Étude du rôle neuronal des isoformes du facteur de risque génétique BIN1 dans la maladie d'Alzheimer

Study of the neuronal role of BIN1 genetic risk factor isoforms in Alzheimer's disease

• Auteur / Autrice : Erwan Lambert
• Direction : Jean-Charles Lambert, Pierre Dourlen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 03/05/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• 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)
• Jury : Président / Présidente : David Blum
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magalie Lecourtois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Claude Potier, Marie-Laure Parmentier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drosophiles

Transmission nerveuse

Malformations

Endosomes

Étude d'association pangénomique

Facteurs de risque

Alzheimer, Maladie d'

Mots clés libres

Alzheimer

Facteur de risque génétique

Rôle neuronal

Bin1

Drosophile

Brain role

Genetic risk factor

Alzheimer

Bin1

Drosophila

Résumé

La maladie d'Alzheimer (MA) est la première maladie neurodégénérative et cause de démence dans le monde. La MA est caractérisée par 2 lésions pathologiques majeures : les plaques séniles, issues de l'agrégation extracellulaire de peptides A et la dégénérescence neurofibrillaire issues de l'accumulation intracellulaire d'une protéine Tau hyperphosphorylée, menant à une perte neuronale, induisant un déclin cognitif progressif. Dans ce contexte, un dysfonctionnement et une perte synaptique ainsi qu'un élargissement des endosomes précoces dans les neurones font partie des premiers marqueurs cytopathologiques de la MA. La MA est une pathologie multifactorielle avec une composante génétique estimée à hauteur de 60-80%. Grâce aux études d'association pangénomiques, il a été possible d'identifier de nombreux gènes de susceptibilité pour la MA, dont le gène Bridging Integrator 1 (BIN1), qui est le second facteur de risque génétique en termes d'association, après ApoE. Étant donné le grand nombre d'isoformes que présente BIN1, la compréhension des fonctions spécifiques de BIN1 est complexe. L'objectif de mon travail a été de mieux définir le rôle neuronal de BIN1 et de ses isoformes dans la physiopathologie de la MA. Pour cela, nous avons utilisé la drosophile, un organisme modèle bien établi, et notamment le modèle du neurone photorécepteur (PR) de l'œil de Drosophile adulte. Nous avons montré que la surexpression de l'isoforme 1 de BIN1 humaine (BIN1iso1) induit spécifiquement une dégénérescence neuronale, contrairement à la surexpression de l'isoforme 8 (BIN1iso8) et de l'isoforme 9 (BIN1iso9). La spécificité de BIN1iso1 vient de son domaine CLAP, impliqué dans l'endocytose et le trafic intracellulaire. Par ailleurs, la dégénérescence induite par BIN1iso1 était caractérisée par une accumulation de vésicules anormalement élargies, présentant des marqueurs endosomaux précoces et tardifs, suggérant qu'un blocage au niveau des endosomes précoces et/ou tardifs pouvait être la cause de la dégénérescence. Pour répondre à cette hypothèse, nous avons réalisé un criblage de facteurs impliqués dans le trafic intracellulaire. Nous avons montré que des régulateurs des endosomes précoces et de recyclage, Rab5 et Rab11, préviennent la neurodégénérescence induite par BIN1iso1, indiquant qu'un défaut au niveau des endosomes est bien responsable de la dégénérescence neuronale. Le trafic endosomal est crucial dans la fonction synaptique des neurones, qui est affectée précocement dans la MA. Nous avons donc aussi voulu décrypter le rôle de BIN1 humaine et de ses isoformes au niveau de la synapse. Nous avons ainsi identifié un défaut de la transmission synaptique dans les neurones PRs. Nous avons ensuite utilisé la jonction neuromusculaire (JNM), le modèle synaptique de référence chez la drosophile, et nous avons observé que la surexpression de BIN1iso1, contrairement à BIN1iso8 et 9, induit une altération de la morphologie des boutons synaptiques, arborant un aspect déchiqueté et se regroupant en grappes. L'analyse morphométrique des JNMs nous a permis de mettre en évidence que la surexpression de BIN1iso1 augmente significativement le nombre de boutons synaptiques et diminue leur taille moyenne, sans impacter le nombre de zones actives, probablement via les mêmes mécanismes décrits dans les neurones PRs. L'ensemble des résultats obtenus chez la Drosophile ont été étendus en modèles de culture cellulaire mammifère. En conclusion, nos données fournissent de nouvelles informations sur le rôle physiopathologique du gène de susceptibilité de la MA, BIN1, et de ses isoformes. Plus précisément, nos résultats démontrent que BIN1iso1 contribue aux dysfonctionnements endosomaux précoces et aux changements morphologiques des synapses, deux caractéristiques pathologiques précoces de la MA. Ces résultats ont des implications importantes pour la compréhension des mécanismes complexes qui sous-tendent la MA.

Alzheimer's disease (AD) is the leading neurodegenerative disease and cause of dementia in the world. AD is characterized by 2 main pathological lesions: senile plaques, resulting from the extracellular aggregation of Aβ peptides, and neurofibrillary tangles resulting from intracellular accumulation of hyperphosphorylated Tau protein, leading to neuronal loss and progressive cognitive decline. In this context, dysfunction and synaptic loss, as well as enlargement of early endosomes in neurons, are among the first cytopathological markers of AD. AD is a multifactorial pathology with a genetic component estimated at 60-80%. Through genome-wide association studies, it has been possible to identify numerous susceptibility genes for AD, including the Bridging Integrator 1 (BIN1) gene, which is the second genetic risk factor in terms of association, after ApoE. Given the large number of isoforms presented by BIN1, understanding the specific functions of BIN1 is complex. The objective of my work has been to better define the neuronal role of BIN1 and its isoforms in the pathophysiology of AD. For this, we used the Drosophila (fruit fly), a well-established model organism, and in particular the photoreceptor (PR) neuron model of the adult Drosophila eye. We showed that overexpression of human BIN1 isoform 1 (BIN1iso1) specifically induces neuronal degeneration, unlike overexpression of isoform 8 (BIN1iso8) and isoform 9 (BIN1iso9). The specificity of BIN1iso1 comes from its CLAP domain, involved in endocytosis and intracellular trafficking. Moreover, the degeneration induced by BIN1iso1 was characterized by an accumulation of abnormally enlarged vesicles, presenting early and late endosomal markers, suggesting that a blockage at the early and/or late endosomes level could be the cause of degeneration. To address this hypothesis, we screened for factors involved in intracellular trafficking. We showed that regulators of early and recycling endosomes, Rab5 and Rab11, prevent the neurodegeneration induced by BIN1iso1, indicating that an endosome defect is indeed responsible for neuronal degeneration. Endosomal trafficking is crucial in the synaptic function of neurons, which is early affected in AD. Therefore, we also wanted to decipher the role of human BIN1 and its isoforms at the synapse level. We first identified a defect in synaptic transmission in PR neurons. We then used the neuromuscular junction (NMJ), the reference synaptic model in Drosophila, and we observed that overexpression of BIN1iso1, unlike BIN1iso8 and 9, induces an alteration of the morphology of synaptic boutons, displaying a shredded appearance and clustering together. Morphometric analysis of the NMJs allowed us to highlight that overexpression of BIN1iso1 significantly increases the number of synaptic boutons and decreases their average size, without impacting the number of active zones, probably through the same mechanisms described in PR neurons. All the results obtained in Drosophila were extended in mammalian cell culture models. In conclusion, our data provide new information on the pathophysiological role of the AD susceptibility gene, BIN1, and its isoforms. Specifically, our results demonstrate that BIN1iso1 contributes to early endosomal dysfunction and morphological changes of synapses, two early pathological characteristics of AD. These results have important implications for understanding the complex mechanisms underlying AD.