On this background, lipopolysaccharide (LPS), a chemical moiety found on the outer surface of gram-negative bacteria, was used to mimic a systemic bacterial infection. P301S mice and C57BL/6 control mice were injected, at 10 or 16 weeks of age, intraperitoneally with 500 μg/kg LPS or saline and were monitored in the following hours and weeks. Acutely, P301S mice showed signs of an exaggerated, longer lasting sickness response. Importantly, exaggerated acute symptoms extended beyond those typically associated with sickness behaviour; LPS induced an exaggerated acute impairment of horizontal bar performance in P301S mice and not C57BL/6 mice – a function which is known to be impaired in P301S mice later in disease. Impairments were age-dependent in terms of timing of injection. These data suggest an interaction between acute infection and existing CNS vulnerability leading to acute neurological dysfunction that is not a feature observed in sickness in a normal animal. LPS-injected P301S mice also showed, again age-dependent, increased rate of decline in motor performance compared with controls. There was no evidence of microglial priming in P301S mice. LPS caused an acute increase in AT8-positive phospho-tau however this did not persist until end stage. At 22 weeks of age there was significant disease-associated cortical neuronal loss in the vehicle-injected P301S mice, and additional superficial cortical neuronal loss in LPS-injected P301S mice and control mice. There was significant IBA1-positive microgliosis in the spinal cord of P301S mice at end stage which was further increased in LPS-injected P301S mice. Taken together these data indicate a clear and clinically relevant interaction between systemic inflammation and tau-associated neuropathology with acute and long-term functional consequences. In the absence of evidence of microglial priming, future work will explore potential mechanisms.

La maladie d'Alzheimer est une pathologie neurodégénérative caractérisée par une perte progressive des fonctions cognitives. Cette perte des fonctions cognitives est directement liée à une atteinte neuronale et plus particulièrement synaptique. Deux caractéristiques histopathologiques en lien avec des dérégulations protéiques sont retrouvées chez les patients atteints de la MA : les plaques séniles extracellulaires composées de peptides β-amyloïdes (Aβ) fibrillaires et la dégénérescence neurofibrillaire constituée d'agrégats intracellulaires de protéines tau hyper et anormalement phosphorylées. Les formes agrégées de ces protéines ont longtemps été considérées comme neurotoxiques, cependant, il est maintenant avéré que les formes solubles de ces protéines dérégulées étaient à l'origine de la pathologie. Les synapses excitatrices situées au niveau des épines dendritiques sont les cibles du peptide Aβ sous forme soluble et oligomèrique (Aβo). Ce dernier en altère la fonction et induit leurs pertes. Récemment, il a été montré que cette action synaptotoxique de l'Aβo est dépendante de la protéine tau. De plus, dans un autre modèle de tauopathie, la démence fronto-temporale avec syndrome parkinsonien liée au chromosome 17 (FTDP-17), la synaptotoxicité de tau s'est révélée dépendante de son état de phosphorylation. Ainsi, il émerge le concept de tau synaptique dans un contexte pathologique. Cependant, des études plus récentes ont montré que, en condition physiologique, une petite portion de tau se retrouve au niveau de la synapse. Au regard de ces nouvelles données, il est possible que tau, en plus d'être une protéine axonale, nucléaire et membranaire, soit aussi synaptique. Dans ce contexte, les travaux présentés dans cette thèse visent à étudier l'implication de la protéine tau dans la fonction synaptique et les perturbations induites par la présence d'Aβo. Ces travaux ont été effectués sur un modèle cellulaire de cultures primaires de neurones corticaux et sur tranche d'hippocampe de souris par des méthodes biochimiques et d'analyse dynamique en microscopie confocale sur cellules vivantes. Afin d'étudier l'impact d'une activation synaptique sur un système de culture neuronal, l'utilisation combinée de la bicuculline, antagoniste des récepteurs gabaergique GABAa et de 4-amino pyridine, bloqueur de canaux potassique, permet d'établir une potentialisation à long terme sur les synapses. Grâce à un protocole d'extraction permettant d'isoler le compartiment post-synaptique (fraction contenant la densité post synaptique dont le marqueur protéique PSD-95), nous avons montré que l'activation synaptique enrichit la fraction PSD en protéine tau suggérant son implication dans les phénomènes de plasticité synaptique. L'étude du cytosquelette d'actine prépondérant au niveau synaptique a révélé que l'actine filamenteuse est un partenaire de tau. Dans un contexte pathologique, l'incubation d'Aβo induit le recrutement de tau à la synapse et perturbe l'organisation du cytosquelette d'actine. Ce changement structurel du cytosquelette d'actine pourrait être à l'origine des perturbations de la plasticité et du maintien synaptique induit par Aβo. En conclusion, l'ensemble des résultats de cette thèse suggère que tau exerce une fonction physiologique au sein de la synapse impliquant une interaction avec le cytosquelette d'actine et qu'en conditions pathologiques (induites par Aβo), on observe une altération fonctionnelle du rôle de tau à la synapse qui pourrait participer aux perturbations cognitives caractéristiques de la MA. / Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by a progressive loss of cognitive functions. This loss of cognitive functions is directly related to neuronal impairment, and more specifically, synaptic dysfunction. Two histopathological features found in AD patients' brains are related to protein deregulation: extracellular neuritic plaques composed of fibrillar β-amyloid peptide (Aβ) and intracellular aggregates composed of hyper-phosphorylated tau, named neurofibrillary tangles. Aggregated forms of these peptides have been considered neurotoxic, however, it is now recognized that soluble forms of these deregulated proteins are causal to the pathology. Soluble, oligomeric forms of Aβ peptide (Aβo) target excitatory synapses where they diminish synaptic function and cause loss of dendritic spines. Recently, it has been shown that the Aβo synaptotoxicity is tau-dependent. Another tauopathy, fronto-temporal dementia with Parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17), exhibits synaptotoxicity, which has proved to be dependent on the phosphorylation state of tau. Thus, emerged the concept of synaptic tau in a pathological context. Recent studies have shown that a small quantity of tau is present in synapses under physiological conditions. These new data suggest that tau is a synaptic protein, in addition to being axonal, nuclear and membrane-associated. In this context, the work presented in this thesis characterizes the involvement of tau in synaptic function and its Aβo-induced disturbances. This work was conducted using primary cortical neurons cultured from mice and hippocampus slices and employed biochemical methods and confocal live-cell imaging. To study the impact of a synaptic activation on synaptic tau, we combined bicuculline, an antagonist of GABAa receptors and 4-amino-pyridine, potassium channel blocker, to establish long-term synaptic potentiation. By isolating the post-synaptic compartment (i.e. the fraction containing the post synaptic density and its marker PSD-95), we have shown that synaptic activation induced an enrichment of tau in PSD. This suggests its involvement in synaptic plasticity. The study of the actin cytoskeleton, which is specifically enriched in dendritic spines, revealed that filamentous actin is a molecular partner of tau, which may provide a means of recruiting tau to the synapse. Turning our attention to a pathological context, exposure to Aβo induced tau recruitment to the synapse and disrupts the actin cytoskeleton organization without exogenous synaptic stimulation. This structural modification of the actin cytoskeleton could underlie the disturbance of plasticity and synaptic maintenance induced by Aβo. In conclusion, this thesis provides evidence that tau performs a physiological synaptic function that involves an interaction with the actin cytoskeleton. Further, the synaptic function of tau is altered in pathological conditions (i.e. exposure to Aβo), and may contribute to the cognitive disturbances in AD.

A proteína Tau é um importante componente do citoesqueleto neuronal, encontrada fundamentalmente nos axônios e sendo responsável pela estabilização dos microtúbulos. Agregados de proteína Tau em estado hiperfosforilado dão origem aos filamentos helicoidais pareados, que por sua vez integram os emaranhados neurofibrilares. Estes, ao lado das placas senis, representam os achados patológicos característicos da doença de Alzheimer (DA). A superfamília das fosfolipases A2 (PLA2) compreende diversas enzimas que participam de processos fisiológicos importantes, tais como a digestão de fosfolipídios, a remodelação da membrana celular e a geração de mensageiros para a sinalização intracelular. Existem evidências indiretas de que o estado de fosforilação da Tau é modificado pelos produtos metabólicos da PLA2, em processos de neuritogênese e plasticidade sináptica. O presente trabalho tem como objetivo investigar, em culturas primárias de neurônios, os efeitos da inibição da PLA2 sobre o estado de fosforilação da proteína Tau. Foram utilizados inibidores de diferentes subtipos de PLA2 para o tratamento das culturas, sendo os efeitos determinados pelo método de Western Blot, utilizando-se painel de anticorpos direcionados contra a proteína Tau sensíveis ao estado de fosforilação de seus diferentes fosfoepitopos. Nossos achados mostram que a inibição da PLA2 leva a um aumento dose-dependente e específico da fosforilação da Tau no resíduo de Serina 214. Isso sugere que a PLA2 participa da regulação do estado de fosforilação da Tau em neurônios hipocampais por uma via independente da ação da enzima glicogênio sintase quinase (GSK), que é a principal quinase da proteína Tau em neurônios. Essas evidências reforçam o papel da PLA2 na fisiopatologia da DA, na qual a redução da atividade enzimática correlaciona-se com parâmetros clínicos e neuropatológicos da demência. / Tau protein is an important cytoskeleton component, responsible for microtubules stabilization, found basically in axons of neurons. The abnormal aggregation of Tau protein in a hyperphosphorylated state could lead to paired helical filaments, which in turn integrate the neurofibrillary tangles present in many illnesses, such Alzheimer Disease (AD). Together with senile plaques, neurofibrillary tangles represent the histopathological findings of AD. Indirect evidences show that metabolic products of an important family of enzymes, phospholipase A2 (PLA2) are responsible for modifications in neuritogenesis processes, synaptic plasticity and in Tau phosphorylation state. The superfamily of PLA2 comprehends many enzymes important in physiological processes, such as phospholipids digestion, cellular membrane remodeling and messengers of intracellular signaling. This way, the objective of this research is to investigate, in primary neurons cultures, the effect of PLA2 inhibition on Tau phosphorylation state. Cultures were treated with PLA2 inhibitors and the effects were analyzed by western-blot method using specifics antibodies for some Tau phosphorylated residues. Our findings show that the PLA2 inhibition increases Tau phosphorylation in Serine 214 residue in dose-dependent and specific manner. These findings suggest that PLA2 participate in hippocampal neurons Tau phosphorylation regulation, in a glycogen sintase quinase (GSK) independent manner. These evidences strengthen the possible role of PLA2 in the physiopathology of AD and that the reduction of its enzymatic activity is correlated with clinical and neuropathology parameters of dementia.