Altérations des cellules musculaires lisses vasculaires dans la maladie d'Alzheimer et les remodelages vasculaires pathologiques

Vascular Smooth Muscle Cells alterations in Alzheimer's disease and pathological vascular remodeling

• Auteur / Autrice : Samar Fathallah
• Direction : Régis Blaise
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 16/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physiologie, Physiopathologie et Thérapeutique (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Adaptation biologique et vieillissement (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Houard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Claude Potier, Guillaume Pidoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Sergeant, Muriel Laffargue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réticulum endoplasmique

Reprogrammation cellulaire

Protéine amyloïde bêta

AMP cyclique

Maladies cérébrovasculaires

Alzheimer, Maladie d'

Mots clés libres

CMLV

Altération vasculaire

AMPc

Vasotonicité

Calcium

Peptide Amyloide

VSMC

Vascular alteration

CAMP

Calcium

Vasocontractility

Amyloid Peptide

Résumé

Les altérations des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV), qu’elles soient phénotypiques (transdifférenciation) ou fonctionnelles, sont impliquées dans les remodelages vasculaires pathologiques (athérosclérose et resténose post-angioplastie), mais également dans les altérations vasculaires dans la maladie d’Alzheimer (MA) et les angiopathies amyloïdes cérébrales (AAC). Dans une première partie de ma thèse, j’ai étudié les mécanismes moléculaires impliqués dans la transdifférenciation des CMLV. Des travaux précédents de l’équipe ont démontré dans les CMLV transdifférenciées, l’expression de novo d’un nouveau variant d’AC8: l’AC8E. L’AC8E favorise la transdifférenciation des CMLV en réduisant la production d’AMPc qui par ses propriétés anti-inflammatoires, anti-migratoires et anti-prolifératives, permet le maintien de l’état différencié des CMLV. L’AC8E, se comporte comme un dominant négatif en s’hétérodimérisant avec les AC fonctionnelles et en les séquestrant dans le réticulum endoplasmique (RE), empêchant leur adressage à la membrane. Au cours de ma thèse, j’ai terminé la caractérisation de l’AC8E d’un point de vue biochimique et fonctionnel (par imagerie de biosenseurs) et d’un point de vue structurel (en collaboration avec l’Université de Reims Champagne-Ardennes), qui nous a permis de proposer pour la première fois, un modèle structural 3D complet d’une AC. Cette étude a démontré que l’effet dominant négatif de l’AC8E implique deux mécanismes : i) un repositionnement du domaine N-terminal de l’AC8E altérant la conformation du site catalytique et ii) la séquestration des dimères AC8E/ACs dans le reticulum endoplasmique, empêchant un adressage correct à la membrane. Nous avons alors identifié les séquences peptidiques d’interaction des dimères d’AC8/AC par une approche de PEPscan, sur la base desquelles dix peptides interférents ont été conçus, optimisés et testés en vue de rompre l’hétérodimérisation de l’AC8E avec ses partenaires. Dans une seconde partie de ma thèse, je me suis intéressée aux mécanismes moléculaires à l’origine des altérations de la tonicité vasculaire associée aux dépôts amyloïdes. Dans le contexte de la MA et des AAC, les dépôts vasculaires de peptides amyloïdes Aβ (principalement le peptide Aβ1-40) conduisent à une altération de l'intégrité des vaisseaux cérébraux, entraînant une modification du tonus vasculaire menant à des hypoperfusions ou à des accidents vasculaires de type micro-hémorragies, impliqués dans l'altération des fonctions cognitives. Le tonus vasculaire est régulé par les CMLV et est dépendant de l’équilibre entre deux seconds messagers : l’AMPc et le calcium, respectivement vasodilatateur et vasoconstricteur. Nous avons étudié l’effet du peptide Aβ1-40 sur ces deux voies de signalisations par imagerie dynamique dans des cultures primaires de CMLV aortiques et cérébrovasculaires, mais également ex vivo en mesurant par wire-myographie l’effet du peptide Aβ1-40 sur la réactivité d’artères basilaires de rats, en réponse à des agents vasomodulateurs. Cette étude démontre que les CMLV exposées au peptide Aβ1-40 acquièrent un phénotype hypercontractile puisque la réponse calcique est augmentée, et que la production d’AMPc est diminuée, vraisemblablement en partie par un mécanisme dépendant de la PDE3. Ces résultats ont été confirmés ex vivo par une augmentation de la vasoconstriction et une diminution de la vasodilatation des artères basilaires de rats exposées au peptide Aβ1-40. Cette étude a permis une avancée dans la compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans l’altération de la réactivité vasculaire induite par le peptide Aβ1-40, et font des CMLV, des cibles potentielles pour l’élaboration de nouvelles stratégies thérapeutiques visant à réduire les altérations du débit sanguin cérébral dans le contexte des AAC et de la MA, mais également à limiter l’apparition d’hypoperfusions et/ou de microhémorragies chez les patients.

The alterations in vascular smooth muscle cells (VSMCs), whether phenotypic (transdifferentiation) or functional, play a crucial role in pathological vascular remodeling processes such as atherosclerosis and post-angioplasty restenosis. Additionally, these alterations are also implicated in vascular dysfunction in Alzheimer's disease (AD) and cerebral amyloid angiopathy (CAA). In the first part of my thesis, I investigated the molecular mechanisms involved in the transdifferentiation of VSMCs. Previous research by our team demonstrated the de novo expression of a novel AC8 splicing variant named AC8E, in transdifferentiated VSMCs. AC8E promotes VSMC transdifferentiation by reducing cAMP production, known for its anti-inflammatory, anti-migratory, and anti-proliferative properties, thereby contributing to the preservation of VSMCs' differentiated state. AC8E acts as a dominant negative by forming heterodimers with other full-length ACs, impeding the traffic of functional units towards the plasma membrane. During my thesis, I completed the biochemical and functional characterization of AC8E (by FRET-based biosensor imaging), and structural analysis in collaboration with the University of Reims Champagne-Ardennes. This collaboration allowed us to propose, for the first time, a comprehensive 3D structural model of an AC. Our study revealed that the dominant negative effect of AC8E involves two mechanisms: i) a shift of the N-terminal domain of AC8E, possibly disrupting the catalytic core’s conformation, and ii) sequestration of AC8E/AC dimers in the ER, preventing correct membrane targeting. Subsequently, we identified peptide interaction sequences of AC8/AC dimers using a PEPscan approach, based on which ten interfering peptides were designed, optimized, and tested to disrupt the heterodimerization of AC8E with its partners. In the second part of my thesis, I focused on the molecular mechanisms underlying alterations in vascular tone associated with amyloid deposits. In the context of AD and CAA, vascular deposits of amyloid peptides, primarily Aβ1-40, lead to a disruption of cerebral vascular integrity, resulting in changes in vascular tone leading to hypoperfusion or microhemorrhages, both implicated in cognitive impairment. Vascular tone is regulated by VSMCs and depends on the balance between two second messengers: cAMP (vasodilator) and calcium (vasoconstrictor). We studied the effect of Aβ1-40 peptide on these signaling pathways using dynamic imaging in primary aortic and cerebrovascular VSMC cultures and ex vivo wire myography to measure the effect of Aβ1-40 on the reactivity of rat basilar arteries to vasomodulators. Our study demonstrates that VSMCs exposed to Aβ1-40 acquire an hypercontractile phenotype due to an increased calcium response and decreased cAMP production (possibly through a mechanism involving PDE3). These findings were confirmed ex vivo by increased vasoconstriction and decreased vasodilation in rat basilar arteries exposed to Aβ1-40. This study advances our understanding of the molecular mechanisms underlying alteration of vascular reactivity induced by Aβ1-40 and highlights VSMCs as potential targets for the development of new therapeutic strategies aimed at reducing cerebral blood flow alterations in the context of CAA and AD, as well as limiting the occurrence of hypoperfusion and/or microhemorrhages in patients.