La maladie d’Alzheimer (MA) est une pathologie neurodégénérative multifactorielle constituant la première cause de démence. Au niveau cérébral, deux types de lésions histopathologiques sont retrouvées chez les patients : les dépôts amyloïdes, constitués de peptides bêta ;-amyloïdes (A bêta;) agrégés dans le milieu extracellulaire ; et la dégénérescence neurofibrillaire (DNF), accumulation intra-neuronale de fibrilles formées de filaments appariés en hélices, majoritairement constitués de protéines Tau agrégées et pour lesquelles l’état de de phosphorylation est altéré. Si le principal facteur de risque de MA est l’âge, de nombreux facteurs de risques environnementaux et génétiques ont également été identifiés. Depuis plusieurs années, les études cliniques réalisées chez des patients atteints de la MA semblent indiquer que les troubles du sommeil, et en particulier le syndrome d’apnées du sommeil (SAS), pourraient être à l’origine de la conversion des patients présentant une déficience cognitive légère vers une MA, ainsi que d’une aggravation du tableau cognitif chez ces patients Alzheimer. Dans ce contexte, plusieurs études expérimentales se sont intéressées aux effets d’un stress hypoxique intermittent sur la composante amyloïde de la MA. En particulier, il a été démontré qu’un stress hypoxique intermittent pouvait potentialiser la synthèse de peptides Aβ in vitro mais également in vivo. En revanche, à l’heure actuelle, l’effet d’un stress hypoxique intermittent sur la pathologie Tau demeure très peu connu. Or, chez l’homme, la progression de la DNF est corrélée avec celle des atteintes cognitives. De fait, et suite aux études cliniques semblant indiquer une majoration des troubles cognitifs chez les patients Alzheimer présentant un SAS, il nous a semblé pertinent de nous intéresser à la pathologie Tau en situation d’hypoxie. Les objectifs de ces travaux de thèse étaient d’évaluer l’effet d’un stress hypoxique sur la mémoire et la protéine Tau chez l’animal. Pour cela, nous avons utilisé le modèle murin transgénique THY-Tau22, qui surexprime une protéine Tau humaine mutée et développe une pathologie Tau progressive corrélée avec une atteinte mnésique observable lors de tests comportementaux. Nous avons utilisé des animaux à différents stades de la pathologie Tau : les premiers présentaient une pathologie Tau modérée, les seconds présentaient une pathologie Tau à un stade plus avancé. Les animaux ont été soumis à deux protocoles d’hypoxie différents : un protocole d’hypoxies aiguës (Fraction inspirée en oxygène (FiO2) égale à 8% pendant une heure) mais répétées de façon bihebdomadaire pendant plusieurs mois, et un protocole d’hypoxies intermittentes (FiO2 variant de 5% à 21% par cycles de 60 secondes, 8 heures par jour, pendant deux semaines). Nos résultats ont mis en évidence des effets inattendus du stress hypoxique sur la mémoire des animaux, associés à des modifications de l’état de phosphorylation et de l’agrégation de la protéine Tau. En particulier, les animaux transgéniques les plus âgés (donc présentant une pathologie Tau a un stade avancé) soumis au protocole d’hypoxies intermittentes (modèle de SAS) ont présenté une amélioration de leurs capacités mnésiques, ce qui va à l’encontre des observations réalisées en clinique humaine (aggravation des troubles cognitifs des sujets atteints de la MA et présentant un SAS). Ces résultats sont associés à une réduction des quantités de protéines Tau agrégées dans l’hippocampe, signe d’une réduction de la pathologie Tau dans le modèle. Nous discutons ici ces résultats et leur apport en clinique humaine. / Alzheimer’s disease (AD) is a multifactorial neurodegenerative pathology constituting the first cause of dementia. At a cerebral level, two kinds of histopathological lesions are found in patients: amyloid deposits (extracellular aggregates of β-amyloid peptides: Aβ) and neurofibrillary degeneration (NFD). NFD consists in intraneuronal accumulation of paired helical filaments, mainly composed of aggregated and hyperphosphorylated Tau proteins. Aging is the main risk factor for AD. However, numerous environmental and genetic risk factors have also been identified. Since several years, some clinical studies have shown that sleep disorders breathing, and especially the sleep apnea syndrome (SAS) could be responsible of the conversion of mild cognitive impairment to AD. SAS could also be an aggravating factor for AD, with an increase of the cognitive decline seen in patients. In this context, many experimental studies have been interested in the consequences of an intermittent hypoxic stress on the amyloid pathology. More specifically, it has been shown that an intermittent hypoxic stress could potentiate Aβ synthesis both in vitro and in vivo. Nevertheless, the impact of an intermittent hypoxic stress on Tau pathology remains poorly investigated. As clinical studies in AD patients with a SAS have shown an increase of the cognitive decline, and that it is well known that NFD is correlated with the cognitive impairment in AD patients, we were interested to study the Tau pathology under hypoxia.Our objectives in this thesis were to evaluate the consequences of a hypoxic stress on memory and Tau protein in animals. We used the THY-Tau22 transgenic mouse model, overexpressing a human mutated Tau protein and presenting a progressive Tau pathology correlated with a memory impairment observable in behavioural tasks. The animals were submitted to hypoxia at different stages of the Tau pathology: the younger animals showed a moderate Tau pathology whereas the olders presented a major Tau pathology. Two different protocols were used in this work. The first one consisted in repeated acute hypoxias (inspired fraction of oxygen (FiO2): 8% for 1 hour, twice a week, for several months). The second one was a protocol of intermittent hypoxias (FiO2 comprised between 5% and 21%, 60 seconds cycles, 8 hours per day, for 2 weeks). We observed some unexpected results of hypoxic stress on memory and Tau pathology in our transgenic mice. More specifically, the THY-Tau22 mice exhibiting the stronger Tau pathology (the older animals) have shown an improvement of their memory after two weeks of intermittent hypoxia. This result goes against the clinical observations (aggravation of the cognitive decline of AD patients with a SAS), but is correlated in our model to a significant decrease of aggregated Tau protein in the hippocampi of our mice. We discuss here these results and their contribution to human pathology.

La maladie d’Alzheimer (MA) se caractérise par une perte mnésique progressive et au plan neuropathologique par le dépôt extracellulaire de plaques amyloïdes, résultant de l’agrégation de peptides amyloïdes (Aβ), et par l’apparition d’une dégénérescence neurofibrillaire (DNF) constituée d’agrégats intraneuronaux de protéines Tau hyper et anormalement phosphorylées. L’évolution des déficits cognitifs des patients est particulièrement corrélée à la progression spatio-temporelle de la DNF. A l’heure actuelle, il n’existe aucun traitement curatif de la maladie. Le cholestérol joue un rôle central dans la physiopathologie de la MA. En particulier, l’allèle ε4 du gène de l’apolipoprotéine E, transporteur cérébral essentiel du cholestérol, est le principal facteur de risque génétique des formes sporadiques de la MA. De nombreuses études in vitro montrent qu’une surcharge en cholestérol induit la production d’Aβ pathogènes et qu’inversement, une déplétion en cholestérol entraîne une diminution de la voie amyloïde. Le cholestérol ne peut pas passer librement la barrière hémato-encéphalique (BHE). Le cholestérol cérébral est exclusivement synthétisé in situ. Le cholestérol cérébral en excès doit être exporté dans la circulation sanguine pour être métabolisé. Pour franchir la BHE, sa conversion en 24(S)-hydroxycholestérol est nécessaire, étape contrôlée par la cholestérol 24-hydroxylase (CYP46A1). Deux précédents travaux de thèse effectués dans le laboratoire ont permis de mettre en évidence des connexions étroites entre le métabolisme du cholestérol et la MA in vivo. La surexpression intracérébrale de CYP46A1 dans un modèle murin amyloïde à l’aide d’un vecteur viral adéno-associé (AAV) a conduit à la diminution de la production d’Aβ, des plaques amyloïdes et à l’amélioration des performances mnésiques des animaux. A l’inverse, l’inhibition de l’expression de CYP46A1 dans l’hippocampe de souris sauvages induit la production d’Aβ, la phosphorylation de Tau et des défauts mnésiques chez la souris. L’objectif de mon travail de doctorat a été de déterminer s’il existait un lien direct entre CYP46A1 et la pathologie Tau et si la modulation du métabolisme du cholestérol pourrait avoir un effet bénéfique sur la pathologie Tau associée à la MA. Pour répondre à ces questions, le modèle murin THY-Tau22, qui développe une pathologie Tau de type Alzheimer, a été utilisé. Cette pathologie, essentiellement hippocampique, est évolutive et associée à des déficits mnésiques. Dans l’hippocampe des souris THY-Tau22, le cholestérol libre total n’est pas modifié, alors que l’expression protéique de CYP46A1 est diminuée, et en conséquence le contenu en 24(S)-hydroxycholestérol. L’expression protéique de CYP46A1 dans l’hippocampe est également réduite dans un autre modèle murin de pathologie Tau, le modèle THY-Tau30. Ainsi, la pathologie Tau semble être à l’origine de la diminution de l’expression protéique de CYP46A1. Afin de déterminer si la surexpression de CYP46A1 chez la souris THY-Tau22 pouvait améliorer son phénotype biochimique, neuropathologique et clinique, un vecteur AAV codant pour CYP46A1 a été injecté dans l’hippocampe de souris THY-Tau22 âgées de trois mois et demi. Deux mois et demi après injection, la surexpression de CYP46A1 chez les souris THY-Tau22 induit une restauration de la concentration hippocampique en 24(S)-hydroxycholestérol et une augmentation de l’expression des gènes impliqués dans la synthèse du cholestérol, et plus particulièrement dans la voie du mévalonate. Deux mois et demi et cinq mois et demi post-injection, la surexpression de CYP46A1 entraîne une restauration complète des performances mnésiques des animaux qui s’accompagne d’un rétablissement de la dépression à long terme, de la longueur des dendrites secondaires, de la densité synaptique et de l’expression des gènes d’activité précoce dans l’hippocampe. (...) / Alzheimer’s disease (AD) is characterized by a progressive memory loss and neuropathologically by senile plaques and neurofibrillary tangles (NFTs). Senile plaques are constituted of extracellular amyloid peptide (Aβ) deposits while NFTs result from the accumulation and the aggregation of intracellular hyperphosphorylated Tau proteins. Spatiotemporal progression of NFTs particularly correlates with cognitive impairments. To date, there is no curative treatment for this disease. Cholesterol plays a central role in AD physiopathology. Indeed, the ε4 allele of the apolipoprotein E, the brain’s principal cholesterol-carrier protein, is the main genetic risk factor for sporadic forms of AD. Numerous in vitro studies have shown that cholesterol overload induces production of pathogenic Aβ and conversely, cholesterol depletion causes a reduction of the amyloidogenic pathway. In adult, brain cholesterol is exclusively synthesized in situ. Brain cholesterol is not able to freely cross the blood brain barrier and its major exportable form is 24(S)-hydroxycholesterol generated by the cholesterol 24-hydroxylase (CYP46A1). Two previous thesis works in this laboratory highlighted narrow connections between cholesterol metabolism and AD in vivo. The intracerebral overexpression of CYP46A1 mediated by an adeno-associated viral (AAV) vector, in a murine amyloid model, led to the decrease of Aβ production, senile plaques and improvement of memory abilities. At the opposite, hippocampal CYP46A1 inhibition in wild-type (WT) mice induced Aβ production, Tau phosphorylation and memory impairments. The aim of this thesis work was to determine whether there was a direct link between CYP46A1 and Tau pathology and whether cholesterol metabolism modulation could have a beneficial effect on AD-like Tau pathology. In order to answer these questions, the THY-Tau22 mouse model, that develops AD-like Tau pathology, was used. In this model, the pathology mainly occurs in the hippocampus, it is progressive, and associated with memory deficits. In THY-Tau22 mice, total free cholesterol in the hippocampus was unchanged, whereas both CYP46A1 protein expression and 24(S)-hydroxycholesterol content were decreased. Furthermore, we also demonstrated that CYP46A1 protein expression was reduced in another murine model of Tau pathology, the THY-Tau30 model. Therefore, it may suggest that Tau pathology can be responsible for CYP46A1 decrease. We next determined whether CYP46A1 overexpression in the THY-Tau22 mouse could improve its biochemical, clinical and neuropathologic phenotype. For this purpose, an AAV vector encoding CYP46A1 was injected in the hippocampus of 3.5-month-old WT and THY-Tau22 mice. Two and a half months after injection, hippocampal CYP46A1 overexpression in THY-Tau22 mice induced restoration of hippocampal 24(S)-hydroxycholesterol content and increased expression of genes involved in cholesterol synthesis, more particularly in the mevalonate pathway. Two and a half and five and a half months post-injection, CYP46A1 overexpression resulted in a complete restoration of memory abilities and was accompanied by restoration of long-term depression, length of secondary dendrites, synaptic density and expression of immediate-early genes in hippocampus. Despite this, abnormal Tau hyperphosphorylation and gliosis, that characterizes this model, remained unchanged after CYP46A1 overexpression. Altogether, these results suggest a direct connection between Tau pathology and CYP46A1 in vivo. In other words, Tau pathology could lead to memory deficits via CYP46A1 decrease. These data, together with the fact that CYP46A1 overexpression can modulate the amyloid pathology in mice, suggest that CYP46A1 may be a relevant therapeutic target for AD.

La maladie d’Alzheimer (MA) est caractérisée par une perte progressive des capacités mnésiques et des fonctions cognitives accompagnée du développement de dégénérescences neurofibrillaires (DNFs) et de plaque séniles dans le parenchyme cérébral. La découverte de perturbations épigénétiques dans des cerveaux de patients Alzheimer ont mené la communauté scientifique à se tourner vers de nouvelles voies thérapeutiques. De telles altérations, notamment au niveau de l’acétylation des histones de la chromatine, pourraient rendre compte de dysfonctionnements dans l’expression des programmes génétiques. En utilisant les souris THY-Tau22 (développement progressif de DNFs), nous avons évalué l’efficacité de deux stratégies visant à augmenter l’acétylation des histones : activer les HATs et inhiber les HDACs. Ces deux stratégies permettent une récupération des performances en mémoire spatiale chez les souris THY-Tau22, ouvrant ainsi de nouveaux axes thérapeutiques et de recherches dans la MA. / Alzheimer’s disease (AD) is characterized by a progressive loss of memory and cognitive functions associated with the development of neurofibrillary tangles (NFTs) and amyloid plaques in the brain. Nowadays, there is no satisfactory cure for AD. The discovery of epigenetic alterations in AD brain led the scientist community to think about new therapeutic options. Such modifications, and notably those on histone acetylation of the chromatin, could be associated with the genetic dysfunctions observed in AD. The reestablishment of proper epigenetic regulations, and thus gene expression, appears as an original therapeutic option. Using THY-Tau22 mice, we assessed the effect of two strategies aimed at increasing histone acetylation with a HAT activator (CSP-TTK21) or an HDAC inhibitor (phenylbutyrate). We show that both therapeutic strategies allow the rescue of spatial memory performances in the THY-Tau22 mouse model. These results open new leads for AD therapeutics and research.