La protéostasie désigne l’ensemble de stratégies développées par la cellule pour assurer la préservation de son protéome. Parmi celles-ci on peut citer le contrôle du repliement, de la concentration, et de la distribution des protéines. Les neurones en raison de leur importante activité métabolique représentent une population cellulaire particulièrement vulnérable à l’altération de la protéostasie, auquel cas on parle de protéinopathie. C’est notamment le cas des tauopathies et β-amyloidopathies, deux troubles neurodégénératifs, respectivement caractérisés par le dysfonctionnement de la protéine tau et du peptide amyloïde-β (Aβ). La protéine tau par le biais de son état de phosphorylation contrôle la stabilisation des microtubules, tandis que l’Aβ issu du clivage de l’APP (Amyloid Precursor Protein) serait impliqué dans la plasticité synaptique ; de telle sorte que l’altération du fonctionnement ou de la protéostasie de ces deux molécules engendre de graves troubles neuronaux. Le glaucome, principale cause de cécité irréversible au monde, est une neuropathie dégénérative caractérisée par la perte spécifique des somas des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) et de leurs axones dans le nerf optique. Bien que l’hypertension oculaire (HTO) soit le principal facteur de risque, on ignore la cause du glaucome raison pour laquelle il n’existe aucun remède contre la maladie. La maladie d’Alzheimer (MA), principale cause de démence, est caractérisée par la présence d’enchevêtrement neurofibrillaires formés de la protéine tau dans les neurones et de plaques séniles constitué d’agrégats d’Aβ dans le parenchyme cérébral. De manière surprenante, de nombreuses études révèlent que le glaucome et la MA présentent de nombreux points communs. C’est ainsi que des agrégats d’Aβ et de tau ont été trouvés dans les CGR de sujets atteints du glaucome. De même les sujets victimes de la MA présentent des déficits visuels et une dégénérescence des CGR. Vu l’importance de tau pour la physiologie neuronale et son rôle de médiateur de la toxicité d’Aβ, nous proposons l’hypothèse selon laquelle le dysfonctionnement de la protéine tau résulte en la perte des CGR. Les résultats présentés dans cette thèse reposent sur deux modèles expérimentaux de neurodégénérescence : un modèle de glaucome dépendant de HTO chez les rats (modèle de Morrison) et le modèle 3xTg de la MA chez lequel les souris expriment des mutations dans la protéine tau et la voie Aβ (PS1M146V, APPSWE, TauP301L). Chez ces animaux nous avons prélevé la rétine, le nerf optique et le cerveau, sur lesquels nous avons étudié l’expression, la distribution, et la neurotoxicité de tau par western blot, immunohistochimie et PCR quantitative. Nos résultats révèlent que comparativement aux contrôles sains, les rétines malades (glaucome et MA) présentent une accumulation de tau anormalement phosphorylée, tandis que son expression génique reste inchangée. Cette hausse de tau est la conséquence de sa relocalisation vers le compartiment somatodendritique et le segment axonal intrarétinien des CGR, ceci au détriment des axones myélinisés inclus dans le nerf optique. Nos données montrent que les CGR 3xTg présentent une baisse drastique du transport axonal antérograde, indiquant que l’altération de la distribution de tau pourrait être à la base de cette perte de fonction axonale. Finalement, nous démontrons que l’accumulation de tau dans la rétine malade provoque éventuellement la mort des CGR. Au total, cette thèse démontre que les rétines atteintes du glaucome et de la MA présentent les manifestations cardinales des tauopathies à savoir l’accumulation, l’altération de la phosphorylation, et une distribution anormale de tau le tout culminant en la perte de fonction et la dégénérescence des CGR. / Proteostasis refers to a set of strategies developed by the cell to ensure the maintenance of its proteome. These strategies include the control of protein folding, the amount, and the distribution of the proteins. Neurons are endowed with a high metabolic rate and, as such, are highly vulnerable to alterations in proteostasis, a situation referred to as proteinopathy. Tauopathies and β-amyloidopathies are two such instances wherein tau and amyloid-β, respectively, undergo dysfunction. Tau protein is a microtubule stabilising protein which function is regulated by its phosphorylation state, while Aβ a product of the cleavage of APP (Amyloid Precursor Protein) which is thought to be involved in the regulation of synaptic plasticity. Therefore, functional or proteostatic alterations of these proteins result in harmful consequences for neurons. Glaucoma, the main cause of irreversible blindness, is a degenerative optic neuropathy characterised by the selective loss of retinal ganglion cells (RGC) and their axons in the optic nerve. Although ocular hypertension (OHT) is the main risk factor for the development of glaucoma, the cause of the disease is still unknown. There is currently no cure for glaucoma and the only available treatment is to reduce OHT pharmacologically or surgically. Alzheimer’s disease, the main cause of dementia, is characterized by the presence of neurofibrillary tangles made of tau protein in neurons and senile plaques made of Aβ in the cerebral parenchyma. Intriguingly, several studies have shown that glaucoma and AD share several common features. For instance, aggregates of tau and Aβ have been described in the retina of glaucoma subjects. Likewise, AD patients show visual defects associated with RGC degeneration. Mindful of the importance of tau for neuronal physiology, and of its role as mediator of Aβ toxicity, we put forward the hypothesis that tau protein alterations leads to RGC dysfunction and death. vii The results presented in this thesis were based on two experimental models of neurodegeneration: a model of OHT-dependent glaucoma in rats leading to RGC death (Morrison model), and the 3xTg model of AD wherein mice overexpress mutant forms of tau and Aβ (PS1M146V, APPSWE, TauP301L). Using these animals, we collected retina, optic nerve, and brains which we used to study tau expression, distribution and neurotoxicity by western blot, immunohistochemistry and real-time PCR. Our results show that, when compared to healthy controls, the diseased retina (glaucoma or AD) display accumulation of abnormally phosphorylated tau while its gene expression remains unchanged. The increase of retinal tau protein might result from the redistribution of the protein in the somatodendritic compartment and intraretinal axonal segment of RGCs at the expense of the extraocular axonal segment enclosed within the optic nerve. Our data also demonstrate that RGCs from 3xTg mice show a drastic reduction of anterograde axonal transport suggesting that missorted tau might underlie these functional deficits. Lastly, we demonstrate that tau accumulation in the diseased retina eventually promotes RGC death. Altogether, this thesis demonstrates that the glaucomatous and AD retinas present the cardinal features of tauopathies including tau accumulation, altered phosphorylation, and mislocalization which contribute to RGC dysfunction and subsequent death.

Les principales caractéristiques neuropathologiques de la maladie d’Alzheimer (MA) sont les plaques séniles extracellulaires composées de peptide amyloïde β (Aβ) et les enchevêtrements neurofibrillaires intracellulaires composés de Tau hyperphosphorylé. Les mécanismes conduisant à la formation de ces lésions sont encore peu connus et le laboratoire a récemment caractériser le gène “bridging integrator 1” (BIN1), deuxième facteur de risque génétique le plus associé au risque de MA, comme facteur de risque potentiellement associé à la pathologie Tau. Une interaction entre les deux protéines a été décrite in vitro et in vivo suggérant que BIN1 pourrait être impliqué dans le développement de la pathologie associée à Tau dans le cadre de la MA. Cependant, ce rôle de l'interaction BIN1-Tau dans le processus pathophysiologique de la MA n'est pas connu et il reste ainsi à déterminer si cette interaction constitue une cible thérapeutique potentielle. Ce projet a visé alors à mieux comprendre les acteurs de cette interaction en identifiant les modulateurs et les voies moléculaires impliquées dans le contrôle de l'interaction BIN1-Tau, puis de déterminer comment cette interaction est modulée dans le contexte de la MA. Nous avons utilisé pour cela des approches complémentaires de biochimie, de résonance magnétique nucléaire et de microscopie confocale. Comme modèle cellulaire, des cultures primaires de neurones de rat ont été utilisées, et la méthode “proximity ligation assay” (PLA) a été développée comme approche principale pour observer l'interaction BIN1-Tau dans ces cellules. Nous avons déterminé que l'interaction se produit entre les domaines SH3 de BIN1 et le PRD de Tau et nous avons démontré que l’interaction est modulée par la phosphorylation de Tau et BIN1: la phosphorylation de la Thréonine 231 de Tau diminue son interaction avec BIN1, tandis que la phosphorylation de BIN1 à la Thréonine 348 (T348) augmente son interaction avec Tau. Nous avons mis au point une approche de criblage d’haut contenu semi-automatisée et basé sur une bibliothèque de composés commerciaux. Ce criblage s’est basé sur des cultures primaires de neurones comme modèle cellulaire et le PLA pour détecter l'interaction BIN1-Tau. Nous avons identifié plusieurs composés capables de moduler l'interaction BIN1-Tau, notamment U0126, un inhibiteur de MEK-1/2, qui diminue cette interaction, et la cyclosporine A, un inhibiteur de la calcineurine, qui au contraire augmente celle-ci en augmentant la phosphorylation de T348 de BIN1. Par ailleurs les “Cyclin-dependent kinases” (CDK) ont été montré comme contrôlant aussi ce site de phosphorylation. Nous avons donc mis en évidence le couple Calcineurine/CDK comme contrôlant la phosphorylation T348 de Bin1 et donc l’interaction BIN1-Tau. Nous avons également développé un modèle murin de tauopathie dans lequel nous avons surexprimé BIN1 humain. Nous avons observé que la surexpression de BIN1 résorbait les déficits de mémoire à long terme et réduisait la présence d'inclusions intracellulaires de Tau phosphorylée, provoquées par la surexpression de Tau, ce qui était associé à une augmentation de l'interaction BIN1-Tau. En utilisant des échantillons de cerveau humain post-mortem, nous avons observé que les niveaux de l’isoforme BIN1 neuronal étaient diminués dans les cerveaux d’AD, alors que les niveaux relatifs de BIN1 phosphorylé à T348 étaient augmentés, suggérant un mécanisme compensatoire. Cette étude a démontré la complexité et la dynamique de l’interaction BIN1-Tau dans les neurones, a révélé des modulateurs et des voies moléculaires potentiellement impliquées dans cette interaction, et a montré que les variations de l’expression ou de l’activité de BIN1 ont des effets directs sur l’apprentissage et la mémoire, possiblement liés à la régulation de son interaction avec Tau. / The main neuropathological hallmarks of Alzheimer’s disease (AD) are the extracellular senile plaques composed of amyloid-β peptide (Aβ) and the intracellular neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated Tau. The mechanisms leading to the formation of these lesions is not well understood and our lab has recently characterized the bridging integrator 1 (BIN1) gene, the second most associated genetic risk factor of AD and the first genetic risk factor to have a potential link to Tau pathology. The interaction between BIN1 and Tau proteins has been described in vitro and in vivo, which suggests that BIN1 might help us to understand Tau pathology in the context of AD. However, the role of BIN1-Tau interaction in the pathophysiological process of AD is not known, and whether this interaction is a potential therapeutic target remains to be determined. The aim of this project is to better understand the actors of BIN1-Tau interaction through the identification of the modulators and the molecular pathways involved therein, as well as to understand how BIN1-Tau interaction is modulated in the context of AD. We employed biochemistry, nuclear magnetic resonance, and confocal microscopy. We used rat primary neuronal cultures (PNC) as the cellular model and developed the proximity ligation assay (PLA) as the main readout of the BIN1-Tau interaction in cultured neurons. We determined that the interaction occurs between BIN1’s SH3 domain and Tau’s PRD domain, and demonstrated that it is modulated by Tau and BIN1 phosphorylation: phosphorylation of Tau at Threonine 231 decreases its interaction with BIN1, while phosphorylation of BIN1 at Threonine 348 (T348) increases its interaction with Tau. We developed a novel, semi-automated high content screening (HCS) assay based on a commercial compound library, also using PNC as the cellular model and PLA as the readout of BIN1-Tau interaction. We identified several compounds that are able to modulate the BIN1-Tau interaction, most notably U0126, an inhibitor of MEK-1/2, which reduced the interaction, and Cyclosporin A, an inhibitor of Calcineurin, which increased the interaction through increasing the BIN1 phosphorylation at T348. Furthermore, Cyclin-dependent kinases (CDK) were also shown as regulator of this phosphorylation site. These results suggest that the couple Calcineurin/CDK regulates BIN1 phosphorylation at T348 and consequently the BIN1-Tau interaction. We also developed a mouse model of tauopathy in which we overexpressed human BIN1. We observed that the overexpression of BIN1 rescued the long-term memory deficits and reduced the presence of intracellular inclusions of phosphorylated Tau, caused by Tau overexpression, and this was associated with an increase of BIN1-Tau interaction. Also, using post-mortem human brain samples, we observed that the levels of the neuronal BIN1 isoform were decreased in AD brains, whereas the relative levels of BIN1 phosphorylated at T348 were increased, suggesting a compensatory mechanism. Altogether, this study demonstrated the complexity and the dynamics of BIN1-Tau interaction in neurons, revealed modulators of and molecular pathways potentially involved in this interaction, and showed that variations in BIN1 expression or activity have direct effects on learning and memory, possibly linked to the regulation of its interaction with Tau.

La maladie d’Alzheimer (MA) est caractérisée par une perte progressive des capacités mnésiques et des fonctions cognitives accompagnée du développement de dégénérescences neurofibrillaires (DNFs) et de plaque séniles dans le parenchyme cérébral. La découverte de perturbations épigénétiques dans des cerveaux de patients Alzheimer ont mené la communauté scientifique à se tourner vers de nouvelles voies thérapeutiques. De telles altérations, notamment au niveau de l’acétylation des histones de la chromatine, pourraient rendre compte de dysfonctionnements dans l’expression des programmes génétiques. En utilisant les souris THY-Tau22 (développement progressif de DNFs), nous avons évalué l’efficacité de deux stratégies visant à augmenter l’acétylation des histones : activer les HATs et inhiber les HDACs. Ces deux stratégies permettent une récupération des performances en mémoire spatiale chez les souris THY-Tau22, ouvrant ainsi de nouveaux axes thérapeutiques et de recherches dans la MA. / Alzheimer’s disease (AD) is characterized by a progressive loss of memory and cognitive functions associated with the development of neurofibrillary tangles (NFTs) and amyloid plaques in the brain. Nowadays, there is no satisfactory cure for AD. The discovery of epigenetic alterations in AD brain led the scientist community to think about new therapeutic options. Such modifications, and notably those on histone acetylation of the chromatin, could be associated with the genetic dysfunctions observed in AD. The reestablishment of proper epigenetic regulations, and thus gene expression, appears as an original therapeutic option. Using THY-Tau22 mice, we assessed the effect of two strategies aimed at increasing histone acetylation with a HAT activator (CSP-TTK21) or an HDAC inhibitor (phenylbutyrate). We show that both therapeutic strategies allow the rescue of spatial memory performances in the THY-Tau22 mouse model. These results open new leads for AD therapeutics and research.

<p>Tauopathies are neurodegenerative diseases defined by the accumulation of pathological tau protein in neurons and glia. Alzheimer’s disease (AD), the most common tauopathy, is characterized by the presence of neurofibrillary tangles (NFTs) composed of hyperphosphorylated tau protein aggregates in neurons. Emerging evidence suggests that the NFT burden correlates with neuron death and cognitive decline, contributing to disease progression. Besides AD, a similar deposition of tau inclusions is found to be associated with neurodegeneration in the brains of patients with other tauopathies including progressive supranuclear palsy, corticobasal degeneration, and Pick’s disease. These diseases display clinical, biochemical, and neuropathological heterogeneity. Little is known about how tau aggregation can lead to varied phenotypes in tauopathies, and there is no disease-modifying treatment. Thus, it is necessary to understand the role of diverse tau proteoforms in tauopathies for the development of new therapeutics to treat tauopathies, including AD.</p> <p>In the studies summarized in Chapter 2, we investigated how the molecular diversity of tau proteoforms could impact antibody-based assays of a phospho-tau variant serving as an AD biomarker. A tau variant phosphorylated on threonine 181 (pT181-tau) has been widely investigated as a potential AD biomarker in cerebrospinal fluid (CSF) and blood. pT181-tau is present in NFTs of AD brains, and CSF levels of pT181-tau correlate with overall NFT burden. Various immuno-based analytical methods, including Western blotting and ELISA, have been used to quantify pT181-tau in human biofluids. The reliability of these methods depends on the affinity and binding specificity of the antibodies used to measure pT181-tau levels. Although both of these properties could in principle be affected by phosphorylation within or near the antibody’s cognate antigen, such effects have not been extensively studied. Here, we developed a bio-layer interferometry (BLI)-based analytical assay to assess the degree to which the affinity of pT181-tau antibodies is altered by the phosphorylation of serine or threonine residues near the target epitope. Our results revealed that phosphorylation near T181 negatively affected the binding of pT181-tau antibodies to their cognate antigen to varying degrees. In particular, two of three antibodies tested showed a complete loss of affinity for the pT181 target when S184 or S185 was phosphorylated.</p> <p>In the studies outlined in Chapter 3, we examined the relative abilities of different tau proteoforms to induce seeded tau aggregation and to themselves undergo seeded aggregation in cultured cells. Accumulating evidence suggests that tau aggregates, including NFTs, spread in a stereotypical pattern across neuroanatomically connected brain regions. This spreading phenomenon is thought to occur via a prion-like mechanism involving the release of tau aggregates from a diseased neuron into the extracellular space, aggregate uptake by neighboring healthy neurons, and the formation of new aggregates in the cytosol of the recipient cells via a seeding process. Although research over the past decade has revealed key molecular events involved in the cell-to-cell transmission of tau aggregates, the impact of the protein’s domain structure and phosphorylation profile on the efficiency of prion-like propagation remains poorly defined. Here, we compared three tau variants – K18, 0N4R, and 2N4R – in terms of their aggregation and seeding efficiencies in recombinant protein solutions and in cell culture models. Our results revealed that K18 had the highest fibrillization rate and yield among the three tau variants. Recombinant preformed fibrils (PFFs) derived from all three variants had similar seeding efficiencies. Additionally, we investigated the relationship between tau phosphorylation and aggregation. We found that hyperphosphorylated tau did not undergo self-assembly in the absence of heparin, whereas it formed fibrils at low yield in the presence of the cofactor. Moreover, hyperphosphorylated tau PFFs produced under these conditions induced seeded tau aggregation in cell culture.</p> <p>Taken together, these results point to critical roles of tau proteoforms as both AD biomarkers and drivers of disease progression. Our results indicate that the presence of different combinations of phosphorylated residues near a target phospho-tau antigen can affect the accuracy of antibody-based biomarker assays. In addition, the domain structure and phosphorylation profiles of tau proteoforms associated with AD and other tauopathies likely have a profound influence on the evolution of tau pathology in these disorders. Our findings highlight the importance of accounting for the molecular diversity of tau proteoforms in tauopathies and provide valuable insights into molecular determinants influencing tau aggregation and propagation in the brains of patients.</p>

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