Rôles physiologiques et pathologiques de la protéine précurseur amyloïde à la présynapse

Physiological and pathological roles of the amyloid precursor protein at the presynapse

• Auteur / Autrice : Tomàs Jordà Siquier
• Direction : Gaël Barthet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 25/02/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Interdisciplinaire de Neurosciences (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Sans
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaël Barthet, Nathalie Sans, Jochen Herms, Antonia Gutierrez Perez, Eniko Kovari, Frédéric Checler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jochen Herms, Antonia Gutierrez Perez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hippocampe (anatomie)

Récepteurs présynaptiques

Alzheimer, Maladie d'

Mots clés libres

App

Mechanisms Présynaptiques

Maladie d'Alzheimer

Hippocampe

Synaptotagmin 7

Presinilin

App

Presynaptic mechanisms

Alzheimer's disease

Hippocampus

Synaptotagmin 7

Presinilin

Résumé

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative qui touche 47 millions de personnes dans le monde et représente le type de démence le plus répandu. L'étiologie de la maladie est inconnue mais les preuves génétiques de la forme familiale de la maladie indiquent que la protéine précurseur amyloïde (APP) joue un rôle clé dans la pathologie. L'APP est le substrat de la réaction protéolytique produisant des peptides Aβ qui composent les plaques amyloïdes, l'une des principales caractéristiques pathologiques du cerveau atteint de la MA. De plus, l'APP est exprimée de manière ubiquitaire par les neurones où elle interagit avec plusieurs protéines présynaptiques, mais le rôle de ces interactions est inconnu.Le but de ma thèse était d'étudier les fonctions physiologiques et pathologiques de l'APP liées à sa localisation présynaptique. D’abord, nous avons étudié les conséquences sur les mécanismes présynaptiques de la délétion génétique de la préséniline, la sous-unité catalytique de la γ-sécrétase, la protéase intramembranaire qui clive l'APP. Nous avons observé qu'en l'absence de préséniline, l'APP s'accumule dans les axones. En combinant l'optogénétique à l'électrophysiologie, nous avons évalué la transmission synaptique et la plasticité dans la région CA3 de l'hippocampe. La facilitation présynaptique, l'augmentation de la libération de vésicules synaptiques pendant la stimulation répétitive était réduite alors que la neurotransmission basale ne l'était pas. L'altération des mécanismes présynaptiques était due à l'accumulation d'APP Cter qui diminue l'abondance de synaptotagmine-7, une protéine essentielle à la facilitation. En utilisant une approche similaire, nous avons étudié les conséquences de la suppression génétique de l'APP elle-même et observé à nouveau une altération de la facilitation présynaptique. Dans leur ensemble, ces résultats démontrent l'importance de l'homéostasie de l’APP dans la plasticité présynaptique.J'ai ensuite étudié les altérations possibles de l'APP, en plus des peptides amyloïdes, dans le cerveau de la MA. J'ai découvert que l'APP s'accumule abondamment avec des protéines présynaptiques autour des plaques amyloïdes à noyau dense dans le cerveau humain atteint de la MA. De plus, le domaine Nter, mais pas le domaine Cter de l'APP, est enrichi dans le noyau des plaques amyloïdes révélant un rôle pathologique potentiel de l'APP Nter sécrété dans les plaques à noyau dense. L'analyse ultrastructurale des accumulations de l'APP révèle d'abondants corps multivesiculaires contenant des protéines des vésicules présynaptiques et une accumulation d'APP dans les autophagosomes. Enfin, nous avons observé qu'en dehors des accumulations APP, l’abondance des protéines présynaptiques étaient réduite, dans le neuropile de la couche moléculaire externe du gyrus denté. Dans l'ensemble, les données que j'ai collectées au cours de ma thèse soutiennent un rôle présynaptique de l'APP en physiologie et en pathologie dans la MA et mettent en évidence les accumulations d'APP comme un site pathologique où les protéines présynaptiques sont mal distribuées.

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease which affects 47 million people worldwide, being the most prominent type of dementia. The etiology of the disease is unknown but genetic evidence from the familial form of the disease indicates that the amyloid precursor protein (APP) plays a key role in the pathology. Importantly, APP is the substrate in the proteolytic reaction producing Aβ peptides which compose the amyloid plaques, one of the main pathological hallmarks in AD brain. In addition, APP is ubiquitously expressed by neurons where it interacts with multiple presynaptic proteins but the role of these interactions is elusive.The aim of my thesis was to study the physiological and pathological functions of APP related to its location at the presynapse. First, we studied the consequences on presynaptic mechanisms of the genetic deletion of presenilin, the catalytic subunit of γ-secretase, the intramembrane protease which cleaves APP. We observed that in absence of presenilin, APP accumulates in axons. By combining optogenetic to electrophysiology, we assessed synaptic transmission and plasticity in the CA3 region of the hippocampus. The presynaptic facilitation, the increase in synaptic vesicle release during repetitive stimulation, was altered whereas the basal neurotransmission was not. The impairment of presynaptic mechanisms was due to the accumulation of APP Cter, which decreases the abundancy of synaptotagmin-7, a calcium sensor essential for facilitation. Using a similar approach, we investigated the consequences of the genetic deletion of APP itself and observed again an impairment of presynaptic facilitation. Together, these results demonstrate the importance of APP homeostasis in presynaptic plasticity.I then investigated possible alterations of APP, other than the amyloid peptides, in the AD brain. I discovered that APP dramatically accumulates together with presynaptic proteins around dense-core amyloid plaques in human AD brain. In addition, the Nter domain, but not the Cter domain of APP is enriched in the core of amyloid plaques uncovering a potential pathological role of the secreted APP Nter in dense-core plaques. Ultrastructural analysis of APP accumulations reveals abundant multivesicular bodies containing presynaptic vesicle proteins and autophagosomal built-up of APP. Finally, we observed that outside the APP accumulations, presynaptic proteins were downregulated, in the neuropil area of the outer molecular layer of the dentate gyrus. Altogether, the data I collected during my thesis supports a role of presynaptic APP in physiology and in AD pathology and highlights APP accumulations as a pathological site where presynaptic proteins are mis-distributed.