Thèse doctorat : Sciences du vivant. Aspects Moléculaires et Cellulaires de la Biologie : Strasbourg 1 : 2006. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 34 p.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. [84]-92. Publié aussi en version électronique.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie dégénérative neuromusculaire fatale. Elle est accompagnée par des altérations métaboliques, se manifestant précocement dans des modèles murins. L’objectif de cette thèse a été d’identifier les cibles moléculaires impliquées dans ces changements. Pour ce faire, nous avons étudié le muscle glycolytique, le premier touché par la dénervation au cours de la maladie dans un modèle de SLA, la souris SOD1G86R. Nous avons montré un déséquilibre entre les voies métaboliques glucidiques et lipidiques à un stade présymptômatique, avec une préférence pour la voie catabolique des lipides. Cette altération peut expliquer notre observation sur le changement des capacités à l’exercice des souris SOD1G86R présymptômatiques. Dans ce contexte, nous avons montré que l’inhibition pharmacologique de PDK4, un des principaux inhibiteurs de la glycolyse, est bénéfique, retardant l’apparition des symptômes. En prenant compte des spécificités métaboliques des différents éléments de l’axe neuromusculaire, ce travail ouvre des nouvelles pistes thérapeutiques pour le traitement de la SLA. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal degenerative disease characterized by loss of upper and lower motor neurons, denervation and skeletal muscle atrophy. ALS is accompanied by metabolic alterations that are early events in mouse models for ALS. The main objective was to identify molecular targets responsible for these alterations. For this, we analyzed several metabolic regulators localized in presymptomatic glycolytic muscle tissue of an ALS mouse model, the SOD1G86R. We identified a pre-symptomatic alteration of metabolic equilibrium, showing an inhibition of glycolysis accompanied by an upregulation of lipid catabolic pathway. This alteration has functional significance, being reflected in a modified capacity of SOD1G86R mice to adapt to different types of exercise. Pharmacological inhibition of PDK4, one of the main inhibitors of glycolysis, delayed disease onset, underpinning the importance of metabolic equilibrium in disease progression. Taking into consideration the metabolic specificity of the different elements on the neuromuscular axis, this work opens towards new therapeutic approaches for ALS.

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) et la Démence Frontotemporale (DFT) sont deux maladies neurodégénératives formant un continuum clinique, génétique et histopathologique. Des mutations dans le gène CHMP2B sont associées à la fois à des cas de SLA et de DFT. Le but de cette thèse a été de caractériser un nouveau modèle de souris transgéniques basé sur l'expression neuronale de la mutation humaine CHMP2Bintron5.Ces souris présentent une faiblesse musculaire progressive et des défauts de coordination motrice. Les motoneurones présentent des altérations au niveau distal. Les souris transgéniques développent des modifications du comportement alimentaire, un désintérêt social et des stéréotypies, tandis que les fonctions mnésiques sont préservées. Nous avons observé une accumulation d'agrégats protéiques dans les neurones ainsi qu'une astrocytose, reflétant le profil histopathologique des patients.Ainsi, l'expression neuronale de CHMP2Bintron5 induit chez les souris des symptômes caractéristiques de la SLA et de la DFT ainsi que l'apparition des marqueurs histopathologiques de ce syndrome. Cette lignée permettra l'étude des mécanismes communs impliqués dans le syndrome SLA-DFT. / The neurodegenerative diseases Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) and Frontotemporal Dementia (FTD) form a clinical, genetic and histopathological continuum. Mutations in CHMP2B can cause ALS or DFT. The aim of this study was to characterize a new transgenic mouse model based on the neuronal expression of the human mutation CHMP2Bintron5.The mice develop a progressive muscle weakness and motor coordination defects, associated with a distal alteration of the motoneurons. Moreover, their feeding behavior is altered and they develop social disinterest and stereotypies, while mnesic functions are spared. We observed protein aggregates in neurons and an astrocytosis, mirroring the histopathological profile of patients.The neuronal expression of the mutant CHMP2Bintron5 triggers a motor phenotype associated with dementia symptoms and histopathological hallmarks of ALS and FTD. This transgenic line willallow the study of the common mechanisms implicated in the ALS-FTD syndrom.

La SLA est une maladie neurodégénérative grave touchant l’adulte qui se caractérise principalement par la perte sélective des neurones moteurs cortico-spinaux et des motoneurones bulbaires et spinaux. La SLA se caractérise également par des altérations de l’homéostasie énergétique et du métabolisme des lipides. L’objectif de ce travail de thèse était, dans un premier temps, d’identifier des changements dans la composition en acides gras, dans le sang, comme potentiels biomarqueurs diagnostiques et pronostiques de la SLA. Dans un second temps, le but était de moduler ces changements, par des approches nutritionnelles, afin de mieux comprendre l’implication d’un métabolisme lipidique altéré dans le processus pathologique de la SLA. Ces travaux ont montré que des taux élevés d’acides gras mono-insaturés (MUFA), ainsi que des taux diminués d’acides gras poly-insaturés (PUFA), sont associés à un meilleur pronostic. L’analyse des effets de la modification de la composition en acides gras, dans des modèles de dénervation pathologique et lésionnelle, a confirmé l’implication de l’antagonisme MUFA/PUFA dans le processus neurodégénératif. Ces travaux font apparaitre des mises en garde quant à l’utilisation des acides gras dans des approches à visée thérapeutique pour la SLA. / ALS is a fatal neurodegenerative condition characterized by the selective loss of upper and lower motor neurons. The disease is also characterized by alterations of energy homeostasis and lipid metabolism. The objective of this PhD work was, first, to identify changes in fatty acid composition of lipids in blood of ALS patients, as potential diagnosis and prognosis biomarkers of the disease. The second goal was to modulate these changes, by nutritional approaches, in order to better understand the involvement of an altered lipid metabolism in the pathological process. Our results showed that high levels of monounsaturated fatty acid (MUFA), as well as low levels of polyunsaturated fatty acids (PUFA), are associated with a better prognosis. The analysis of the effects of a modified fatty acid composition in both pathological and lesion models of denervation, has confirmed implication of the antagonistic relationship between MUFA and PUFA in the neurodegenerative process. This work suggests a cautious usage of fatty acids in therapeutic approaches targeting ALS.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative hétérogène, incurable et sans traitement efficace qui se caractérise principalement par une dégénérescence sélective des neurones moteurs de la moelle épinière et du cerveau. Cette maladie se présente généralement par une faiblesse musculaire progressive, une hypertonie spastique, de la dysphagie, l’apparition de fasciculations, une paralysie presque totale et le décès de 3 à 5 ans après l’apparition des premiers symptômes. La SLA se présente sous deux formes distinctes : la SLA de type familial (SLAF) et la SLA de type sporadique (SLAS). La SLAF est associée à des mutations génétiques précises et est transmise de façon autosomale dominante dans la très grande majorité des cas. Quant à la SLAS, elle se distingue par son côté sporadique, sans cause génétique associée, et représente de 90 à 95 % de tous les cas de SLA. La peau est considérée par certains comme le plus grand organe du corps humain. Elle joue un rôle important dans la thermorégulation ainsi que dans la synthèse de la vitamine D et agit comme barrière naturelle contre l’environnement. Ses couches principales, l’épiderme et le derme, sont principalement et respectivement formées de kératinocytes et de fibroblastes. Le concept du « non-cell autonomous toxicity » stipule qu’une cellule ne présentant pas de mutation associée à une maladie donnée peut présenter un phénotype pathologique. Dans l’étude de la SLA, ce concept s’applique tant aux cellules neuronales qu’aux cellules non neuronales, comme les cellules endothéliales ou les fibroblastes de peau. Hors du système nerveux central, les fibroblastes de peau pourraient représenter une source importante et non invasive d’échantillons biologiques pour l’étude de la SLA. Les exosomes sont des vésicules extracellulaires de 30 à 200 nm de diamètre. Ils sont sécrétés par tous les types cellulaires et représentent un moyen de communication cellulaire important grâce au transport de diverses molécules, dont des protéines et de l’ARN. Ces vésicules représentent une potentielle source de biomarqueur pour l’étude de diverses maladies neurodégénératives, dont la SLA. Dans le cadre du projet de recherche présenté dans cette thèse, les travaux réalisés ont permis de démontrer que l’utilisation de cellules de peau, dont des fibroblastes et des kératinocytes de patients atteints de SLA, permet d’étudier certains aspects de la pathologie de la maladie. En effet, l’utilisation d’un protocole de production de peau reconstruite en laboratoire par génie tissulaire à partir de cellules de patients atteints de SLA a permis de détecter différentes anomalies de la matrice extracellulaire en plus d’une délocalisation de la protéine TDP-43, précédemment détectée uniquement dans le système nerveux central de patients atteints de SLA. Les fibroblastes de peau ont aussi été démontrés comme étant une source d’intérêt pour la découverte de biomarqueurs associés à la maladie. Le sécrétome - le matériel biologique sécrété par une cellule – provenant des fibroblastes peut être purifié à l’aide d’une technique de précipitation protéique qui permet d’obtenir un culot pur, exempt d’impuretés et de sels provenant du milieu de culture. Parmi les éléments identifiés chez les protéines, les exosomes ont été démontrés d’intérêt et importants dans leur culture. En effet, lorsque cultivés en trois dimensions, les exosomes dérivés de fibroblastes de peau 3D contiennent différentes molécules augmentant la prolifération ainsi que la migration cellulaire. De plus, ces vésicules extracellulaires contiennent une grande quantité de protéines de la matrice extracellulaire, démontrant leur importance dans la sécrétion et l’assemblage de celle-ci en culture 3D. Ces exosomes ont de plus la capacité d’améliorer le processus de guérison de plaies dans un modèle de peau reconstruite en laboratoire formé de fibroblastes et de kératinocytes. Finalement, la protéine SOD1, associée au développement de certains types de SLA familiale, a pu être démontrée comme étant un biomarqueur neuropathologique possible de la SLA sporadique. Au même titre que des patients présentant une mutation du gène SOD1, des patients atteints de SLA sporadique présentent certains aspects pathologiques associés à la maladie, dont la présence d’agrégats cytoplasmiques de la protéine mal repliée dans les neurones moteurs du système nerveux central. Globalement, mes travaux démontrent que les cellules de peau représentent un échantillon biologique important dans l’étude de la SLA et qu’elles pourraient constituer un outil novateur dans la découverte de nouveaux biomarqueurs de la maladie. Les exosomes sécrétés par les fibroblastes de peau en culture 3D ont été démontrés comme étant importants dans la prolifération, la migration cellulaire et la sécrétion de protéines de la matrice extracellulaire. Ces vésicules présentent un potentiel énorme dans la découverte de biomarqueurs associés à la maladie. La présence d’agrégats cytoplasmiques de la protéine SOD1 dans les neurones moteurs du système nerveux central de patients atteints de SLA sporadique permet de croire que cette protéine pourrait devenir un biomarqueur important dans le diagnostic de la maladie. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a heterogenous neurodegenerative disease. Presently, it is an incurable disease without any effective treatment and is characterised by selective degeneration of motor neurons in the central nervous system. The symptoms that most patients display include cramps, weakness and muscle atrophy of the hands and feet progressing to the forearms, shoulders and legs, eventually leading to complete paralysis. Nearly 90% of all ALS cases are sporadic, with no known cause. The other 10% of cases represent familial ALS and are associated to ALS-linked genes, such as SOD1, FUS/TLS, TARDBP, and C9ORF72. The skin is considered by some to be the biggest organ of the human body. It plays an important role in thermoregulation as well as vitamin D synthesis. Skin also acts as a natural barrier against environmental threats. It is comprised of the epidermis and the dermis, which are made of keratinocytes and fibroblasts, among other things. The non-cell autonomous toxicity paradigm in ALS has been well established. Outside of the central nervous system, skin fibroblasts could potentially be an important source of biomarkers. The work presented in this thesis demonstrates that skin cells, such as fibroblasts and keratinocytes, derived from ALS patients, allow for the study of different pathological aspects of the disease. The use of a tissue-engineered skin from ALS patients skin cells allows for detection and observation of extracellular matrix structure abnormalities, as well as mislocalization of TDP-43, previously only detected in the motor neurons of patients. Results from experiments associated with this study shed more light on skin fibroblasts, which appear to be a potential source of novel biomarkers. Their secretome can be purified using an optimized protocol leading to pure proteins without salt contamination coming from the cell culture media. As a result, exosomes are of great interest for the discovery of novel biomarkers for the diagnosis of ALS, for following its progression, and for the culture of fibroblast cells. When cultivated in a 3D-fashion, the secreted exosomes contain molecules enhancing cell proliferation and migration, as well as high amounts of extracellular matrix proteins. These extracellular vesicles also help to enhance wound healing in a tissue-engineered model made of skin fibroblasts and keratinocytes. Finally, the SOD1 protein, which is associated with the development of some familial ALS cases, should be considered a potential neuropathological biomarker of sporadic ALS. Cytoplasmic aggregates of the misfolded protein were detected in the motor neurons of sporadic patients, alongside familial ALS patients who were carriers of an SOD1 mutation. Overall, this work shows that skin cells represent an important and minimally invasive biological sample in the study of ALS. These cells are also of interest in the discovery of novel ALS biomarkers. Exosomes secreted by skin fibroblast cells in a 3D culture are important in cell proliferation and migration. They play a crucial role in extracellular matrix protein secretion. The results of this study show that exosomes, proven to be secreted by dermal fibrobasts when cultivated in a 3D fashion, may become as a primary source of biomarkers in ALS. Cytoplasmic aggregates of misfolded SOD1 in motor neurons of sporadic ALS patients could lead to the development of diagnostic tests with SOD1.

La mauvaise localisation cytoplasmique et l'agrégation de la TDP-43, communément appelée pathologie TDP-43, est une caractéristique de nombreuses maladies neurodégénératives, notamment la SLA (sclérose latérale amyotrophique), la démence frontotemporale (FTD). La TDP-43 est une protéine de liaison ADN / ARN située principalement dans le noyau des cellules et contribue au métabolisme de l'ARN, à la condensation de la chromatine et à la régulation de la traduction. Il a été démontré que l'augmentation de la TDP-43 cytoplasmique dans la SLA / FTD supprime la traduction globale en se liant avec RACK1 sur le polyribosome. Cependant, l'impact de la pathologie du TDP-43 sur le profil de traduction neuronal cérébral in vivo reste inconnu. De nombreux groupes ont généré diverses souris transgéniques exprimant des mutations TDP-43 et ont montré des changements pathologiques rappelant la SLA humaine et la FTD chez ces souris. Auparavant, il a été rapporté que dans les cas de SLA, le TDP-43 se lie à la sous-unité p65 NF-κB et améliore son activité de signalisation dans le système nerveux central (SNC). En outre, un extrait de racine de plante médicinale appelée Withania somnifera et son actif withanolide Withaferin-A (WFA), un puissant inhibiteur de NF-ĸB, a réduit l'inflammation et montré des effets bénéfiques lorsqu'il est administré dans des modèles de souris ALS/FTD. Une étude a montré que le traitement WFA protégeait les neurones dopaminergiques et la fonction motrice chez les rats vieillissants. Il a été rapporté que WFA perturbe la réorganisation du modulateur essentiel NF-ĸB (NEMO) en modifiant de manière covalente la cystéine-397, et par conséquent endommage la signalisation IKKß. Dans la présente étude, nous avons testé le potentiel thérapeutique de deux inhibiteurs de NF-ĸB WFA et un nouvel analogue semi-synthétique de WFA nommé IMS-088 en utilisant des modèles de souris transgéniques pour FTD / ALS exprimant hTDP-43 mutants. En outre, nous avons également cherché à identifier le profil de traduction de l'ARN neuronal sous-jacent aux changements associés à la maladie dans la FTD / SLA. Le traitement de ces inhibiteurs de NF-ĸB à des souris mutantes exprimant hTDP-43 a amélioré les déficits cognitifs, réduit l'activité de NF-ĸB, réduit les agrégats cytoplasmiques de TDP-43 et augmenté les niveaux de marqueurs d'autophagie. En utilisant la spectrométrie de masse de peptides nouvellement synthétisés de ribosomes, nous avons également étudié l'impact du traitement IMS-088 sur le profil de traduction neuronal à l'aide d'un double RiboTag transgénique; souris hTDP-43A315T. Nous avons identifié et rapporté pour la première fois que la protéinopathie TDP-43 provoque une désorganisation neuronale du cytosquelette, y compris la répression traductionnelle des ARNm des neurofilaments. En outre, notre étude a révélé que l'induction de l'autophagie réduit la pathologie TDP-43 et améliore le défaut de traduction observé chez les souris modèles de la SLA / FTD. En se basant sur ces résultats, nous suggérons que ces inhibiteurs de NF-ĸB sont considérés comme des traitements potentiels pour les troubles neurodégénératifs avec protéinopathies TDP-43. / Cytoplasmic mis localisation and aggregation of TDP-43, commonly known as TDP-43 pathology is a characteristic hallmark of many neurodegenerative diseases including Amyotrophic lateral Sclerosis and Frontotemporal Dementia (FTD). TDP-43 is a DNA/RNA binding protein majorly located in the nucleus of the cells and plays a crucial role in RNA metabolism, chromatin condensation and translational regulation. Increased cytoplasmic TDP-43 in ALS/FTD has been shown to suppress global translation by binding with RACK1 on polyribosome. However, the impact of TDP-43 pathology on brain neuronal translational profile in vivo remains unknown. Many groups have generated various transgenic mice expressing TDP-43 mutations and showed pathological changes reminiscent of human ALS and FTD in these mice. Previously, it was reported that in ALS cases, TDP-43 binds with p65 NF-κB subunit and enhance its signalling activity in the central nervous system (CNS). Further, a root extract of herbal medicinal plant named Withania somnifera and its active withanolide Withaferin-A (WFA), a potent NF-ĸB inhibitors has reduced inflammation and shown beneficial effects when administered in ALS/FTD mouse models. A study has shown that WFA treatment protected the dopaminergic neurons and motor function in aging rats. WFA has been reported to disrupt the NF-κB essential modulator (NEMO) reorganization by covalently modifying Cysteine-397, and as a result damages IKKβ signalling. In the present thesis, we have tested the therapeutic potential of two NF-ĸB inhibitors WFA and a novel semisynthetic analog of WFA named IMS-088 using transgenic mouse models of FTD/ALS expressing hTDP-43 mutants. In addition, we also aimed to identify neuronal RNA translational profile underlying disease associated changes in FTD/ALS. Treatment of mutant hTDP-43 expressing mice with these NF-ĸB inhibitors ameliorated cognitive deficits, reduced NF-ĸB activity, reduced cytoplasmic TDP-43 aggregates and enhanced levels of autophagy markers. Using mass spectrometry of newly synthesized peptides of ribosomes, we also studied the impact of IMS-088 treatment on neuronal translational profile using a double transgenic RiboTag;hTDP-43ᴬ³¹⁵ᵀ mice. We identified and report for the first time that TDP-43 proteinopathy causes neuronal cytoskeletal disorganization including translational repression of neurofilament mRNAs. Further, our study revealed that induction of autophagy reduces TDP-43 pathology and improves the translational defect seen in mice models of ALS/FTD. Based on these finding, we suggest that these NF-ĸB inhibitors should be considered as potential therapeutics for neurodegenerative disorders with TDP-43 proteinopathies.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative des neurones moteurs du système nerveux central qui entraîne la paralysie et la mort du patient dans les deux à cinq ans suivant le diagnostic. Le diagnostic actuel se base sur l’observation de symptômes cliniques par le neurologue, ce qui rend la maladie difficile à diagnostiquer précocement avant l’apparition des premiers symptômes cliniques de par l’absence de biomarqueurs chez les individus en vie. La découverte de nouveaux biomarqueurs serait une percée innovante, car elle permettrait de mieux suivre les patients. Il serait ainsi possible de diagnostiquer la maladie plus précocement, en plus de permettre de suivre la progression de la maladie dans le temps. Cela permettrait également de mieux stratifier les patients, de même que d’avoir de meilleures études cliniques en ayant des groupes plus homogènes. Un modèle de peaux reconstruites en laboratoire (PRL) dérivées de cellules de patients SLA développé dans notre équipe a déjà permis d’observer des symptômes cliniques typiques de la maladie normalement observables dans les tissus du système nerveux central suite au décès du patient. Afin de découvrir de nouveaux biomarqueurs dans la peau, la spectroscopie infrarouge a été utilisée sur ces PRL. Cette technique a permis d’observer des différences au niveau de certaines biomolécules entre les PRL dérivées de patients SLA et les PRL dérivées d’individus sains. Plusieurs nombres d’ondes qui présentaient des absorptions différentes ont été attribués à des protéines de la matrice extracellulaire, à des structures secondaires de protéines, ou à des lipides. Ces différentes observations ont permis de constater qu’il y a des différences et qu’il y a possiblement présence de biomarqueurs dans la peau qui pourraient contribuer au diagnostic de la maladie. Des recherches plus approfondies seront cependant nécessaires afin de confirmer ces résultats et de déterminer avec précision la présence de biomarqueurs. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease of the central nervous system that leads to paralysis and death of patients in two to five years following the diagnosis. Actually, the diagnosis is based on the assessment of clinical symptoms by the neurologist. This makes this disease difficult to diagnose early in its progression, before the first visible clinical symptoms, because of the absence of biomarkers in living patients. The discovery of new biomarkers would be an innovative breakthrough, because it would help in patients’ care. It would also allow an early diagnosis and give the opportunity to follow the disease’s progression over time. This would also help with patients’ stratification and improve clinical trials by forming groups that are more homogeneous. A tissue-engineered skin (TES) model derived from ALS patient’s cells was developed in our team and has already allowed the observation of clinical symptoms that are normally only visible in tissues of the central nervous system after the patient’s death. To discover new biomarkers in skin, infrared spectroscopy was used on these TES. This technique has permitted the observation of differences on some biomolecules between TES derived from ALS patients and TES derived from healthy individuals. Many wavenumbers with different absorptions were attributed to extracellular matrix proteins, secondary structures of proteins, and lipids. These differences allowed to see that there are probably biomarkers for ALS in the skin that could help with this disease’s diagnosis. Further researches will be required to confirm these results and determine with accuracy the presence of biomarkers.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) et l'ataxie récessive spastique autosomique de Charlevoix-Saguenay (ARSACS) sont deux maladies neurodégénératives incurables. La SLA, le plus souvent d'apparition tardive, se caractérise par la dégénérescence des neurones moteurs (NM) supérieurs et inférieurs, ainsi que par une atrophie musculaire. En plus des causes sporadiques, de nombreuses mutations génétiques, dont la mutation G93A dans le gène de la superoxyde dismutase 1 (SOD1), ont été identifiées comme causes de la maladie. Le processus de dégénérescence des NM est dit non-autonome et fait intervenir des cellules non-neuronales à l'image des astrocytes, microglies ou oligodendrocytes. Cependant, l'implication des cellules de Schwann (CS) dans la pathogenèse demeure encore floue. À l'inverse de la SLA, l'ARSACS apparait au cours de l'enfance et est caractérisée par une dégénérescence des cellules neuronales du cervelet, une atteinte pyramidale ainsi que par une atteinte neuropathique. Des mutations dans le gène SACS, sacsin molecular chaperone, ont été identifiées responsables de la maladie. La fonction de la protéine sacsine, encodée par le gène SACS et très fréquemment retrouvée dans les cellules de Purkinje ou les neurones corticospinaux, n'a pas totalement été élucidée. Cependant, seuls des tissus post-mortem, des modèles animaux, et des cellules normales sont disponibles pour l'étude de cette pathologie. Tout d'abord, un modèle 3D in vitro récapitulant la SLA a été développé. Ce modèle tri-compartimenté, ayant pour base une éponge de collagène/chitosan, comprenait des astrocytes, microglies, fibroblastes d'épineurium, NM et CS, extraites de souris SLA comportant la mutation d'intérêt (SOD1ᴳ⁹³ᴬ) ou de souris sauvage (SOD1ᵂᵀ) dépendamment du modèle souhaité, ainsi que des cellules musculaires. Nous avons montré que les NM SOD1ᴳ⁹³ᴬ ou SOD1ᵂᵀ étaient capables de migrer respectivement dans les modèles 3D SLA ou sain, et que les CS impactaient la migration neuronale puisque les CS SOD1ᵂᵀ étaient capables d'induire une augmentation du nombre de neurites dans le modèle sain, contrairement aux CS SOD1ᴳ⁹³ᴬ dans le modèle SLA. Par la suite, en vue d'une utilisation de cellules souches pluripotentes induites (iPSC) pour l'étude de l'ARSACS, nous avons élaboré un protocole de différenciation d'iPSC en CS; et nous avons montré que malgré l'absence de sérum, il permettait l'obtention de CS myélinisantes. Enfin, en vue de générer le premier modèle in vitro 3D modélisant l'ARSACS, nous avons différencié des iPSC dérivées de patients ARSACS en NM et cellules de Purkinje et montré qu'elles exprimaient des marqueurs caractéristiques de ces cellules. Par ailleurs, la culture des NM et cellules de Purkinje ARSACS dans le modèle en éponge a permis de montrer que ces cellules mimaient des aspects physiopathologiques retrouvés dans la maladie comme une agrégation des neurofilaments dans les dendrites ou corps cellulaires des NM et des cellules de Purkinje, ainsi qu'une diminution des niveaux de protéines sacsine et Drp1, Dynamin related Protein 1 dans les cellules de Purkinje. Le modèle 3D en éponge réalisé par génie tissulaire nous a permis d'étudier deux maladies distinctes, et serait tout à fait adaptable à l'étude de diverses mutations touchant d'autres gènes impliqués dans la SLA par exemple. L'utilisation d'iPSC en combinaison avec ce modèle facilement modifiable pourrait apporter une approche prometteuse dans l'étude d'autres maladies neurodégénératives dont les mécanismes physiopathologiques demeurent inconnus. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and autosomal recessive spastic ataxia of Charlevoix-Saguenay (ARSACS) are two incurable neurodegenerative diseases. ALS, usually with a late-onset, is characterized by upper and lower motor neuron (MN) degeneration, as well as by muscle atrophy. Besides sporadic causes, numerous genetic mutations, including the G93A mutation in the superoxide dismutase 1 (SOD1) gene, have been identified as causes of the disease. MN degeneration is considered to be a non-autonomous process and involves non-neuronal cells such as astrocytes, microglia, or oligodendrocytes. Nevertheless, the involvement of Schwann cells (SCs) in the pathogenesis remains unclear. In contrast to ALS, ARSACS appears during childhood and is characterized by degeneration of cerebellar neuronal cells, and pyramidal and neuropathic involvement. Mutations in the sacsin molecular chaperone (SACS) gene, have been identified as responsible for the disease. The function of the sacsin protein, encoded by the SACS gene and frequently found in Purkinje cells or corticospinal neurons, has not been fully elucidated. However, only post-mortem tissues, animal models, and normal cells are available to study this pathology. First, a 3D in vitro model recapitulating ALS has been developed. This tri-compartmented model, based on a collagen/chitosan sponge, included astrocytes, microglia, epineurium fibroblasts, MNs, and SCs, extracted from ALS mice with the mutation of interest (SOD1ᴳ⁹³ᴬ) or from wild type mice (SOD1ᵂᵀ) depending on the desired model, as well as muscle cells. We showed that SOD1ᴳ⁹³ᴬ or SOD1ᵂᵀ MNs were able to migrate in the ALS or healthy 3D models, respectively, and that the SCs impacted neuronal migration since SOD1ᵂᵀ SCs were able to induce an increase in the number of neurites in the healthy model, unlike SOD1ᴳ⁹³ᴬ SCs in the ALS model. Subsequently, in order to use induced pluripotent stem cells (iPSC) for the study of ARSACS, we developed a protocol for the differentiation of iPSC into SCs; and we showed that despite the absence of serum, it allowed the generation of myelinating SCs. Finally, to generate the first in vitro 3D model of ARSACS, we differentiated iPSC derived from ARSACS patients into MNs and Purkinje cells and showed that they expressed characteristic markers of these cell types. Moreover, the culture of ARSACS MNs and Purkinje cells in the sponge model allowed us to show that these cells mimicked physiopathological aspects found in the disease such as an aggregation of neurofilaments in the dendrites or cell bodies of the MNs and Purkinje cells, as well as a decrease in the levels of sacsin and Drp1 (dynamin related protein 1) proteins in the Purkinje cells. The 3D tissue-engineered sponge model allowed the study of two distinct diseases and would be highly adaptable to the investigation of various mutations affecting other genes involved in ALS for example. The use of iPSC in combination with this flexible model could provide a promising approach to the study of other neurodegenerative diseases whose pathophysiological mechanisms remain unknown.

L'objectif principal du présent mémoire était d'étudier les interactions cellulaires de la moelle épinière dans un environnement tridimensionnel à l'aide du génie tissulaire. Pour cela, nous avons développé un tissu reconstruit par la technique d'autoassemblage adapté à l'étude du système nerveux central. Ensuite, nous avons caractérisé le comportement des neurones moteurs sains dans ce tissu reconstruit afin de l'utiliser ultérieurement pour modéliser les maladies neurodegeneratives, dont la sclérose latérale amyotrophique. Différentes combinaisons de neurones moteurs, d'astrocytes et de microglies ont été ensemencés sur un feuillet de fibroblastes. L'évaluation de la survie des neurones moteurs, de l'élongation et de la maturation des neurites ont été assurées par immunofluorescence à l'aide d'anticorps dirigés contre le neurofilament M et le neurofilament H. Pour ce qui est des cellules gliales, les astrocytes et les microglies ont été respectivement marqués à l'aide d'anticorps dirigés contre la protéine gliale fibrillaire acide (GFAP) et contre l'intégrine alpha-M. Après 14 jours de coculture, la présence des cellules gliales, principalement celle des microglies, améliore grandement la migration axonale. De plus, les astrocytes ont formé un réseau tridimensionnel dans le tissu. Cette situation est retrouvée dans l'environnement in vivo de la moelle épinière. Nous avons donc développé, par génie tissulaire, un modèle tridimensionnel de la moelle épinière permettant d'en étudier les interactions cellulaires.