La sclérose en plaque (SEP) est une maladie auto-immune chronique du système nerveux central (SNC), maladie au cours de laquelle les cellules T endommagent la myéline. Les cellules T CD4⁺ jouent un rôle fondamental dans cette pathologie. Le modèle animal d'encéphalomyélite auto-immune expérimental (EAE) permet de reproduire les symptômes cliniques de la SEP chez la souris. Bien qu'une grande variété de cellules issues des systèmes immunitaires inné et adaptatif peuvent être impliquées dans la réponse inflammatoire du SNC, les cellules T CD4⁺ sont reconnues comme étant des intervenants importants dans l'initiation et la progression des cellules T vers l'autoréactivité. Dans notre laboratoire, nous travaillons avec la souris 1C6 qui est une souris transgénique pour le récepteur des cellules T (TCR). Cette souris génère des cellules T CD4⁺ et CD8⁺ avec la capacité de reconnaître le peptide MOG[₃₅₋₅₅]. Le développement de cette souris transgénique est un outil inestimable pour l'étude des rôles pathogéniques des différents sous-types de cellules T dans l'EAE. Toutefois, il est possible d'observer que l'exclusion allélique de la chaine α du TCR est incomplète par l'expression de TCR endogène toujours présent dans les souris 1C6. Afin d'obtenir des populations de cellules transgéniques pures, les souris 1C6 ont été croisées avec les souris déficientes en RAG-1. Les gènes RAG-1 et RAG-2 codent ensemble pour former un complexe responsable de la recombinaison V(D)J. Une altération fonctionnelle d'un seul des deux gènes permettraient d'éliminer l'expression endogène du TCR. Le rôle de l'inclusion allélique dans l'élaboration du répertoire de TCR chez la souris 1C6 n'est pas clair. Dans la première partie de ma thèse, j'ai démontré que l'inclusion allélique est cruciale dans la suppression de l'auto-immunité sévère du SNC chez les souris 1C6. J'ai utilisé des souris 1C6 x Rag1[exposant -/-] dérivées de croisements entre souris 1C6 et NOD Rag1[exposant -/-]. Cette lignée de souris ne permet pas la réorganisation des chaînes TCR α et β endogènes en raison de l'absence de RAG-1. Les souris 1C6 x Rag1[exposant -/-] possèdent moins de cellules T CD4⁺ , CD8⁺ et nous avons démontré que les souris 1C6 x Rag1[exposant -/-] développent une EAE spontanée contrairement aux souris 1C6 x Rag1[exposant +/+]. De plus, les souris 1C6 x Rag1[exposant -/-] présentent une EAE fatale suivant leur immunisation avec le peptide dérivé de la glycoprotéine oligodendrocyte de myéline MOG[₃₅₋₅₅] et ce, malgré l'absence de lymphocytes T CD8⁺ en provenance de la rate . Nos résultats démontrent un rôle essentiel du réarrangement des chaines de TCR dans le contrôle de la survie des cellules T ainsi que dans la sensibilité des souris 1C6 face à la maladie. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai investigué le rôle du complexe Endoplasmic Reticulum-Associated Degradation (ERAD) dans les cellules Th1 et Th17, deux sous-types de cellules T CD4⁺. ERAD est un système de contrôle qualité des protéines situé dans le réticulum endoplasmique (ER). Il permet de sélectivement éliminer les protéines mal repliées ou mal assemblées en les dirigeant vers le cytosol où elles sont dégradées par le système ubiquitine-protéasome (UPS). Sec61 joue un rôle important dans l'importation des protéines nouvellement synthétisées au niveau du ER tandis que le translocon p97 est crucial pour le transport rétrograde des protéines endommagées vers le cytosol. Bien que les rôles de Sec61 et de p97 aient largement été étudiés dans les maladies neurodégénératives et le cancer, leurs fonctions dans les maladies auto-immunes et dans la fonction des cellules T ne sont pas bien comprises. Des études ont démontré que le blocage de Sec61 avec la mycolactone a des effets inhibiteurs immédiats sur la production de cytokines par les cellules immunitaires. Par contre, l'utilisation de l'inhibiteur de Sec61 et la suppression des cytokines dans la SEP sont peu étudiés. Notre objectif est de vérifier les effets d'inhibiteurs de Sec61 et de p97 sur différents sous-types de cellules T. Dans cette étude, nous avons utilisé trois différents inhibiteurs : (1) Eeyarestatin I (ErsI) : inhibiteur de Sec6 et de p97 (2) NMS-873 : inhibiteur spécifique de p97 (3) Apratoxin A : inhibiteur spécifique de Sec61. En vérifiant les effets de ces molécules sur les cellules Th1 et Th17, nous avons observé une suppression substantielle des cytokines pro-inflammatoires dans les deux types de cellules. Elles diminuent également les niveaux de protéines de Stat-1 et de Stat-3, des facteurs des transcription impliqués dans la différenciation des cellules Th1 et Th17, respectivement. Nous avons aussi observé que l'administration du NMS-873 chez les souris C57BL6/J réduit la sévérité de l'EAE. Dans nos travaux futurs, nous explorerons le mécanisme par lequel ces inhibiteurs régulent la signalisation des lymphocytes T. Nous travaux présentent de nouvelles molécules et voies de signalisation d'intérêt pour la découverte de nouveaux traitements de la SEP en ciblant les cellules T CD4⁺. / Multiple sclerosis (MS) is a chronic autoimmune disease of CNS in which T cells direct an attack against myelin. CD4⁺ T cells plays a central role in pathogenesis of MS. Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) is an animal model of MS that recapitulates many of the immune aspects of its pathogenesis. Although various cell types of the innate and adaptive immune system may be responsible for the inflammatory response within the CNS, CD4⁺ T cells are considered as a critical contributor in the initiation and progression of autoreactive T cells. In our lab we used a 1C6 T cell receptor (TCR) transgenic mouse which generates both CD4⁺ and CD8⁺ T cells that recognize MOG[₃₅₋₅₅]. Indeed, the development of these TCR transgenic mice offered a promising tool to study the pathogenic role of individual subsets of T cells in EAE. However, we still observed endogenous TCR expression in these mice, indicating mainly the incomplete allelic exclusion of the TCRα chain. To obtain pure transgenic T cell populations, 1C6 mice were crossed with RAG-1 deficient mice. The RAG proteins (RAG-1 and RAG-2) together form a complex responsible for V(D)J rearrangement. Functional impairment of only one of the two genes was believed to eliminate any endogenous TCR expression. The role played by allelic inclusion in shaping the TCR repertoire of 1C6 mice is unclear. In the first part of the thesis, I have investigated that allelic inclusion is crucial in 1C6 mice for the suppression of severe CNS autoimmunity. I have used 1C6 x Rag1[exposant -/-] mice which are derived by crossing 1C6 with NOD Rag1[exposant -/-] mice. These mice cannot rearrange endogenous TCRα and β chains due to absence of Rag1. In 1C6 x Rag1[exposant -/-] mice numbers of both CD4⁺ and CD8⁺ T cells have diminished. We showed that 1C6 x Rag1[exposant -/-] mice develop spontaneous EAE but not 1C6 x Rag1[exposant +/+]. They also rapidly develop fatal EAE upon immunization with myelin oligodendrocyte glycoprotein MOG[₃₅₋₅₅] despite the lack of splenic CD8⁺ T cells. Our data show a critical role for endogenously rearranged TCR chains in mediating T cell survival and disease susceptibility in 1C6 mice. In the second part of the thesis, I have investigated the role of ER-associated degradation (ERAD) in Th1 and Th17 subsets of CD4⁺ T cells. ERAD is a protein quality system that removes misfolded, misassembled proteins in the ER by selectively dislocating them into the cytosol where they are subsequently degraded by the cytosolic ubiquitin proteasome system (UPS). Sec61 plays an important role in the import of newly synthesized proteins into the endoplasmic reticulum (ER), while the p97 translocon is crucial for the retrotranslocation i.e., reverse transport of misfolded proteins to the cytosol. However, while the role of sec61 and p97 has been investigated extensively in neurodegenerative diseases and cancer, their function in autoimmune disease, and in T cell function, are incompletely understood. Previous studies have shown that mycolactone-mediated Sec61 blockade has immediate inhibitory effects on the production of cytokines in immune cells. However, the suppression of cytokines by sec61 inhibitors is not completely explored in MS. Our aim is to investigate the effect of Sec61 and p97 inhibitors in different T cell subsets. In this study, we use three different inhibitors: (1) Eeyarestatin I (ErsI): inhibition of sec61 as well as p97 (2) NMS873: specific inhibitor of p97 (3) Apratoxin A (Apra A): specific inhibitor of Sec61. In this study we have observed that above inhibitors of ERAD substantially suppress the production of pro-inflammatory cytokines in Th1 and Th17 cells. Also decreases protein levels of major transcription factors Stat-1 and Stat-3 involved in differentiation of Th1 and Th17 cells, respectively. We also observed that administration of NMS873 reduces EAE severity in C57BL/6J mice. In future work, we will explore the mechanism by which these inhibitors regulate T cell signaling. Our work thus potentially uncovers novel molecules and pathways in CD4⁺ T cells that could be target for future therapy in MS.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / La rupture de la barrière hémoencéphalique (BHE) ainsi que l’infiltration cellulaire sont des évènements pathophysiologiques caractéristiques de la sclérose en plaques et de son modèle animal, l’encéphalomyélite autoimmune expérimentale (EAE). Cependant, leur relation avec l’évolution de l’EAE est obscure, notamment car les préparations histologiques standards recquièrent le sacrifice des animaux et nous privent d’informations cruciales quant à l’initiation, au développement et à la progression de la maladie. Nous utilisons le modèle EAE chez la lignée de souris lys-GFP ki, chez laquelle les cellules myéloïdes (i.e. neutrophiles et monocytes) expriment eGFP. De l’imagerie intravitale est effectuée à des moments précis, ce qui permet l’étude de l’infiltration cellulaire en plus de l’évaluation de l’intégrité de la barrière hémo-encéphalique (BHE) au cours de la pathologie. Les séances d’imagerie non-terminales offrent un contexte temporel considérable, puisqu’il est possible de suivre le développement de la maladie chez un animal qui a été précédemment imagé. La première étape a donc consisté à établir que la chirurgie et la séance d’imagerie n’avaient aucune influence sur le développement de l’EAE chez les animaux expérimentaux. Les résultats obtenus à l’aide d’imagerie intravitale tendent à démontrer qu’un affaiblissement de la BHE envers les molécules de petite taille (760 Da) est corrélé à l’infiltration de cellules GFP-positive dans la moelle épinière. Il est d’autant plus intéressant de constater que cette invasion cellulaire arrive en même temps que l’apparition des symptômes cliniques chez les animaux atteints d’EAE. Nous avançons l’hypothèse que les neutrophiles sont les cellules myéloïdes responsables de brèches initiales dans la BHE, qui influençent son intégrité aux stades précoces de la maladie. Des expériences de déplétion envers les neutrophiles ont donc été effectuées chez des animaux EAE afin de confirmer notre hypothèse. Les résultats suggèrent que les neutrophiles influencent l’initiation de la maladie et sa sévérité totale, en plus d’être intimement liés à l’état de la BHE tôt dans la pathologie. / Blood-spinal cord barrier (BSCB) disruption and immune cell infiltration are early pathophysiological hallmarks of multiple sclerosis (MS) and its animal model, experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Their relationship with the course of EAE remains unclear, however, notably because histological tissue preparations involve sacrifice and inherently result in the loss of crucial information regarding the initiation or development and progression of the disease. We use the EAE model in the lys-GFP ki mouse strain, in which blood-borne myeloid cells (i.e. neutrophils and monocytes) express eGFP. Intravital two-photon microscopy is performed at selected time points, enabling the investigation of cellular infiltration together with the assessment of the blood- barrier (BBB) integrity over the course of the pathology. Non-terminal imaging sessions offer extensive temporal context as it is possible to follow the development of the disease in an animal which has been previously imaged. One can appreciate the advantage of such a method as it is possible to relate, in the same animal, previous observations with clinical outcome. The first step thus consisted in establishing that the surgery and imaging session did not affect the development of EAE in experimental animals. Results obtained demonstrate that the permeability of the BBB to small molecular tracers (760 Da) correlates with the infiltration of GFP-positive myeloid cells into the spinal cord parenchyma. Interestingly, this cellular invasion is reminiscent of the appearance of clinical symptoms displayed by EAE animals. We put forward the hypothesis that neutrophils are the myeloid cells responsible for initial breaches in the BBB, influencing the latter’s integrity at early stages of the disease. Neutrophil depletion experiments have thus been performed in EAE mice in order to confirm this hypothesis. Results suggest that neutrophils influence the initiation and total severity of the disease, as well as being intimately linked to the status of the BBB early in the pathology.

La sclérose en plaques est une maladie inflammatoire du système nerveux central qui touche beaucoup de jeunes adultes dans le monde entier. Malgré les efforts de recherche, la cause demeure inconnue. Afin de développer de meilleurs traitements et de trouver un remède, les modèles animaux sont utilisés pour identifier des biomarqueurs cellulaires. La caractérisation de ces modèles est essentielle afin de bien transposer les résultats à la maladie humaine et de tester de nouveaux médicaments. Cette thèse est le résultat d'un projet de maîtrise au Centre de recherche de l'Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) qui visait à étudier la barrière hématoencéphalique en tant que biomarqueur possible chez un modèle animal de la sclérose en plaques. Le chapitre 1 présente les différents thèmes abordés dans ce projet. Les chapitres 2, 3 et 4 se concentrent sur les méthodes choisies, tandis que le chapitre 5 présente les résultats obtenus. / Multiple sclerosis is an inflammatory disease of the central nervous system that affects many young adults worldwide. Despite research efforts, the cause of the disease remains unknown. In order to develop better therapies and ultimately find a cure, animal models are used to identify cellular biomarkers. Characterizing these models is essential in order to properly relate findings to the human disease and test possible medications. This thesis is the result of a three-year Master's project at Centre de recherche de l'Institut universitaire en santé mentale de Québec (CRIUSMQ) that aimed to study the blood-brain barrier as a possible biomarker of disease pathology in a multiple sclerosis animal model. Chapter 1 introduces the different themes addressed in this project. Chapters 2, 3 and 4 focus on the materials and methods chosen, while chapter 5 presents the results obtained. These findings are discussed in chapter 6.

La sclérose en plaques (SEP) est largement acceptée comme étant une maladie auto-immune du système nerveux central (SNC) dirigée par les cellules T auto-réactives. Cette maladie est très répandue au Canada. L'encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE) est le modèle animal le plus utilisé pour l’étude de la SEP. Malgré l’importance des cellules T dans cette pathologie, il est important de souligner que ce sont les cellules présentatrices d'antigènes (CPA) myéloïdes, et surtout les cellules dendritiques (CD), qui amorcent l’activation des cellules T auto-réactives dans les organes lymphoïdes secondaires ainsi que leur éventuelle réactivation dans le compartiment du SNC plus tard au cours de la maladie. Cependant, il existe une disparité dans l'identification des différentes sous-populations de CPA myéloïdes en raison de l'absence de marqueurs fiables et spécifiques, ce qui constitue une entrave dans le domaine de l'immunothérapie cellulaire. Par ailleurs, les mécanismes moléculaires responsables de la régulation du recrutement des CPA myéloïdes au niveau de la vasculature cérébrale suite à l'activation de l'endothélium du SNC sont encore mal connus. L'interleukine-6 (IL-6) est une cytokine pro-inflammatoire essentielle à la différenciation des lymphocytes TH17 auto-réactifs. Ces derniers sont des régulateurs clés de l'EAE et jouent un rôle important dans la SEP. Ainsi, le premier objectif de ma thèse était de démontrer que l'IL-6 joue un second rôle dans l'EAE en stimulant l'endothélium du SNC à exprimer les molécules nécessaires au recrutement des CPA myéloïdes. Nous démontrons que : (1) les cellules endothéliales du SNC expriment le récepteur de l’IL-6 (IL-6R) ; (2) l’ablation génétique de l’IL-6R spécifiquement dans l'endothélium atténue le recrutement des neutrophiles, des macrophages et des CDs, et prévient le développement de l'EAE ; et (3) l'IL-6 stimule les cellules endothéliales à produire CXCL1 et PTGS2, des protéines impliquées dans le recrutement et l'activation des cellules myéloïdes. Le deuxième objectif général de mon étude était d'obtenir une vue d'ensemble phénotypique et fonctionnelle des sous-populations de CD présentes pendant la phase initiale d'induction de l'EAE. À cette fin, nous avons utilisé la technologie de séquençage de l'ARN unicellulaire (scRNAseq) pour comparer la signature transcriptionnelle des cellules CD11c+ issues des nœuds lymphatiques au cours de la phase préclinique de l'EAE. Nous montrons que : (1) quatre grandes sous-populations de CD sont présentes, soit les CD115+ monocytaires (mDC), les SiglecH+ plasmacytoïdes (pDC), les XCR1+ conventionnelles de type 1 (cDC1) et les CCR7+ conventionnelles de type 2 (cDC2) ; (2) les cDC2, une sous-population spécifique de CPA, présentent des niveaux transcriptonnels élevés de cytokines pro-inflammatoires (IL-6, IL-12) et de marqueurs de maturation et de co-stimulation pour la présentation des antigènes (CD80, CD83, CD86, OX40L) ; (3) miR155, un microARN connu pour son rôle dans l'EAE, est principalement exprimé dans les cDC2 ; et (4) que l'enzyme D-aminoacide oxydase (Dao), qui produit du peroxyde d'hydrogène (H2O2) à partir d’acides aminés D, est régulée à la hausse dans les cDC2 des souris miR155-/- . En résumé, mon travail de thèse met l'accent sur le rôle critique des CPA myéloïdes lors des premiers événements précliniques de l'EAE et il suggère un nouveau rôle important de la signalisation classique de l'IL-6 dans le développement de l'EAE et le recrutement des leucocytes. Finalement, il identifie en outre des cibles et des biomarqueurs potentiels à des fins diagnostiques et thérapeutiques. / Multiple sclerosis (MS) is widely accepted as an autoreactive T cells driven autoimmune disorder of the central nervous system (CNS), highly prevalent in Canada. Experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) is the established animal model for studying MS. Antigen-presenting cells (APCs) of myeloid origin, most importantly, dendritic cells initiate the priming of autoreactive T cells in the secondary lymphoid organs, and their eventual reactivation in the CNS compartment later in the disease course. However, a disparity exists in identifying myeloid APCs subsets with accuracy due to absence of reliable and specific markers, causing a hindrance in the field of cellbased immunotherapy. In addition, more needs to be deciphered on the molecular mechanisms that regulate activation of CNS endothelium for recruitment of myeloid APCs. Interleukin-6 (IL-6) is a pro-inflammatory cytokine, essential for differentiation of self-reactive TH17 lymphocytes, which are key regulators of EAE and play an important role in MS. The first objective of my thesis was to demonstrate that IL-6 plays another role in EAE by stimulating the CNS endothelium to express molecules required for the recruitment of myeloid antigen-presenting cells. We show that: (1) endothelial cells in the CNS express IL-6 receptor (IL-6R); (2) genetic deletion of IL-6R specifically in the endothelium blocks neutrophils, macrophages and dendritic cells recruitment as well as EAE development; (3) ICAM1-expressing extravascular myeloid APCs are reduced in number during the pre-onset stage of EAE; and (4) IL-6 stimulates endothelial cells to produce CXCL1 and PTGS2, which are involved in recruitment and activation of myeloid cells. The second general objective of my study was to get a phenotypic and functional overview of DC subsets present during the initial induction phase of EAE. For that purpose, we used the single-cell RNA sequencing (scRNAseq) technology to compare the transcriptional signature of CD11c+ cells from lymph nodes during the pre-clinical phase of EAE. We show that: (1) four major subsets of DCs are present: CD115+ monocytic DC (mDC), SiglecH+ plasmacytoid DC (pDC), XCR1+ conventional DCs type-1 (cDC1) and CCR7+ conventional DCs type-2 (cDC2); (2) cDC2 exhibit elevated expression of pro-inflammatory cytokines (IL-6, IL-12), maturation marker (CD83) and costimulatory molecules for antigen presentation (CD80, CD86, OX40L); (3) miR155, a microRNA known to have a role in EAE, is predominantly expressed in cDC2; (4) the enzyme D-amino acid oxidase (Dao), that produces hydrogen peroxide (H2O2) from D-amino acids, is upregulated in cDC2 of miR155-/- mice. In summary, my thesis work emphasizes on the critical role of myeloid APCs during initial pre-clinical events of EAE. Moreover, it suggests additional important role of classical IL-6 signaling in EAE development and leukocyte recruitment. It further identifies potential targets and biomarkers for diagnostics and therapeutic purposes.

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

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

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

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

La mesure de la perte du volume cérébral est un marqueur IRM de la neurodégénérescence dans la sclérose en plaques. Les techniques actuelles permettent de quantifier soit directement la perte de volume cérébral entre deux examens, soit de la mesurer indirectement à partir du volume cérébral de chaque examen. La fiabilité de ces techniques reste difficile à évaluer en l’absence de gold standard. Ce travail a consisté premièrement, en une étude de reproductibilité réalisée chez 9 patients à partir d’acquisitions semestrielles (3 IRM), sur deux machines différentes et post-traitées par sept algorithmes : BBSI, FreeSurfer, Intégration Jacobienne, KNBSI, un algorithme Segmentation / Classification, SIENA et SIENAX. Deuxièmement, un suivi longitudinal et prospectif a été effectué chez 90 patients SEP. L’étude des variabilités inter-techniques et inter-sites a montré que les techniques de mesures indirectes (Segmentation/Classification, FreeSurfer) et SIENAX fournissaient des pourcentages d’atrophie hétérogènes. A l’inverse, les techniques de mesures directes telles que BBSI, KNBSI, Intégration Jacobienne et à un moindre degré SIENA obtenaient des résultats reproductibles. Toutefois BBSI, KNBSI et l’Intégration Jacobienne obtenaient des pourcentages faibles, suggérant une possible sous-estimation de l’atrophie. L’évaluation de la perte du volume cérébral par Intégration Jacobienne a montré sur 2½ ans de suivi, une atrophie de 1,21% pour les 90 patients et de 1,55%, 1,51%, 0,84%, 1,21% respectivement pour les patients CIS, RR, SP et PP. A l’avenir l’évaluation de la perte de volume cérébral impose des défis d’ordre technique afin d’améliorer la fiabilité des algorithmes actuels. / Brain volume loss is currently a MRI marker of neurodegeneration in MS. The available algorithms for its quantification perfom either direct measurements, or indirect measurements. Their reliability remains difficult to assess especially since there is no gold standard technique. This work consisted first, in a reproducibility study performed on nine patients’ biannual MRI acquisitions (3 time points). These acquisitions were performed on two different MRI systems. Post-processing was applied using seven algorithms: BBSI, FreeSurfer, Jacobian Integration, KNBSI, an algorithm based on segmentation/classification, SIENA and SIENAX. Second, a longitudinal and prospective study was performed in 90 MS patients. The study of inter-technique and inter-site variabilities showed that direct measurement techniques and SIENAX provided heterogeneous values of atrophy. In contrast, indirect measurement algorithms such as BBSI, KNBSI, Jacobian Integration and to a lesser extent SIENA obtained reproducible results. However BBSI, KNBSI and Jacobian Integration algorithms showed lower percentages, suggesting a possible underestimation of atrophy. The evaluation of brain volume loss by Jacobian Integration has shown an atrophy rate of 1.21% over 2 ½ years of the 90 patients’ follow up, and of 1.55%, 1.51%, 0.84%, 1.21% for CIS, RR, SP and PP patients respectively. Jacobian Integration showed its importance in individual monitoring. In the future, assessing brain volume loss requires overcoming of some technical challenges to improve the reliability of the currently available algorithms.

Notre travail a porté : 1) sur l'étude des modifications d'excitabilité corticale au cours du traitement des poussées de sclérose en plaques (SEP) et de l'évolution naturelle des formes progressives de SEP ; 2) sur la caractérisation du tremblement d'action, fréquemment observé dans le cadre de cette maladie et qui constitue une importante source de handicap. Ceci a conduit à la réalisation de 5 études. La première étude a démontré que l'amélioration rapide des performances motrices observées à la suite du traitement de poussées de SEP par une corticothérapie administrée en flash quotidien sur plusieurs jours, s'accompagnait de modifications significatives d'excitabilité corticale étudiée par stimulation magnétique transcrânienne. Ces modifications portaient sur la balance d'influences GABAergiques et glutamatergiques au sein du cortex moteur. Cette augmentation d'excitabilité survient bien avant toute possibilité de remyélinisation ou de régénérescence axonale et constitue donc une amélioration fonctionnelle induite par le traitement. Dans la deuxième étude, différents paramètres d'excitabilité corticale ont été suivis sur un an chez des patients présentant une forme progressive de SEP, traitée ou non traitée. Cette étude a mis en évidence une diminution de l'inhibition intracorticale et une augmentation du seuil moteur au repos chez les patients non traités, accompagnant une augmentation des scores cliniques de handicap. En revanche, les patients traités restaient stables, aussi bien sur le plan neurophysiologique que clinique. Ces résultats montrent que l'évolution de la SEP progressive est associée à une altération globale et évolutive de l'excitabilité du cortex moteur, portant aussi bien sur les neurones pyramidaux que sur les circuits de contrôle inhibiteur, probablement liée à l'aggravation de la perte neuronale au fil du temps. Nos résultats montrent également que différents types de traitement immunomodulateur peuvent arrêter ce cours évolutif. Dans une troisième étude, nous avons caractérisé l'existence d'un tremblement chez 32 patients atteints de SEP au moyen d'enregistrements électromyographiques et accélérométriques réalisés au membre supérieur. Ces enregistrements n'ont permis de confirmer l'existence d'un véritable tremblement que chez un seul patient. L'étude neurophysiologique concomitante de circuits de contrôle cérébelleux et protubérantiels a permis de montrer que la plupart des aspects cliniques de tremblement dans la SEP ne révélait en fait qu'un pseudo-tremblement lié en grande partie à des dysfonctions cérébelleuses. Nos deux dernières études ont permis de préciser ce résultat, au moyen d'une analyse du signal électromyographique et accélérométrique par décomposition modale empirique associée à une transformée de Hilbert-Huang. Cette méthode d'analyse apparaît valide et performante pour caractériser les tremblements et pseudo-tremblements survenant dans la SEP et les distinguer d'autres types de tremblement, comme le tremblement essentiel. / Our work focused on: 1) the study of cortical excitability changes in the treatment of multiple sclerosis (MS) relapses and the natural history of progressive forms of MS; 2) the characterization of action tremor, which is frequently observed in the course of the disease and is a major source of disability. This has led to the realization of five studies. The first study demonstrated that a rapid improvement in motor performance can be observed following treatment of MS relapses by intravenous corticosteroids administered daily over several days, accompanied by significant changes in cortical excitability parameters studied by transcranial magnetic stimulation techniques. These changes focused on the balance between GABAergic and glutamatergic influences in the motor cortex. An increase in cortical excitability occurs well before any possibility of remyelination or axonal regeneration, demonstrating a functional improvement induced by the treatment. In the second study, different parameters of cortical excitability were followed over one year in patients with progressive MS, treated or untreated. This study showed a decrease of intracortical inhibition and increased motor threshold at rest in untreated patients, accompanying a worsening of clinical disability scores. In contrast, treated patients remained stable, both on clinical and neurophysiological parameters. These results show that the evolution of progressive MS is associated with a global and progressive impairment of motor cortex excitability, concerning both pyramidal neurons on inhibitory control circuits, probably due to the progression of cortical neuronal loss over time. Our results also showed that different types of immunomodulatory therapy can stop this evolutionary course. In a third study, we characterized the existence of action tremor in 32 MS patients using electromyographic and accelerometer recordings in the upper limb. These recordings confirmed the existence of a real tremor in only one patient. Concomitant neurophysiological study of cerebellar and pontine circuits of control showed that most of the clinical aspects of tremor in MS in fact revealed a pseudo-tremor largely due to cerebellar dysfunctions. Our last two studies have clarified this result by means of an analysis of the electromyographic and accelerometer signal using empirical mode decomposition associated with Hilbert-Huang transform. This method of analysis appears valid and effective to characterize tremor or pseudo-tremor occurring in MS patients and to distinguish them from other types of tremor, such as essential tremor.