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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.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les maladies neurodégénératives se caractérisent par des accumulations anormales de protéines spécifiques dans le cerveau qui sont associées à la perte de fonctions cognitives comme la mémoire. Au cours des dernières décennies, des chercheurs ont remarqué des anomalies vasculaires et métaboliques chez une forte proportion de patients atteints de démence. L'une des caractéristiques de la maladie d'Alzheimer (MA) en lien avec le déficit cognitif est que les patients présentent une diminution de la captation cérébrale du glucose, source d'énergie essentielle pour le cerveau. De plus, des études récentes suggèrent que le cerveau Alzheimer répond moins bien à l'insuline, une hormone essentielle à la vie impliquée non seulement dans le métabolisme mais aussi dans les processus d'apprentissage et de mémoire. Ainsi, cette forme de résistance cérébrale à l'insuline (RCI) observée dans la MA a motivé l'élaboration d'essais cliniques portant sur l'effet de l'insuline sur la MA. Néanmoins, nous ignorons toujours quels types de cellules et quels mécanismes sont impliqués dans l'action - et la perte d'action - de l'insuline au niveau du système nerveux central (SNC). La grande majorité de l'insuline est produite par le pancréas et sécrétée dans la circulation sanguine. Par conséquent, pour affecter le cerveau, l'insuline circulante doit d'abord interagir avec la barrière hémato-encéphalique (BHE) et ses cellules endothéliales, au niveau des capillaires cérébraux (CECCs), qui la captent grâce aux récepteurs de l'insuline (INSR), des protéines spécifiques à la surface de ces cellules. L'objectif général de cette thèse était de révéler comment la BHE s'intègre dans des processus pathologiques menant au développement des déficits métaboliques centraux observés dans la MA. Plus spécifiquement, il s'agissait de déterminer quelles dysfonctions au niveau cérébrovasculaire pouvaient mener au développement d'une insulinorésistance cérébrale et à un déficit énergétique au cerveau. Nous avons ainsi étudié les interactions avec leurs récepteurs respectifs de l'insuline, du glucose, et d'autres composés importants pour l'énergie et le métabolisme cérébrale comme les corps cétoniques et de l'hormone FGF21 afin de découvrir le rôle de chacun dans la MA ainsi que leur potentiel thérapeutique. Malgré l'absence de preuves in vivo, l'effet de l'insuline sur le cerveau est souvent attribué à une action directe sur les neurones. Cependant, nos travaux montrent dans un premier temps que l'insuline circulante interagit avec l'INSR situé préférentiellement sur les microvaisseaux cérébraux. Nous avons utilisé des protocoles complémentaires: la mesure postmortem des récepteurs cérébraux chez l'humain à partir d'échantillons de cerveaux provenant d'une étude longitudinale bien caractérisée, la Religious Order Study (ROS), ainsi que des expériences chez la souris, comme la perfusion cérébrale in situ (PCIS) dans un modèle de la neuropathologie Alzheimer, la 3xTg-AD. Une hypothèse traditionnellement répandue était que l'INSR médie le passage de l'insuline du sang à travers la BHE jusqu'au cerveau, mais nos travaux montrent que ce transport est non seulement très faible mais aussi indépendant de l'INSR. Nous démontrons également que la réponse de l'INSR à l'insuline se situe sur la BHE, et non dans le parenchyme, et que cette réponse est altérée dans la MA. La BHE est donc le site clé impliqué dans la RCI dans la MA. Nous avons également identifié l'INSRα-B comme l'isoforme principalement impliquée dans cette dysfonction. Enfin, nous proposons un mécanisme moléculaire impliquant la β-sécrétase (BACE1) dans le clivage anormal de l'INSR. Dans un second temps, nous avons étudié chez l'humain les niveaux cérébrovasculaires des protéines impliquées dans le transport vers le cerveau du glucose et des corps cétoniques, à savoir le transporteur du glucose 1 (GLUT1) le transporteur de monocarboxylates 1 (MCT1), respectivement. Nos données confirment tout d'abord que ces deux transporteurs sont enrichis dans les microvaisseaux de la BHE comparativement aux cellules du parenchyme cérébral. De plus, les niveaux vasculaires de GLUT1 sont réduits chez les individus atteints de la MA et sont fortement liés au déclin cognitif et au score cognitif global. Au contraire, les niveaux cérébrovasculaires de MCT1 ne sont pas modifiés chez les sujets atteints de la MA et ne sont pas liés à la performance cognitive, faisant des corps cétoniques une alternative énergétique attrayante pour le cerveau des personnes âgées. En troisième temps, nous avons caractérisé le transport du FGF21 impliqué dans la régulation du métabolisme énergétique au niveau du SNC dans plusieurs modèles de souris non-transgéniques. Nos résultats montrent que cette hormone hépatique est capable d'atteindre les CECCs, d'interagir avec elles et d'être transportée au niveau de la BHE grâce à un mécanisme saturable et indépendant de la phosphorylation de son récepteur FGFR1. Des mécanismes d'efflux régissent également le transport du FGF21 du cerveau vers le sang. Le transport cérébral du FGF21 demeure constant, que ce soit chez la souris 3xTg-AD âgée reproduisant les pathologies amyloïde et tau, ou à la suite d'une consommation de diète enrichie en gras pour induire des déficits métaboliques. En somme, ces résultats montrent que la BHE est impliquée dans plusieurs processus physiologiques de transport et de métabolisme cérébral, mais peut également participer à des processus pathologiques comme la RCI. Nos résultats supportent le ciblage de la BHE dans la recherche et le développement de thérapeutiques visant à maintenir un apport énergétique suffisant pour maintenir les fonctions cognitives dans la MA. / Neurodegenerative diseases are characterized by abnormal accumulations of specific proteins in the brain that are associated with the loss of cognitive functions such as memory. In recent decades, researchers have noted vascular and metabolic abnormalities in a high proportion of patients with dementia. One of the hallmarks of Alzheimer's disease (AD) in relation to cognitive impairment is that patients have decreased brain uptake of glucose, an essential energy source for the brain. In addition, recent studies suggest that the Alzheimer brain responds less well to insulin, an essential life-sustaining hormone involved not only in metabolism but also in learning and memory processes. Thus, brain insulin resistance (BIR) observed in AD has motivated the development of clinical trials investigating the effect of insulin on AD. However, we still do not know what cell types and mechanisms are involved in the action - and loss of action - of insulin in the central nervous system (CNS). The vast majority of insulin is produced by the pancreas and secreted into the bloodstream. Therefore, to affect the brain, circulating insulin must first interact with the blood-brain barrier (BBB) and its endothelial cells, in the brain capillaries (BCECs), which capture it through insulin receptors (INSR), specific proteins on the surface of these cells. The overall objective of this thesis was to reveal how the BBB is integrated into pathological processes leading to the development of central metabolic deficits observed in AD. More specifically, we wanted to determine which dysfunctions at the cerebrovascular level could lead to the development of the central resistance and energy deficit in the brain. We studied the interactions with their respective receptors for insulin, glucose, ketone bodies and the hormone FGF21 to discover the role of each in AD and their therapeutic potential. Despite the lack of in vivo evidence, the effect of insulin on the brain is often attributed to a direct action on neurons. However, our work shows that circulating insulin interacts with INSR located preferentially on cerebral microvessels. We used complementary protocols: postmortem measurement of brain receptors in humans from brain samples from a well-characterized longitudinal study, the Religious Order Study (ROS), as well as experiments in mice, such as in situ brain perfusion in a model of Alzheimer's neuropathology, the 3xTg-AD. A traditional assumption was that INSR mediates the passage of insulin from the blood across the BBB to the brain, but our work shows that this insulin transport is not only very weak but also independent of INSR. We also show that the INSR response to insulin is located at the BBB, not in the parenchyma, and that this response is impaired in AD. The BBB is therefore the key site involved in BIR in AD. We also identified INSRα-B as the isoform primarily involved in this dysfunction. Finally, we propose a molecular mechanism involving the β-secretase BACE1 in the abnormal cleavage of INSR. In a second step, we studied in humans the cerebrovascular levels of proteins involved in the transport to the brain of glucose and ketone bodies, namely GLUT1 and MCT1, respectively. Our data first confirm that these two transporters are enriched in BBB microvessels compared with brain parenchyma cells. Furthermore, vascular levels of GLUT1 are reduced in individuals with AD and are strongly related to cognitive decline and global cognitive score. In contrast, cerebrovascular levels of MCT1 are not altered in AD subjects and are not related to cognitive performance, making ketone bodies an attractive energy alternative for the elderly brain. Thirdly, we characterized in mice the transport of FGF21 involved in the regulation of energy metabolism in the CNS. Our results show that this hepatic hormone can reach the BCECs, interact with them and be transported to the BBB through a saturable mechanism independent of the phosphorylation of its receptor FGFR1. Efflux mechanisms also govern the transport of FGF21 from the brain to the blood. Brain FGF21 transport remains constant, both in aged 3xTg-AD mice mimicking amyloid and tau pathologies, and following consumption of a fat-enriched diet. In sum, these results show that the BBB is involved in several physiological processes of brain transport and metabolism but may also participate in pathological processes such as BIR. Our results support the targeting of the BBB in the research and development of therapeutics aimed at maintaining sufficient energy intake to sustain cognitive function in AD.

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 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.

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.

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

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / La maladie d’Alzheimer (MA) est la plus fréquente cause de démence mondialement et son incidence augmente en parallèle au vieillissement de la population. La pathogenèse de cette maladie neurodégénérative, actuellement sans traitement curatif, est associée à l’accumulation de bêta-amyloïde (Aβ) dans le parenchyme et la vasculature du cerveau en réponse à l’élimination déficiente de ce peptide neurotoxique. Des évidences épidémiologiques et expérimentales soulignent le rôle crucial du système immunitaire inné dans la MA. Plus précisément, plusieurs études suggèrent que les phagocytes mononucléaires (microglies, monocytes et macrophages cérébraux) constituent des cellules pivots pour combattre l’accumulation d’Aβ. Les études incluses dans cette thèse de doctorat avaient comme objectif d’accroitre les connaissances concernant le rôle des phagocytes mononucléaires dans la pathologie du modèle murin APP/PS1 de la MA. Un nombre croissant d’études indique que les Toll-like receptors (TLRs) seraient critiques pour la clairance d’Aβ par les phagocytes mononucléaires. Nous avons donc étudié le rôle de la protéine adaptatrice myeloid differentiation factor 88 (MyD88), qui permet la transduction du signal intracellulaire de la plupart des TLRs. Nous avons observé une augmentation des niveaux d’Aβ solubles et une aggravation des déficits cognitifs dans les souris APP/PS1 avec une signalisation MyD88 défectueuse, vraisemblablement suite à une réduction de la phagocytose des phagocytes mononucléaires et une coordination défaillante de la réponse immunitaire innée. La stimulation des TLRs pourrait ainsi avoir un grand potentiel thérapeutique pour la MA. Nous avons démontré que des injections systémiques répétées du ligand TLR4 monophosphoryl lipid A (MPL) dans les souris APP/PS1 ont mené à une réduction significative des niveaux d’Aβ et une amélioration des fonctions cognitives. Le MPL induit une forte réponse phagocytique des phagocytes mononucléaires tout en générant une réaction inflammatoire modérée. Finalement, en utilisant la microscopie intravitale biphotonique, nous avons dévoilé que les monocytes patrouilleurs en état basal sont attirés et rampent sur la face luminale de veines contenant de l’Aβ, capturent l’Aβ et ont la capacité de regagner à nouveau la circulation sanguine. L’ablation sélective des monocytes patrouilleurs dans les souris APP/PS1 a induit une augmentation significative des niveaux d’Aβ dans le cortex et l’hippocampe. Ensemble, ces données démontrent que les phagocytes mononucléaires sains et fonctionnels peuvent promouvoir l’élimination d’Aβ et constituent une cible thérapeutique prometteuse pour la MA. / Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia worldwide and its incidence is rising in parallel with the aging population. The pathogenesis of this neurodegenerative disease, currently without curative treatment, is associated with the accumulation of amyloid-β (Aβ) in the brain parenchyma and cerebral vasculature in response to the impaired clearance of this neurotoxic peptide. Epidemiological and experimental evidence underline the crucial role of the innate immune system in AD. More precisely, several studies suggest that mononuclear phagocytes (microglia, monocytes and cerebral macrophages) constitute pivotal cells to fight the accumulation of Aβ. The studies enclosed in this doctoral thesis intended to better understand the role of mononuclear phagocytes on the pathology of the APP/PS1 mouse model of AD. Accumulating evidence indicates a critical role of Toll-like receptors (TLRs) in the clearance of Aβ by mononuclear phagocytes. We thus investigated the role of the myeloid differentiation factor 88 (MyD88), which is the adaptor protein for most of these innate immune receptors, transducing the intracellular signal from TLRs to the nucleus. We observed increased soluble levels of A oligomers and enhanced cognitive deficits in APP/PS1 mice with impaired MyD88 signalling, likely through reduced phagocytosis of mononuclear phagocytes and an impaired coordination of the innate immune response. Compounds that stimulate TLRs to clear Aβ may therefore have great therapeutic potential in AD patients. We demonstrated that repeated systemic injections of the TLR4 ligand monophosphoryl lipid A (MPL) in APP/PS1 mice led to a significant reduction in Aβ load and improved cognitive function. MPL induced a potent phagocytic response by mononuclear phagocytes while triggering a moderate inflammatory reaction. Finally, using live intravital two-photon microscopy, we discovered that patrolling monocytes in steady state are attracted and crawl onto the luminal walls of Aβ-positive veins, uptake Aβ and are able to circulate back into the bloodstream. Selective removal of patrolling monocytes in APP/PS1 mice induced a significant increase of Aβ load in the cortex and hippocampus. Overall, these studies demonstrate that healthy and functional mononuclear phagocytes can promote the elimination of Aβ and constitute a promising therapeutic target for AD.

Le vieillissement est un facteur clé dans la pathogenèse de la maladie d'Alzheimer (MA), forme la plus courante de démence chez la personne âgée. L'incidence de la MA est faible avant 65 ans ; celle-ci double ensuite tous les 5 à 6 ans pour dépasser 8 cas pour 100 années-personnes après 85 ans. Au cours des dernières décennies, plusieurs modèles transgéniques de la MA ont été conçus et caractérisés. Il a été observé que chez les souris qui surexprimaient les formes mutées de la protéine précurseur amyloïde-β (Aβ) humaine (hAPP) développaient des dépôts du peptide Aβ dans leur cerveau et des déficits de mémoire. Néanmoins, puisque le diagnostic de la MA repose sur la visualisation histologique de plaques Aβ et d’enchevêtrements neurofibrillaires de la protéine tau, le groupe du Dr LaFerla (Université de Californie, Irvine, É-U) a développé un modèle triple transgénique (3xTg-AD) exprimant trois transgènes : la protéine précurseur Aβ (APPSwe), préséniline-1 (PS1M146V) et tau (MAPTP301L). Cette lignée développe progressivement les pathologies Aβ et tau dans les régions cérébrales impliquées dans la MA, ainsi que des déficits de plasticité synaptique et de cognition. Toutefois, la souris 3xTg-AD ne développe pas de perte neuronale comme chez l’humain. Il est possible que les facteurs de vieillissement associés à la MA ne puissent pas s’exprimer pleinement en raison de leur courte espérance de vie. L’objectif de l’étude était de croiser la souris 3xTg-AD avec un modèle de sénescence accélérée, la souris SAMP8 (senescence-accelerated prone 8), afin de créer un modèle plus représentatif de la maladie humaine. Nos résultats montrent que les facteurs de sénescence liés au modèle SAMP8 ont accentué les déficits de mémoire et certains marqueurs neuropathologiques – en particulier la pathologie amyloïde – chez les souris 3xTg-AD femelles. Les données présentées mettent en évidence des interactions complexes entre les facteurs liés au génotype, au vieillissement et au sexe chez ce modèle. / Aging is central to the pathogenesis of Alzheimer’s disease, the most common form of dementia during the elderly. The incidence of sporadic AD is low before 65 years old; it then doubles every 5 to 6 years to surpass 8 cases per 100 personyears after 85. To model AD, numerous transgenic mice have been produced and characterized in the last decades. It was found that mice overexpressing mutated forms of the human amyloid-β (Aβ) precursor protein (hAPP) develop Aβ deposits in their brain, along with quantifiable memory deficits. Since the diagnosis of AD is dependent upon the histological visualization of both Aβ plaques and tau-laden neurofibrillary tangles, Dr LaFerla’s group (University of California, Irvine, USA) has developed the triple-transgenic model (3xTg-AD) expressing three mutant transgenes: Aβ precursor protein (APPSwe), presenilin-1 (PS1M146V), and tauP301L. This mouse line progressively develops both Aβ and tau pathologies in AD-relevant brain regions as well as deficits in synaptic plasticity and cognitive performance. However, the 3xTg-AD mouse does not develop frank neuronal loss as found in AD brain. A likely simple explanation is that, within the lifespan of a mouse, AD-relevant aging factors do not have the time to be fully expressed. To that aim, we crossed senescence-accelerated prone 8 mice (SAMP8) with 3xTgAD mice to produce senescence-accelerated 3xTg-AD mice with the hope to generate a model closer to the human disease. Our results indicate that senescence acceleration amplifies memory deficits and several AD-related neuropathological features -particularly the amyloid pathology- in female 3xTg-AD mice. Overall, the present data suggest that the SAMP8/3xTg-AD mouse is a valuable model combining aging factors and AD neuropathology, but also evidence complex interactions between genetic backgrounds, aging- and sex-related factors.

La maladie d’Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative insidieuse qui entraîne l’apparition de déficits cognitifs menant à un déclin graduel de l’autonomie fonctionnelle. Ce déclin fonctionnel peut affecter négativement le bien-être des patients vivant avec la MA, qui est dépendant du sentiment d’autonomie, de compétence et d’affiliation, selon la théorie d’autodétermination. Des interventions ciblant les atteintes fonctionnelles dans la MA ont donc été développées. Le type d’intervention démontrant le meilleur potentiel auprès de cette population est la réadaptation cognitive (RC). Il s’agit d’une approche individualisée selon les incapacités du fonctionnement quotidien et le profil d’atteintes cognitives. Les études existantes sur la RC ont démontré des améliorations de la performance sur les activités de la vie quotidienne qui étaient ciblées par la RC. Cela dit, ces études présentaient des limites méthodologiques, telles que des mesures subjectives de la performance et l’utilisation d’interventions non individualisées et non liées à des tâches de la vie quotidienne. Thivierge et collaborateurs (2014) ont pallié certaines de ces limites en élaborant un programme de RC qui a démontré l’amélioration objective de la performance pour une activité instrumentale de la vie quotidienne (AIVQ) altérée chez un groupe de participants vivant avec la MA en stade léger. Le programme de RC incluait les techniques cognitives de la pratique répétée avec rappel espacé et apprentissage sans erreur. Malgré les effets bénéfiques sur la performance, la RC n’avait pas amélioré la qualité de vie des participants et un effet secondaire indésirable avait été enregistré (Brunelle-Hamann, Thivierge & Simard, 2015). Avant de poursuivre la recherche sur la RC, il était donc primordial de préciser certains aspects. C’est donc dans ce cadre que s’inscrit la présente thèse. Cette thèse a trois objectifs principaux. D’abord, elle vise à justifier le développement d’interventions de RC ciblant les activités de la vie quotidienne auprès de la population MA. Une revue critique de la littérature a été effectuée afin de préciser les atteintes fonctionnelles des activités instrumentales de la vie quotidienne (AIVQ) dans les premiers stades de la MA. Dans un second temps, cette thèse vise à vérifier si un programme de RC pour réapprendre deux AIVQ est sécuritaire auprès des patients dans les stades léger et modéré. Finalement, le troisième objectif est d’évaluer l’efficacité d’un programme de RC pour améliorer la qualité de vie, l’estime de soi et la satisfaction de soi et pour améliorer la performance à deux AIVQ altérées et significatives pour les patients en stades léger et modéré de la MA. Cette thèse est novatrice, car elle est la première à évaluer objectivement à l’aide d’une mesure valide, fidèle et écologique, l’efficacité d’une RC individualisée à domicile, chez les patients MA en stade léger et modéré, pour améliorer deux AIVQ significatives et altérées. Elle est la première à évaluer l’innocuité d’un programme de RC pour deux AIVQ en contexte de MA. Elle introduit des mesures du bien-être, dont l’estime de soi et la satisfaction de soi, mesures importantes lorsque l’on considère l’implantation d’une telle intervention à plus large échelle et mesures supportées par un modèle théorique et recommandées pour les interventions dans la démence. Les résultats de la présente thèse ont démontré que les atteintes fonctionnelles sont présentes de façon précoce dans les stades léger et modéré de la MA et affectent en premier lieu les activités complexes de la vie quotidienne (AIVQ). Les interventions ciblant ces atteintes sont pertinentes afin de favoriser l’autonomie et le bien-être des patients MA. Les résultats recueillis dans le cadre de cette thèse ont permis d’établir qu’un programme de RC ciblant deux AIVQ était sécuritaire et bien toléré pour les patients MA et pour leur proche aidant. Finalement, la valeur surajoutée de la réadaptation de deux AIVQ altérées, comparativement à une seule AIVQ, a été identifiée à l’aide d’une étude randomisée contrôlée. La RC pour deux AIVQ permet d’améliorer objectivement la performance à ces activités et de prévenir le déclin fonctionnel global jusqu’à trois mois après la fin de l’intervention et entraine une amélioration de l’estime de soi. Et ce, malgré les déficits de la mémoire épisodique des participants et l’évolution du déclin cognitif.