Les encéphalopathies spongiformes transmissibles (EST) constituent de graves maladies neurodégéneratives atypiques, affectant aussi bien l'homme que l'animal. Ces maladies ont une origine infectieuse, génétique ou sporadique. On distingue chez l'homme la maladie de Creutzfeldt-Jakob, le syndrome de Gerstmann-Sträussler-Sheinker, le nouveau variant de la maladie de Creutzfeldt-Jakob dû à l'ingestion d'aliments contaminés, et les formes iatrogènes, qui surviennent le plus souvent à la suite d'une contamination contractée lors d'interventions chirurgicales. Les maladies à prions animales les plus courantes sont l'encéphalopathie spongiforme bovine et la tremblante du mouton. Le facteur commun à toutes ces maladies est la protéine prion ou PrP, présente de façon ubiquitaire dans l'organisme et de manière prépondérante dans le cerveau. La PrP existe sous deux états conformationnels qui ont la même séquence en acides aminés, mais qui possèdent des propriétés physicochimiques différentes. La forme anormale du prion appelée "scrapie" ou "PrPsc " est partiellement résistante aux protéases et plus riche en feuillets b que la PrPc, ce qui lui confère une susceptibilité exacerbée à l'agrégation. L'hypothèse de "la protéine seule" proposée par Prusiner prédit que le titre infectieux serait composé uniquement de la PrPsc, capable de se répliquer de manière autocatalytique en se servant de la PrPc endogène comme matrice de conversion. Les mécanismes moléculaires régissant ce processus sont encore mal connus. Cependant ce phénomène de conversion apparaît comme l'évènement central contrôlant l'infection et sa propagation vers le système nerveux central. Ces processus nécessitent la présence de la PrPc endogène, puisqu'il a été montré que des souris invalidées pour la protéine prion résistent à l'infection et sont viables. Ces observations ouvrent de nouvelles perspectives en terme d'approches thérapeutiques théoriquement envisageables dans le domaine des EST. La PrPc, après une étape de maturation, subit un clivage physiologique à la membrane plasmique en position 111/112 qui conduit à la formation d'un fragment sécrété appelé N1. Des travaux effectués dans notre laboratoire ont montré que ce clivage est constitutif et régulé par la PKC et nécessite l'activité des disintégrines ADAM10 et ADAM17, respectivement. Mon travail de thèse à consisté à étudier ce clivage en identifiant les isoformes de la PKC impliquées, et à démontrer sa régulation par les récepteurs muscariniques.

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La maladie d'Alzheimer est la forme de démence la plus répandue au monde. Dans cette maladie, la toxicité est, entre autres, causée par l’interaction entre les oligomères du peptide Aß et la protéine prion cellulaire (PrP[indice supérieur C]). Étant ancrée à la membrane plasmique, PrP[indice supérieur C] doit passer dans la voie de sécrétion cellulaire où elle peut subir un clivage endoprotéolytique nommé clivage ?. Ce clivage libère dans le milieu extracellulaire un fragment N-terminal de PrP[indice supérieur C] nommé PrPN1. Un domaine hydrophobe de PrP[indice supérieur C] est indispensable au clivage ? ainsi qu’à sa dimérisation, mais l’effet de la dimérisation de PrP[indice supérieur C] sur le clivage ? n'a toujours pas été vérifié. À la membrane plasmique, PrP[indice supérieur C] peut également être relâché (shed PrP[indice supérieur C]). Une des fonctions attribuées aux formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] (PrPN1 et shed PrP[indice supérieur C]) est d’inhiber la toxicité causée par les oligomères de Aß dans la maladie d'Alzheimer. En effet, plusieurs évidences in vitro montrent le potentiel neuroprotecteur de rPrPN1 et de rshed PrP[indice supérieur C] contre des oligomères de Aß synthétiques. Par contre, aucunes évidences physiologiques ne confirment le potentiel neuroprotecteur des formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] contre Aß. De plus, il n'existe toujours aucunes évidences in vivo de l’interaction entre les formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] et Aß. Ma première étude a permis de démontrer que la dimérisation de PrP[indice supérieur C] dans la voie de sécrétion cellulaire augmente son transport vers la membrane plasmique. Le transport accru de PrP[indice supérieur C] à travers la voie de sécrétion cellulaire se traduit par une augmentation de la sécrétion de PrPN1 et shed PrP[indice supérieur C]. L'augmentation des formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] sous des conditions de dimérisation permet de réduire significativement la toxicité causée par Aß in cellulo. Ces résultats sont particulièrement intéressants puisqu’ils ouvrent la voie à une thérapie axée sur l’utilisation de protéines endogènes en l’occurrence PrPN1 et shed PrP[indice supérieur C] contre la maladie d'Alzheimer. Ma deuxième étude a permis de démontrer qu’une interaction physiologique entre Aß et les formes sécrétées de PrP[indice supérieur C] est possible in vivo. Ces interactions induisent un changement conformationnel important et rapide menant à la formation d'agrégats amorphes. In vivo, j'ai constaté que PrPN1 et A[beta] co-agrège dans une fraction soluble au chlorure de guanidinium. J'ai aussi observé que le clivage ? de PrP[indice supérieur C] est favorisé chez les patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Ces résultats suggèrent que les formes sécrétées de PrP[indice supérieur C], et plus particulièrement PrPN1 issu du clivage ? de PrP[indice supérieur C], sont parties intégrantes d’un mécanisme de défense endogène et inductible contre les oligomères de Aß détournant ces espèces toxiques vers une voie alternative non-toxique.[symboles non conformes]

Certaines maladies neurodégénératives sont associées au mauvais repliement de la protéine prion (PrP[indice supérieur c]) et sont connues sous le nom de maladies à prion ou les encéphalopathies spongiformes transmissibles (ESTs). Récemment, il a été démontré que PrP[indice supérieur c] augmente l'efficacité des micro-ARN (miARN) via son interaction directe avec la protéine Argonaute 2 (Ago2) au niveau de la membrane des corps multivésiculaires (multivesicular bodies (MVBs)). Ago2 est une des protéines centrales du complexe RISC (RNA-induced silencing complex) qui est responsable de l'efficacité des ARNi. Certaines formes pathologiques de PrP[indice supérieur c] induisent l'activation de la réponse au stress eiF2a dépendante, une étape déterminante pour le développement de la pathologie. Cependant, l'activation de la réponse au stress eiF2a dépendante, favorise normalement la survie cellulaire via la formation de deux types de granules d'ARN, les granules de stress (GSs) et les P-Bodies. Aucune étude n'a investigué le rôle de ces deux types de granules d'ARN et de la régulation de l'efficacité des miARN par PrP[indice supérieur c] dans la neurotoxicité associée aux ESTs. Mon premier objectif est d'approfondir nos connaissances sur le nouveau rôle de PrP[indice supérieur c] dans la régulation du système miARN et de l'implication des miARN et du système endosomal dans les ESTs génétiques. Mon second objectif est d'investiguer le rôle des GSs et des P-Bodies, dans la neurotoxicité reliée aux ESTs et établir un lien entre la dérégulation de la réponse au stress et du système ARNi. PrP[indice supérieur c] augmente l'efficacité des miARN via l'interaction de sa région octapeptidique répété (OR, octapeptide repeat region) avec la protéine Ago2. L'effet d'un mutant cytoplasmique artificiel nommé CyPrP (connu comme agent neurotoxique potentiel) et de cinq mutants familiaux de PrP[indice supérieur c] sur le système endosomal et miARN a été caractérisé. Les mutants de PrP[indice supérieur c] affectent la maturation des MVBs et, conséquemment, induisent une délocalisation de GW182, une diminution l'efficacité des miARN et de la production des exosomes. Nous proposons que cette dérégulation de la voie endosomale et miARN par les mutants familiaux de PrP[indice supérieur c] contribue à la neurodégénérescence observée dans les ESTs. Les mutants de PrP[indice supérieur c] induisent également l'expression de la protéine PACT qui est responsable de l'activation de la kinase de stress PKR et de la phosphorylation d'eiF2a. Cependant, malgré la phosphorylation d'eiF2a, les mutants familiaux de PrP[indice supérieur c] et PrP[indice supérieur Sc] inhibent la formation des GSs et des P-Bodies augmentant la susceptibilité des cellules aux différents stress. L'inhibition des P-bodies par les mutants confirment également que les mutants de PrP[indice supérieur c] induisent une diminution de l'efficacité des miARN. Je propose que le maintien de l'activation de la voie PACT-PKR-eiF2a et l'inhibition des GSs et des P-Bodies contribuent à la dérégulation du système d'ARNi, à la susceptibilité des neurones et à la neurodégénérescence observée dans les ESTs. Une meilleure compréhension des mécanismes de neurotoxicité plus particulièrement de l'inhibition du système ARNi et de la réponse au stress par les formes mal repliées de PrP[indice supérieur c] peut mener au développement de médicaments afin de contrer l'évolution de la pathologie. [symboles non conformes]

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Cellular prion protein (PrPc) is a GPI–anchored protein, of unknown function, found in a number of cells throughout the body. It is now widely believed that a mis-folded, protease resistant form of this protein is responsible for a group of fatal neurodegenerative diseases called transmissible spongiform encephalopathies (TSE), including Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) and kuru in humans, scrapie in sheep, chronic wasting disease (CWD) in deer and elk and bovine spongiform encephalopathy (BSE) in cattle. Although the exact function of PrPc is unknown it has been implicated in copper binding, signal transduction and cell adhesion. The pathogenesis of prion diseases is poorly understood, however it is known that PrPc must be present in order for the disease to progress. Platelets have been shown to be the largest reservoir of PrPc in peripheral blood cells and previous studies in animal models have suggested platelets may also be involved in TSE infectivity. In this study, we determine the exact location of PrPc within human platelets, examine the mobilization and release of PrPc from activated platelets on both microvesicles and exosomes and suggest a possible role for platelets in prion infectivity. In addition we examine the role of PrPc within normal platelet functions including aggregation, signal transduction and adhesion.

The cellular prion protein (PrPC) is unique amongst mammalian proteins in that it not only has the capacity to aggregate (in the form of scrapie PrP; PrPSc) and cause neuronal degeneration, but can also act as an independent vector for the transmission of disease from one individual to another of the same or, in some instances, other species. Since the discovery of PrPC nearly thirty years ago, two salient questions have remained largely unanswered, namely, (i) what is the normal function of the cellular protein in the central nervous system, and (ii) what is/are the factor(s) involved in the misfolding of PrPC into PrPSc? To shed light on aspects of these questions, we undertook a discovery-based interactome investigation of PrPC in mouse neuroblastoma cells (Chapter 2), and among the candidate interactors, identified two members of the ZIP family of zinc transporters (ZIP6 and ZIP10) as possessing a PrP-like domain. Detailed analyses revealed that the LIV-1 subfamily of ZIP transporters (to which ZIPs 6 and 10 belong) are in fact the evolutionary ancestors of prions (Chapter 3). We were further able to demonstrate that PrPC likely emerged from a ZIP ancestor molecule nearly half-a-billion years ago via a retrotransposition event (Chapter 4). Moreover, biochemical investigations on ZIP10, as a model LIV-1 ZIP transporter, demonstrated that the ectodomain shedding of ZIP10 observed in prion-infected mice resembles a cellular response to transition metal starvation and suggested that prion disease in mice might phenocopy a transition metal starvation status (Chapter 5). These studies have opened a new angle to study prion biology in health and disease. Biochemical investigations on other LIV-1 ZIPs and attempts at the structural elucidation of the PrP-like domain of LIV-1 ZIP proteins are ongoing and have not been included in this thesis.

Cellular prion protein (PrPc) is a GPI–anchored protein, of unknown function, found in a number of cells throughout the body. It is now widely believed that a mis-folded, protease resistant form of this protein is responsible for a group of fatal neurodegenerative diseases called transmissible spongiform encephalopathies (TSE), including Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) and kuru in humans, scrapie in sheep, chronic wasting disease (CWD) in deer and elk and bovine spongiform encephalopathy (BSE) in cattle. Although the exact function of PrPc is unknown it has been implicated in copper binding, signal transduction and cell adhesion. The pathogenesis of prion diseases is poorly understood, however it is known that PrPc must be present in order for the disease to progress. Platelets have been shown to be the largest reservoir of PrPc in peripheral blood cells and previous studies in animal models have suggested platelets may also be involved in TSE infectivity. In this study, we determine the exact location of PrPc within human platelets, examine the mobilization and release of PrPc from activated platelets on both microvesicles and exosomes and suggest a possible role for platelets in prion infectivity. In addition we examine the role of PrPc within normal platelet functions including aggregation, signal transduction and adhesion.

The PMCA assay was optimized for adaptation to low level detection of PrPSc in hamster plasma. Evaluation of numerous key variables of the PMCA assay led to an optimized protocol capable of ~3 log10 amplification after 32 cycles (two 16 hour rounds). When commercially purchased normal hamster plasma was added to the PMCA reaction an accentuation in PrPSc amplification was observed (>6.75 log10 after 32 cycles). Only con-specific plasma appeared to enhance the conversion of PrPC to PrPSc, suggesting that a species-specific co-factor may be involved in assembly of protein aggregates. Serial PMCA in the presence of low level (10%) contiguous conspecific plasma resulted in the generation of de novo PrPSc after several rounds of PMCA. Although plasma significantly accentuated PrPSc amplification by PMCA, the formation of de novo PrPSc interfered with the ability of using the PMCA assay to detect prion infections in hamsters experimentally infected with 263K scrapie. / Physiology, Cell and Developmental Biology