Les processus de neuro-inflammation jouent un rôle majeur dans la maladie d'Alzheimer (MA). Des études génétiques récentes démontrent cette association entre neuro-inflammation et MA et impliquent notamment un gène, TREM2, qui code pour un récepteur exprimé à la surface de la microglie. La tauopathie est une lésion caractéristique de la MA. Elle se traduit par l’hyperphosphorylation et l’agrégation intraneuronale de la protéine Tau. Les travaux sur le rôle de TREM2 dans le développement de la pathologie Tau sont peu nombreux et donnent des résultats contradictoiresAinsi, l’objectif de ma thèse est d’étudier le rôle de la neuroinflammation et de TREM2 dans la progression de la tauopathie, dans deux modèles différents. Le premier est obtenu par injection stéréotaxique de vecteurs AAV dans la couche CA1 de l’hippocampe de souris déficientes ou non en TREM2. Ces vecteurs entrainent la surexpression de différentes formes de la protéine Tau humaine et permettent de récapituler les différents stades de la tauopathie.Nous avons en parallèle utilisé un modèle transgénique plus progressif de tauopathie, la souris THY-Tau22, afin d’étudier l’influence du stade de la pathologie dans l’effet provoqué par une déficience en TREM2 sur l’évolution de la pathologie. Notre étude a mis en évidence la toxicité des formes solubles de Tau dans le modèle AAV par rapport à ses formes agrégées. Le modèle transgénique THY-Tau22 nous a permis de mettre en évidence une augmentation des lésions tauopathiques dans les souris déficientes en TREM2 par rapport aux souris qui ne le sont pas, uniquement à un stade avancé. Cela suggère que, à l’instar des modèles amyloïdes, l’effet de la déficience en TREM2 sur le décours de la tauopathie est différent en fonction du stade considéré. / Neuroinflammation processes appear to play a major role in Alzheimer's disease (AD). Recent genetic studies support this correlation between neuroinflammation and AD and include a gene, TREM2, expressed on microglial surface. Tauopathy is a characteristic lesion of AD. It results in hyperphosphorylation and intraneuronal aggregation of Tau protein. In the literature, only few articles describe the role of TREM2 in the development of Tau pathology, and they report contradictory results. We therefore do not know for sure whether a deficiency in TREM2 has a deleterious effect or not on tauopathy. Thus, the goal of my thesis is to study the role of neuroinflammation and TREM2 in the progression of tauopathy, in two different models. The first is obtained by stereotaxic injection of AAV vectors into the CA1 layer of the hippocampus of TREM2-deficient or non-deficient mice. These vectors lead to the overexpression of different forms of the human tau protein, thus making it possible to recapitulate the different tauopathy stages.In parallel, we used a more progressive trangenic model of tauopathy, the THY-Tau22 mouse, to study the influence of TREM2 deficiency at different stage of the pathology. Our study demonstrated the toxicity of Tau soluble forms in the AAV model compared to its aggregated forms. The THY-Tau22 transgenic model allowed us to demonstrate an increase in tauopathic lesions in TREM2 deficient mice compared to wild type mice, at late stage only. This suggests that, similar to amyloid models, the effect of TREM2 deficiency on the course of tauopathy is influenced by the stage of the disease.

La maladie d’Alzheimer (MA), la forme la plus répandue de démence, est caractérisée par une accumulation cérébrale de plaques amyloïdes formées de peptide beta-amyloïde, et d’enchevêtrements neurofibrillaires (NFT) de protéine tau anormalement phosphorylée (P-tau). Depuis plusieurs années, l’évidence d’une implication majeure d’altérations synaptiques dans la pathologie a émergée. De plus, il a été observé dans les cerveaux MA que les héparanes sulfates (HS), normalement extracellulaires, accumulent à l’intérieur des neurones, où ils co-localisent avec tau. Le laboratoire CRRET a mis en évidence que la 3-sulfotransferase 2 (HS3ST2), enzyme prédominante dans le cerveau où elle génère des HS 3-O-sulfatés (3S-HS) de rôle inconnu, est impliquée dans les mécanismes à l’origine de la tauopathie. Puisque la HS3ST2 et les 3S-HS n’ont jamais été caractérisés à la synapse où ils pourraient participer au développement de la tauopathie, les objectifs de ce travail sont : 1) déterminer si la HS3ST2 et les 3S-HS sont présents à la synapse et étudier des possibles rôles physiologiques ; 2) déterminer si les 3S-HS accumulent au niveau intracellulaire dans des cellules neuronales et/ou dans de synaptosomes issus d’un modèle murin de tauopathie ; et 3) examiner si les 3S-HS intracellulaires produits par la HS3ST2 sont impliqués dans le développement ou évolution de la tauopathie au niveau synaptique.Dans ce travail, nous avons montré la présence des 3S-HS et de la HS3ST2 à la synapse de cellules hippocampiques et accumulé des preuves de leur implication dans la stabilité et l’activité synaptique, toutes deux altérées par des peptides se liant aux 3S-HS ont pu bloquer cette activité. Nous avons implémenté et caractérisé le modèle murin de tauopathie rTg4510 et mise en place les cultures primaires de leur neurones hippocampiques. Dans ces cellules, nous avons montré l’accumulation intracellulaire des 3S-HS et une surexpression de la HS3ST2 corrélant avec l’accumulation de P-tau. La digestion enzymatique des HS dans les synaptosomes a résulté dans l’inhibition de la tauopathie.Ce travail révèle pour la première fois un rôle fondamental de la 3-O-sulfatation des chaines d’HS à la synapse, aussi bien dans des conditions physiologiques que pathologiques. Pour la première fois, l’enzyme HS3ST2 est décrite à la synapse. De plus, ce travail donne la preuve d’un lien fort entre l’expression d’HS3ST2, l’accumulation de 3S-HS et la tauopathie au niveau synaptique, ouvrant de nouvelles opportunités pour mieux comprendre la MA. / Alzheimer’s disease (AD), the main form of dementia in the world, is characterized by brain accumulation of amyloid plaques formed of amyloid beta, and neurofibrillary tangles (NFT) made of tau protein in an abnormally hyperphosphorylated form (P-tau). Strong evidences show that synaptic changes are central to the disease process. Moreover, previous observations in AD have shown that heparan sulfates (HS), typically present outside the cell , accumulate inside neurons of AD in where they interact with tau. Recently, the CRRET laboratory demonstrated that the neural 3-O-sulfotransferase 2 (HS3ST2), which generates 3-O-sulfated HS (3S-HS) of still unrevealed physiological roles, is involved in the mechanisms leading to tauopathy. Since it was unknown whether HS3ST2 and 3S-HS are expressed at the synapse and if there they participate to tauopathy development and/or evolution, the objectives of this work were: 1) to determine if HS3ST2 and 3S-HS are present at the synapse and to get insights on their physiological role; 2) to investigate whether 3S-HS accumulate intracellularly in hippocampal cells and/or in synaptosomes from a mice model of tauopathy; and 3) to investigate whether intracellular 3S-HS made by HS3ST2 are involved in tauopathy development and/or evolution at the synaptic level.We described here the presence of 3S-HS and HS3ST2 at the synapse and the role that may play 3S-HS in maintaining synaptic transmission and stability in primary cell culture from mice. These roles are the results of potential multiple implications of 3S-HS in various processes. Secondly, we implement and characterized the rTg4510 mice model of AD-related tauopathy and set primary cultures of hippocampal cells from these mice. In the tauopathic cells, we showed the intracellular accumulation of 3S-HS and HS3ST2 overexpression. Finally, we cleaned P-tau in synaptosomes from the rTg4510 mice aged of 2 months by digesting HS.The present work reveals, for the first time, the presence and a possible fundamental role of HS3ST2 and 3S-HS at the synapse. We give evidences of an interplay between 3S-HS, produced by HS3ST2, and tau and the synaptic level, leading to its abnormal phosphorylation. The results of these work open a new way to understand the phenomenon leading to synaptic impairment in AD patients and could reveal new targets to elaborate protection strategies against the AD pathological lesions.

Tauopathien sind Krankheiten, die mit einer abnormen intrazellulären Tau-Protein-Faltung, Tau-Protein-Aggregation und Filament-Bildung im ZNS und PNS einhergehen. Die Alzheimer Demenz stellt die häufigste Tauopathie dar. Bei ihr kommt es zu einer intra- und extrazellulären Ablagerung fehlgefalteter amyloidogener Proteinaggregate, welche durch β Amyloid und Tau gebildet werden. Es resultiert eine Neurodegeneration. Ein multifaktorieller Prozess führt bei den Tauopathien zur Umwandlung des Tau-Proteins hin zu unlöslichen Fibrillenbündeln. Primär kommt es zur Bildung eines Dimers, das durch Disulfid- und Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird. Durch die Zusammenlagerung mehrer Dimere entstehen Tau-Oligomere. Diese gelten als die neurotoxischen Komponenten. Die Primärstruktur des Tau-Proteins beeinflusst den Aggregationsprozess. Dabei spielen die Anwesenheit der Aggregationsdomänen PHF6* und PHF6 und die Anzahl der Cystein-Seitenketten überragende Rollen. In dieser Arbeit wurden durch ortsspezifische Mutagenesen Tau-Konstrukte generiert, die sich in ihrer Anzahl der Aggregationsdomänen und der Cystein-Reste unterschieden. Es konnte gezeigt werden, dass die Aggregationstendenz der Tau-Proteine mit nur einer Aggregationsdomäne und keinem Sulfhydryl-Rest stark sinkt. Auch durch Veränderungen des Redoxmilieus lässt sich das Tau-Aggregationsverhalten beeinflussen. Es wurde gezeigt, dass die Substanz TCEP als starkes Reduktionsmittel die Aggregation der 2 humanen Tau-Isoformen 2N3R und 2N4R wirkungsvoll inhibiert. Auch GSSG als Oxidationsmittel verhinderte in bestimmten Konzentrationen die Aggregation dieser 2 Isoformen. Es wird angenommen, dass die Verhinderung der Bildung einer intermolekularen Disulfidbrückenbindung zu diesem Phänomen führt.

No description available.

Les tauopathies sont des maladies neurodégénératives caractérisées par l’agrégation intracérébrale de protéines tau anormales. Cependant ces maladies sont très hétérogènes sur le plan clinique, anatomopathologique mais aussi biochimique avec l'agrégation de différentes isoformes de protéines tau. De nombreux axes de recherche existent à ce jour afin de mieux comprendre ces maladies incurables. Au cours de cette thèse d'université, nous avons étudié les modifications de l’épigénome qui constituent une piste nouvelle et très prometteuse dans la recherche sur les maladies neurodégénératives. L'épigénétique est un processus dynamique et réversible qui peut être modifié par de nombreux facteurs génétiques ou environnementaux et qui joue un rôle très important dans la régulation des gènes. De nombreuses études rapportent une association entre certaines marques épigénétiques et les maladies neurodégénératives. Par exemple, dans la maladie d’Alzheimer, il a été observé une hyperméthylation de l'ADN, au niveau du promoteur du gène MAPT qui code les protéines tau.Dans ce contexte, nos objectifs étaient de déterminer si des variations de l'épigénome impliquant le gène MAPT contribuent à l'expression différentielle des protéines tau qui est observée dans les différentes classes de tauopathies. Nous avons donc constitué et caractérisé une banque de prélèvements cérébraux de témoins et de patients atteints de différentes tauopathies. Puis nous avons analysé la méthylation de l'ADN dans 3 tauopathies : la maladie d'Alzheimer, la paralysie supranucléaire progressive et la DCB. Notre étude a permis de mettre en évidence chez les patients atteints de PSP une hypométhylation dans l’inton 0 du gène MAPT. Cette hypométhylation ne concernait que le cortex frontal, affecté par la pathologie tau, mais pas le cortex occipital qui est épargné par la pathologie tau. De plus, nous avons également mis en évidence dans le tissu cérébral des patients atteints de PSP une hyperexpression des ARNm de MAPT par rapport aux témoins. Nous démontrons avec ce travail que l’hypométhylation de l'ADN de l’intron 0 de MAPT constitue une signature épigénétique spécifique de la PSP. Cette première étude nous a conduits à suspecter l'existence d'un promoteur alternatif du gène MAPT situé dans cette région de l'intron 0. Nous avons donc testé in vitro l'activité de ce promoteur et cloné des transcrits issu de ce promoteur alternatif. Nous avons ensuite confirmé ces analyses par la mesure de l'expression des ARNm par qPCR. Au total, ces expériences prouvent l'existence et la fonctionnalité de ce promoteur alternatif dans le cerveau humain. De plus, l'activation de ce promoteur alternatif aboutit à la transcription d'ARNm plus courts codant pour de nouvelles protéines tau qui pourraient être impliquées dans la survenue des tauopathies. / Tauopathies are neurodegenerative diseases characterized by intracerebral aggregation of abnormal tau proteins. However, these diseases are heterogeneous clinically, pathologically but also biochemically with the aggregation of different isoforms of tau protein. Many lines of research exist to date to better understand these incurable diseases. During this university thesis, we studied the changes in the epigenome that constitute a new and very promising approach in research on neurodegenerative diseases. Epigenetics is a dynamic and reversible process which can be modified by numerous genetic or environmental factors and plays a very important role in gene regulation. Many studies report an association between some epigenetic marks and neurodegenerative diseases. For example, in Alzheimer\'s disease, it has been observed hypermethylation of DNA in the promoter of the MAPT gene which encodes the tau protein.In this context, our objective was to determine if changes in epigenomic involving MAPT gene contribute to the differential expression of tau protein which is observed in the different classes of tauopathies. So we have established and characterized a human brainbank of controls and patients with different tauopathies. Then we analyzed the DNA methylation in 3 tauopathies: Alzheimer\'s disease, progressive supranuclear palsy, and CBD. Our study highlighted in PSP patients hypomethylation in intron 0 of MAPT gene. This hypomethylation concerned only the frontal cortex, affected by the tau-pathology but not the occipital cortex which is spared by tau-pathology. In addition, we also shown in the brain tissue of patients with PSP an overexpression of mRNA of MAPT compared to controls. We demonstrate in this work that hypomethylation of DNA in intron 0 of MAPT is a specific epigenetic signature of PSP. This first study has led us to suspect the existence of an alternative promoter of the MAPT gene located in this region of intron 0. We tested the in vitro activity of this promoter and cloned transcripts derived from this alternative promoter. We then confirmed this analysis by measuring mRNA expression by qPCR. In total, these experiments prove the existence and the functionality of this alternative promoter in the human brain. Furthermore, activation of the alternative promoter results in shorter mRNA transcripts encoding novel tau proteins that might be involved in the onset of the tauopathies.

Tauopathien sind Krankheiten, die mit einer abnormen intrazellulären Tau-Protein-Faltung, Tau-Protein-Aggregation und Filament-Bildung im ZNS und PNS einhergehen. Die Alzheimer Demenz stellt die häufigste Tauopathie dar. Bei ihr kommt es zu einer intra- und extrazellulären Ablagerung fehlgefalteter amyloidogener Proteinaggregate, welche durch β Amyloid und Tau gebildet werden. Es resultiert eine Neurodegeneration. Ein multifaktorieller Prozess führt bei den Tauopathien zur Umwandlung des Tau-Proteins hin zu unlöslichen Fibrillenbündeln. Primär kommt es zur Bildung eines Dimers, das durch Disulfid- und Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird. Durch die Zusammenlagerung mehrer Dimere entstehen Tau-Oligomere. Diese gelten als die neurotoxischen Komponenten. Die Primärstruktur des Tau-Proteins beeinflusst den Aggregationsprozess. Dabei spielen die Anwesenheit der Aggregationsdomänen PHF6* und PHF6 und die Anzahl der Cystein-Seitenketten überragende Rollen. In dieser Arbeit wurden durch ortsspezifische Mutagenesen Tau-Konstrukte generiert, die sich in ihrer Anzahl der Aggregationsdomänen und der Cystein-Reste unterschieden. Es konnte gezeigt werden, dass die Aggregationstendenz der Tau-Proteine mit nur einer Aggregationsdomäne und keinem Sulfhydryl-Rest stark sinkt. Auch durch Veränderungen des Redoxmilieus lässt sich das Tau-Aggregationsverhalten beeinflussen. Es wurde gezeigt, dass die Substanz TCEP als starkes Reduktionsmittel die Aggregation der 2 humanen Tau-Isoformen 2N3R und 2N4R wirkungsvoll inhibiert. Auch GSSG als Oxidationsmittel verhinderte in bestimmten Konzentrationen die Aggregation dieser 2 Isoformen. Es wird angenommen, dass die Verhinderung der Bildung einer intermolekularen Disulfidbrückenbindung zu diesem Phänomen führt.

La maladie d’Alzheimer (MA) représente la cause la plus importante de la démence, pourtant la cause de la MA reste toujours inconnue. Des données récentes suggèrent que la protéine BMI1 joue un rôle protecteur contre la MA et un rôle essentiel dans l’intégrité de l’hétérochromatine constitutive (hét-c) – les régions génomiques inactives au niveau de la transcription. Les niveaux de BMI1 et d’hét-c sont diminués dans les cerveaux de patients atteints de la MA, et des modèles de déficience de BMI1 in vivo et in vitro reproduisent des phénotypes canoniques de la MA. Nous avançons l’hypothèse que la perturbation de l’hét-c, effectuée par l’inactivation de gènes impliqués dans son intégrité, induira trois phénotypes canoniques de la MA : l’amyloïdopathie, la tauopathie et l’apoptose. Les knock-out (KO) de ces gènes se réalisent individuellement via le système CRISPR-Cas9 dans des neurones humains in vitro. Huit des 38 conditions de KO manifestent une perturbation d’hét-c, analysée par Western Blot; six manifestent une amyloïdopathie, deux manifestent une tauopathie et quatre manifestent des niveaux élevés d’apoptose, analysés par microscopie confocale et immunofluorescence. Les conditions de KO de gènes impliqués dans les domaines associés à la lamine manifestent plusieurs ou tous ces phénotypes de la MA. Ces résultats peuvent suggérer une nouvelle théorie qui expliquerait la cause de la MA : la dérépression de ces domaines induit l’activation des long interspersed elements (LINEs) dont leur dérépression cause des dommages à l’ADN et une réponse immunitaire innée aboutissant à un état sénescent et pro-inflammatoire qui entraîne la neurodégénérescence. / Alzheimer’s Disease (AD) represents the number one cause of dementia, however the cause of AD remains unknown. Recent data suggest that the protein BMI1 plays a protective role against AD and an essential role in the integrity of constitutive heterochromatin (c-het) – transcriptionally inactive, genomic regions. The levels of BMI1 and c-het are diminished in brains of AD patients, and models of BMI1 deficiency in vivo and in vitro reproduce canonical phenotypes of AD. We hypothesize that the disruption of c-het, brought about by inactivating genes implicated in its integrity, will induce three canonical phenotypes of AD: amyloidopathy, tauopathy and apoptosis. These gene knock-outs (KO) are carried out individually via the CRISPR-Cas9 system in human neurons in vitro. Eight of the 38 KO conditions present a disruption of c-het, analysed by Western Blot; six present amyloidopathy, two present tauopathy and four present elevated levels of apoptosis, analysed by confocal microscopy and immunofluorescence. The KO conditions of genes implicated in lamina-associated domains present some or all these AD phenotypes. These results may suggest a novel theory that would explain the cause of Alzheimer’s Disease: the derepression of these domains induces the activity of long interspersed elements (LINEs) which causes DNA damage and an innate immune response, culminating in a pro-inflammatory state of cellular senescence which leads to neurodegeneration.

La protéostasie désigne l’ensemble de stratégies développées par la cellule pour assurer la préservation de son protéome. Parmi celles-ci on peut citer le contrôle du repliement, de la concentration, et de la distribution des protéines. Les neurones en raison de leur importante activité métabolique représentent une population cellulaire particulièrement vulnérable à l’altération de la protéostasie, auquel cas on parle de protéinopathie. C’est notamment le cas des tauopathies et β-amyloidopathies, deux troubles neurodégénératifs, respectivement caractérisés par le dysfonctionnement de la protéine tau et du peptide amyloïde-β (Aβ). La protéine tau par le biais de son état de phosphorylation contrôle la stabilisation des microtubules, tandis que l’Aβ issu du clivage de l’APP (Amyloid Precursor Protein) serait impliqué dans la plasticité synaptique ; de telle sorte que l’altération du fonctionnement ou de la protéostasie de ces deux molécules engendre de graves troubles neuronaux. Le glaucome, principale cause de cécité irréversible au monde, est une neuropathie dégénérative caractérisée par la perte spécifique des somas des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) et de leurs axones dans le nerf optique. Bien que l’hypertension oculaire (HTO) soit le principal facteur de risque, on ignore la cause du glaucome raison pour laquelle il n’existe aucun remède contre la maladie. La maladie d’Alzheimer (MA), principale cause de démence, est caractérisée par la présence d’enchevêtrement neurofibrillaires formés de la protéine tau dans les neurones et de plaques séniles constitué d’agrégats d’Aβ dans le parenchyme cérébral. De manière surprenante, de nombreuses études révèlent que le glaucome et la MA présentent de nombreux points communs. C’est ainsi que des agrégats d’Aβ et de tau ont été trouvés dans les CGR de sujets atteints du glaucome. De même les sujets victimes de la MA présentent des déficits visuels et une dégénérescence des CGR. Vu l’importance de tau pour la physiologie neuronale et son rôle de médiateur de la toxicité d’Aβ, nous proposons l’hypothèse selon laquelle le dysfonctionnement de la protéine tau résulte en la perte des CGR. Les résultats présentés dans cette thèse reposent sur deux modèles expérimentaux de neurodégénérescence : un modèle de glaucome dépendant de HTO chez les rats (modèle de Morrison) et le modèle 3xTg de la MA chez lequel les souris expriment des mutations dans la protéine tau et la voie Aβ (PS1M146V, APPSWE, TauP301L). Chez ces animaux nous avons prélevé la rétine, le nerf optique et le cerveau, sur lesquels nous avons étudié l’expression, la distribution, et la neurotoxicité de tau par western blot, immunohistochimie et PCR quantitative. Nos résultats révèlent que comparativement aux contrôles sains, les rétines malades (glaucome et MA) présentent une accumulation de tau anormalement phosphorylée, tandis que son expression génique reste inchangée. Cette hausse de tau est la conséquence de sa relocalisation vers le compartiment somatodendritique et le segment axonal intrarétinien des CGR, ceci au détriment des axones myélinisés inclus dans le nerf optique. Nos données montrent que les CGR 3xTg présentent une baisse drastique du transport axonal antérograde, indiquant que l’altération de la distribution de tau pourrait être à la base de cette perte de fonction axonale. Finalement, nous démontrons que l’accumulation de tau dans la rétine malade provoque éventuellement la mort des CGR. Au total, cette thèse démontre que les rétines atteintes du glaucome et de la MA présentent les manifestations cardinales des tauopathies à savoir l’accumulation, l’altération de la phosphorylation, et une distribution anormale de tau le tout culminant en la perte de fonction et la dégénérescence des CGR. / Proteostasis refers to a set of strategies developed by the cell to ensure the maintenance of its proteome. These strategies include the control of protein folding, the amount, and the distribution of the proteins. Neurons are endowed with a high metabolic rate and, as such, are highly vulnerable to alterations in proteostasis, a situation referred to as proteinopathy. Tauopathies and β-amyloidopathies are two such instances wherein tau and amyloid-β, respectively, undergo dysfunction. Tau protein is a microtubule stabilising protein which function is regulated by its phosphorylation state, while Aβ a product of the cleavage of APP (Amyloid Precursor Protein) which is thought to be involved in the regulation of synaptic plasticity. Therefore, functional or proteostatic alterations of these proteins result in harmful consequences for neurons. Glaucoma, the main cause of irreversible blindness, is a degenerative optic neuropathy characterised by the selective loss of retinal ganglion cells (RGC) and their axons in the optic nerve. Although ocular hypertension (OHT) is the main risk factor for the development of glaucoma, the cause of the disease is still unknown. There is currently no cure for glaucoma and the only available treatment is to reduce OHT pharmacologically or surgically. Alzheimer’s disease, the main cause of dementia, is characterized by the presence of neurofibrillary tangles made of tau protein in neurons and senile plaques made of Aβ in the cerebral parenchyma. Intriguingly, several studies have shown that glaucoma and AD share several common features. For instance, aggregates of tau and Aβ have been described in the retina of glaucoma subjects. Likewise, AD patients show visual defects associated with RGC degeneration. Mindful of the importance of tau for neuronal physiology, and of its role as mediator of Aβ toxicity, we put forward the hypothesis that tau protein alterations leads to RGC dysfunction and death. vii The results presented in this thesis were based on two experimental models of neurodegeneration: a model of OHT-dependent glaucoma in rats leading to RGC death (Morrison model), and the 3xTg model of AD wherein mice overexpress mutant forms of tau and Aβ (PS1M146V, APPSWE, TauP301L). Using these animals, we collected retina, optic nerve, and brains which we used to study tau expression, distribution and neurotoxicity by western blot, immunohistochemistry and real-time PCR. Our results show that, when compared to healthy controls, the diseased retina (glaucoma or AD) display accumulation of abnormally phosphorylated tau while its gene expression remains unchanged. The increase of retinal tau protein might result from the redistribution of the protein in the somatodendritic compartment and intraretinal axonal segment of RGCs at the expense of the extraocular axonal segment enclosed within the optic nerve. Our data also demonstrate that RGCs from 3xTg mice show a drastic reduction of anterograde axonal transport suggesting that missorted tau might underlie these functional deficits. Lastly, we demonstrate that tau accumulation in the diseased retina eventually promotes RGC death. Altogether, this thesis demonstrates that the glaucomatous and AD retinas present the cardinal features of tauopathies including tau accumulation, altered phosphorylation, and mislocalization which contribute to RGC dysfunction and subsequent death.

Les principales caractéristiques neuropathologiques de la maladie d’Alzheimer (MA) sont les plaques séniles extracellulaires composées de peptide amyloïde β (Aβ) et les enchevêtrements neurofibrillaires intracellulaires composés de Tau hyperphosphorylé. Les mécanismes conduisant à la formation de ces lésions sont encore peu connus et le laboratoire a récemment caractériser le gène “bridging integrator 1” (BIN1), deuxième facteur de risque génétique le plus associé au risque de MA, comme facteur de risque potentiellement associé à la pathologie Tau. Une interaction entre les deux protéines a été décrite in vitro et in vivo suggérant que BIN1 pourrait être impliqué dans le développement de la pathologie associée à Tau dans le cadre de la MA. Cependant, ce rôle de l'interaction BIN1-Tau dans le processus pathophysiologique de la MA n'est pas connu et il reste ainsi à déterminer si cette interaction constitue une cible thérapeutique potentielle. Ce projet a visé alors à mieux comprendre les acteurs de cette interaction en identifiant les modulateurs et les voies moléculaires impliquées dans le contrôle de l'interaction BIN1-Tau, puis de déterminer comment cette interaction est modulée dans le contexte de la MA. Nous avons utilisé pour cela des approches complémentaires de biochimie, de résonance magnétique nucléaire et de microscopie confocale. Comme modèle cellulaire, des cultures primaires de neurones de rat ont été utilisées, et la méthode “proximity ligation assay” (PLA) a été développée comme approche principale pour observer l'interaction BIN1-Tau dans ces cellules. Nous avons déterminé que l'interaction se produit entre les domaines SH3 de BIN1 et le PRD de Tau et nous avons démontré que l’interaction est modulée par la phosphorylation de Tau et BIN1: la phosphorylation de la Thréonine 231 de Tau diminue son interaction avec BIN1, tandis que la phosphorylation de BIN1 à la Thréonine 348 (T348) augmente son interaction avec Tau. Nous avons mis au point une approche de criblage d’haut contenu semi-automatisée et basé sur une bibliothèque de composés commerciaux. Ce criblage s’est basé sur des cultures primaires de neurones comme modèle cellulaire et le PLA pour détecter l'interaction BIN1-Tau. Nous avons identifié plusieurs composés capables de moduler l'interaction BIN1-Tau, notamment U0126, un inhibiteur de MEK-1/2, qui diminue cette interaction, et la cyclosporine A, un inhibiteur de la calcineurine, qui au contraire augmente celle-ci en augmentant la phosphorylation de T348 de BIN1. Par ailleurs les “Cyclin-dependent kinases” (CDK) ont été montré comme contrôlant aussi ce site de phosphorylation. Nous avons donc mis en évidence le couple Calcineurine/CDK comme contrôlant la phosphorylation T348 de Bin1 et donc l’interaction BIN1-Tau. Nous avons également développé un modèle murin de tauopathie dans lequel nous avons surexprimé BIN1 humain. Nous avons observé que la surexpression de BIN1 résorbait les déficits de mémoire à long terme et réduisait la présence d'inclusions intracellulaires de Tau phosphorylée, provoquées par la surexpression de Tau, ce qui était associé à une augmentation de l'interaction BIN1-Tau. En utilisant des échantillons de cerveau humain post-mortem, nous avons observé que les niveaux de l’isoforme BIN1 neuronal étaient diminués dans les cerveaux d’AD, alors que les niveaux relatifs de BIN1 phosphorylé à T348 étaient augmentés, suggérant un mécanisme compensatoire. Cette étude a démontré la complexité et la dynamique de l’interaction BIN1-Tau dans les neurones, a révélé des modulateurs et des voies moléculaires potentiellement impliquées dans cette interaction, et a montré que les variations de l’expression ou de l’activité de BIN1 ont des effets directs sur l’apprentissage et la mémoire, possiblement liés à la régulation de son interaction avec Tau. / The main neuropathological hallmarks of Alzheimer’s disease (AD) are the extracellular senile plaques composed of amyloid-β peptide (Aβ) and the intracellular neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated Tau. The mechanisms leading to the formation of these lesions is not well understood and our lab has recently characterized the bridging integrator 1 (BIN1) gene, the second most associated genetic risk factor of AD and the first genetic risk factor to have a potential link to Tau pathology. The interaction between BIN1 and Tau proteins has been described in vitro and in vivo, which suggests that BIN1 might help us to understand Tau pathology in the context of AD. However, the role of BIN1-Tau interaction in the pathophysiological process of AD is not known, and whether this interaction is a potential therapeutic target remains to be determined. The aim of this project is to better understand the actors of BIN1-Tau interaction through the identification of the modulators and the molecular pathways involved therein, as well as to understand how BIN1-Tau interaction is modulated in the context of AD. We employed biochemistry, nuclear magnetic resonance, and confocal microscopy. We used rat primary neuronal cultures (PNC) as the cellular model and developed the proximity ligation assay (PLA) as the main readout of the BIN1-Tau interaction in cultured neurons. We determined that the interaction occurs between BIN1’s SH3 domain and Tau’s PRD domain, and demonstrated that it is modulated by Tau and BIN1 phosphorylation: phosphorylation of Tau at Threonine 231 decreases its interaction with BIN1, while phosphorylation of BIN1 at Threonine 348 (T348) increases its interaction with Tau. We developed a novel, semi-automated high content screening (HCS) assay based on a commercial compound library, also using PNC as the cellular model and PLA as the readout of BIN1-Tau interaction. We identified several compounds that are able to modulate the BIN1-Tau interaction, most notably U0126, an inhibitor of MEK-1/2, which reduced the interaction, and Cyclosporin A, an inhibitor of Calcineurin, which increased the interaction through increasing the BIN1 phosphorylation at T348. Furthermore, Cyclin-dependent kinases (CDK) were also shown as regulator of this phosphorylation site. These results suggest that the couple Calcineurin/CDK regulates BIN1 phosphorylation at T348 and consequently the BIN1-Tau interaction. We also developed a mouse model of tauopathy in which we overexpressed human BIN1. We observed that the overexpression of BIN1 rescued the long-term memory deficits and reduced the presence of intracellular inclusions of phosphorylated Tau, caused by Tau overexpression, and this was associated with an increase of BIN1-Tau interaction. Also, using post-mortem human brain samples, we observed that the levels of the neuronal BIN1 isoform were decreased in AD brains, whereas the relative levels of BIN1 phosphorylated at T348 were increased, suggesting a compensatory mechanism. Altogether, this study demonstrated the complexity and the dynamics of BIN1-Tau interaction in neurons, revealed modulators of and molecular pathways potentially involved in this interaction, and showed that variations in BIN1 expression or activity have direct effects on learning and memory, possibly linked to the regulation of its interaction with Tau.

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.