Implication de la protéine prion cellulaire dans la neurotoxicité de protéines amyloïdes et de nanoparticules

Cellular prion protein involvement in amyloid protein and nanoparticle neurotoxicities

• Auteur / Autrice : Luiz W. Ribeiro
• Direction : Benoît Schneider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 02/02/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Toxicité environnementale, cibles thérapeutiques, signalisation cellulaire (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Armelle Baeza-Squiban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Bencsik, Jean-Michel Peyrin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel Brouillet, Pierre Sibille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Noir de carbone

Oxyde de titane

Nanoparticules

Protéine amyloïde bêta

Maladies neurodégénératives

Protéine PrPc

Mots clés libres

Protéine prion cellulaire

Signalisation

Maladies neurodégénératives

Protéines amyloïdes

Métabolisme

Inflammation

Nanoparticules

Dioxyde de titane

Noir de carbone

Cellular prion protein

Signaling

Neurodegenerative diseases

Amyloid proteins

Metabolism

Inflammation

Nanoparticles

Titanium dioxide

Carbon black

Résumé

La protéine prion cellulaire (PrPC) est une protéine membranaire ubiquitaire, majoritairement exprimée dans les neurones. La conversion transconformationnelle de la PrPC en prion pathogène PrPSc est à l'origine des maladies à prions (MP). Il est établi que la neurodégénérescence induite par la PrPSc dépend de l'expression de la PrPC dans les neurones et résulte d'une déviation de la/des fonction(s) de la PrPC par la PrPSc. Identifier les fonctions de la PrPC est donc essentiel pour appréhender les mécanismes par lesquels la PrPSc provoque la neurodégénérescence. Mes travaux de thèse identifient une fonction cellulaire régulée par la PrPC : le métabolisme énergétique. L'expression de la PrPC favorise l'orientation métabolique des cellules vers la dégradation oxydative du glucose. Dans un contexte infection à prions, la perte du rôle de la PrPC sur le métabolisme du glucose conduit à la reprogrammation métabolique des neurones infectés vers la β-oxydation des acides gras, ce qui génère des conditions de stress oxydant délétères pour les neurones. Ce switch métabolique dépend de la suractivation de la pyruvate déshydrogénase kinase 4 (PDK4) et de la diminution d'activité du complexe pyruvate déshydrogénase mitochondriale. Inhiber PDK4 par un médicament, le dichloroacétate, chez les souris infectées par les prions rétablit la dégradation du glucose et retarde la mort des souris. Nos travaux identifient PDK4 comme une cible thérapeutique potentielle pour lutter contre les maladies à prions. Au-delà de la PrPSc, la PrPC émerge comme un récepteur de la membrane plasmique capable de fixer des oligomères de différentes protéines amyloïdes, relayer leur neurotoxicité et/ou favoriser leur propagation. Dans ce contexte, mes travaux de thèse montrent que la PrPC reconnait un mutant de la superoxyde dismutase-1 (SOD1G93A), une protéine amyloïde impliquée dans la sclérose amyotrophique latérale (SLA), élargissant le répertoire des protéines amyloïdes reconnues par la PrPC. L'interaction PrPC/SOD1G93A suractive la 3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1 (PDK1), qui promeut à son tour l'internalisation de l'α-sécrétase TACE. TACE est alors découplée d'un de ses substrats, les récepteurs au TNFα (TNFR), qui s'accumulent à la membrane plasmique et rendent les neurones hypersensibles au stress inflammatoire TNFα. Neutraliser la PrPC ou inhiber PDK1 dans les souris modèles pour la SLA (Tg-SOD1G93A) protègent les neurones de la neurodégénérescence, préservent les performances motrices et allongent la durée de vie des animaux SLA. Étant donné que la déviation de l'axe PrPC/PDK1/TACE contribue aussi à la neurodégénérescence dans les maladies à prions et d'Alzheimer (AD), nos travaux supportent l'existence de mécanismes de neurodégénérescence communs à plusieurs maladies neurodégénératives amyloïdes. Les nanoparticules (NP) sont des matériaux de taille nanométrique qui forment en milieu biologique de petits agrégats proches, en taille et structure, à ceux des protéines amyloïdes. Mes travaux montrent que, à l'instar de la PrPSc, d'Aβ et de la SOD1G93A, des NP de dioxyde de titane ou de noir de carbone sont reconnues par la PrPC à la surface des neurones et dévient sa fonction de signalisation. Cela conduit à la production de ROS via la NADPH oxydase, et l'internalisation de TACE dépendante de PDK1. L'internalisation de TACE (i) provoque, in vitro et in vivo, l'accumulation de TNFR à la membrane plasmique, rendant les neurones très sensibles au stress inflammatoire TNFα et (ii) augmente la production des peptides Aβ en raison d'une perte de l'activité TACE α-sécrétase vis-à-vis de la protéine précurseur des amyloïdes (APP). L'AD étant une maladie neurodégénérative dont l'étiologie demeure inconnue, mes travaux suggèrent que les NP, en tant que polluant environnementaux, contribuent à l'émergence et/ou la progression de cette maladie via la dérégulation de la fonction de signalisation de la PrPC.

Cellular prion protein (PrPC) is an ubiquitous plasma membrane-anchored protein, mostly expressed in neurons. The transconformational conversion of PrPC into pathogenic prions PrPSc is at the root of prion diseases (PrD). It is established that PrPSc-induced neurodegeneration depends on neuronal PrPC expression and corruption of PrPC function(s). Identifying PrPC roles in neurons is a prerequisite to understand the mechanisms by which PrPSc induces neurodegeneration in PrD. My work identifies a cellular function regulated by PrPC: the energy metabolism. PrPC expression promotes metabolic orientation of cells towards oxidative glucose degradation. Within a prion infectious context, there is a loss of PrPC role on glucose metabolism that leads to a metabolic reprogramming towards fatty acid β-oxidation and the subsequent onset of oxidative stress conditions that contribute to neurodegeneration. Such a metabolic switch depends on the overactivation of pyruvate dehydrogenase kinase 4 (PDK4) and a decreased activity of the mitochondrial pyruvate dehydrogenase complex. Inhibiting PDK4 with dichloroacetate drug in prion-infected mice restores glucose degradation, thereby delaying death of mice. Our work identifies PDK4 as a potential therapeutic target to fight against prion diseases. Beyond PrPSc, PrPC emerges as a plasma membrane receptor capable of binding oligomers of distinct amyloid proteins and relaying their neurotoxicity and/or contributing to their spreading. In this context, my work shows that PrPC recognizes a mutant form of superoxide dismutase-1 (SOD1G93A), an amyloid protein involved in amyotrophic lateral sclerosis (ALS), thus expanding the repertoire of amyloid proteins recognized by PrPC. PrPC/SOD1G93A interaction overactivates 3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1 (PDK1), which in turn promotes the internalization of the α-secretase TACE. TACE is then uncoupled from one of its substrates, the TNFα receptors (TNFR), which accumulate at the plasma membrane and render neurons hypersensitive to TNFα inflammatory stress. Neutralizing PrPC or inhibiting PDK1 in transgenic Tg-SODG93A mice with an ALS-like pathology protects neurons from neurodegeneration, preserves motor performance, and extends the life span of ALS animals. As the deviation of PrPC/PDK1/TACE axis also contributes to neurodegeneration in prion and Alzheimer's diseases, our work supports the existence of neurodegeneration mechanisms common to several amyloid neurodegenerative diseases. Nanoparticles (NPs) are nanosized materials that can form small aggregates in biological media close in size and structure to those of amyloid proteins. My work shows for the first time that, like PrPSc, Aβ and SOD1G93A, titanium dioxide or carbon black NPs are recognized by PrPC at the surface of neurons and deviate PrPC signaling function, leading to (i) excessive ROS production via NADPH oxidase, and (ii) PDK1-dependent internalization of TACE. The internalization of TACE (i) provokes, in vitro and in vivo, the accumulation of TNFR at the plasma membrane, rendering neurons highly sensitive to TNFα inflammatory stress, and (ii) increases the production of Aβ peptides due to a loss of TACE α-secretase activity towards the amyloid precursor protein (APP). Alzheimer's disease being a neurodegenerative disease whose etiology remains unknown, my work suggests that NPs, as environmental pollutants, contribute to the emergence and/or progression of this disease through a deregulation of PrPC signaling function.