Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2020-2021

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 février 2024) / La maladie d'Alzheimer (AD) est la forme de démence la plus commune. Au Canada, plus de 600 000 personnes souffrent actuellement de démence et 60 à 80% d'entre elles sont atteintes de l'AD. L'AD est caractérisée par une grande variété de symptômes incluant la perte progressive de la mémoire, les troubles du langage et les déficits en navigation spatiale. Les méthodes diagnostics présentement utilisées reposent sur l'identification de ces symptômes en milieu clinique, notamment par l'utilisation de tests standardisés pour évaluer les capacités cognitives des patients. Toutefois, il est maintenant évident que la neuropathogenèse de l'AD est déjà bien avancée lorsque les symptômes deviennent apparents. Le développement de traitements efficaces requiert un diagnostic plus précoce et la compréhension des mécanismes en jeu aux premiers stades de la maladie. L'un des premiers processus pathophysiologiques observé dans les études réalisées chez les humains atteints de l'AD ou les modèles animaux est l'hyperactivité neuronale dans l'hippocampe (HC). Une grande variété d'interneurones GABAergiques (INs) sont impliqués dans la coordination de l'activité neuronale dans les circuits hippocampiques. Les cellules *interneuron-specific* de type 3 (I-S3) coexpriment le peptide vasoactif intestinal (VIP) et la calrétinine et jouent un rôle important dans la formation de la mémoire en contrôlant l'entrée des signaux nerveux dans la région CA1 de l'HC par l'entremise de la désinhibition des cellules excitatrices principales. Il n'est toujours pas connu si, durant la progression de l'AD, l'activité des cellules I-S3 est altérée et si de tels changements peuvent induire les dynamiques pathologiques de la maladie. Dans cette étude, nous adressons cette question en examinant les propriétés des cellules I-S3 et celles des INs qu'elles ciblent - INs de l'oriens/alveus - dans les jeunes souris 3xTg-AD. Le modèle 3xTg-AD est utilisé pour étudier l'AD, alors qu'aux stades avancés, ces souris développent des déficits cognitifs et des neuropathologies similaires à ceux observés chez les patients humains. L'identification de changements dans les propriétés ou l'activité des cellules I-S3 et des INs qu'elles inhibent dans ce modèle pourrait permettre de mieux comprendre les mécanismes en jeu aux stades précoces de l'AD et de guider la recherche pour des nouvelles stratégies thérapeutiques. Nos données indiquent que, malgré une préservation de leur densité et de leur morphologie, les propriétés de décharge des cellules I-S3 montrent des changements significatifs chez les souris 3xTg-AD, associés avec une diminution de l'inhibition dirigée vers les INs de l'O/A. De plus, en utilisant la technique d'imagerie calcique par photométrie à fibre sans-fil, nous observons une augmentation de l'activité des INs de l'O/A durant l'exploration d'objets chez les souris 3xTg-AD. Ces résultats indiquent que l'altération du patron de décharge des cellules I-S3 dans les jeunes souris 3xTg-AD pourrait être responsable de perturbations de l'activité des INs dans la région CA1 de l'HC spécifique à certains comportements. Ultimement, ces changements pourraient affecter les dynamiques des circuits hippocampiques et mener aux premiers symptômes mnémoniques. / Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia. In Canada, more than 600,000 people currently suffer from dementia, with 60 to 80% of them having AD. AD is characterized by a wide range of symptoms, including progressive memory loss, language impairments, and deficits in spatial navigation. The diagnostic methods currently used rely on identifying these symptoms in a clinical setting, most notably through the use of standardized tests to assess the cognitive abilities of patients. However, it is now evident that the neuropathogenesis of AD is already well advanced when the symptoms begin. The development of effective treatments requires earlier diagnosis and a better understanding of the mechanisms involved during the early stages of the disease. Hippocampal hyperactivity is one of the earliest pathophysiological processes observed in both human patients of AD and animal studies. Various types of GABAergic interneurons (INs) are involved in the coordination of network activity in the hippocampus. The type 3 interneuron-specific (I-S3) cells co-express vasoactive intestinal peptide (VIP) and calretinin, and play an important role in memory formation, as by providing disinhibition to principal excitatory cells, they can gate the inputs arriving to the hippocampal CA1 region. Whether the activity of these cells is altered in AD thereby shaping the pathological network motifs, remains unknown. Here, we address this question by examining the properties of I-S3 cells and their targets - oriens/alveus INs - in young 3xTg-AD mice. The 3xTg-AD model is used to study AD, as at advanced stage, mice display cognitive deficits and neuropathological hallmarks similar to those seen in human patients. The identification of changes in the properties or activity of I-S3 cells and the INs they inhibit could provide a better understanding of the mechanisms at play in the early stages of AD and guide research toward new therapeutic strategies. Our data indicate that whereas the density and morphological characteristics of I-S3 cells in 3xTg-AD mice remain unaltered, the I-S3 firing output can show significant changes. The latter was associated with a decreased inhibitory drive to O/A INs. Furthermore, using wireless fiber photometry calcium imaging in freely behaving mice, we observed an increased CA1 O/A INs activity in 3xTg-AD mice during object exploration. Together, these data indicate that the altered I-S3 cells' firing output in young 3xTg-AD mice may be responsible for a state-dependent altered activity of hippocampal CA1 network and cause further mnemonic dysfunctions.

La formation de plaques amyloïdes par l'accumulation des protéines Aβ issues du clivage amyloïdogénique de la protéine précurseur d'amyloïde (APP) et les enchevêtrements neurofibrillaires issus de l'accumulation de la protéine Tau hyperphosphorylée sont les caractéristiques neuropathologiques majeures de la maladie d'Alzheimer (MA) qui est la principale cause de démence chez les personnes âgées. La régulation d'APP et Tau dans les cellules est assurée par plusieurs modifications post-traductionnelles, dont la phosphorylation. Des observations montrent que la phosphorylation anormale d'APP et Tau amène à la MA. Différentes études ont montré que la kinase polo-like 2 (PLK2), une kinase à Sérine/Thréonine, est surexprimée dans le cerveau de patients atteints de la MA et qu'elle interagit directement avec l'APP. La dérégulation de l'activité kinase de la PLK2 pourrait augmenter la phosphorylation d'APP et Tau et aggraverait l'accumulation de l'Aβ et de Tau hyperphosphorylée, contribuant ainsi au développement de la pathologie. Dans un premier temps, nous avons étudié l'effet de la surexpression de la PLK2 et l'inhibition de son activité kinase sur APP et Tau co-exprimées dans des cellules HEK-293T. Parmi toutes les PLKs, la PLK2 est celle qui réduit d'avantage les niveaux d'expression protéique d'APP et Tau, et son inhibition pharmacologique les restaurent partiellement. Puis nous avons cherché à comprendre par quelles voies de clivage et/ou de dégradation l'APP s'engageait lorsqu'elle était co-exprimée avec la PLK2 dans ces mêmes cellules. Ni la voie de clivage amyloïdogénique, ni les voies de dégradation ne participent à la diminution des niveaux d'expression protéique de l'APP co-exprimée avec la PLK2. Enfin, nous voulions déterminer l'impact de l'inhibiteur de la PLK2 dans le modèle murin transgénique 3xTg-AD. Le traitement a un impact sexe-dépendant et qui diffère selon la caractéristique neuropathologique observée. En conclusion, notre étude a permis d'approfondir les connaissances actuelles tout en apportant de nouvelles pistes de recherche. / The formation of amyloid plaques by the accumulation of Aβ proteins from amyloidogenic cleavage of amyloid precursor protein (APP) and neurofibrillary tangles from the accumulation of hyperphosphorylated Tau protein are the major neuropathological hallmarks of Alzheimer's disease (AD), which is the leading cause of dementia in the elderly. APP and Tau are regulated in cells by several post-translational modifications, including phosphorylation. There is evidence that abnormal phosphorylation of APP and Tau leads to AD. Various studies have shown that polo-like kinase 2 (PLK2), a serine/threonine kinase, is over expressed in the brains of AD patients and interacts directly with APP. Dysregulation of PLK2 kinase activity could increase the phosphorylation of APP and Tau and aggravate the accumulation of Aβ and hyperphosphorylated Tau, thus contributing to the development of the pathology. First, we studied the effect of over expression of PLK2 and inhibition of its kinase activity on APP and Tau co-expressed in HEK-293T cells. Among all the PLKs, PLK2 is the one that most reduces the protein expression levels of APP and Tau, and its pharmacological inhibition partially restores them. We then sought to understand which cleavage and/or degradation pathways APP engaged in when co-expressed with PLK2 in these same cells. Neither the amyloidogenic cleavage pathway nor the degradation pathways are involved in decreasing the protein expression levels of APP co-expressed with PLK2. Finally, we wanted to determine the impact of the PLK2 inhibitor in the 3xTg-AD transgenic mouse model. The impact of the treatment is sex-dependent and differs according to the neuropathological hallmark observed. In conclusion, our study has allowed us to deepen the current knowledge while providing new avenues for research.

La maladie d’Alzheimer (MA) représente aujourd’hui la forme de démence la plus commune pour laquelle il n’existe toujours pas de traitement curatif. Dans le cerveau, elle se caractérise par la présence de deux agrégats protéiques majeurs : les plaques amyloïdes qui résultent de l’accumulation extracellulaire d’un peptide nommé peptide amyloïde, et les enchevêtrements neurofibrillaires correspondant à l’agrégation intra-neuronale d’une protéine nommée Tau qui se trouve dans un état anormalement hyperphosphorylé. La pathologie Tau est importante puisque son étendue corrèle avec le degré du déficit cognitif retrouvé dans la MA. Seule une petite proportion des cas de la MA est causée par des mutations génétiques. En revanche, l’étiologie de la majorité des cas (~99%), qui est d’origine sporadique et à apparition tardive, semble être multifactorielle, avec des facteurs externes pouvant interagir avec des susceptibilités biologiques ou génétiques afin d’accélérer la manifestation de la maladie. Au cours de la dernière décennie, des données cliniques et précliniques émergentes suggèrent que le diabète sucré et la dysfonction de l’insuline qui l’accompagne pourrait représenter l’un de ces facteurs. En plus de son rôle métabolique, l’insuline a été rapportée pour avoir un rôle neurotrophique et régulateur dans le cerveau humain. Plus particulièrement, des études in vitro ont montré que l’insuline est capable de moduler la phosphorylation de Tau dans les cellules neuronales. Cette hypothèse a été par la suite renforcée par les observations d’hyperphosphorylation de Tau dans les cerveaux de souris montrant des anomalies au niveau de la signalisation de l’insuline. Malgré toutes ces données, on connaît très peu concernant l’impact du diabète sur la pathologie Tau in vivo. Le but global de ce projet de doctorat a été donc de clarifier l’impact du diabète sur la pathogenèse de la protéine Tau, dans deux modèles génétiques de diabète de type 1 (DT1) et diabète de type 2 (DT2), qui sont les souris NOD (non-obese-diabetic) et les souris ob/ob, respectivement. Nos résultats montrent que le DT1 entraine une hyperphosphorylation progressive de Tau qui commence à être détectée même en absence de toute dérégulation dans le métabolisme du glucose. De plus, cette hyperphosphorylation est plus prononcée en présence des caractéristiques du DT1 (hyperglycémie et glycosurie) et encore plus amplifiée en présence de l’hypothermie. D’une manière intéressante, nos résultats suggèrent que l’hyperphosphorylation de Tau chez ces souris corrèle avec une dérégulation de PP2A (protein phosphatase 2A), l’une des phosphatases les plus importantes de Tau in vivo. Quant au DT2, nos résultats montrent une hyperphosphorylation de Tau chez les souris ob/ob à 4 et 26 semaines, au niveau de plusieurs sites spécifiques. De plus, ces souris développent une hypothermie modérée, mais le rétablissement de la normothermie ne restaure pas les niveaux de phosphorylation de Tau, ce qui suggère que cette hyperphosphorylation serait plutôt la conséquence des composantes du DT2, et non pas de l’hypothermie qui en résulte. D’une manière intéressante, nos résultats ne montrent pas de dérégulation au niveau des protéines impliquées dans la voie de signalisation de l’insuline, suggérant par conséquent que, d’autres facteurs, probablement associés à l’obésité, pourraient contribuer à l’hyperphosphorylation de Tau dans le DT2. La compréhension des mécanismes qui sous-tendent la corrélation entre la dysfonction de l’insuline et la pathologie Tau aidera par la suite à trouver de nouvelles cibles thérapeutiques visant à contrôler la progression de la maladie. / Alzheimer’s disease (AD) is the leading form of dementia. There is actually no cure for AD, but even a treatment that would slow down the progression of the disease by 5 or 10 years will have a tremendous socio-economic impact for Canada. The neuropathological hallmarks of Alzheimer's disease include senile plaques of -amyloid (A) peptides (a cleavage product of the amyloid precursor protein, or APP), and neurofibrillary tangles (NFT) of hyperphosphorylated Tau protein assembled in paired helical filaments (PHF). NFT pathology is important since it correlates with the degree of cognitive impairment in AD. Only a small proportion of AD is due to genetic variants, the large majority of cases (~99%) is late onset and sporadic in origin. The cause of sporadic AD is likely to be multifactorial, with external factors interacting with biological or genetic susceptibilities to accelerate the manifestation of the disease. Diabetes mellitus (DM) might be such factor, as there is extensive data from epidemiological studies suggesting that DM is associated with an increased relative risk for AD. Type 1 diabetes (T1DM) and type 2 diabetes (T2DM) are known to affect multiple cognitive functions in patients. However, the consequences of both type of diabetes on AD pathology are not well understood. The challenge is therefore to better understand the mechanisms of AD pathology and how they are affected by factors such as diabetes. The overall goal of this project is therefore to clarify the impacts that diabetes have on Tau protein pathogenesis, in two well-characterized mouse models of T1DM and T2DM: NOD (non-obese diabetic) and ob/ob mice, respectively. Our data suggest that spontaneous T1DM provokes a progressive Tau hyperphosphorylation that begin to be detectable in adult mice even during the non-diabetic stage, where there is no apparent deregulation of glucose metabolism. We further show that Tau phosphorylation is greatly exacerbated in the presence of principal T1DM features, notably hyperglycemia and glycosuria, and further amplified by hypothermia. Finally, we demonstrate that Tau hyperphosphorylation during T1DM is likely attributable to a deregulation in PP2A (protein phosphatase 2A), the major Tau phosphatase in vivo. Furthermore, we show that ob/ob male mice aged 4 and 26 weeks present Tau hyperphosphorylation at specific sites, but also have mild hypothermia. However, restoring normothermia did not rescue Tau hyperphosphorylation to control levels. These data indicate that Tau hyperphosphorylation accompanies major features of T2DM. Interestingly, we did not observe any deregulation in the proteins implicated in the insulin-signaling pathway, suggesting that other obesity-associated factors, contribute to Tau phosphorylation in ob/ob mice. In turn, this understanding will help the development of treatments or life-style strategies destined to check the advance of the disease.

Le phénomène du vieillissement des populations des pays industrialisés accompagné par l'augmentation de la prévalence de la démence constitue un défi majeur pour les systèmes de santé. Les causes définitives et les voies de développement de ces maladies ne sont pas encore comprises et elles restent jusqu'à présent sans moyens de prévention ou de traitement. L'hypothèse du stress oxydatif dans la pathogenèse des maladies neurodegeneratives est l'une des deux principales rapportées dans la littérature. Le présent projet de recherche visait à évaluer l'association entre les concentrations plasmatiques des lipoprotéines de faible densité oxydées, un marqueur d'oxydation, et le risque de démence et de maladie d'Alzheimer à partir des données de l'Étude sur la santé et le vieillissement au Canada, une étude longitudinale sur la démence chez les individus de 65 ans et plus. Les résultats étaient principalement non concluants mais d'autres études seraient néanmoins souhaitables pour approfondir la question.

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Les microglies sont les principales cellules neuro-immunitaires du cerveau, jouant un rôle important à la fois dans l'homéostasie cérébrale et les états pathologiques. Outre la sécrétion de molécules pro-inflammatoires et anti-inflammatoires, elles participent également au remodelage des circuits neuronaux par des mécanismes qui incluent l'élagage (« pruning ») synaptique, l'effeuillage (« stripping ») synaptique et la maturation synaptique. Ainsi, la microglie est connue pour ses divers rôles dans différentes conditions physiologiques et pathologiques, selon le microenvironnement dans lequel elle se trouve et du contexte qui module ses activités. La grande diversité des fonctions microgliales résulterait de la nature hétérogène de la population microgliale, ce qui signifie que toutes les cellules microgliales ne sont pas identiques et peuvent présenter des différences dans leurs modes d'action. Cette hétérogénéité microgliale a fait l'objet de quelques études dans différentes conditions physiologiques et pathologiques. En 2016, j'ai observé et publié des travaux décrivant la présence d'un nouveau phénotype microglial dans le cerveau, les microglies « sombres », lors de l'étude des interactions entre les microglies et les synapses en contextes de stress chronique, vieillissement et maladie. En microscopie électronique à transmission, nous avons décrit la présence de cellules semblables aux microglies, mais possédant un cytoplasme et un nucléoplasme denses, une perte du motif d'hétérochromatine nucléaire, ainsi que des marqueurs de stress oxydatif. Nous avons décrit la prévalence accrue de ce type de cellules dans des modèles murins de stress chronique, de la pathologie de la maladie d'Alzheimer, de vieillissement et d'altération de la communication neurone-microglie. En utilisant la microscopie électronique avec immunomarquage pour étudier la colocalisation de la microglie sombre avec différents marqueurs cellulaires, nous avons également démontré l'origine microgliale de la microglie sombre et identifié grâce aux données d'ultrastructure un rôle potentiel dans le remodelage synaptique. Nous avons également caractérisé la présence des microglies sombres pendant les stades postnatal du neurodéveloppement normal et proposé un rôle potentiel dans le remodelage synaptique au cours de mécanismes développementaux, en particulier l'affinement et la maturation des circuits neuronaux. Ma thèse décrit donc la microglie sombre comme un nouveau phénotype de la microglie présentement observé en utilisant des outils de microscopie électronique. Selon les évidences ultrastructurelles que nous avons obtenues, les microglies sombres pourraient être un sous type de microglies principalement impliqué dans le remodelage synaptique, en vue d'adapter le cerveau en condition pathologique ou en réponse à des changements de l'environnement externe. Elles pourraient également être un type cellulaire important, impliqué avec les microglies normales dans la sculpture et l'affinement des circuits neuronaux au cours du développement cérébral postnatal, par l'élimination des contacts synaptiques superflus. Nous soulignons donc l'importance d'étudier la microglie sombre la nécessité d'identifier des marqueurs spécifiques à la microglie sombre pour faciliter l'isolement et la caractérisation moléculaire de ces cellules afin de concevoir éventuellement des traitements utilisant l'activité de ces cellules pour traiter divers troubles neurologiques. / Microglia are the principle neuroimmune cells of the brain, having important roles both in brain homeostasis as well as pathological states. Apart from the secretion of pro-inflammatory or anti-inflammatory molecules, they also participate directly at the synaptic level in the remodeling of neuronal circuitries by remodeling mechanisms that include synaptic pruning, synaptic stripping, and synaptic maturation. Thus microglia are known to display diverse roles in different physiological and pathological conditions, largely depending upon the microenvironment they are present in and the context that triggers their activities. One reason for microglia displaying such diverse roles was hypothesized to be the heterogeneous nature of the microglial population, meaning that all microglial cells are not alike and may display differences in their modes of action. For a long time researchers have thus focused on studying this microglial heterogeneity in a number of physiological and pathological states. In 2016, I reported the presence of a novel microglial phenotype in the brain, named the "dark" microglia, while studying microglia-synapse interactions in the contexts of chronic stress, aging, and disease. Using transmission electron microscopy, we described the presence of a microglia-look alike cell, but with a dense cytoplasm and nucleoplasm, as well as loss of nuclear heterochromatin pattern and signs of oxidative stress. We described the increased prevalence of this cell type in mouse models of chronic stress, Alzheimer's disease pathology, aging, and neuron-microglia communication alteration. Using immunoelectron microscopy to study the colocalization of dark microglia with different cell type markers, we further demonstrated the microglial origin of the dark microglia, as well as proposed putative synaptic remodeling roles based on our observations of extensive dark microglia-synapse interactions captured at the ultrastructural level. We have also characterized the presence of dark microglia in postnatal stages of early brain development. Our findings suggested synaptic remodeling roles during normal development, especially in the refinement and maturation of the neuronal circuitry, as well as phagocytosis of apoptotic cells. My thesis thus describes dark microglia as a new microglial phenotype currently seen using electron microscopy (EM) tools. Based on the ultrastructural evidence we have, the dark microglia could represent an important microglial subtype that is primarily involved in synaptic remodeling in an attempt to bring about adaptation of the brain in response to disease or changes in external environment. They could also be an important cell type along with typical microglia that mediates the sculpting and refinement of the neuronal circuitry during early postnatal brain development, when there is an excess of synaptic contacts being formed that need to be pruned out. We therefore highlight the importance of studying the dark microglia, and the need of identifying dark microglia-specific markers to aid with the isolation and further molecular characterization of these cells, to eventually develop therapeutics that utilize the activity of these cells to treat various neurological disorders.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la forme de démence la plus fréquente dans le monde. Au niveau microscopique, le cerveau des patients atteints par la MA présente deux principales caractéristiques pathologiques : les plaques amyloïdes, constituées d'agrégats du peptide Aβ (Amyloïde Bêta), et les dégénérescences neurofibrillaires, formées par des agrégats de la protéine Tau anormalement hyperphosphorylée. Parmi les facteurs endogènes qui pourraient participer à la progression de la MA, il y a les microARNs (miRs). Les miRs sont des petits ARNs non codants qui régulent l’expression de gènes cibles au niveau post-transcriptionnel. En particulier, la famille miR-132/212 est fortement régulée à la baisse dans le cerveau des patients atteints de la MA. Des études précédentes ont démontré que, chez la souris 3xTg-AD, un modèle de la MA, la délétion génétique de la famille miR-132/212 conduit à une augmentation de la phosphorylation et de l’agrégation de la protéine Tau, les deux mécanismes présumés à la base de la formation des dégénérescences neurofibrillaires. En dehors de son rôle dans la MA, la famille miR-132/212 est également impliquée dans plusieurs troubles neurologiques. Notamment, son niveau d’expression est dérégulé dans d’autres pathologies neurodégénératives, telles que la démence fronto-temporale et la maladie de Parkinson. Il est donc possible que la famille miR-132/212 contribue au processus neurodégénératif de ces pathologies. Dans ce contexte, les travaux présentés visent à étudier le rôle de la famille miR132/212 dans la MA et, plus généralement, dans le cerveau. Tout d’abord, puisque la famille miR-132/212 a déjà un rôle connu dans la formation des dégénérescences neurofibrillaires, nous avons évalué son implication dans la formation des plaques amyloïdes, deuxième caractéristique pathologique de la MA. Nous avons ainsi démontré que la délétion génétique de la famille miR-132/212 favorise la production du peptide Aβ et la formation de plaques amyloïdes chez le modèle murin 3xTg-AD. En utilisant une approche d’ARN-Seq et de bio-informatique, nous avons identifié des gènes faisant partie du réseau de la famille miR-132/212 qui ont des rôles dans la régulation du métabolisme de l'Aβ, y compris Tau, Mapk et Sirt1. En accord avec ces résultats, nous avons montré que la modulation du miR-132, ou de sa cible Sirt1, peut réguler directement la production d’Aβ dans les cellules. Finalement, nous avons démontré que les niveaux de la famille miR-132/212 corrèlent avec la quantité des plaques amyloïdes chez l'Homme. Ensuite, afin d’élucider le rôle de la famille miR-132/212 dans le cerveau, nous nous sommes concentrés sur l’identification de cibles régulées par cette dernière. Dans un premier temps, cette analyse a été conduite dans plusieurs modèles cellulaires in vitro, dans lesquels le rôle du miR-132, un des deux composants de la famille, a été spécifiquement étudié. Dans ce contexte, nous avons démontré que les cibles régulées par le miR-132 sont peu nombreuses et spécifiques au type cellulaire considéré. Dans un deuxième temps, l’analyse d’identification des cibles a été conduite dans un modèle de souris de délétion conditionnelle pour la famille miR-132/212 que nous avons spécifiquement généré. Nous avons ainsi caractérisé des cibles et des réseaux moléculaires modulés par la famille miR-132/212 dans ce modèle. Pris ensemble, ces résultats suggèrent que i) Le réseau de la famille miR-132/212, dont Sirt1 et probablement d'autres gènes cibles, participe à la production du peptide Aβ et la formation de plaques amyloïdes dans la MA ; ii) Même si le miR-132 peut potentiellement cibler un grand nombre de gènes simultanément, son ciblage est sélectif et spécifique au contexte cellulaire étudié. Enfin, les résultats obtenus mettent en évidence un ensemble de nouvelles cibles et de voies de signalisation régulées par la famille miR-132/212. En conclusion, ces travaux contribuent à l'avancement des connaissances du rôle physiologique et pathologique de la famille miR-132/212 dans le cerveau. / Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia in the world. At the microscopic level, two main pathological features characterize the brain of AD patients: amyloid plaques, consisting of aggregates of the Aβ (Amyloid Beta) peptide, and neurofibrillary tangles, formed by aggregates of abnormally hyperphosphorylated Tau protein. Endogenous factors that may be involved in the progression of AD include microRNAs (miRs). MiRs are small non-coding RNAs that regulate the expression of target genes at the post-transcriptional level. In particular, the miR-132/212 family is strongly downregulated in the brain of AD patients. Previous studies have shown that in the 3xTg-AD mouse model of AD, the genetic deletion of the miR-132/212 family leads to an increase in phosphorylation and aggregation of Tau protein, two mechanisms leading to the formation of neurofibrillary tangles. Apart from its role in AD, the miR-132/212 family is also involved in several neurological disorders. In particular, its level of expression is deregulated in other neurodegenerative pathologies, such as frontotemporal dementia and Parkinson's disease. It is therefore possible that the miR-132/212 family contributes to the neurodegenerative process of these pathologies. In this context, the work presented aims to study the role of the miR-132/212 family in AD and, more generally, in the brain. First of all, since the miR-132/212 family already has a known role in the formation of neurofibrillary tangles, we wanted to evaluate its involvement in the formation of the other major pathological feature of AD: the amyloid plaques. We have demonstrated that the genetic deletion of the miR-132/212 family promotes Aβ production and amyloid plaque formation in the 3xTg-AD mice. Using RNA-Seq and bioinformatics, we identified genes of the miR-132/212 network with documented roles in the regulation of Aβ metabolism, including Tau, mapk, and sirt1. Consistent with these findings, we show that the modulation of miR-132, or its target sirt1, can directly regulate Aβ production in cells. Finally, we have shown that miR-132/212 levels correlate with the amount of amyloid plaques in humans. Then, in order to elucidate the role of the miR-132/212 family in the brain, we focused on identifying targets regulated by the miR-132/212 family. In a first step, this analysis was conducted in several in vitro cell models, in which the role of miR-132, one of two components of the family, was specifically studied. In this context, we have demonstrated that the targets regulated by miR-132 are few and specific to the cell type considered. In a second step, the target identification analysis was conducted in a conditional knockout mouse model for the miR-132/212 family that we specifically generated. We have therefore characterized the molecular targets and networks modulated by the miR-132/212 family in this model. Taken together, these results suggest that i) miR-132/212 network, including Sirt1 and likely other target genes, contributes to abnormal Aβ metabolism and senile plaque deposition in AD; ii) Although miR-132 can potentially target a large number of genes simultaneously, its targeting is selective and specific to the cellular context studied. Finally, the results obtained highlight a set of new targets and signalling pathways regulated by the miR-132/212 family. In conclusion, this work contributes to the advancement of the knowledge of the physiological and pathological role of the miR-132/212 family in the brain.

L’échec des différents essais cliniques souligne la nécessité de développer des nouvelles thérapies pour la maladie d'Alzheimer (MA), la cause la plus commune de démence. Les microARNs (miARNs) sont les ARNs non-codants les plus étudiés et ils jouent un rôle important dans la modulation de l'expression des gènes et de multiples voies de signalisation. Des études antérieures, dont celles de mon laboratoire d’accueil, ont permis de développer l’hypothèse que certains membres de la famille miR-15/107 (c.-à-d. miR-15ab, miR-16, miR-195, miR-424, and miR-497) pourraient être utilisés comme agents thérapeutiques dans MA. En effet, cette famille avait le potentiel de réguler de multiples gènes associés à MA, tels que la protéine précurseur de l'amyloïde (APP), la β-secrétase (BACE1), et la protéine Tau. Tel que démontré dans ce projet de thèse, j’ai choisi miR-16 comme cible thérapeutique potentielle pour MA parmi tous les membres de la famille. L’essai luciférase dans ce projet confirme que miR-16 peut réguler simultanément APP et BACE1, directement par une interaction avec la région non-codante en 3’ de l’ARNm). Notamment, nous observons aussi une réduction de la production des peptides amyloïdes et de la phosphorylation de Tau après une augmentation de miR-16 en cellule. J’ai ensuite validé mes résultats in vivo dans la souris en utilisant une méthode de livraison de miR-16 via une pompe osmotique implanté dans le cerveau. Dans ce cas, l'expression des protéines d’intérêts (APP, BACE1, Tau) a été mesurée par immunobuvardage et PCR à temps réel. Après validation, ces résultats ont été complémentés par une étude protéomique (iTRAQ) du tronc cérébral et de l'hippocampe, deux régions associées à la maladie. Ces données m’ont permis d’identifier d'autres protéines régulées par miR-16 in vivo, incluant α-Synucléine, Transferrine receptor1, et SRm300. Une autre observation intéressante : les voies régulées par miR-16 in vivo sont directement en lien avec le stress oxydatif et la neurodégénération. En résumé, ce travail démontre l’efficacité et la faisabilité d’utiliser un miARN comme outil thérapeutique pour la maladie d’Alzheimer. Ces résultats rentrent dans un cadre plus vaste de découvrir de nouvelles cibles pour MA, et en particulier la forme sporadique de la maladie qui représente plus de 95% de tous les cas. Évidemment, la découverte d’une molécule pouvant cibler simultanément les deux pathologies de la maladie (plaques amyloïdes et hyper phosphorylation de tau) est nouvelle et intéressante, et ce domaine de recherche ouvre la porte aux autres petits ARNs non-codants dans MA et les maladies neurodégénératives connexes. / Failure at different clinical trials emphasizes the need for developing new therapeutics for Alzheimer disease (AD) as the most common cause of dementia. MicroRNAs (miRNA) are the most studied groups of non-coding RNAs and have a critical role in modulating multiple signaling pathways and fine-tuning gene expression. Supporting evidence from other studies, including host lab, suggest that multiple members of the miR-15/107 family (miR-15ab, miR-16, miR-195, miR-424, and miR-497) could be used as therapeutic agents in AD. The potential ability of this miRNA family to modify disease pathway by multiple targeting of AD-associated genes such as Amyloid precursor protein (APP), β-site amyloid-β precursor protein cleaving enzyme (BACE1) and microtubule-associated protein Tau is of attention. Based on documented results in this study I chose miR-16 as candidate therapeutic miRNA in AD. This choice is based on data obtain from cells and in vitro luciferase assay indicating the role of this miRNA in the simultaneous regulation of APP, BACE1 (directly by targeting 3’UTR of these genes). Decrease in Tau phosphorylation and amyloid beta peptides were further observed following increased miR-16 levels. Furthermore, I validated these results in vivo by delivering miR-16 oligos using Osmotic pumps implanted subcutaneously to deliver oligos to lateral ventricles of mouse brain also providing a wide distribution of these oligos. Expression of desired protein targets was measured by western blot and qPCR in different brain regions. Results demonstrated a context-dependent action of delivered miR-16 increase on the potential AD involved targets in mouse brain. These results were complemented by proteomics study of Brainstem and Hippocampus regions. Data indicated the potential regulation of other proteins by miR-16 in vivo such as α-Synuclein in Brainstem and Transferrin receptor1 and SRm300 in Hippocampus. The increase in miR-16 levels in vivo and in vitro was sufficient to downregulate the protein product of these genes confirmed by western blot. Enrichment study predicted oxidative stress and neurodegeneration as top terms in close connection with miR-16. This work provided a proof-of-principle for possibility and efficiency of miRNA replacement based therapeutics delivered to CNS using miR-16 a member of the miR-15/107 family. Understanding the molecular mechanisms involved in the regulation of AD-related genes could have important implications for sporadic AD, which accounts for more than 95% of all cases with no effective therapy available. Multi-target therapy by non-coding RNA in AD is an emerging concept that would have the potential to change the way that therapeutics is developed for AD and other neurodegenerative diseases with complex nature and no effective therapy available.

La maladie d’Alzheimer est la maladie neurodégénérative la plus fréquente dans le monde industrialisé. Sur le plan neuropathologique, cette maladie est caractérisée par deux types de lésions :les plaques séniles et les dégénérescences neurofibrillaires. <p>Des observations morphologiques précédentes ont permis de mettre en évidence des anomalies du transport axoplasmique dans les neurones chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer. Les mécanismes menant à cette perturbation du transport axoplasmique ne sont pas encore bien établis. La glycogen synthase kinase-3β (GSK-3β) et la cyclin-dependent kinase 5 (Cdk5) associée à son activateur pathologique p25, sont deux kinases clés dont la dérégulation intervient dans la pathogenèse de la maladie d’Alzheimer (MA). Nous avons émis l'hypothèse que ces kinases pourraient jouer un rôle dans la perturbation du transport axoplasmique dans cette maladie.<p><p>Dans la première partie de notre travail, nous nous sommes intéressés à l’effet de la GSK-3β et de Cdk5/p25 sur la croissance des neurites (un processus dépendant du transport axoplasmique) dans un modèle cellulaire, les PC12 différenciées prétraitées au NGF. <p>La surexpression de GSK-3β et de p25 provoque une importante réduction de la croissance neuritique dans ces cellules. Par western blot, nous avons montré que cette réduction est associée à des modifications post-traductionnelles des protéines impliquées dans la régulation du cytosquelette. Ces modifications sont la phosphorylation de la protéine tau et des neurofilaments et l’acétylation de la tubuline α.<p>Cette étude indique donc que la GSK-3β et la protéine p25 contrôlent négativement la croissance neuritique.<p><p>Dans la deuxième partie de notre travail, afin d’étudier la relation entre ces kinases et le transport axoplasmique, nous avons analysé dans des neurones en culture l’effet d’une augmentation d’activité de la GSK-3β et de Cdk5/p25 sur le transport des mitochondries.<p>Pour étudier le déplacement des mitochondries, les neurones en cultures ont été doublement transfectées avec deux plasmides :un marqueur mitochondrial combiné avec la GSK-3β ou p25. Après transfection, le mouvement des mitochondries a été enregistré grâce à la technique du time-lapse.<p>L’étude de la fréquence de trois comportements (mouvement antérograde, mouvement rétrograde et état stationnaire) nous a indiqué que les mitochondries sont normalement en position immobile pendant 70 % de leur temps. La surexpression de GSK-3β ou de p25 augmente la fréquence de cet état stationnaire et diminue de manière plus importante les mouvements antérogrades que rétrogrades sans affecter la vitesse des mitochondries. L’observation au microscope électronique a permis de démontrer la persistance du réseau de microtubules dans les cellules surexprimant GSK-3β ou p25.<p>Le transport des mitochondries est un processus actif faisant intervenir les moteurs moléculaires (kinésine et dynéine) dont le rôle est le transport d’organelles qui repose sur un réseau intact de microtubules.<p>Cette étude suggère donc que la GSK-3β et p25 contrôlent négativement le transport des mitochondries en agissant au niveau des moteurs moléculaires (kinésine et dynéine) plutôt qu’en détruisant le réseau de microtubules.<p><p>Dans la troisième partie de notre travail, nous nous sommes intéressés à l’expression et à la localisation dans le cortex frontal humain et dans le cortex cérébelleux de deux protéines appartenant aux moteurs moléculaires responsables des transports axoplasmiques antérograde et rétrograde :la chaîne légère de la kinésine (KLC1) et la chaîne intermédiaire de la dynéine (DIC). <p>Nous avons observé une diminution du niveau d’expression de la KLC1 et de la DIC dans le cortex frontal (une zone atteinte dans la MA) mais pas dans le cortex cérébelleux chez les patients atteints de la maladie d’Alzheimer par rapport à des sujets contrôles. Une diminution du niveau d’expression de la tubuline-β3 et de la synaptophysine -deux marqueurs neuronaux- a aussi été observée dans le cortex frontal mais pas dans le cortex cérébelleux. Nous avons aussi démontré une hausse de l’état de phosphorylation de la KLC1 dans un modèle cellulaire surexprimant la GSK-3β. Dans le cortex frontal dans la MA, nous avons observé une augmentation de la forme active de la GSK-3β, et une hausse de la phosphorylation de la KLC1. Cette phosphorylation accrue de la KLC1 diminue son activité de transport des organelles.<p>Ces anomalies de l’expression et de la phosphorylation des moteurs moléculaires pourraient jouer un rôle dans les perturbations des transports axoplasmiques dans la MA.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished