La formation d'agrégats protéiques insolubles et fibreux, appelés fibrilles amyloïdes, est impliquée dans une large variété de maladies humaines. Parmi elles, figurent entre autres, le diabète de type II, l'arthrite rhumatoïde et, notamment, les atteintes neurodégénératives débilitantes, telles que les maladies d'Alzheimer, de Parkinson ou encore de Huntington. Actuellement, il n'existe ni traitement, ni diagnostic précoce pour aucune de ces maladies.De nombreuses études ont montré que la capacité à former des fibrilles amyloïdes est une propriété inhérente à la chaîne polypeptidique. Ce constat a conduit au développement d'un certain nombre d'approches computationnelles permettant de prédire les propriétés amyloïdogéniques à partir de séquences d'amino-acides. Si ces méthodes s'avèrent très performantes vis à vis de courts peptides (~ 6 résidus), leur application à des séquences plus longues correspondant aux peptides et protéines en lien avec les maladies, engendre un nombre trop élevé de faux positifs. Le principal objectif de cette thèse consiste à développer une meilleure approche bioinformatique, capable de prédire les régions amyloïdogéniques à partir d'une séquence protéique. Récemment, l'utilisation de nouvelles techniques expérimentales a permis de mieux appréhender la structure des amyloïdes. Il est ainsi apparu que l'élément caractéristique de la majorité des fibrilles amyloïdes impliquées dans les maladies, était constitué d'une structure étagée (β-arcade), résultant de l'empilement de motifs « feuillet β – coude – feuillet b » appelés « β-arches ». Nous avons mis à profit cette particularité structurale pour créer une approche bioinformatique permettant de prédire les régions amyloïdogéniques d'une protéine à partir de l'information contenue dans sa séquence. Les résultats provenant de l'analyse des structures de type β-arcade, connues et modélisées, ont été compilés et traités à l'aide d'un algorithme écrit en langage Java, afin de créer le programme ArchCandy.L'application de ce programme à une sélection de séquences protéiques et peptidiques, connues pour leur lien avec les maladies, a permis de démontrer qu'il était en mesure de prédire correctement la majorité de ces séquences, de même que les séquences mutées impliquées dans les maladies familiales. Outre la prédiction de régions à haut potentiel amyloïde, ce programme suggère la conformation structurale adoptée par les fibrilles amyloïdes. Le séquençage de génomes entiers devenant toujours plus abordable, notre méthode offre une perspective de détermination individuelle des profils à risque, vis à vis de maladies neurodégénératives, liées à l'âge ou autres. Elle s'inscrit ainsi pleinement dans l'ère de la médecine personnalisée. / A broad range of human diseases are linked to the formation of insoluble, fibrous, protein aggregates called amyloid fibrils. They include, but are not limited to, type II diabetes, rheumatoid arthritis, and perhaps most importantly, debilitating neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and Huntington's disease. There currently exists no cure, and no means of early diagnosis for any of these diseases. Numerous studies have shown that the ability to form amyloid fibrils is an inherent property of the polypeptide chain. This has lead to the development of a number of computational approaches to predict amyloidogenicity by amino acid sequences. Although these methods perform well against short peptides (about 6 residues), they generate an unsatisfactory high number of false positives when tested against longer sequences of the disease-related peptides and proteins. The main objective of this thesis was to develop an improved bioinformatics based approach to predict amyloidogenic regions from protein sequence.Recently new experimental techniques have shed light on the structure of amyloids showing that the core element of a majority of disease-related amyloid fibrils is a columnar structure (β—arcade) produced by stacking of β-strand-loop-β-strand motifs called “β-arches”. Using this structural insight, we have created a bioinformatics based approach to predict amyloidogenic regions from protein sequence information. Data from the analysis of the known and modeled β-arcade structures was incorporated into a rule based algorithm implemented in the Java programming language to create the ArchCandy program. Testing it against a set of protein and peptide sequences known to be related to diseases has shown that it correctly predicts most of these sequences and a number of mutated sequences related to the familial diseases. In addition to the prediction of regions with high amyloidogenic potential, a structural arrangement of the amyloid fibril is also suggested for each prediction. As whole genome sequencing becomes cheaper, our method provides opportunity to create individual risk profiles for the neurodegenerative, age-related and other diseases ushering in an era of personalized medicine.

De nombreuses pathologies du système nerveux sont associées à une augmentation de l'apolipoprotéineD (apoD), une lipocaline également exprimée au cours du développement normal et du vieillissement. Un gène homologue de l'apoD chez la drosophile a un rôle protecteur dans les situations de stress et son absence réduit la résistance au stress oxydatif et accélère la neurodégénerescence. Notre équipe a été la première à démontrer le rôle protecteur de l'apoD chez les vertèbrés (souris) face à l'encéphalite induite par le cornavirus humain OC43 et aussi face au stress oxydatif induit par le paraquat. Afin de démontrer davantage l'effet bénéfique de l'apoD dans les situations pathologiques du système nerveux central, on a induit la neurodégénerescence en injectant l'acide kaïnique chez des souris transgéniques qui surexpriment l'apoD et des souris témoins non-transgéniques. L'acide kaïnique (analogue du glutamate) est un acide aminé excitateur dont l'activation des récepteurs dans le cerveau cause la dépolarisation des neurones et finalement la mort neuronale par apoptose (mimant la maladie d'Alzheimer). Ainsi ce modèle nous permettra de mesurer l'effet protecteur de l'apoD contre l'apoptose. Suite à l'injection intrapéritonéale, nous avons observé que l'acide kaïnique provoque des crises épileptiques chez les deux groupes de souris peu après l'injection; une légère différence concernant le taux et la gravité des convulsions entre les transgéniques et les non-transgéniques a été détectée. Cependant nous avons démontré par des analyses de type Northern, des immunobuvardages et par RT-PCR semi-quantitatif que l'acide kaïnique induit la surexpression de l'apoD endogène et provoque l'activation des cellules gliales (GFAP) dans l'hippocampe et le cervelet des souris au troisième jour après l'injection. Par contre, on a remarqué la présence de la cyclooxygénase-2 (inflammation) seulement dans l'hippocampe et le cortex de certaines souris (les souris ayant des très fortes convulsions) et son absence totale dans le cervelet. Nous avons aussi montré par la méthode TUNEL que l'acide kaïnique induit l'apoptose dans le cortex, le cervelet et surtout dans l'hippocampe, la zone la plus endommagée dans la maladie d'Alzheimer. Chez les souris transgéniques surexprimant l'apoD, dans les mêmes conditions, il y a moins d'apoptose comparativement aux souris de type sauvage, donc l'apoD pourrait jouer un rôle en modulant l'apoptose ainsi que protéger les neurones en prévenant l'apoptose. Les résultats obtenus au cours de différentes étapes de ce projet, tout d'abord mettent au point un modèle animal de neurodégénérescence associé à une surexpression de l'apoD et ensuite révèlent un autre aspect mal connu de rôle protecteur de l'apoD dans la régulation d'apoptose induite par l'acide kaïnique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Apolipoprotéine D, Neurodégénérescence, Acide kaïnique, Transgénique, TUNEL, Alzheimer, Apoptose.

Les similitudes entre les mécanismes neurotoxiques responsables des encéphalopathies spongiformes Transmissibles (EST) et des synucléinoapthies, ainsi que la présence concomitante des formes pathologiques de la protéine prion et de l'α-synucléine au sein d'une même maladie neurodégénérative sont deux observations qui nous ont conduits à étudier les relations existant potentiellement entre les altérations moléculaires de l'α-synucléine et les maladies à prion. Après avoir développé des anticorps monoclonaux en immunisant avec de l'α-synucléine recombinante humaine des souris n'exprimant pas de façon endogène cet immunogène, nous avons caractérisé les altérations moléculaires de l'α-synucléine apparaissant conjointement à une symptomatologie motrice sévère lors du vieillissement de souris transgéniques (TgM83) surexprimant l'α-synucléine humaine mutée en A53T. Les essais d'inoculation intracérébrale de souris TgM83 par différentes souches de prion ont mis en évidence que la transmission de l'encéphalopathie spongiforme bovine de type H permet de déclencher chez ces animaux une maladie à prion de façon concomitante au développement d'altérations moléculaires de l'α-synucléine. Enfin, l'importante accélération de la pathologie liée a l'α-synucléine observée chez des souris TgM83 ayant été inoculées par des tissus contenant des formes altérées de l'α-synucléine, constitue un résultat soutenant le fait que la pathologie liée a l'α-synucléine serait capable de se propager expérimentalement de proche en proche, comme la protéine prion pathologique au cours des EST

Depuis la découverte de l'apolipoprotéine D (ApoD) en 1973 par McConathy et Alaupovic et malgré de grandes avancées, la fonction et les mécanismes de régulation de cette protéine demeurent toujours inconnus. Quoi qu'il en soit, toutes les études faites jusqu'à présent semblent montrer qu'elle serait une protéine importante et bénéfique tant en situation normale que pathologique. Son expression génique est détectée chez presque tous les mammifères de même que chez les plantes, les insectes et certaines espèces d'oiseaux. Chez l'humain, elle est exprimée dans plusieurs tissus et hautement exprimée dans les glandes surrénales, la rate, les poumons, le cerveau, le placenta, et les reins. Par contre, chez le rat et la souris, l'expression est limitée au système nerveux central (SNC), ce qui en fait un bon modèle d'étude de la régulation génique d'ApoD. En effet, l'APOD est induite dans plusieurs cas de neuropathologies chez l'humain tel que les maladies d'Alzheimer et de Parkinson, la sclérose en plaques, la schizophrénie ainsi que dans certains cancers. L'ApoD est également induite dans plusieurs modèles de neurodégénérescence chez la souris et sa surexpression confère une neuroprotection. En corrélation avec ces faits, il est suggéré que l'APOD soit une protéine de stress pouvant être considérée comme marqueur de pathologies d'ordre neurologique d'où l'importance d'une étude plus approfondie. Les travaux présentés dans cette thèse ont permis d'éclaircir un tant soit peu les mécanismes régulant l'expression génique d'APOD lors de divers stress cellulaires. Effectivement, ces travaux présentent la purification et la caractérisation des facteurs nucléaires Parp-1, HnRNP-U, CBF-A, BUB-3, Kif4, APEX-1 et Ifi204 liant les éléments régulateurs SRE, EBS et GRE du promoteur d'APOD lors de l'arrêt de croissance par déprivation de sérum. L'activité enzymatique des protéines Parp-1, APEX-1 et ERK1/2 semble être importante dans l'induction de l'expression génique d'APOD. Sachant que l'expression d'APOD et la prolifération cellulaire sont inversement corrélées dans plusieurs types de cellules, ces résultats permettent d'éclaircir les mécanismes impliqués. Dans un même ordre d'idée, les résultats présentés dans cette thèse montrent l'identification de plusieurs centaines de protéines liant le promoteur d'APOD, dans la région -816 à +64, provenant de cortex de souris saines ou infectées par un coronavirus humain causant une neurodégénérescence. Parmi ces protéines, l'ApoE et la protéine non-structurale Ns2 du coronavirus lient le promoteur d'APOD. Ces résultats suggèrent aussi que les isoformes E3 et E4 d'APOE humaines soient des répresseurs tandis que Ns2 activerait le promoteur in vivo. De plus, il est mis en évidence une corrélation inverse entre l'expression d'ApoD et d'ApoE notamment au niveau du cortex de souris. Considérant que l'allèle E4 est un facteur génétique important dans le développement de la maladie d'Alzheimer et que les coronavirus sont associés à des désordres neurologiques tels que la sclérose en plaques, ces résultats ouvrent une porte permettant d'investiguer plus en profondeur, et vers une nouvelle direction, les mécanismes impliqués non seulement dans la régulation du gène d'APOD mais aussi dans les maladies neurodégénératives. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Apolipoprotéine D, arrêt de croissance, inflammation, facteur de transcription, coronavirus OC43, spectrométrie de masse

La formation d'agrégats protéiques insolubles et fibreux, appelés fibrilles amyloïdes, est impliquée dans une large variété de maladies humaines. Parmi elles, figurent entre autres, le diabète de type II, l'arthrite rhumatoïde et, notamment, les atteintes neurodégénératives débilitantes, telles que les maladies d'Alzheimer, de Parkinson ou encore de Huntington. Actuellement, il n'existe ni traitement, ni diagnostic précoce pour aucune de ces maladies.De nombreuses études ont montré que la capacité à former des fibrilles amyloïdes est une propriété inhérente à la chaîne polypeptidique. Ce constat a conduit au développement d'un certain nombre d'approches computationnelles permettant de prédire les propriétés amyloïdogéniques à partir de séquences d'amino-acides. Si ces méthodes s'avèrent très performantes vis à vis de courts peptides (~ 6 résidus), leur application à des séquences plus longues correspondant aux peptides et protéines en lien avec les maladies, engendre un nombre trop élevé de faux positifs. Le principal objectif de cette thèse consiste à développer une meilleure approche bioinformatique, capable de prédire les régions amyloïdogéniques à partir d'une séquence protéique. Récemment, l'utilisation de nouvelles techniques expérimentales a permis de mieux appréhender la structure des amyloïdes. Il est ainsi apparu que l'élément caractéristique de la majorité des fibrilles amyloïdes impliquées dans les maladies, était constitué d'une structure étagée (β-arcade), résultant de l'empilement de motifs " feuillet β - coude - feuillet b " appelés " β-arches ". Nous avons mis à profit cette particularité structurale pour créer une approche bioinformatique permettant de prédire les régions amyloïdogéniques d'une protéine à partir de l'information contenue dans sa séquence. Les résultats provenant de l'analyse des structures de type β-arcade, connues et modélisées, ont été compilés et traités à l'aide d'un algorithme écrit en langage Java, afin de créer le programme ArchCandy.L'application de ce programme à une sélection de séquences protéiques et peptidiques, connues pour leur lien avec les maladies, a permis de démontrer qu'il était en mesure de prédire correctement la majorité de ces séquences, de même que les séquences mutées impliquées dans les maladies familiales. Outre la prédiction de régions à haut potentiel amyloïde, ce programme suggère la conformation structurale adoptée par les fibrilles amyloïdes. Le séquençage de génomes entiers devenant toujours plus abordable, notre méthode offre une perspective de détermination individuelle des profils à risque, vis à vis de maladies neurodégénératives, liées à l'âge ou autres. Elle s'inscrit ainsi pleinement dans l'ère de la médecine personnalisée.

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L'amyotrophie spinale infantile (SMA) est une maladie génétique autosomique récessive de l'enfant pour laquelle aucun traitement efficace n'existe. La SMA est caractérisée par la perte spécifique des motoneurones spinaux conduisant à une faiblesse musculaire sévère. Le décès des patients survient lorsque les muscles vitaux sont touchés. Cette maladie est causée par la mutation du gène Survival of Motor Neuron 1 (Smn1) conduisant à une diminution importante de l’expression de la protéine Survival of Motor Neuron (SMN). Tous les patients possèdent un ou plusieurs gènes copie de Smn1, le gène Smn2. Ces copies modulent la sévérité de la maladie en produisant une faible quantité de transcrits SMN complets, en particulier possédant l’exon 7, un exon alternatif qui code pour un domaine important pour que la protéine SMN soit fonctionnelle et stable. Des résultats récents, obtenus au laboratoire, indiquent que l'exercice physique retarde la mort des motoneurones, conduit à une augmentation du taux de maturation postnatale des unités motrices et déclenche l’expression du gène Smn2 chez des souris mimant la SMA de type II. Les premières données moléculaires suggèrent que les effets de l'exercice physique pourraient être relayés par la signalisation dépendante 1) des récepteurs au NMDA (Biondi et coll., J Neurosci, 2008) et/ou 2) du récepteur à IGF-1. Dans notre étude, nous avons d’abord testé les effets de l’activation directe des récepteurs au NMDA (NMDAR) dans un contexte de SMA. Nous montrons qu’une activation adéquate de ces récepteurs dans plusieurs modèles souris mimant les SMA sévères accélère la maturation postnatale des unités motrices, limite l'apoptose dans la moelle épinière et active l’expression du gène Smn2 favorisant l'expression de la protéine SMN. Ces effets bénéfiques sont dépendants du niveau d’activation des NMDARs et suggèrent que l'accélération de la maturation postnatale des unités motrices, induite par le NMDA, est indépendante du niveau d’expression de la protéine SMN. De manière importante, l’activation pharmacologique des NMDARs augmente fortement la durée de vie de deux modèles différents de souris mimant la SMA de type sévère. L'analyse des cascades de signalisation intracellulaire a révélé une altération inattendue des profils d’activation des voies de signalisation ERK et AKT/CREB, qui se rééquilibrent quand les NMDARs sont activés (Branchu et coll., J Neurosci, 2010).Comme la kinase ERK est constitutivement suractivée dans la moelle épinière des souris mimant la SMA, nous avons ensuite examiné son rôle potentiel dans la régulation de l'expression des gènes Smn2. Nous avons démontré que l'inhibition pharmacologique de la voie de signalisation MEK/ERK/Elk-1, notamment avec un médicament anti-cancéreux actuellement en essai clinique de phase 2, est bénéfique pour les souris mimant la SMA de type I. Nous avons identifié une relation croisée entre les voies de signalisation ERK et AKT impliquant la modulation, calcium-dépendante, de l'activité CaMKII. Ainsi, l'inhibition pharmacologique de ERK durant la phase symptomatique de la maladie chez ces souris, entraîne l'activation de la voie CaMKII/AKT/CREB et conduit à une augmentation significative de l’expression de la protéine SMN dans les motoneurones suite à une augmentation de la transcription du gène Smn2. Ces modifications sont corrélées avec une augmentation remarquable de la durée de vie et de la mobilité des souris et une neuroprotection des motoneurones spinaux. De plus, l’inhibition de ERK dans des cellules musculaires différenciées provenant de patients atteints de SMA de type II induit également une augmentation de l’activité de la voie AKT/CREB et de l’expression de SMN (Branchu et coll., J Neurosci, en révision positive). Enfin, nous avons montré que l'exercice physique est capable de diminuer l'expression du récepteur à l'IGF-1 (IGF-1R), qui est surexprimé dans la moelle épinière des souris mimant la SMA sévère... / Spinal muscular atrophy (SMA) is a severe autosomal recessive disease in childhood for which no efficient therapy is currently available. SMA is characterized by the specific loss of spinal motor neurons leading to a severe muscular weakness and death when vital muscles are affected. This disease is caused by mutation of the survival of motor neuron 1 (Smn1) gene leading to a deficiency of the Survival of Motor Neuron (SMN) protein expression. All patients retain one or more copies of the Smn2 gene, which modulates the disease severity by allowing a small amount of full-length SMN transcripts and stable SMN protein to be produced. Recent results in our laboratory indicate that physical exercise delays motor neuron death, leads to an increase in the motor-units postnatal maturation rate and trigger Smn2 gene expression in motor neurons. Furthermore, on the one hand, exercise is capable of specifically enhancing the expression of the gene encoding NR2A, the major activating subunit of the NMDA receptor in motor neurons. This subunit is known to be dramatically down-regulated in the spinal cord of severe SMA-like mice. Accordingly, inhibiting NMDA-receptor activity abolishes the exercise-induced effects on muscle development, motor neuron protection and life span gain (Biondi et al., J Neurosci, 2008). Thus, we tried to restore NMDA-receptor function as a therapeutic approach to SMA treatment. We demonstrated that an adequate NMDA receptor activation in severe SMA-like mouse model significantly accelerated motor-unit postnatal maturation, counteracted apoptosis in the spinal cord, and induced a marked increase in SMN expression resulting from a modification of Smn2 gene transcription pattern. These beneficial effects are dependent on the level of NMDA receptor activation since a treatment with high doses of NMDA led to an acceleration of the motor unit maturation but favored the apoptotic process and decreased SMN expression. Thus, these results suggest that the NMDA-induced acceleration of motor-unit postnatal maturation occurred independently of SMN. The NMDA receptor activating treatment strongly extended the life span in two different severe SMA-like mouse models. The analysis of the intracellular signaling cascades that lay downstream the activated NMDA receptor revealed an unexpected competition between the MEK/ERK/Elk-1 and the AKT/CREB signaling pathways for Smn2 gene regulation. Actually, the reactivation of the AKT/CREB pathway, thought calcium influx and the phosphorylation of CaMKII, opposed to MEK/ERK/Elk-1 inhibition, induces an enhanced SMN expression (Branchu et al., J Neurosci, 2010). On the other hand, exercise is capable of strongly decreasing the expression of IGF-1 receptor (IGF-1R); which is over-expressed in the spinal cord of severe SMA-like mice. We report that this reduction is also correlated with a reactivation of the AKT/CREB pathway and a MEK/ERK/Elk-1 inhibition. Therefore we generated an IGF-1R+/- SMA-like mouse model to investigate the functional link between IGF-1R expression level and the intracellular signaling pathway triggered in SMA spinal cord. We provided the first evidence that reducing the IGF-1R expression level is neuroprotective for SMA motor neurons, accelerates motor-unit postnatal maturation and leads to a remarkable increase in SMN expression and lifespan. The analysis of the intracellular signaling cascades revealed the same competition for Smn2 gene regulation. However, the activation of AKT/CREB is calcium-independent. In addition, we showed a drastic reduction of STAT3 phosphorylation and SOCS-1 and -3 expressions, which are over-expressed in SMA spinal cord and known to positively modulate ERK phosphorylation and negatively AKT (Data not published). Taken together all these data suggest new perspectives to therapeutic strategy, based on specific pharmacological correction, for SMA...

La Protéine Prion (PrP) est une glycoprotéine ubiquitaire attachée au feuillet externe de la membrane plasmique par une ancre glycosylphosphatidylinositole (GPI). Cette dernière est l’agent infectieux responsable de la maladie Creutzfeld-Jacob ou « maladie de la vache folle ». Cette protéine existe sous sa forme cellulaire mais également sous sa forme infectieuse, nommée PrPSc (Scrapie). Alors que la fonction de PrPSc est établie au cours de la pathogenèse, la fonction de la protéine cellulaire est beaucoup plus énigmatique notamment chez les mammifères. Il est clairement admis que la forme infectieuse découle d’un changement de conformation de la forme cellulaire. Ainsi afin de mieux appréhender le rôle de la protéine prion dans les cellules saines mais également lors de la pathogenèse il apparaît essentiel d’étudier le trafic de cette protéine. La protéine prion est exprimée dans les cellules neuronales qui sont comme les cellules épithéliales des cellules polarisées. J’ai au cours de ma thèse étudié le trafic de la protéine prion dans les cellules polarisées MDCK. MDCK est la lignée épithéliale sur laquelle nous avons la plus grande connaissance. Dans mon travail j’ai utilisé des cellules MDCK polarisées classiquement en culture bidimensionnelle (2D) mais également en culture tridimensionnelle (3D) où les cellules forment des kystes, structures hautement polarisées, physiologiquement proches de l’épithélium in vivo. Il apparaît que dans les cellules MDCK polarisées sur filtre (en 2D) la localisation de la PrP est controversée. Nous avons trouvé que, contrairement à la majorité des protéines à ancre GPI, la PrP suit la voie de transcytose. La PrP qui se retrouve à la membrane basolatérale est transcytosée vers la membrane apicale. De plus la PrP envoyée à la surface apicale est clivée (clivage alpha) générant deux fragments distincts : le fragment C1, pourvu de l’ancre GPI qui reste associé à la surface apicale et le fragment soluble N1 qui est sécrété dans le milieu de culture des cellules MDCK cultivées en 2D ou dans le lumen des cellules MDCK cultivées en 3D. Mon travail permet de mieux comprendre les études réalisées auparavant mais surtout révèle l’existence d’un mécanisme de transcytose de la protéine prion dans les cellules épithéliales. Cette information est essentielle et nous permet de supposer que ce mécanisme pourrait être également utilisé par les cellules neuronales. / The Prion Protein (PrP) is a ubiquitously expressed glycosylated membrane protein attached to the external leaflet of the plasma membrane via a glycosylphosphatidylinositol anchor (GPI). While the misfolded PrPSc scrapie isoform is the infectious agent of “prion diseases” the cellular isoform (PrPC) is an enigmatic protein with unclear function. Prion protein has received considerable attention due to its central role in the development of Transmissible Spongiform Encephalopathies (TSEs) known as “prion diseases”, in animals and humans. Understanding the trafficking, the processing and degradation of PrP is of fundamental importance in order to unravel the mechanism of PrPSc mediated pathogenesis, its spreading and cytotoxicity. The available data regarding PrP trafficking are contradictory. To investigate PrP trafficking and sorting we used polarized MDCK cells (two-dimensional and tree-dimensional cultures) where the intracellular traffic of GPI-anchored proteins (GPI-APs) is well characterized. GPI-APs that are sorted in the Trans Golgi Network follow a direct route from the Golgi apparatus to the apical plasma membrane. The exception to direct apical sorting of native GPI-APs in MDCK cells is represented by the Prion Protein. Of interest, PrP localization in polarized MDCK cells is highly controversial and its mechanism of trafficking is not clear. We found that full-length PrP and its cleavage fragments are segregated in different domains of the plasma membrane in polarized cells in both 2D and 3D cultures and that the C1/PrP full-length ratio increases upon MDCK polarization. We revealed that differently from other GPI-APs, PrP undergoes basolateral-to-apical transcytosis in fully polarized MDCK cells and is α-cleaved during its transport to the apical surface. This study not only reconciles and explains the different findings in the previous literature but also provides a better picture of PrP trafficking and processing, which has been shown to have major implications for its role in prion disease.

Le vieillissement et les maladies associées constituent une préoccupation croissante des sociétés modernes. En effet, l'espérance de vie augmente rapidement et ceci n'est pas accompagné par une fécondité accrue. Par conséquent, la proportion de personnes âgées augmente et la science doit fournir des solutions pour traiter les maladies liées à l'âge. Dans ce travail, nous avons étudié une partie du réseau génétique qui a un impact sur la durée de vie par le biais du régime alimentaire. Nous nous sommes concentrés en particulier sur le rôle d'un gène conservé qui code pour la sphingosine kinase (SPHK), et nous décrivons ici pour la première fois son rôle dans la longévité induite par la restriction alimentaire. Cette thèse se compose de deux parties. Dans la première partie, C. elegans a été utilisé pour comprendre le rôle que la sphingosine kinase (sphk-1) joue dans le vieillissement. Nous rapportons que les vers porteur d'une mutation dans le gène sphk-1 vivent plus longtemps que des vers sauvages et ne répondent pas à une restriction alimentaire (RA) et ressemblent à des animaux sauvages soumis à RA. De plus, nos données suggèrent que la longévité causée par une mutation du gène sphk-1 nécessite la présence du facteur de transcription SKN-1b, connue pour son rôle dans la RA. De plus, sphk-1 et skn-1b sont tout deux exprimés dans les neurones de la tête. Nos travaux suggèrent également que la voie TOR/autophagie est impliquée dans la longévité de sphk-1 mutants. Nous avons également montré que d'autres gènes dans la voie de synthèse des céramides ont un effet similaire sur la longévité suggérant que cette voie toute entière est capable d’affecter la longévité.La deuxième partie de ce travail a été réalisée sur un modèle de souris de la maladie d’Alzheimer (MA) pour tester le rôle des gènes SPHK dans la MA et la dégénérescence neuronale. Nous avons constaté que le niveau d'expression de SPHK était significativement augmenté dans nos modèles de souris par rapport à leurs contrôles de la même portée dès l’âge de 6 mois. Un inhibiteur de la SPHK (SKI-II) a été administré à ces souris et ce traitement a permis une amélioration des performances des souris dans des tests de marche sur balancier et une augmentation du poids de cerveau, mais pas d'amélioration de la mémoire dépendante de l'hippocampe. Un autre traitement de SKI-II sur des souris de type sauvage n'a pas montré d’amélioration significative, mais la restriction calorique (RC) a réduit les niveaux de SPHK chez les souris sauvage, ce qui suggère que la sphingosine kinase a des fonctions conservées dans les voie de signalisation liés au sensing des nutriments. / Advances in medical technology and hygiene standards have increased human life expectancy at unprecedented rates worldwide. Nevertheless, one of the consequences of a growing elderly population is an increased prevalence of age-related disease. A scientific understanding of the underlying biological mechanisms of aging is essential to develop effective treatments for age-related diseases and to provide adequate health care to the elderly. In this study, we investigated part of the genetic network that mediates lifespan extension resulting from dietary restriction. We focused on the contribution of a conserved gene encoding the enzyme sphingosine kinase, and describe for the first time its role in diet-mediated longevity.This thesis is composed of two parts. In the first part, we used the nematode Caenorhabditis elegans as a model organism to investigate the role of the sphingosine kinase gene (sphk-1) in aging. We found that worms carrying a sphk-1 null mutation (sphk-1(ok1097)) are long-lived and do not benefit from further lifespan extension upon dietary restriction (DR), a regimen that extends the lives of wild-type worms. sphk-1(ok1097) animals exhibit many phenotypes displayed by animals subjected to DR, suggesting that sphk-1(ok1097) acts through the DR longevity pathway. In support of this, sphk-1(ok1097)-mediated lifespan extension requires the essential DR regulator, SKN-1b, and, similar to SKN-1b, sphk-1 is expressed in head neurons. A search for possible sphk-1(ok1097)-associated longevity determinants suggested the involvement of the TOR/autophagy pathway. Moreover, we found that mutations in ceramide pathway genes other than sphk-1 have similar effects on longevity. Finally, we discovered that sphk-1 mutants fail to reduce germ cell numbers in response to DR. Because such a reduction appears to be an essential feature of DR-mediated lifespan extension, we propose that this failure to reduce germ cell numbers may explain why sphk-1(ok1097) mutant longevity is not extended when nutrient levels are low.The second part of this study investigated the role of sphingosine kinase in brain function during normal and pathologic aging. We examined the expression of sphingosine kinase genes in wild-type mice and in a mouse model of Alzheimer’s disease (AD)-like neurodegeneration. Expression of both mouse SphK genes was increased in the brains of AD-like mice as early as 6 months of age. Chronic administration of an SphK inhibitor elevated the brain weight of AD-like mice and improved their performance in the beam walking test, but not in hippocampus-dependent memory tasks. Treatment of wild-type mice with SKI-II had little effect, but calorie restriction reduced the expression of SphK mRNA in the brain, suggesting that sphingosine kinase may play some conserved roles in nutrient sensing pathways. / 在工业化水平越来越高的当今社会，人口的老龄化正逐渐成为一个严重的社会问题。医疗手段的发展、生活水平的提高使得人们的寿命在不断增加，而与此同时生育率并没有同步增加，这就导致老年人口在整个社会人口中的比重快速增长，因此，衰老以及一些相关的疾病就得到了人们越来越多的关注，也正在成为一个越来越热门的科研领域。从科研工作者的角度，我们希望能够通过实验手段破解衰老及其相关疾病的机制从而寻找延缓衰老或治疗相关疾病的方法。在本论文中，我们研究了一个通过限制饮食来调控寿命的基因网络的一部分。我们的主要研究对象是编码鞘氨醇激酶的基因（SphK），我们第一次发现了它在饮食介导的寿命调控中的作用。本论文由两个章节组成。在第一章中，我们使用秀丽隐杆线虫作为模式动物来研究鞘氨醇激酶基因（sphk-1）在其衰老调控过程中的作用。在研究中，我们发现，携带一种sphk-1 删除突变（sphk-1(ok1097)）的突变体线虫的平均寿命显著延长，而饮食限制（DR）并不能进一步延长它的寿命。另外，这种突变体还表现出一系列与受饮食限制调控的动物相类似的表型，尽管并不是全部。这些结果都表明sphk-1 基因通过饮食介导的途径参与线虫的寿命调控。我们随后的研究显示，由sphk-1 突变引起的寿命延长依赖于DR 的一个调控因子：SKN-1b；并且，与skn-1b 类似，sphk-1 表达的位置也在线虫头部的神经元。对于其它DR 相关因子的研究还发现线虫sphk-1(ok1097)突变引起的寿命延长可能与TOR 及自噬通路的作用有关。此外，我们还发现，不仅是sphk-1，神经酰胺通路中的其它基因对于寿命调控也有类似的效果。最后，我们的研究结果显示，DR 未能减少sphk-1(ok1097)突变体线虫的生殖细胞数量，这一发现或许能够解释为什么DR不能够进一步延长sphk-1(ok1097)突变体线虫的寿命。在第二章中，我们使用了一种模拟阿尔茨海默症（AD）的小鼠模型来测试哺乳类SphK 基因在神经退行性病变中的作用。我们发现，在模型小鼠脑组织中，两种哺乳类SphK 基因的表达水平与它们的同窝对照相比显著增加，而这一显著差异早在6 月龄的小鼠脑中就能发现。在后续的实验中，我们给这些小鼠喂食了一种SphK 的抑制剂——SKI-II。这种抑制剂显著改善了模型小鼠在平衡木实验中的表现，并且显著增加了它们的脑重量，但对于海马依赖性的记忆并没有改善。在另一个实验中，给野生型小鼠注射SKI-II 并没有表现出明显的差异，但热量限制（CR）降低了野生小鼠脑中两种SphK基因的表达量，这一与线虫中类似的结果提示，鞘氨醇激酶在营养通路中可能有一些进化保守的功能。

La dysautonomie familiale (FD) est une neuropathie héréditaire provoquée par des mutations au sein du gène IKBKAP, la plus commune d'entre elles induisant un épissage alternatif de l'exon 20 au sein de du pré-ARNm de façon tissu-spécifique. L'épissage aberrant est particulièrement prononcé dans les tissus nerveux, conduisant à la dégénerescence progressive des neurones sensoriels et autonomes. La spécificité de la perte des cellules nerveuses dans la FD est mal comprise, par manque d'un modèle approprié. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires de l'épissage des ARNm d'IKBKAP, nous avons utilisé un modèle original : les cellules souches olfactives ecto-mesenchymateuses (hOE-MSC) de patients FD. Les hOE-MSC sont pluripotentes et ont la capacité de se différencier en diverses lignées cellulaires, y compris les neurones et les cellules gliales.Nous avons confirmé la présence du transcrit exempt de l'exon 20 d'IKBKAP dans les hOE-MSC de FD et nous avons observé une expression significativement inférieure de la somme des transcrits IKBKAP chez ces patients, du fait de la dégradation d'une partie des isoforme aberrants. Cette réduction est correlée avec une réduction d'expression de la protéine traduite à partir du transcrit d’IKBKAP possèdant l’exon 20, IKAP/hELP1. Nous avons localisé IKAP/hELP1 dans différents compartiments cellulaires, y compris le noyau, ce qui soutient des rôles multiples de cette protéine. Nous avons confirmé que la kinétine, une cytokinine, améliorait le taux de transcrit incluant l'exon 20 et rétablissait des niveaux normaux d'IKAP/hELP1 dans les hOE-MSC de FD. Par ailleurs, nous avons pu modifier le rapport d'épissage d'IKBKAP en augmentant ou en réduisant le ratio WT (inclusion de l'exon 20) : MU (saut de l'exon 20) respectivement, en produisant des sphères flottantes, ou en engageant les cellules vers une différentiation neurale. Les sphères et les cellules différenciées ont été étudiées au niveau pan-génomique, ce qui a permis d'identifier le développement du système nerveux comme étant le processus le plus affecté chez les FD. De plus, nous soulignons le rôle de la kinétine comme un probable régulateur de facteurs d'épissage contribuant à la restauration d'un épissage correct d'IKBKAP.Les hOE-MSC isolées de patients FD représentent une nouvelle approche pour modéliser la pathologie et mieux comprendre l'expression génétique et les approches thérapeutiques possibles de la FD. En outre, elles offrent une application originale à la compréhension d'autres maladies génétiques neurologiques. / Familial dysautonomia (FD) is a hereditary neuropathy caused by mutations in the IKBKAP gene, the most common of which results in variable tissue-specific mRNA splicing with skipping of exon 20. Defective splicing is especially severe in nervous tissue, leading to incomplete development and progressive degeneration of sensory and autonomic neurons. The specificity of neuron loss in FD is poorly understood due to the lack of an appropriate model system. To better understand and modelize the molecular mechanisms of IKBKAP mRNA splicing, we collected human olfactory ecto-mesenchymal stem cells (hOE-MSCs) from FD patients. hOE-MSCs have a pluripotent ability to differentiate into various cell lineages, including neurons and glial cells.We confirmed IKBKAP mRNA alternative splicing in FD hOE-MSCs and observed a significant lower expression of both IKBKAP transcripts and IKAP/hELP1 protein in FD cells resulting from the degradation of the transcript isoform skipping exon 20. We localized IKAP/hELP1 in different cell compartments, including the nucleus, which supports multiple roles for that protein. Moreover, we showed that kinetin improved exon 20 inclusion and restores a normal level of IKAP/hELP1 in FD hOE-MSCs. Furthermore, we were able to modify the IKBKAP splicing ratio in FD hOE-MSCs, increasing or reducing the WT (exon 20 inclusion):MU (exon 20 skipping) ratio respectively, either by producing free-floating spheres, or by inducing cells into neural differentiation. Spheres forming cells and lineage neuroglial progenitors were investigated at the genome-wide level, and we confirmed that nervous system development was the most altered process in FD. More, we highlight kinetin role as a putative regulator of splicing factors which contribute to restore a correct splicing of IKBKAP.hOE-MSCs isolated from FD patients represent a new approach for modeling FD to better understand genetic expression and possible therapeutic approaches. This model could also be applied to other neurological genetic diseases.