Les plaques amyloïdes sont l’une des principales caractéristiques pathologiques de la maladie d’Alzheimer (MA). Elles sont composées de peptides amyloïdes-β (Aβ) 1-40 et 1-42 fibrillaires et ont été décrites comme responsable de la réponse inflammatoire et de la neurodégénérescence. L’Herpès simplex virus 1 (HSV-1) a été impliqué comme facteur de risque de la MA et retrouvé à l’intérieur des plaques amyloïdes. Des données récentes suggèrent que les peptides Aβ possèdent une activité antimicrobienne et antivirale in vitro. La première partie des travaux décrits dans cette thèse concerne l’étude du rôle antiviral des peptides Aβ contre les virus HSV-1. Pour cela, des cellules fibroblastiques, épithéliales et neuronales ont été exposées aux peptides Aβ40 et Aβ42 et infectées avec le virus HSV-1. L’analyse quantitative par PCR a montré que les peptides Aβ40 et Aβ42 inhibent la réplication des virus HSV-1, qui possèdent une enveloppe mais n’inhibent pas l’infection par les adénovirus-5 qui n’en possèdent pas. Nos résultats ont aussi montré que les peptides interagissent directement avec les virus HSV-1 dans un modèle acellulaire et inhibent leur entrée dans les cellules. Dans une deuxième partie de l’étude, nous avons utilisé un modèle de cocultures de lignées cellulaires de neuroblastomes (H4) et microgliales (U118-MG) en tant que modèle minimal in vitro afin de déterminer si les cellules H4 produisent des peptides Aβ et si cette production induit une protection antivirale contre le virus HSV-1. Les résultats ont montré que les cellules H4 sécrètent Aβ42 en réponse à une infection par les virus HSV-1 et que les cellules U118-MG internalisent le peptide Aβ42. De plus, le peptide Aβ42 exogène induit une forte production de cytokines pro-inflammatoires mais l’infection des cellules par les virus HSV-1 n’augmente pas significativement cette production. Par ailleurs, la protection antivirale du peptide Aβ42 a été confirmée lors d’expériences de transferts impliquant des milieux de cultures conditionnés provenant de cellules H4 infectées par le virus HSV-1. Ces milieux confèrent une protection Aβ-dépendante, contre les infections par les virus HSV-1 dans des essais de nouvelles cultures de cellules H4. Dans le but de mettre en évidence le mécanisme responsable de l’effet antiviral des peptides Aβ, nous avons proposé que l’homologie de séquence entre les peptides Aβ et la région proximale transmembranaire de la glycoprotéine de fusion B (gB) du virus HSV-1 pourrait être responsable de l’interférence des peptides Aβ avec la réplication des virus HSV-1 en s’insérant dans l’enveloppe externe des virus. Cette explication a été appuyée par des expériences de FRET. Les résultats ont montré que l’interaction peptide Aβ42 et gB-GFP implique une distance de 10 nm ou moins, suggérant que le peptide Aβ42 peut s’insérer dans l’enveloppe virale. L’ensemble de nos données suggère qu’une production de peptides Aβ par les neurones pourrait les protéger lors d’une infection par les virus HSV-1 latents et, contre d’autres pathogènes. Par contre, une surproduction pourrait contribuer à la formation des plaques amyloïdes, expliquant ainsi pourquoi les infections ont un rôle dans la pathogénicité de la forme sporadique de la MA.

La dégénérescence maculaire liée à l’âge ou DMLA est une pathologie oculaire qui touche près d’un million de personnes en France, et représente la première cause de cécité légale dans les pays industrialisés. C’est une affection multifactorielle (environnement, génétique), dans laquelle les stress inflammatoires, métaboliques et oxydants interviennent et aboutissent à la mort des photorécepteurs. L’apparition des drusen (dépôts de matériel extracellulaire contenant de l’amyloïde-β (Aβ)), entre les cellules de l’épithélium pigmentaire de la rétine (EPR) et la membrane de Brush, représente un facteur de risque de développement de la DMLA. De plus, le 4-hydroxynonenal (4-HNE) est un marqueur de stress oxydant dans la rétine de patients de différentes pathologies dégénératives comme la DLMA. L’identification des mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans les dégénérescences rétiniennes la pathogenèse de la DMLA constitue un enjeu de santé publique, puisqu’elle permettrait de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques anti-dégénératives.Le but de mon travail de thèse a été dans un premier temps de mieux comprendre le rôle de l’Aβ dans la dégénérescence rétinienne.Nous avons montré que l’Aβ induit une activation rapide des cellules microgliales, une gliose soutenue des cellules gliales de Müller (CGM), un œdème dans la rétine interne et une apoptose des photorécepteurs. La dégénérescence des photorécepteurs est en corrélation avec une activation soutenue de PERK, impliquée dans la voie pro-apoptotique de la réponse UPR. Par ailleurs la gliose des CGM est caractérisé par une délocalisation des canaux Kir4.1, une diminution de l’expression d’AQP4 et de la glutamine synthetase (GS), et une augmentation de l’expression des canaux Kir2.1 et du transporteur GLAST1, suggérant une dérégulation de l’homéostasie rétinienne contrôlée par ces protéines. Nous avons montré que l’inhibition de la réponse inflammatoire, par l’utilisation de l’indomethacine, un inhibiteur non stéroïdien de de la cyclooxygénase (COX) 2, réverse l’effet de l’Aβ sur l’expression des canaux Kir4.1 et sur GLAST1 mais pas celle de la GS et d’AQP4, suggérant un couplage partiel entre la gliose et la réponse inflammatoire dans notre modèle d’injection sous-rétinienne d’Aβ.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au rôle du 4-HNE dans les CGM, un produit de peroxydation lipidique, qui est produit dans la rétine sous l’effet de l’Aβ. Nous avons observé qu’un stress oxydant unique et létal induit par le 4-HNE, entraîne la mort des CGM par apoptose dépendante de l’activation des caspases. L’utilisation d’antioxydants impliqués dans la régénération du glutathion (GSH), protège contre la mort des CGM. L’analyse du transcriptome des CGM soumises au 4-HNE a permis de mettre en évidence une réponse transcriptionnelle adaptative des CGM : une activation de la défense anti-oxydante, de la réponse UPR (unfolded protein response) au stress du réticulum endoplasmique, et un phénotype anti-inflammatoire. Par ailleurs, la surexpression de l’APP (amyloid protein precursor), dont l’expression du transcrit est augmentée sous l’effet du stress oxydant dans les CGM, protège ces cellules contre la mort induite par le 4-HNE. Cette protection est associée à une augmentation des capacités anti-oxydantes et à une activation de la voie de survie de la réponse UPR. L’ensemble de nos résultats montre un rôle de l’Aβ dans la dégénérescence des photorécepteurs et indique que le métabolisme de l’APP, ainsi que les voies de survie et pro-apoptotique de la réponse UPR pourraient constituer des cibles thérapeutiques contre la dégénérescence rétinienne induite par l’Aβ ou les stress oxydants. / Age related macular degeneration (AMD) is a leading cause of blindness in western countries and affects one million people in France. Multiple risk factors (genetics, environment) are involved in the pathogenesis of AMD. In addition, the AMD pathogenesis is strongly associated with chronic oxidative stress and inflammation that ultimately lead to photoreceptor death. AMD is characterized by the formation of drusen, extracellular deposits, including amyloid-β (Aβ), between the retinal pigmented epithelium and Bruch’s membrane. Moreover, 4-hydroxynonenal (4-HNE) is an oxidative stress marker of different retinal diseases including AMD. The determination of molecular and cell mechanisms involved in retinal degeneration and the pathogenesis of AMD is required in order to develop new therapeutic anti-degenerative approaches. The aim of our study was first to investigate the role of Aβ in retinal degeneration. We demonstrated that subretinal injection of Aβ induces an early activation of microglial cells, a sustained retinal Müller glial (RMG) cells gliosis, an oedema in the internal part of retina and photoreceptors apoptosis. The photoreceptors apoptosis was correlated with a sustained activation of PERK, a kinase implicated in the pro-apoptotic pathway of UPR (unfolded protein response). In addition, RMG gliosis has been characterized by a Kir4.1 channel redistribution, a down-regulation of AQP4 and glutamine synthetase (GS) expression, and an up-regulation of Kir2.1 channel and GLAST1 transporter expression, suggesting a dysregulation of the retinal homeostasis which is controlled by these proteins. The inhibition of the inflammatory response using indomethacin, a non-steroidal and non-specific cyclooxygenase (COX) 2 inhibitor, reversed Aβ-induced Kir4.1 channel redistribution and GLAST1 up-regulation but not GS and AQP4 down-regulation, suggesting a partial coupling between gliosis and inflammatory response in retinal degeneration after subretinal injection of Aβ in mice. The second part of our study aimed to investigate the effects on RMG cells of 4-HNE, a lipid peroxidation product that is up-regulated in retina after Aβ injection. We have shown that a single lethal oxidative stress using 4-HNE induces RMG cells apoptosis associated with caspase 3 and caspase 9 activation. Pre-treatment of RMG cells with anti-oxidative molecules involved in glutathione regeneration restored cell viability. Transcriptome analysis of RMG cells treated with 4-HNE showed an adaptive transcriptional response consisting in an activation of anti-oxidative stress cell defense, activation of UPR in response to endoplasmic reticulum stress and anti-inflammatory phenotype. APP (amyloid protein precursor) overexpression, which the transcript is up-regulated in RMG cells under oxidative stress, protects from 4-HNE-induced cell death. This protection is associated with an up-regulation of anti-oxidative cell defense and an activation of the pro-survival pathway of UPR. Our study pinpoints the role of Aβ in photoreceptors degeneration and suggests that targeting APP metabolism, pro and anti-apoptotic pathways of the UPR response may hel develop selective methods against retinal degeneration implicating Aβ and oxidative stress.

Les caractéristiques structurales et les interactions intra et/ou intermoléculaires non-covalentes jouent un rôle primordial dans l'activité des molécules d'intérêt biologique, notamment lors de la reconnaissance moléculaire entre un médicament et son récepteur. Par ailleurs, on peut connaître par les études en phase gazeuse (sans les effets du solvant) les propriétés intrinsèques des systèmes moléculaires. Des calculs de chimie quantique élaborés peuvent ainsi être comparés aux résultats des expériences pour en tirer des informations précises. L'équipe AMIBES tente ainsi de décrire les structures de peptides, d'oligonucléotides ou de complexes d'intérêt pharmaceutiques. Pour cela, nous prenons appui sur deux techniques expérimentales complémentaires, la spectroscopie IRMPD et la spectrométrie de mobilité ionique, dont les résultats sont comparés avec des simulations. Dans ce travail de thèse, j'ai d'abord testé les prédictions d'une méthode QM/MM en ce qui concerne le calcul des spectres IR d'espèces d'intérêt biologique isolées. J'ai ensuite utilisé cette méthode pour simuler les spectres IR de brins de la protéine amyloïde β en phase gazeuse. Il ressort de ces études que leur structure secondaire varie selon l'état de protonation et le solvant dans lequel ils sont dissous: un solvant polaire favorise les structures globulaires, alors qu'une constante diélectrique plus basse permet de conserver une structure en hélice α. Je me suis également intéressé aux changements de structure induits par la complexation d'un antibiotique, la vancomycine, avec un modèle de son récepteur. En mode positif, le site de fixation de celui-ci est différent de celui révélé par la cristallographie, mais les interactions spécifiques responsables de la grande constante d'affinité en solution sont conservées dans le complexe déprotoné.

De nombreuses protéines associées aux maladies neurodégénératives humaines sont intrinsèquement désordonnées. Ce sont des protéines qui sont dépourvues de structure tertiaire ou secondaire stable dans des conditions physiologiques. Plus précisément, les protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) subissent diverses changements conformationnels entre la pelote aléatoire, des conformations hélicoïdales et des structures en feuillet-β, ces deux dernières étant généralement impliquées dans la reconnaissance protéine-protéine. Parmi une vingtaine de peptides amyloïdogènes connus liés aux maladies dégénératives humaines, notre étude porte sur deux protéines désordonnées: le peptide Amyloïde-β (Aβ) associé à la maladie d'Alzheimer et l'Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) impliqué dans le diabète de type II. Aβ possède deux alloformes courants de 40 et 42 résidus, tandis que IAPP est une hormone peptidique de 37 résidus. Les agrégats de Aβ sont toxiques pour les cellules du cerveau, tandis que la fibrillisation de IAPP affecte les cellules-β du pancréas. Le mécanisme d'agrégation de ces deux peptides reste encore mal connu, mais il a été proposé qu’en solution, ces peptides visitent différentes conformations, l'une d'entre elles étant riche en feuillets-β. Cela conduirait à l’oligomérisation de ces peptides, par le biais d’interactions feuillet-β / feuillet-β et, éventuellement, à la formation de fibrilles. Le but de notre étude est de mieux caractériser la dynamique conformationnelle de ces deux peptides, dans leur forme monomérique et oligomérique. Comprendre les premières étapes de leur agrégation est crucial pour le développement de nouvelles molécules thérapeutiques efficaces contre ces protéines amyloïdes. / Many proteins associated with human neurodegenerative diseases are intrinsically disordered. They are proteins which lack stable tertiary or secondary structure under physiological conditions. More specifically, intrinsically disordered proteins (IDPs) undergo various structural conversions between random coil, helical conformations and β-strand structures, these two latter being generally involved in protein-protein recognition. Among about twenty known amyloidogenic peptides related to human degenerative diseases, we focus our study on two disordered proteins: the Amyloid-β peptide (Aβ) associated to the Alzheimer’s disease and the Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) involved in type II diabetes. Aβ has two common alloforms of 40 and 42 residues in length, meanwhile IAPP is a 37-residues peptide hormone. Aggregates of Aβ are toxic to the brain cells, meanwhile IAPP fibrillization affects the pancreatic β-cells. The aggregation mechanism of these two peptides is not known in detail, but it was proposed that in solution, these peptides visit various conformations, one of them being rich in β-strands. This would lead to peptide oligomerization, through β-strand / β-strand interactions and eventually to the fibril formation. The aim of our study is to provide insights into the conformational dynamics of these two peptides in monomeric and oligomeric forms. Understanding the early steps of their aggregation is crucial for the development of new effective therapeutic molecules against these amyloid proteins.De nombreuses protéines associées aux maladies neurodégénératives humaines sont intrinsèquement désordonnées. Ce sont des protéines qui sont dépourvues de structure tertiaire ou secondaire stable dans des conditions physiologiques. Plus précisément, les protéines intrinsèquement désordonnées (IDPs) subissent diverses changements conformationnels entre la pelote aléatoire, des conformations hélicoïdales et des structures en feuillet-β, ces deux dernières étant généralement impliquées dans la reconnaissance protéine-protéine. Parmi une vingtaine de peptides amyloïdogènes connus liés aux maladies dégénératives humaines, notre étude porte sur deux protéines désordonnées: le peptide Amyloïde-β (Aβ) associé à la maladie d'Alzheimer et l'Islet Amyloid Polypeptide (IAPP) impliqué dans le diabète de type II. Aβ possède deux alloformes courants de 40 et 42 résidus, tandis que IAPP est une hormone peptidique de 37 résidus. Les agrégats de Aβ sont toxiques pour les cellules du cerveau, tandis que la fibrillisation de IAPP affecte les cellules-β du pancréas. Le mécanisme d'agrégation de ces deux peptides reste encore mal connu, mais il a été proposé qu’en solution, ces peptides visitent différentes conformations, l'une d'entre elles étant riche en feuillets-β. Cela conduirait à l’oligomérisation de ces peptides, par le biais d’interactions feuillet-β / feuillet-β et, éventuellement, à la formation de fibrilles. Le but de notre étude est de mieux caractériser la dynamique conformationnelle de ces deux peptides, dans leur forme monomérique et oligomérique. Comprendre les premières étapes de leur agrégation est crucial pour le développement de nouvelles molécules thérapeutiques efficaces contre ces protéines amyloïdes.

Les maladies neurodégénératives représentent un défi sociétal majeur. Trouver des outils pour mieux comprendre et diagnostiquer ces maladies est donc nécessaire. La spectroscopie infrarouge (IR) et Raman semblent être de bons candidats puisqu’elles peuvent caractériser l’état physiopathologique d’un échantillon. Le but de cette thèse a été d’appliquer ces méthodes à l’étude de peptides modèles, de tissus cérébraux et de liquides céphalorachidiens (LCR). Dans le cadre de l’étude des tissus cérébraux, la spectroscopie IR et Raman ont été couplées à la microscopie afin de combiner des informations spectrales et spatiales. Cela a permis de mieux comprendre la formation et le rôle des plaques amyloïdes dans la maladie d’Alzheimer (MA). Egalement, cela a permis de montrer l’intérêt d’utiliser ces méthodes dans des études futures pour suivre l’effet de différents traitements contre la sclérose en plaques. Concernant l’étude des LCR, la spectroscopie IR en mode ATR et la spectroscopie Raman exaltée de surface ont été utilisées afin de mettre en évidence des marqueurs spectroscopiques de la MA et de la maladie à corps de Lewy qui pourraient permettre un diagnostic plus précoce de ces maladies et un diagnostic différentiel entre ces deux. / Neurodegenerative diseases represent a major societal challenge. So, it is necessary to develop new tools for a better understanding and diagnosing of these diseases. Infrared (IR) and Raman spectroscopies seem to be good candidates since they can characterize the physiopathological conditions of a biological sample. The purpose of this thesis was to apply these methods to the study of model peptides, brain tissues and cerebrospinal fluids (CSF). As a part of brain tissue analysis, IR and Raman spectroscopy were coupled to microscopy in order to combine spectral and spatial information. This methodology improved our understanding of the formation and the role of amyloid plaques in Alzheimer’s disease (AD). Moreover, it allowed to demonstrate the potential of these approaches in future studies on the effect of various treatments against multiple sclerosis. Concerning the study of CSF, IR-ATR and surface enhanced Raman spectroscopy were applied to identify spectroscopic markers of AD and Lewy body disease that could enable early diagnosis of these diseases and discrimination between them.

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative dévastatrice qui touche un grand nombre de personnes. Elle entraîne des troubles de la mémoire et, éventuellement, une perte complète des fonctions cognitives. Le peptide amyloïde-β (Aβ) et la protéine associée aux microtubules tau sont généralement associés à la perte progressive de la mémoire. Dans les stades précoces, la MA se caractérise par une perturbation générale de l'efficacité synaptique. Les effets perturbateurs d'Aβ sur la plasticité à long terme sont bien documentés, par contre nos connaissances des effets immédiats du peptide sur la transmission synaptique sont limitées. Mon hypothèse est qu’Aβ ne nécessite pas une période prolongée pour promouvoir des changements de la transmission synaptique et qu’il peut modifier la fonction synaptique même après une exposition aiguë. Dans l’étude I, je test cette hypothèse à l’aide d’une exposition aiguë d'oligomères Aβ sur des tranches organotypiques d'hippocampe. Mes résultats indiquent qu’Aβ favorise une dépression synaptique sur les neurones pyramidaux hippocampiques avec une cinétique relativement rapide. Je démontre également que la dépression synaptique dépend de l'activation des récepteurs NMDA (NMDAR), mais ne dépend pas du flux d'ions à travers son canal ionique. Puisqu’il a été démontré que l'activation des NMDAR entraîne la phosphorylation de tau, il est plausible qu’Aβ modifie l'excitabilité des neurones en modulant la phosphorylation de cette protéine. Étant donné que les NMDAR jouent un rôle important dans la plasticité synaptique à long terme, cette chaîne d’événements moléculaires pourrait contribuer aux déficits de plasticité observés dans les phases initiales de la MA. Mon hypothèse est qu’Aβ modifie l’activité synaptique en modulant la phosphorylation de tau. Pour tester cette hypothèse, j’induis, dans des neurones de tranches de l’hippocampe, l’expression de formes de tau contenant des mutations qui bloquent la phosphorylation de la protéine aux sites ciblés. Dans l’étude II, j’observe que la phosphorylation de tau aux sites AT8 et AT180 régule l’expression de la plasticité synaptique ainsi que le dysfonctionnement de la transmission synaptique induits par les oligomères d’Aβ. Je démontre aussi que la phosphorylation du site PHF-1 ne contribue pas à la régulation de la plasticité et de la transmission synaptique. Puisque les sites AT8 et AT180 régulent l’interaction de la protéine tau avec la tyrosine kinase Fyn, mes résultats suggèrent que l’interaction entre tau et Fyn est importante pour l’expression de la plasticité synaptique et de la dépression favorisées par les oligomères d’Aβ. En effet, je démontre que l’inhibition de l’activité de la kinase Fyn résulte en un blocage de la dépression synaptique à long terme et un sauvetage de la fonction synaptique en présence d’Aβ. Je conclus que la phosphorylation de la protéine tau à des sites spécifiques est indispensable à l’expression de la plasticité synaptique et j’émets l’hypothèse que les oligomères d’Aβ modifient l'activité synaptique en influençant la stabilité du complexe Fyn-tau. Je propose donc que la perturbation de la stabilité de ce complexe peut être utilisée en thérapie pour inverser les déficits synaptiques dans les stades précoces de la MA. / Alzheimer disease is the most common form of dementia; it is characterized by problems in memory formation, which with time leads to a complete loss of cognitive functions. The peptide amyloid-β (Aβ) and the microtubule-associated protein tau are commonly believed to be responsible for the decline in memory formation. In the early stages of AD, this is thought to happen through a general disruption in synaptic efficiency. The disruptive effects of Aβ on long-term plasticity are well documented; however, little is known about the immediate effects of the peptide on synaptic transmission. My hypothesis is that Aβ does not need a prolonged period to promote changes in synaptic transmission, and that the peptide is able to affect synaptic function even after an acute exposure. In study I, I investigate this hypothesis using an acute exposure of Aβ oligomers to organotypic hippocampal slices. I report that Aβ promotes synaptic depression on hippocampal pyramidal neurons with a fairly rapid kinetic. I also show that the synaptic depression is dependent on the activation of the NMDAR, but independent on the ion flux through the channel. Because it was shown that the activation of the NMDAR leads to phosphorylation of tau, it appears feasible that Aβ modifies neuronal excitability by modulating tau phosphorylation. Since the NMDAR plays a critical role in the induction of long-term plasticity, this cascade of events could contribute to the deficits in plasticity observed during the initial stages of AD. My hypothesis is that Aβ modifies synaptic activity by modulating phosphorylation on tau. To test this hypothesis, I express in hippocampal neurons tau mutants in which phosphorylation on specific sites is blocked. In study II, I report that phosphorylation on tau at the AT8 and AT180 sites regulates the expression of synaptic plasticity as well as the dysfunction in synaptic transmission induced by Aβ oligomers. I also show that phosphorylation at the PHF-1 site is not involved in mediating either effects. Since the AT8 and AT180 sites regulate the interaction of tau protein with the tyrosine kinase Fyn, my results suggested that the interaction between tau and Fyn is important for the expression of synaptic plasticity and the depression mediated by Aβ oligomers. Indeed, I show that inhibiting the activity of Fyn kinase results in a block of LTD and a rescue of synaptic function in presence of Aβ. I conclude that phosphorylation of tau at specific sites is mandatory for the expression of synaptic plasticity, and suggest that Aβ oligomers promote changes of synaptic activity by influencing the stability of the tau-Fyn complex. I therefore propose that disrupting the stability of this complex can be exploited therapeutically to rescue synaptic deficits in the initial stages of AD.