Neurotoxicité précoce et mécanismes de neuroprotection dans des modèles poisson‐zèbre de tauopathies

Early Neurotoxicity and Neuroprotection Mechanisms in Zebrafish Models of tauopathies

• Auteur / Autrice : Clément Barbereau
• Direction : Mireille Rossel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'École pratique des hautes études (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École pratique des hautes études (Paris ; 1868-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mécanismes moléculaires dans les démences neurodégénératives (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Belamie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mireille Rossel, Emmanuel Belamie, Nadia Soussi-Yanicostas, Vincent Peyrot, Marie-Laure Parmentier, Adèle Faucherre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadia Soussi-Yanicostas, Vincent Peyrot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Facteur neurotrophique dérivé du cerveau

Danio rerio

Mots clés libres

Neurotoxicité

Tests sensori-Moteurs

Tauopathies

Poisson-Zèbre

Bdnf

Neurotoxicity

Sensory-Motor tests

Tauopathies

Zebrafish

Bdnf

Résumé

Les tauopathies sont des maladies neurodégénératives impliquant des formes pathologiques de la protéine Tau. La protéine Tau est exprimée dans le système nerveux et intervient dans la stabilisation du réseau de microtubules. Suite à des modifications post-traductionnelles, la protéine Tau peut perdre sa fonction de stabilisation et acquérir des propriétés neurotoxiques et former des agrégats. Cela conduit à l’accumulation d’enchevêtrements neurofibrillaires dans les neurones, des marqueurs histopathologiques associés aux tauopathies et à la maladie d’Alzheimer (MA). La présence de mutations sur la protéine Tau peut favoriser son agrégation et conduire à des physiopathologies différentes du point de vue évolutif et clinique. Une diminution du BDNF a été observée chez les patients atteints par la MA, mais peu d’études se sont intéressées aux liens entre le facteur neurotrophique BDNF et la protéine Tau. La caractérisation de l’implication du BDNF dans des modèles poisson-zèbre de tauopathies a été réalisé au sein de l’équipe. Des premiers résultats montrent que les larves de poisson-zèbre exprimant la protéine mutée TauP301L présentent une diminution du BDNF. Dans ces travaux de thèse, nous avons étudié les effets de la surexpression neuronale de différentes protéines Tau, sauvage ou mutées (TauWT, TauA152T et TauP301L) chez les larves de poisson-zèbres. La phosphorylation de la protéine Tau, la neurotoxicité ainsi que les défauts sensori-moteurs provoqués par cette surexpression ont été caractérisés. Nous avons ensuite recherché des facteurs neuroprotecteurs au niveau cellulaire et fonctionnel par une approche pharmacologique ciblant les voies de signalisation pouvant être impliquées dans les déficits observés. La surexpression d’une protéine Tau humaine chez les larves de poisson-zèbres induit son hyperphosphorylation, une augmentation de la neurotoxicité et provoque des déficits sensori-moteurs. La surexpression de la protéine sauvage (TauWT) ou mutée (TauA152T, TauP301L) conduit à des réponses locomotrices différentes. TauWT induit une diminution de l’activité locomotrice, TauA152T la diminue drastiquement, alors que TauP301L conduit à une hyperactivité locomotrice des larves. Afin de réparer les phénotypes observés, nous avons testé dans un premier temps le chlorure de lithium (LiCl), un inhibiteur de la GSK3β décrit pour améliorer les déficits induits par TauP301L. Le LiCl permet de rétablir l’activité locomotrice des larves TauP301L. Parallèlement, un apport exogène de BDNF permet de diminuer la neurotoxicité et également de réparer les défauts locomoteurs. Les traitements BDNF et LiCl ne montrent aucun effet bénéfique sur les altérations locomotrices des larves TauWT et TauA152T. Sachant que la voie du stress du réticulum endoplasmique (UPR) est également dérégulée dans les tauopathies, nous avons réalisé une étude préliminaire chez les larves. Nos résultats indiquent des altérations de certains effecteurs de cette voie, avec une augmentation de la protéine PERK pour les larves TauWT et TauA152T. Cependant, aucun effet bénéfique n’est obtenu avec un inhibiteur de PERK sur les larves TauWT ou TauA152T. En conclusion, nous avons montré que la surexpression de TauA152T ou TauP301L conduit à une hyperphosphorylation et une neurotoxicité similaire entre ces deux lignées de poissons-zèbres. Seuls les tests sensori-moteurs sont en mesure de discriminer les effets induits par ces deux mutations. De plus, nous avons montré que seules les larves TauP301L présentent une diminution du facteur neurotrophique BDNF. Prévenir ces dérégulations par une approche pharmacologique a permis de restaurer le phénotype locomoteur et/ou partiellement la neurotoxicité chez les larves TauP301L. Les deux mutations étudiées possèdent des propriétés d’agrégation et de propagation différentes et nos données apportent un aspect fonctionnel complémentaire dans la perspective de tests de nouveaux composés neuroprotecteurs.

Tauopathies are a group of neurodegenerative diseases, associated with pathological Tau proteins. The Tau protein is expressed in the nervous system cells and is involved in microtubule network stabilization, via specific binding domains. Abnormal post-translational processes can lead to the loss of Tau stabilizing function. Therefore, acquisition of aggregative and neurotoxic properties results into the accumulation of neurofibrillary tangles in neurons, which are histopathological markers of tauopathies and Alzheimer’s disease. Oligomer formation and aggregation is also associated with Tau mutations specific of different pathologies with distinct etiology. One of the projects led by the team is to characterize the involvement of the neurotrophic factor BDNF in zebrafish models of tauopathies. A decrease in BDNF induced by the peptide Aβ has been observed in patients with Alzheimer’s disease, but few studies have focused on the possible links between BDNF and pathological Tau proteins. Initial results evidenced a decrease in BDNF in zebrafish larvae expressing the pathological protein TauP301L. The main objective of my thesis was the analysis of the neuronal and sensory-motor phenotypes of zebrafish larvae with overexpression of wild type or mutated Tau proteins (TauWT, TauA152T and TauP301L). Tau phosphorylation, neurotoxicity and sensory-motor defects induced by this overexpression were characterized. We next evaluated the neuroprotective role of an exogenous treatment of BDNF on neurotoxicity at the cellular and functional levels. In addition, other signaling pathways that may be involved in the observed deficits were investigated. Our results showed that overexpression of human Tau protein in zebrafish larvae induces Tau hyperphosphorylation, neuronal death and/or axonal retraction, associated with sensory and locomotor deficits. Overexpression of TauWT, or mutated proteins (TauA152T, TauP301L) lead to different locomotor responses: TauWT induced a decrease in locomotor activity, decrease even more pronounced for TauA152T, while TauP301L leads to locomotor hyperactivity of the larvae. In order to rescue the observed phenotypes, we tested neuroprotective factors including lithium chloride (LiCl), known as a GSK3β inhibitor described to improve the deficits induced by TauP301L. LiCl resulted in the recovery of a locomotor phenotype for the TauP301L lineage, similar to the controls. At the same time, an exogenous supply of BDNF, or a TrkB receptor agonist, partially alleviated neurotoxicity and fully restored locomotor defects. The BDNF and LiCl treatments had no beneficial effect on locomotor alterations in larvae expressing the TauWT and TauA152T proteins. In order to test other signaling pathways involved in tauopathies, we next investigated the endoplasmic reticulum stress pathway, or UPR. Our preliminary data indicate several alterations of UPR effectors in larvae, such as an increase in the PERK protein level for larvae expressing TauWT and TauA152T. However, no beneficial effect was observed with a PERK inhibitor on TauWT or TauA152T larvae. In conclusion, our results demonstrate that overexpression of TauA152T or TauP301L proteins leads to Tau protein hyperphosphorylation, and a similar neurotoxicity. Sensory-motor tests were able to discriminate the effects induced by these two mutations. Furthermore, only TauP301L larvae displayed a decrease in the expression of the neurotrophic factor BDNF, that could be rescued by a pharmacological approach with the recovery of the locomotor phenotype. The two mutations studied have different aggregation and propagation properties and our data provide a complementary functional aspect in the perspective of testing new neuroprotective compounds.