Mieux comprendre le gène PTK2B, un facteur de risque de la maladie d'Alzheimer, par l'utilisation de neurones dérivés de cellules souches pluripotentes induites humaines

Probing the Alzheimer’s disease risk gene PTK2B using human-derived induced neurons

• Auteur / Autrice : Ana Raquel Melo de Farias
• Direction : Jean-Charles Lambert, Marcos Costa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....) en cotutelle avec Universidade federal do Rio Grande do Norte (Natal, Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Facteurs de risque et déterminants moléculaires des maladies liées au vieillissement (Lille) - Institut Pasteur de Lille (1894-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Antoine Girault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Crozet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Katarina Svahn Leao, Cecilia Hedin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protein-tyrosine kinases

Neurones

génétique

Maladie d'Alzheimer

Tyrosine kinases

Neurones

Génétique

Facteurs de risque

Alzheimer, Maladie d'

Mots clés libres

Facteurs de risque génétique

Maladie d'Alzheimer

Neurones humains

Ptk2b

Genetic risk factors

Alzheimer disease

Human Induced neurons

Ptk2b

Résumé

La maladie d'Alzheimer (MA) est le principal type de démence et représente un défi majeur pour la santé publique mondiale. Elle se caractérise par un déclin progressif de la cognition, de la mémoire et des fonctions comportementales et touche plus de 55 millions de personnes dans le monde. Au niveau moléculaire, la MA se définit par la présence d'enchevêtrements neurofibrillaires agrégés dans les neurones et par l'accumulation de plaques d'amyloïde-β (Aβ) dans le cerveau. Ces caractéristiques pathologiques sont associées à des altérations de l'activité neuronale, à la perte de synapses, à la gliose et à la neuroinflammation, conduisant à une neurodégénérescence irréversible. L'étiologie et la physiopathologie de la MA impliquent une interaction complexe entre des facteurs génétiques et environnementaux. Les études d'association à l'échelle du génome ont permis d'identifier plusieurs loci porteurs de polymorphismes de nucléotides simples (SNP) associés au risque de maladie d'Alzheimer. Parmi ces loci, celui qui héberge la Protéine Tyrosine Kinase 2β (PTK2B) est mis en évidence dans le présent travail. Ce gène code pour une protéine tyrosine kinase qui est impliquée dans la régulation des canaux ioniques induite par le calcium et dans l'activation de nombreuses voies de signalisation, telles que la MAP kinase. Des variations génétiques non synonymes dans le locus PTK2B ont été associées à un risque accru de maladie d'Alzheimer et on pense qu'elles régulent l'expression de PTK2B. Cependant, les rôles physiologiques et physiopathologiques de la PTK2B ne sont pas entièrement compris. Dans le cerveau humain, l'expression de la PTK2B est principalement observée dans les neurones glutamatergiques. Au cours de la progression de la maladie d'Alzheimer, son expression diminue et peut contribuer aux dysfonctionnements neuronaux observés, tels que l'augmentation de l'excitabilité électrique et les altérations synaptiques. Par conséquent, la compréhension du rôle de la PTK2B dans les neurones humains peut contribuer à révéler les mécanismes des dysfonctionnements neuronaux dans la MA. Dans cette optique, les objectifs de cette thèse sont de découvrir les processus cellulaires et les voies moléculaires régulés par la PTK2B dans les neurones humains. Pour ce faire, nous avons utilisé des cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSC) isogéniques pour générer des neurones exprimant différents niveaux de PTK2B. Ensuite, nous avons utilisé des tests fonctionnels et moléculaires pour étudier les conséquences de l'altération de l'expression de la PTK2B dans un contexte physiologique et dans un contexte similaire à celui de la MA. Nous montrons qu'une réduction de l'expression de PTK2B entraîne une augmentation de la phosphorylation de TAU à divers épitopes associés à la pathologie de la MA, ce qui suggère un rôle central de PTK2B dans la régulation de l'agrégation de TAU. En utilisant la transcriptomique à noyau unique, nous montrons également que l'expression réduite de la PTK2B entraîne des altérations transcriptionnelles spécifiques liées à l'activité électrique neuronale et à la transmission synaptique, principalement dans les neurones glutamatergiques. Les expériences d'imagerie calcique indiquent que la réduction de l'expression de PTK2B contribue à augmenter la fréquence des pointes de calcium sans affecter la synchronisation, ce qui indique une activité électrique neuronale élevée. En outre, les résultats des enregistrements électrophysiologiques effectués à partir de réseaux multi-électrodes (MEA) montrent une activité électrique accrue et des schémas d'éclatement perturbés dans les neurones mutants PTK2B. Dans l'ensemble, ces travaux mettent en lumière l'implication de PTK2B dans les processus cellulaires liés à la maladie d'Alzheimer, en donnant un aperçu des mécanismes moléculaires et des altérations fonctionnelles associés à la dysrégulation de PTK2B dans les cellules neuronales humaines dérivées des iPSCs.

Alzheimer's disease (AD) is the main type of dementia and poses a significant global public health challenge. It is characterized by a progressive decline in cognition, memory, and behavioral functions and affects more than 55 million people worldwide. At the molecular level, AD is defined by the presence of aggregated neurofibrillary tangles within neurons and the accumulation of amyloid-β (Aβ) plaques in the brain. These pathological features are associated with alterations in neuronal activity, synapse loss, gliosis, and neuroinflammation, leading to irreversible neurodegeneration. AD etiology and pathophysiology involves a complex interplay between genetic and environmental factors. Genome-Wide Association Studies have identified several loci carrying single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with AD risk. Among these loci, the one harboring the Protein Tyrosine Kinase 2β (PTK2B) is highlighted in the present work. This gene encodes a protein tyrosine kinase that is involved in calcium-induced regulation of ion channels and activation of numerous signaling pathways, such as MAP kinase. Non-synonimous genetic variations in the PTK2B locus have been associated with an increased risk of AD and are thought to regulate PTK2B expression. However, both the physiological and pathophysiological roles of PTK2B are not fully understood. In the human brain, PTK2B expression is mainly observed in glutamatergic neurons. Its expression declines during AD progression and may contribute to neuronal dysfunctions observed in the disease, such as increased electrical excitability and synaptic alterations. Therefore, understanding the role of PTK2B in human neurons may contribute to reveal the mechanisms of neuronal dysfunctions in AD. Considering that, the aims of this thesis are to uncover the cellular processes and molecular pathways regulated by PTK2B in human neurons. To that, we took advantage of isogenic human induced-pluripotent stem cells (hiPSCs) to generate neurons expressing different levels of PTK2B. Next, we employed functional and molecular assays to probe the consequences of altered PTK2B expression both in a physiological and in an AD-like context. We show that reduced PTK2B expression leads to increased TAU phosphorylation at various epitopes associated with AD pathology, suggesting a central role of PTK2B in regulating TAU aggregation. Using single-cell transcriptomics, we also show that reduced PTK2B expression leads to specific transcriptional alterations related to neuronal electrical activity and synaptic transmission mainly in glutamatergic neurons. Calcium imaging experiments indicate that PTK2B downregulation contributes to increased calcium spikes frequency without affecting synchronization, indicating an elevated neuronal electrical activity. Additionally, results from electrophysiological recordings from multi-electrode array (MEA) show increased electrical activity and disrupted bursting patterns in PTK2B mutant neurons. Overall, this work sheds light on the involvement of PTK2B in AD-related cellular processes, providing insights into the molecular mechanisms and functional alterations associated with PTK2B dysregulation in human iPSC-derived neural cells.