Létude des protéines amyloïdogéniques représente un intérêt fondamental car ces protéines subissent une transconformation et une agrégation qui sont étroitement liées à lapparition de maladies incurables telles que la maladie dAlzheimer, de Parkinson ou de Creutzfeldt-Jakob. Ces phénomènes ne sont pas encore complètement expliqués tant au niveau énergétique que structural. Les peptides obliques sont de courts fragments protéiques de 11 à 19 acides aminés qui sont capables de sinsérer obliquement dans les membranes biologiques et de les déstabiliser. Récemment, des peptides obliques ont été mis en évidence dans deux protéines amyloïdogéniques responsables de maladies neurodégénératives. Il sagit du peptide b amyloïde, qui cause la maladie dAlzheimer, et de la protéine PrP, agent de la maladie de Creutzfeldt-Jakob. Au sein des protéines amyloïdogéniques, les peptides obliques pourraient être impliqués dans leffet neurotoxique de ces protéines. En affectant directement la membrane cellulaire grâce à leurs propriétés déstabilisatrices, ils conduiraient à la mort cellulaire. Dautre part, les peptides obliques pourraient aussi être impliqués dans le processus de transconformation de ces protéines. Le but de ce travail est de mettre en évidence des fragments obliques parmi dautres protéines amyloïdogéniques décrites dans la littérature, par des méthodes de modélisation moléculaire puis détudier expérimentalement les propriétés de plusieurs de ces peptides vis-à-vis des liposomes, ainsi que leur structure et leur toxicité. Ce travail a également permis de poser les bases dune méthode de détection automatique des peptides obliques. A lissue de cette étude, 22 peptides obliques, appartenant à 18 protéines amyloïdogéniques différentes, ont pu être mis en évidence parmi un ensemble de 53 protéines étudiées, et 7 peptides obliques ont été étudiés expérimentalement. Les résultats renforcent lhypothèse dune implication de certains peptides obliques dans les phénomènes de transconformation et/ou de toxicité associés aux protéines amyloïdogéniques.

La Protéine Prion cellulaire (PrPc) est une protéine ubiquitaire mais majoritairement présente dans le système nerveux central. Elle est plus particulièrement connue pour sa conversion conformationnelle en PrPSc dans les maladies à Prions qui sont des Protéinopathies comme la maladie d’Alzheimer (MA). La MA est en partie associée à des dépôts de peptides beta-amyloïdes (Aβ) agrégés de façon extracellulaire et issus des clivages successifs par la β- puis la γ-sécrétase de la protéine précurseur amyloïde (APP) exprimée dans les neurones. La PrPc et l’APP partagent des fonctions et des voies protéolytiques communes (α- ou β-sécrétase) les impliquant dans la prolifération, la différenciation, la synaptogenèse et la survie cellulaire. La PrPc est impliquée dans la régulation de la prolifération et la différenciation de différentes cellules souches : neurales adultes (NSC), hématopoïétiques (HSC), embryonnaires humaines (hESC). Si la PrP et l’APP partagent des fonctions communes, plusieurs publications montrent que la PrPc régule négativement le clivage de l'APP en Aβ et positivement le clivage de l’APP en sAPPα suggérant ainsi un rôle anti-amyloïdogénique de la PrPc. La PrP agirait également comme récepteur des Aβ à la surface neuronale induisant notamment l’inhibition des LTP et l’altération synaptique.Dans ce contexte, les objectifs spécifiques de la thèse sont :- L’étude de l’expression de la PrP, de l’APP et ses résidus de clivage au cours de l’induction neurale des hESC en NSC et de la différenciation neuronale- L’impact de la modulation de l’expression de la PrP sur le clivage de l’APP ainsi que sur les propriétés des cellules souches (survie, prolifération, différenciation).1. Induction neurale des hESC en NSC Pour ce projet nous avons utilisé des Cellules Souches Embryonnaires Humaines (hESC) pour lesquelles le laboratoire dispose d’une autorisation de l’Agence de la Biomédecine.Pour l’induction neurale, nous avons testé deux protocoles : l’un permet d’obtenir des neurosphères en suspension puis des «rosettes» constituées de NSC, l’autre protocole en monocouche mime quant à lui la corticogenèse. Une optimisation de ces protocoles a été nécessaire (densité de départ, méthodes de fixation des cellules pour améliorer la détection de la PrP) ainsi que la détermination des conditions d’analyse de l’expression de PrP, d’APP et ses résidus clivés (Aβ, sAPPα/β). 2. Différenciations à partir des NSC Les NSC obtenues ont ensuite été amplifiées puis différenciées en neurones et/ou astrocytes. Les cellules ont été caractérisées notamment par immunofluorescence et RT-qPCR pour l’expression des principaux marqueurs astrocytaires (GFAP) et neuronaux (BIII-tubuline, Doublecortine, Synaptophysine) et la disparition progressive des marqueurs de NSC. Là encore nous avons établi des conditions précises de densité cellulaire ainsi que les points des analyses cinétiques de nos différents paramètres.3. Modulation de l’expression de la PrPc Nous avons utilisés des vecteurs lentiviraux permettant l’expression ou l’inhibition de la PrPc humaine pour transduire des hESC au moment d’initier l’induction neurale et des NSC. Pour cela nous avons également dû réaliser des optimisations de différents paramètres : densité cellulaire, taille des supports d’ensemencement ou MOI de lentivirus afin d’avoir une transduction efficace tout en limitant la cytotoxicité. De même, les échantillons récoltés nous ont permis d’évaluer l’impact de la modulation de la PrPc sur le clivage de l’APP ainsi que sur la biologie des cellules souches (survie, prolifération, différenciation). / The cellular Prion Protein (PrPc) is a ubiquitary protein mainly expressed in the central nervous system. It is particularly known for its conformational conversion in PrPSc in Prion diseases, which are proteinopathies such as Alzheimer’s disease (AD). AD is associated with extracellular deposits of aggregated beta-amyloid peptides (Aβ) derived from successive β- and the γ-secretase cleavages of the amyloid precursor protein (APP) expressed by neurons. PrPc and APP share some common functions and proteolytic pathways (α- or β-secretase), involving them in proliferation, differentiation, synaptogenesis and cellular survival. PrPc is involved in the regulation of proliferation and differentiation of many stem cells: adult neural (NSC), hematopoietic (HSC) and human embryonic (hESC). Several publications also show that PrP downregulates the cleavage of APP in Aβ and positively regulates the cleavage of APP in sAPPα suggesting an anti-amyloïdogenic role of PrPc. PrP could also act as a receptor of Aβ at the neuronal surface inducing LTP inhibition and synaptic alteration. In this context, the specific objectives of my thesis were:- Study of the expression of PrP, APP and its cleavage residues during neural induction of hESC in NSC and neuronal differentiation.- Impact of the modulation of PrP expression on APP cleavages as well as on stem cells properties (survival, proliferation, differentiation). 1. Neural induction of hESC in NSCFor this project, we have used Human Embryonic Stem Cells (hESC) for which the laboratory has an authorization from the “Agence de la Biomédecine”.For the neural induction, we have tested two protocols, the first one allows the obtention of neurospheres in suspension and then figures of “rosettes” composed of NSC, and a “monolayer” protocol that mimics the beginning of corticogenesis. An optimization of these protocols has been necessary (starting cell density, cell fixation methods to improve PrP detection). We have also determined the best conditions to analyze the expression of PrP, APP and its derived peptides (Aß, sAPPα/β). 2. Differentiation of NSCNSC derived from hESC were amplified and differentiated into neurons and/or astrocytes. Cells were characterized in particular by immunofluorescence and RT-qPCR for the expression of the major astrocytic (GFAP) and neuronal markers (BIII-tubulin, doublecortin, synaptophysin) and the progressive decrease of NSC markers. Again we have determined the best conditions for cell density and kinetic time points for our analysis.3. Modulation of PrPC expression We have used lentiviral vectors allowing the expression of an anti-PrP shRNA, human PrP and respective controls. To achieve this task, lentiviral transductions of hESC and NSC were optimized: cell density, size of the seeding culture wells or MOI of lentivirus. Finaly, samples collected allowed us to evaluate the impact of PrPc modulation on the APP cleavages as well as on stem cells properties (survival, proliferation, differentiation).

Le repliement et la stabilité des protéines dépendent des conditions physico-chimiques de leur environnement. En particulier, le pH, la température, l’agitation et les interactions avec d’autres macromolécules ou avec les interfaces (liquide–surfaces des matériaux ; air-liquide ; etc.) sont connues pour induire des phénomènes de dénaturation et d’agrégation des protéines.Le contrôle de la stabilité des protéines thérapeutiques représente un enjeu médical et économique pour l’industrie pharmaceutique. L’insuline, qui est la protéine thérapeutique la plus produite, est connue in vitro pour former des fibres amyloïdes induites par les surfaces hydrophobes. Les agrégations amyloïdes sont également impliquées dans un certain nombre de pathologies, notamment humaines et animales présentant de forts enjeux de santé publique et économiques.Cette thèse traite en particulier de l’agrégation amyloïde à la surface des matériaux en utilisant l’insuline comme protéine modèle. Les travaux précédents réalisés par notre équipe ont démontré que des peptides de courte longueur avaient la capacité de modifier très significativement la cinétique d’agrégation induite par la surface des matériaux, et ce à des concentrations sub-stœchiométriques par rapport à l'insuline. En particulier les peptides adoptant une conformation secondaire en feuillet beta une fois adsorbés sur les surfaces hydrophobes, induisent une réduction drastique de la durée de nucléation de fibres amyloïdes d’insuline.Dans les travaux présentés ici nous avons découvert des séquences peptidiques présentant, toujours à des concentrations sub-stœchiométriques, deux effets antagonistes sur la cinétique de l’agrégation amyloïde de l’insuline. Le premier effet, coopératif et localisé à la surface de matériaux hydrophobes, résulte en une accélération de la nucléation. A l’inverse le second effet provient des peptides en solution et résulte en une puissante inhibition à la fois de la nucléation et de l’élongation des fibres.Nous avons premièrement caractérisé quantitativement ces effets pour un ensemble de peptides possédant des séquences de type (LK)nL, et investigué les mécanismes à l’origine du phénomène accélérateur. Des mesures quantitatives de fluorescence (Thioflavine T, marquage fluorescent du peptide) ont permis de montrer que l’adsorption coopérative des peptides sur la surface du matériau était responsable de l’accélération de la vitesse de nucléation. Pour l’effet inhibiteur, provenant des peptides en solution, nous avons démontré que cet effet résulte de la liaison des peptides sur l’insuline fibrillaire et qu’il est médié par les charge.De surcroit nous avons étudié la localisation de la nucléation et de l’apparition des premiers agrégats par microscopie à fluorescence. Nous avons observé que les zones situées à l’interface triple matériau-air-solution et subissant une contrainte de cisaillement élevé étaient les sites préférentiels d’apparition des premiers agrégats amyloïdes et donc très probablement les régions dominantes en termes de nucléation.Nous avons enfin développé une technique permettant une croissance localisée, patternable et induite par la lumière d’agrégats amyloïde d’insuline sur une surface de verre. Cette voie d’agrégation singulière ne présente pas de phase de nucléation apparente et dépend strictement de la présence de Thioflavine T. Nous avons montré que la Thioflavine T insérée entre les feuillets béta et qui peut être excitée à 440 nm fournit localement l’énergie nécessaire pour la transition de conformation de l’insuline native adsorbée vers l’état agrégé. Cette méthode permet d’obtenir une croissance différentielle entre des zones de surface hydrophile et hydrophobe. / The folding and stability of proteins depend on the physico-chemical conditions of their environment. Especially pH, temperature, stirring and interactions with other macromolecules or with interfaces (liquid-material surfaces; air-liquid; etc.) are known to induce protein denaturation and aggregation phenomena.The control of therapeutic protein stability represents a medical and economic challenge for the pharmaceutic industry. For instance insulin, which is the most s model produced therapeutic protein, is known to form amyloid aggregates in vitro induced by hydrophobic surfaces. Amyloid aggregates are also involved in several pathologies including human and animal diseases of high economic and public health impact.This thesis focuses on amyloid aggregation at material surfaces using insulin as a model protein. Previous work from our team have demonstrated that short peptides have the ability to significantly interfere with the kinetics of surface-driven amyloid aggregation and this at sub-stoichiometric concentrations with respect to insulin. In particular peptides adopting a beta-sheet secondary structure when adsorbed on hydrophobic surfaces, were able to reduce the nucleation time of insulin aggregation.In the present work we have discovered peptide sequences presenting, again at sub-stoichiometric concentrations, two antagonistic effects on insulin aggregation kinetics. The first consists in a cooperative reduction of the nucleation time and operates via peptides bound to the material surface. The second, on the other hand, results in a powerful inhibition of both nucleation and fiber elongation via peptides remaining in solution.We have first quantitatively characterized these effects on a set of peptides presenting alternate primary sequences of the type (LK)nL, and investigated the underlying mechanisms promoting insulin nucleation. Quantitative fluorescence measurements (Thioflavin T, fluorescent labelling of the peptide) have shown that the cooperative adsorption of peptides on hydrophobic material surfaces was responsible for the reduction of the insulin nucleation time. We have then shown that the inhibitory effect results from the binding of peptides in solution to fibrillar insulin aggregates and that this effect is mediated by charges.In addition we studied the localization of the insulin nucleation and of the appearance of the first aggregates using fluorescence microscopy. We observed the preferential appearance of the first ThT positive aggregates at the solid-liquid-air triple interface undergoing high shear stress, making these regions the predominant nucleation sites.We eventually developed a technique allowing a localized and patterned growth of light-induced insulin aggregates on glass surfaces. This atypical aggregation pathway does not present any observable lag time and depends strictly on Thioflavin T. We have shown that the ThT inserted between the cross beta-sheets and which can be excited at 440 nm locally provides the energy required for the conformational transition of the native insulin into the aggregated one. This method can be used to obtain a differential amyloid growth between surface area of different hydrophobicity.

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La formation des agrégats des peptides et des protéines par l'interaction de feuillets β a de plus en plus attiré l'attention car elle se produit dans de nombreuses maladies humaines généralisées, telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la maladie d'Alzheimer (AD), la maladie de Parkinson (PD), les maladies à prions et la maladie de Huntington (HD). La maladie d'Alzheimer est la forme la plus courante de démence qui provoque la perte de la mémoire chez les personnes âgées. En 2013, il y avait 35 millions de personnes souffrant de AD à travers le monde, un chiffre qui devrait doubler d'ici 2050. Etiologiquement ces maladies se manifestent par des dépôts anormaux de protéines, y compris les plaques neuritiques séniles (PNS) et les dégénérescences neurofibrillaires (DNF). L'accumulation extracellulaire d'agrégats insolubles de la protéine β-amyloide (A) conduit à la formation de plaques séniles, tandis que DNF se produisent à l’intérieur des neurones et sont composés par des filaments hélicoidaux appariés de la protéine tau hyperphosphorylée. Les peptides A sont produits en tant que monomères solubles et subissent l'oligomérisation et la formation de fibrilles amyloides par un processus qui n’a pas été complètement clarifié. Il est suggéré que les peptides Aß solubles jouent un rôle important dans la croissance neuronale, la survie et la modulation synaptique, tandis que les oligomères et fibrilles ont des propriétés toxiques. Une nouvelle stratégie thérapeutique vers la prévention ou le traitement de maladies associées à des structures -feuillet et, en particulier, AD, est représentée par la synthèse de mimes de -brins qui peuvent antagoniser la formation ou la reconnaissance de feuillet ß. En fait, dans la maladie d’Alzheimer, le processus d'agrégation des protéines implique une transition de la structure secondaire non ordonnée/α-hélice à une conformation riche en feuillet β, conduisant à la formation de feuillet croisés. Sur la base des quelques données publiées récemment sur des mimes d’épingles  et en particulier des structures macrocycliques de Nowick, comme inhibiteurs de l'agrégation des protéines, nous avons supposé qu’une pré-structuration des molécules peptidomimétiques pourrait augmenter leur affinité pour les peptides A et donc augmenter leur activité inhibitrice de l'agrégation. Notre conception vers un mime d’épingle stable, qui pourrait interagir et éventuellement agir en tant que ligand de feuillets β et inhibiteur de l'agrégation, implique l’assemblage d’une dicétopipérazine bifonctionnelle en tant que scaffold , d’un brin peptidomimétique pour stabiliser la formation de feuillets β et enfin d’une séquence peptidique convenable pour la liaison à la protéine. Ces molécules ont montré une interaction avec le peptide Aβ1-42 ainsi qu’une modulation de la cinétique d’agrégation. / The formation of peptide and protein aggregates through the interaction of β-sheets has increasingly drawn attention since it occurs in many widespread human diseases, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Alzheimer’s disease (AD), Parkinson's disease (PD), prion diseases, and Huntington's disease (HD). Alzheimer’s disease is the most common form of dementia that causes memory loss in the elderly. In 2013, 35 million people were afflicted with AD worldwide, a number expected to double by 2050. Etiologically, the most common findings are abnormal protein deposits, including senile neuritic plaques (SNPs) and neurofibrillary tangles (NFTs). The extracellular accumulation of insoluble aggregates of β-amyloid protein (Aβ) leads to the formation of senile plaques, whereas NFTs occur intracellulary and are composed of paired helical filaments of hyperphosphorylated tau protein. Aβ peptides are produced as soluble monomers and undergo oligomerization and amyloid fibril formation via an unclear process. It is suggested that soluble A peptides play an important role in neuronal growth, survival, and synaptic modulation, while the oligomers and fibrils have toxic properties. Mimicking -strands to antagonize -sheet formation or recognition represent a new therapeutic strategy toward the prevention or treatment of diseases associated with -sheet structures such as AD. In this pathology, protein aggregation process involves a secondary structure transition from unordered/α-helix to a β-sheet rich conformation, leading to cross β-sheet structure formation. Based on the few recent published data on β-hairpin mimics, in particular on the macrocyclic structures of Nowick, as inhibitors of protein aggregation, we hypothesized that pre-structuring the peptidomimetic molecules might increase their affinity for Aβ peptides and thus increase their aggregation inhibitory activity. Our design towards a stable β-hairpin mimic (Figure 1), which could interact and eventually act as a β-sheet binder and aggregation inhibitor, involved assembling of a bifunctional diketopiperazine scaffold , a peptidomimetic strand to stabilize the formation of β-sheets and finally a suitable peptide sequence for binding to the aggregating protein. These molecules were shown to interact with the native Aβ1-42 peptide and modulate the kinetics of aggregation.

A key prerequisite for cellular and organismal health is a functional proteome. A variety of human protein misfolding diseases are associated with the occurrence of amyloid protein aggregates, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) or Huntington’s disease. The proteins involved in disease manifestation all contain aggregation-prone sequences of low compositional complexity. Such sequences are also known as prion-like, because of their sequence similarity to yeast prions. Yeast prion proteins are a specific subset of amyloid forming proteins with distinct physio-chemical and functional features, which give them transmissible properties. The aggregation properties of yeast prions and disease-related prion-like proteins reside in structurally independent, prion-forming domains (PrDs). These domains are highly enriched for uncharged polar amino acids, such as glutamine (Q) and asparagine (N). These compositional features can be used to predict prion-like proteins bioinformatically. To investigate the prevalence of prion-like proteins across different organisms, we analyzed a range of eukaryotic proteomes. Our analysis revealed that the slime mold D. discoideum contains the highest number of prion-like N/Q-rich proteins of all organisms. Based on this finding, we hypothesized that D. discoideum could be a valuable model system to study protein homeostasis (proteostasis) and the molecular basis of protein misfolding diseases. To explore how D. discoideum manages its highly aggregation-prone proteome, we analyzed the behavior of several well-characterized misfolding-prone marker proteins (variants of the disease-causing exon 1 of the huntingtin protein as well as wildtype and variant versions of the Q/N-rich yeast prion Sup35NM). Intriguingly, these proteins did not form cytosolic aggregates in D. discoideum, as they do in other organisms. Aggregates, however, formed as a result of heat stress, which indicates that the tested proteins have the capacity to aggregate, but are kept under tight control under normal conditions. Furthermore, when the stress level was reduced, the stress-induced aggregates dissolved, suggesting that D. discoideum has evolved mechanisms to reverse aggregation after a period of acute stress. Together, these findings reveal an unusual resilience of D. discoideum to aggregation-prone proteins, which very likely results from specific adaptations in its proteostasis network. By studying these specific adaptations, we could get important insight into the strategies that nature employs to control and maintain a highly aggregation-prone proteome. So far, our experimental investigations have revealed evidence for three specific adaptations. First, we identified the disaggregase Hsp101 as a key player in the acute stress response of D. discoideum. A functional analysis of Hsp101 in yeast and D. discoideum revealed that it supports thermotolerance. Second, we found evidence for an important role of the nucleus and nucleolus in proteostasis. We discovered that a small fraction of highly aggregation-prone proteins accumulated in the nucleus or nucleolus of D. discoideum cells. The magnitude of this nuclear accumulation could be increased by proteasome impairment, which suggests that the ubiquitin-proteasome system (UPS) is involved. This finding is consistent with previous studies in other organisms and hints at the possibility that D. discoideum disposes of aggregation-prone proteins by degrading them in the nucleus/nucleolus. Third and finally, we found that cells containing nuclear accumulations are asymmetrically distributed in the multicellular developmental stage (slug), suggesting that D. discoideum employs cell-sorting mechanisms to dispose of cells with accumulated protein damage. Although our current understanding of proteostasis in D. discoideum is preliminary, we have gained important insight into the molecular mechanisms and cellular pathways that D. discoideum uses to counteract protein aggregation. Findings from this work will inform similar comparative studies in other organisms and will impact our molecular understanding of protein misfolding diseases and aging. / Eine wesentliche Voraussetzung für die Gesundheit von Zellen und Organismen ist ein funktionales Proteom. Eine Reihe von humanen Protein- Missfaltungs-Erkrankungen, wie Chorea Huntington und Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) werden mit dem Auftreten von amyloiden Protein- Aggregaten in Verbindung gebracht. Sämtliche Proteine, die in der Pathogenese dieser Krankheiten eine Rolle spielen, enthalten aggregations-anfällige Sequenzen mit geringer Sequenzkomplexität. Solche Sequenzen werden als Prion-ähnlich bezeichnet, da sie in ihrer Zusammensetzung den Prionen aus der Hefe S. cerevisiae gleichen. Die Prion-Proteine der Hefe gehören zu einer Unterart von amyloid-aggregierenden Proteinen, die durch bestimmte physikochemische und funktionelle Eigenschaften einen infektiösen Charakter erhalten. Die Aggregations-Eigenschaften von Hefeprionen und aggregationsanfällige Proteinen, die mit Erkrankungen in Verbindung gebracht werden, basieren auf strukturell unabhängigen, Prion-bildenden Domänen (prion domain, PrD). Diese Domänen sind angereichert mit polaren Aminosäuren wie Glutamin und Asparagin. Diese Zusammensetzung kann dazu verwendet werden prion-ähnliche Proteine bioinformatisch vorherzusagen. Um die Verbreitung von Prion-ähnlichen Proteinen in verschiedenen Organismen zu untersuchen, analysierten wir eine Reihe von eukaryotischen Proteomen. Unsere Analyse zeigte, dass der Schleimpilz D. discoideum die höchste Anzahl von Prion-ähnlichen N/Q-reichen Proteinen aufzeigt. Aufgrund dieser Erkenntnisse erstellten wir die Hypothese, dass D. discoideum ein nützlicher Modellorganismus sein könnte, um Protein Homöostase (Proteostase) sowie die molekulare Basis von Proteins-Missfaltungs-Erkrankungen zu ergründen. Um zu analysieren, wie D. discoideum mit seinem höchst aggregations-anfälligen Proteom umgehen kann, untersuchten wir das Verhalten mehrerer bereits charakterisierter aggregations-anfälliger Marker-Proteine in D. discoideum. Hierbei verwendeten wir Varianten des krankheits-erzeugenden Exon 1 des humanen Huntingtin Protein sowie den wild-typ und Varianten des N/Q-reichen Hefe Prions Sup35. Interessanterweise bildeten diese Proteine, anders als in anderen Organismen, keine zytosolischen Aggregate in D. discoideum aus. Aggregate wurden jedoch unter Hitzestress-Bedingungen gebildet. Dies deutet darauf hin, dass die getesteten Proteine durchaus das Vermögen zu aggregieren besitzen, jedoch unter normalen Wachstumsbedingungen streng kontrolliert werden. Wenn, darüberhinaus das Stress- Level gesenkt wurde, kam es zur Auflösung der stress-induzierten Aggregate. Dies deutet darauf hin, dass D. discoideum Mechanismen entwickelt hat, um Aggregate nach Perioden von akutem Stress wieder aufzulösen. Zusammengenommen enthüllen diese Erkenntnisse eine ungewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegenüber aggregations-anfälligen Proteinen. Diese beruht höchstwahrscheinlich auf spezifischen Modifikationen im Proteostase Netzwerk. Durch die Analyse dieser spezifischen Anpassungen könnten wichtige Einblicke in die Strategien gewährt werden, welche die Natur benutzt, um ein höchst aggregations-anfälliges Proteom zu erhalten und zu kontrollieren. Bisher erbrachten unsere Experimente Anhaltspunkte für drei spezifische Anpassungen. Erstens zeigten wir, dass die Disaggregase Hsp101 eine Schlüsselrolle in der akuten Stressantwort in D. discoideum einnimmt. Eine funktionale Analyse von Hsp101 in D. discoideum und Hefe zeigte, dass die Disaggregase Thermotoleranz fördert. Zweitens haben wir Anhaltspunkte, dass der Nukleus und der Nukleolus eine wichtige Rolle in der Proteostase einnehmen. Eine geringe Fraktion der überaus aggregations-anfälligen Proteine akkumuliert im Nukleus oder Nukleolus von D. discoideum. Das Ausmaß der nuklearen Akkumulation konnte erhöht werden, wenn das Proteasom beeinträchtigt wird. Dies deutet darauf hin, dass das Ubiquitin-Proteasom-System involviert sein könnte. Diese Beobachtung ist im Einklang mit jüngsten Berichten aus anderen Organismen und daraus folgt, dass D. discoideum möglicherweise aggregations-anfällige Proteine durch Abbau im Nukleus entsorgt. Drittens konnten wir feststellen, dass Zellen, die nukleare Akkumulationen enthalten, asymmetrisch in der multizellulären Entwicklungs-Struktur des Pseudoplasmodiums verteilt sind. Dies deutet darauf hin, dass D. discoideum möglicherweise den Zellsortierungsmechanismus während der Entwicklung nutzen kann, um Zellen mit angereicherten Protein-Schäden zu beseitigen. Auch wenn das gegenwärtige Verständnis der Proteostase in D. discoideum nur vorläufig ist, haben wir wichtige Einblicke in die molekularen Mechanismen und zellulären Prozesse erhalten, die D. discoideum verwendet, um Protein-Aggregation zu verhindern. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden ähnliche vergleichende Studien in anderen Organismen beeinflussen und Auswirkungen auf unser molekulares Verständnis über Protein-Missfaltungs-Erkrankungen und das Altern haben.

Dans cette thèse, nous avons construit et optimisé des méthodes de microscopie de fluorescence super-résolue stochastique, polarisée et quantitative qui nous permettent d'imager l'orientation moléculaire dans des environnements dynamiques et statiques a l’échelle de la molécule unique et avec une résolution nanoscopique. En utilisant un montage de microscopie super-résolue à lecture stochastique en combinaison avec une détection polarisée, nous avons pu reconstruire des images d'anisotropie de fluorescence avec une résolution spatiale de 40 nm. En particulier, nous avons pu imager l'ordre orientationnel d'assemblages biomoléculaires et cellulaires. Pour l'imagerie cellulaire, nous avons pu étudier la capacité d'étiquettes de marquer fluorophoresde reporter quantifier l'orientation moléculaire dans l'actine et les microtubules dans des cellules fixées. Nous avons également mis à profit la meilleure résolution et la détection polarisée pour étudier l'ordre moléculaire d’agrégats d’amyloïdes a l’échelle nanoscopique. Enfin, nous avons étudié l'interaction de la protéine de réparation RAD51 avec l'ADN par microscopie de fluorescence polarisée super-résolue pour quantifier l'ordre orientationnel de l'ADN et de la protéine RAD51 afin de comprendre la recombinaison homologue du mécanisme de réparation de l'ADN. / .In this thesis we built and optimized quantitative polarized stochastic super-resolution fluorescence microscopy techniques that enabled us to image molecular orientation behaviors in static and dynamic environments at single molecule level and with nano-scale resolution. Using a scheme of stochastic read-out super resolution microscopy in combination with polarized detection, we can reconstruct fluorescence anisotropy images at a spatial resolution of 40 nm. In particular, we have been able to use the techniques to quantify the molecular orientationalorder in cellular and bio-molecular assemblies. For cellular imaging, we could quantify the ability of fluorophore labels to report molecular orientation of actin and microtubules in fixed cells. Furthermore, we used the improvements of resolution and polarization detection to study molecular order of amyloid aggregates at a nanoscopic scale. Also, we studied repair protein RAD51` s interaction with DNA by using dual color polarized fluorescence microscopy, to quantify the orientational order of DNA and RAD51 to understand the homologous recombination of DNA repair mechanism.

A key prerequisite for cellular and organismal health is a functional proteome. A variety of human protein misfolding diseases are associated with the occurrence of amyloid protein aggregates, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) or Huntington’s disease. The proteins involved in disease manifestation all contain aggregation-prone sequences of low compositional complexity. Such sequences are also known as prion-like, because of their sequence similarity to yeast prions. Yeast prion proteins are a specific subset of amyloid forming proteins with distinct physio-chemical and functional features, which give them transmissible properties. The aggregation properties of yeast prions and disease-related prion-like proteins reside in structurally independent, prion-forming domains (PrDs). These domains are highly enriched for uncharged polar amino acids, such as glutamine (Q) and asparagine (N). These compositional features can be used to predict prion-like proteins bioinformatically. To investigate the prevalence of prion-like proteins across different organisms, we analyzed a range of eukaryotic proteomes. Our analysis revealed that the slime mold D. discoideum contains the highest number of prion-like N/Q-rich proteins of all organisms. Based on this finding, we hypothesized that D. discoideum could be a valuable model system to study protein homeostasis (proteostasis) and the molecular basis of protein misfolding diseases. To explore how D. discoideum manages its highly aggregation-prone proteome, we analyzed the behavior of several well-characterized misfolding-prone marker proteins (variants of the disease-causing exon 1 of the huntingtin protein as well as wildtype and variant versions of the Q/N-rich yeast prion Sup35NM). Intriguingly, these proteins did not form cytosolic aggregates in D. discoideum, as they do in other organisms. Aggregates, however, formed as a result of heat stress, which indicates that the tested proteins have the capacity to aggregate, but are kept under tight control under normal conditions. Furthermore, when the stress level was reduced, the stress-induced aggregates dissolved, suggesting that D. discoideum has evolved mechanisms to reverse aggregation after a period of acute stress. Together, these findings reveal an unusual resilience of D. discoideum to aggregation-prone proteins, which very likely results from specific adaptations in its proteostasis network. By studying these specific adaptations, we could get important insight into the strategies that nature employs to control and maintain a highly aggregation-prone proteome. So far, our experimental investigations have revealed evidence for three specific adaptations. First, we identified the disaggregase Hsp101 as a key player in the acute stress response of D. discoideum. A functional analysis of Hsp101 in yeast and D. discoideum revealed that it supports thermotolerance. Second, we found evidence for an important role of the nucleus and nucleolus in proteostasis. We discovered that a small fraction of highly aggregation-prone proteins accumulated in the nucleus or nucleolus of D. discoideum cells. The magnitude of this nuclear accumulation could be increased by proteasome impairment, which suggests that the ubiquitin-proteasome system (UPS) is involved. This finding is consistent with previous studies in other organisms and hints at the possibility that D. discoideum disposes of aggregation-prone proteins by degrading them in the nucleus/nucleolus. Third and finally, we found that cells containing nuclear accumulations are asymmetrically distributed in the multicellular developmental stage (slug), suggesting that D. discoideum employs cell-sorting mechanisms to dispose of cells with accumulated protein damage. Although our current understanding of proteostasis in D. discoideum is preliminary, we have gained important insight into the molecular mechanisms and cellular pathways that D. discoideum uses to counteract protein aggregation. Findings from this work will inform similar comparative studies in other organisms and will impact our molecular understanding of protein misfolding diseases and aging. / Eine wesentliche Voraussetzung für die Gesundheit von Zellen und Organismen ist ein funktionales Proteom. Eine Reihe von humanen Protein- Missfaltungs-Erkrankungen, wie Chorea Huntington und Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) werden mit dem Auftreten von amyloiden Protein- Aggregaten in Verbindung gebracht. Sämtliche Proteine, die in der Pathogenese dieser Krankheiten eine Rolle spielen, enthalten aggregations-anfällige Sequenzen mit geringer Sequenzkomplexität. Solche Sequenzen werden als Prion-ähnlich bezeichnet, da sie in ihrer Zusammensetzung den Prionen aus der Hefe S. cerevisiae gleichen. Die Prion-Proteine der Hefe gehören zu einer Unterart von amyloid-aggregierenden Proteinen, die durch bestimmte physikochemische und funktionelle Eigenschaften einen infektiösen Charakter erhalten. Die Aggregations-Eigenschaften von Hefeprionen und aggregationsanfällige Proteinen, die mit Erkrankungen in Verbindung gebracht werden, basieren auf strukturell unabhängigen, Prion-bildenden Domänen (prion domain, PrD). Diese Domänen sind angereichert mit polaren Aminosäuren wie Glutamin und Asparagin. Diese Zusammensetzung kann dazu verwendet werden prion-ähnliche Proteine bioinformatisch vorherzusagen. Um die Verbreitung von Prion-ähnlichen Proteinen in verschiedenen Organismen zu untersuchen, analysierten wir eine Reihe von eukaryotischen Proteomen. Unsere Analyse zeigte, dass der Schleimpilz D. discoideum die höchste Anzahl von Prion-ähnlichen N/Q-reichen Proteinen aufzeigt. Aufgrund dieser Erkenntnisse erstellten wir die Hypothese, dass D. discoideum ein nützlicher Modellorganismus sein könnte, um Protein Homöostase (Proteostase) sowie die molekulare Basis von Proteins-Missfaltungs-Erkrankungen zu ergründen. Um zu analysieren, wie D. discoideum mit seinem höchst aggregations-anfälligen Proteom umgehen kann, untersuchten wir das Verhalten mehrerer bereits charakterisierter aggregations-anfälliger Marker-Proteine in D. discoideum. Hierbei verwendeten wir Varianten des krankheits-erzeugenden Exon 1 des humanen Huntingtin Protein sowie den wild-typ und Varianten des N/Q-reichen Hefe Prions Sup35. Interessanterweise bildeten diese Proteine, anders als in anderen Organismen, keine zytosolischen Aggregate in D. discoideum aus. Aggregate wurden jedoch unter Hitzestress-Bedingungen gebildet. Dies deutet darauf hin, dass die getesteten Proteine durchaus das Vermögen zu aggregieren besitzen, jedoch unter normalen Wachstumsbedingungen streng kontrolliert werden. Wenn, darüberhinaus das Stress- Level gesenkt wurde, kam es zur Auflösung der stress-induzierten Aggregate. Dies deutet darauf hin, dass D. discoideum Mechanismen entwickelt hat, um Aggregate nach Perioden von akutem Stress wieder aufzulösen. Zusammengenommen enthüllen diese Erkenntnisse eine ungewöhnliche Widerstandsfähigkeit gegenüber aggregations-anfälligen Proteinen. Diese beruht höchstwahrscheinlich auf spezifischen Modifikationen im Proteostase Netzwerk. Durch die Analyse dieser spezifischen Anpassungen könnten wichtige Einblicke in die Strategien gewährt werden, welche die Natur benutzt, um ein höchst aggregations-anfälliges Proteom zu erhalten und zu kontrollieren. Bisher erbrachten unsere Experimente Anhaltspunkte für drei spezifische Anpassungen. Erstens zeigten wir, dass die Disaggregase Hsp101 eine Schlüsselrolle in der akuten Stressantwort in D. discoideum einnimmt. Eine funktionale Analyse von Hsp101 in D. discoideum und Hefe zeigte, dass die Disaggregase Thermotoleranz fördert. Zweitens haben wir Anhaltspunkte, dass der Nukleus und der Nukleolus eine wichtige Rolle in der Proteostase einnehmen. Eine geringe Fraktion der überaus aggregations-anfälligen Proteine akkumuliert im Nukleus oder Nukleolus von D. discoideum. Das Ausmaß der nuklearen Akkumulation konnte erhöht werden, wenn das Proteasom beeinträchtigt wird. Dies deutet darauf hin, dass das Ubiquitin-Proteasom-System involviert sein könnte. Diese Beobachtung ist im Einklang mit jüngsten Berichten aus anderen Organismen und daraus folgt, dass D. discoideum möglicherweise aggregations-anfällige Proteine durch Abbau im Nukleus entsorgt. Drittens konnten wir feststellen, dass Zellen, die nukleare Akkumulationen enthalten, asymmetrisch in der multizellulären Entwicklungs-Struktur des Pseudoplasmodiums verteilt sind. Dies deutet darauf hin, dass D. discoideum möglicherweise den Zellsortierungsmechanismus während der Entwicklung nutzen kann, um Zellen mit angereicherten Protein-Schäden zu beseitigen. Auch wenn das gegenwärtige Verständnis der Proteostase in D. discoideum nur vorläufig ist, haben wir wichtige Einblicke in die molekularen Mechanismen und zellulären Prozesse erhalten, die D. discoideum verwendet, um Protein-Aggregation zu verhindern. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden ähnliche vergleichende Studien in anderen Organismen beeinflussen und Auswirkungen auf unser molekulares Verständnis über Protein-Missfaltungs-Erkrankungen und das Altern haben.

La matrice extracellulaire est composée d’environ 300 protéines et protéoglycanes qui constituent le matrisome et de 800 protéines associées (Naba et al., 2012a) et glycosaminoglycanes. C’est un protéome sous-exploré qui est modifié dans de nombreuses pathologies. Les fragments bioactifs issus de la matrice extracellulaire (matricryptines) sont capables de réguler des processus physiopathologiques et notamment l’angiogenèse et les pathologies cérébrales (Ricard-Blum and Salza, 2014). Environ 90 % des patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA) ont une angiopathie amyloïde cérébrale. L’angiogenèse contribue au déroulement de la MA. Nous nous sommes intéressés à l’endostatine (ES), une matricryptine du collagène XVIII qui possède des activités anti-angiogéniques, anti-tumorales et est également présente dans les plaques amyloïdes chez les patients atteints de la MA. Elle est libérée par les neurones et est capable de former des fibrilles amyloïdes in vitro (Kranenburg et al., 2003). Elle pourrait donc avoir une implication dans la MA. Nous avons montré que l'ES est présente dans le liquide céphalorachidien et que le rapport de sa concentration à celle des marqueurs classiques de la MA permet d’améliorer le diagnostic des patients atteint de démence fronto-temporale (DFT) et de discriminer les patients atteints de MA de ceux atteint de DFT et de pathologie nonMA/nonDFT. Nous avons établi les répertoires d’interactions extracellulaire du peptide -amyloïde (1-42) sous formes monomérique, oligomérique, fibrillaire ou agrégée et montré que l’oligomérisation et la fibrillogenèse augmentent la capacité d’interaction du peptide -amyloïde. Nous avons établi le réseau d’interaction global de l’endostatine par résonance plasmonique de surface en mode imagerie et identifiés 21 nouveaux partenaires de cette matricryptine. Nous avons plus particulièrement caractérisé son interaction avec la Procollagen C-Proteinase Enhancer-1, une protéine dont nous avons montré qu’elle donne naissance à une matricryptine anti-angiogénique. Nous avons enfin construit les réseaux d’interactions extracellulaires spécifiques de l’angiogenèse et de la maladie d’Alzheimer et des processus amyloïdes pour identifier les protéines connectant ces deux processus qui sont des cibles thérapeutiques potentielles. Ces réseaux d’interactions ont été créés à l’aide de 239 interactions que nous avons identifiées expérimentalement et des interactions décrites dans la littérature. Ces données seront à terme disponibles dans la base de données spécifique des interactions extracellulaires créée au laboratoire, MatrixDB, dans la nouvelle version à laquelle nous avons contribué. / The extracellular matrix include approximately 300 proteins and proteoglycans which constitute the matrisome and 800 associated proteins (Naba et al., 2012a) and glycosaminoglycans. It is an under-explored proteome which is modified in many diseases. Extracellular matrix bioactives fragments (matricryptins) are able to regulate physiopathological process like angiogenesis and cerebral disorders (Ricard-Blum and Salza, 2014). About 90 % of patients with Alzheimer's disease (AD) have cerebral amyloid angiopathy. Angiogenesis contributes to the development of AD. We are studying endostatin (ES), a matricryptin of collagen XVIII which has anti-angiogenic and anti-tumoral activities and is also present in amyloid plaques in AD patients. ES is released by neurons and is able to form amyloid fibrils in vitro (Kranenburg et al., 2003). This anti-angiogenic matricryptin could therefore be involved in AD. We have shown that ES is present in the cerebrospinal fluid of AD patients and the ratio of its concentrations to conventional markers of AD improves the diagnosis of patients with frontotemporal dementia (FTD) and discriminate AD patients from those suffering from FTD and pathology noAD/noDFT. We have established the extracellular interactions repertoires of the -amyloid peptide (1-42) in monomeric, oligomeric, fibrillar or aggregated forms and showed that the oligomerization and fibrillogenesis increase the interaction capacity of the -amyloid peptide. We have established the global interaction network of endostatin by surface plasmon resonance imaging and identified 21 new partners of this matricryptin. Specifically, we characterized its interaction with the Procollagen C-Proteinase Enhancer-1, a protein which gives rise to an anti-angiogenic matricryptin. We finally built networks of specific extracellular interactions of angiogenesis and of Alzheimer's disease and amyloid process to identify proteins connecting these two processes that are potential therapeutic targets. These interaction networks have been built using 239 interactions including those we have identified experimentally and those described in the literature. This data will be available in the database specific of extracellular interactions created in the laboratory, MatrixDB, in the new version of which we contributed.

Avec 35 millions de personnes atteintes dans le monde, la maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue. L'une des caractéristiques pathologiques de cette maladie est l'apparition de plaques amyloïdes, composées d'agrégats de peptide beta-amyloïde. Aujourd'hui, le diagnostic repose essentiellement sur des tests neuropsychologiques et sur la mise en évidence de changements dans la structure du cerveau tels que l'atrophie corticale (diminution du volume du cerveau). Cependant les symptômes de cette maladie n'apparaissent qu'à un stade très développé. Ainsi la détection in vivo des dépôts de peptide beta-amyloïde avant le développement de la maladie pourrait conduire à un diagnostic plus précoce et plus probant. Elle pourrait également faciliter le suivi et l'évaluation des effets des interventions thérapeutiques au cours du traitement. Dans ce travail, nous avons développé une méthode de diagnostic précoce innovante, capable de cibler et de détecter les plaques Abeta à la fois par l'imagerie par résonance magnétique et par l'imagerie de fluorescence. Nous avons développé un nouveau type d'agents de contraste intelligents pour l'imagerie multimodale, basé sur des nanoparticules magnétiques sur lesquelles sont greffés les polythiophènes luminescents (LCPs). Les LCPs à la surface des nanoparticules magnétiques se lient aux plaques Abeta de manière sélective et spécifique. Lors de cette liaison, la liberté conformationnelle des polythiophènes se trouve limitée, ce qui conduit à des spectres d'émission spécifiques dépendant de la conformation, et rend pertinent l'usage de l'imagerie par résonance magnétique et de fluorescence des plaques Abeta / Alzheimer's disease is the most common neurodegenerative disorder, affecting around 35 million people worldwide. One of the characteristic pathological hallmarks of AD is amyloid plaques; consist of beta-amyloid peptide aggregates. Today’s diagnosis depends essentially on neuropsychological tests and in highlighting change in brain structure such as cortical atrophy. A major issue is that symptoms appear only at a developed stage of the disease. Then in vivo detection of beta-amyloid deposits at an early stage could lead to earlier and more conclusive diagnosis of AD and help monitoring the effect of therapeutic interventions. In this work, we develop an innovative and early diagnosis method, able to target and detect beta-amyloid deposits aggregates both by magnetic resonance and fluorescence imaging. Thus we develop a new kind of smart contrast agent for multimodal imaging, based on magnetic nanoparticles on which are grafted luminescent conjugated polythiophenes (LCPs). LCPs on the surface of the magnetic nanoparticles bound to beta-amyloid aggregates selectively and specifically. Upon biding to beta-amyloid aggregates the conformational freedom of the backbone is restricted, leading to specific conformation-dependent emission spectra from the LCPs, opening the way for magnetic resonance and fluorescence imaging of the beta-amyloid plaques