Modifications post-traductionnelles et leur rôle dans l'agrégation de Tau dans la maladie d'Alzheimer

Post-Translational Modifications and Their Role in Tau Aggregation in Alzheimer's Disease

• Auteur / Autrice : Lea El Hajjar
• Direction : Caroline Smet-Nocca
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 06/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Biologie-Santé (Lille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Facteurs de risque et déterminants moléculaires des maladies liées au vieillissement (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Université de Lille (2018-2021)
• Jury : Président / Présidente : Ikram El Yazidi-Belkoura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cláudio Gomes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Olivier-Van Stichelen, Pascale Barbier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtubules

Anticorps à domaine unique

Alzheimer, Maladie d'

Protéines kinases

Phosphorylation

Protéines -- Agrégation

Protéine tau

Mots clés libres

Protéine Tau

Agrégation des protéines

Phosphorylation

Kinases

O-GlcNAcylation

Maladie d'Alzheimer

Tau protein

Protein aggregation

Phosphorylation

Kinases

O-Glcnacylation

Alzheimer's disease

Résumé

La maladie d'Alzheimer (AD) est une maladie neurodégénérative caractérisée par l'accumulation de plaques amyloïdes et d'enchevêtrements neurofibrillaires composés de la protéine Tau hyperphosphorylée. L'agrégation de Tau joue un rôle central dans la progression des tauopathies, un groupe de troubles neurodégénératifs liés à l'âge, en perturbant la stabilité des microtubules et en favorisant la propagation de la pathologie Tau par des mécanismes de seeding.La glycogène synthase kinase 3 bêta (GSK3β) est l'une des kinases clés impliquées dans l'hyperphosphorylation de Tau, et sa dérégulation est étroitement associée à la pathogénèse de l'AD. Cette étude explore la régulation complexede l'activité de GSK3β par des modifications post-traductionnelles, y compris la phosphorylation et l'O-GlcNAcylation, et leur impact sur la fonction et l'agrégation de Tau. Nous avons découvert que la phosphorylation de GSK3β par Akt sur Ser9 inhibe l'activité de GSK3β sur les substrats Tau nonprimés, tout en restaurant sélectivement son activité sur les substrats primés, soulignant un mécanisme de régulation différentiel. GSK3β est également fortement O-GlcNAcylée à plusieurs sites, y compris Ser9, ce qui n'altère pas significativement l'activité kinase mais réduit la phosphorylation de Ser9 parAkt, indiquant une interaction complexe entre ces modifications qui pourrait influencer la fonction de GSK3β.En outre, nous avons étudié les propriétés fonctionnelles et de seeding des fragments de Tau, R2Ct et R3Ct, qui englobent des régions critiques pour l'agrégation et l'épitope PHF-1 (S396, S400, S404). Le fragment R3Ct a montré une plus grande perte de fonction de stabilisation des microtubules et une propension accrue à l'agrégation toxique par seeding par rapport au fragment R2Ct, ces effets étant exacerbés par la phosphorylation de GSK3β. Pour mieux comprendre l'impact des événements de phosphorylation spécifiques sur le comportement de Tau, nous avons développé une stratégie semisynthétique pour produire une protéine Tau 2N4R complète et homogène, phosphorylée de manièresite-spécifique, incluant la Tau PHF1-3P avec trois sites de phosphorylation (pS396, pS400, pS404). Nos résultats indiquent que Tau PHF1-3P altère significativement l'assemblage des microtubules et, tout en réduisant l'agrégation induite par l'héparine, favorise la formation de longs fibrilles de type PHF via le cross-seeding.De plus, nous avons exploré l'utilisation de nanocorps comme agents thérapeutiques potentiels pour inhiber l'agrégation de Tau. Les nanocorps, qui sont des anticorps à domaine unique dérivés d'espèces camélidés, offrent des avantages uniques grâce à leur petite taille, leur grande stabilité et leur capacité à se lier à des épitopes spécifiques avec une grande affinité. En ciblant des régions clés au sein des domaines intrinsèquement désordonnés de Tau, les nanocorps peuvent inhiber efficacement l'agrégationet empêcher la formation d'enchevêtrements neurofibrillaires. Dans nos études, nous avons identifié des nanocorps qui se lient spécifiquement aux motifs PHF6 et PHF6* au sein de Tau, des sites critiques pour la formation des fibrilles, et démontré que ces nanocorps peuvent réduire l'agrégation de Tau in vitro.Cette recherche apporte des connaissances essentielles sur la régulation de GSK3β par phosphorylation et O-GlcNAcylation, les effets différentiels de la phosphorylation de Tau sur le seeding et l'agrégation, et l'utilisation d'approches semi-synthétiques pour étudier les interactions complexes des modifications post-traductionnelles sur Tau. De plus, l'identification des nanocorps comme inhibiteurs de l'agrégation de Tau ouvre de nouvelles perspectives pour l'intervention thérapeutique dans l'AD. Ces résultats améliorent notre compréhension des mécanismes moléculaires conduisant à la pathologie Tau dans l'AD et mettent en évidence des cibles thérapeutiques potentielles pour atténuer l'agrégation et la progression de Tau dans les tauopathies.

Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by the accumulation of amyloid plaques and neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated Tau protein. Tau aggregation plays a central role in the progression of tauopathies, a group of age-related neurodegenerative disorders, by disrupting microtubule stability and promoting the spread of Tau pathology through seeding mechanisms.Glycogen synthase kinase 3 beta (GSK3β) is one of the key kinases implicated in Tau hyperphosphorylation, and its dysregulation is closely associated with the pathogenesis of AD. This study explores the complex regulation of GSK3β activity through post-translational modifications, including phosphorylation and O-GlcNAcylation, and their impact on Tau function and aggregation. We found that Akt-mediated phosphorylation at Ser9 inhibits GSK3β activity on unprimed Tau substrates, while selectively restoring its activity on primed Tau, highlighting a differential regulatory mechanism. GSK3β is also extensively O-GlcNAcylated at multiple sites, including Ser9, which does not significantly alter kinase activity but reduces Ser9 phosphorylation by Akt, indicating a crosstalk between these modifications that may influence GSK3β function.Additionally, we investigated the functional and seeding properties of Tau fragments, R2Ct and R3Ct, which encompass key aggregation-prone regions and the PHF-1 epitope (S396, S400, S404). The R3Ct fragment demonstrated a greater loss of microtubule-stabilizing function and an increased propensity for toxic seeding compared to R2Ct, with these effects being exacerbated by GSK3β phosphorylation. To further understand the impact of specific phosphorylation events on Tau behavior, we developed a semi-synthetic strategy to produce homogeneous, site-specifically phosphorylated fulllength 2N4R Tau, including PHF1-3P Tau with three phosphorylation sites (pS396, pS400, pS404).Our results indicate that PHF1-3P Tau significantly impairs microtubule assembly and, while reducing heparin-induced aggregation, promotes the formation of long PHF-like fibrils via cross-seeding.Furthermore, we explored the use of nanobodies as potential therapeutic agents for inhibiting Tau aggregation. Nanobodies, which are single-domain antibodies derived from camelid species, offer unique advantages due to their small size, high stability, and ability to bind to specific epitopes with high affinity. By targeting key regions within Tau's intrinsically disordered domains, nanobodies can effectively inhibit aggregation and prevent the formation of neurofibrillary tangles. In our studies, we identified nanobodies that specifically bind to the PHF6 and PHF6* motifs within Tau, critical sites for fibril formation, and demonstrated that these nanobodies can reduce Tau aggregation in vitro.This research provides critical insights into the regulation of GSK3β by phosphorylation and OGlcNAcylation, the differential effects of Tau phosphorylation on seeding and aggregation, and the use of semi-synthetic approaches to study complex PTM interactions on Tau. Additionally, the identification of nanobodies as inhibitors of Tau aggregation opens new avenues for therapeutic intervention in AD.These findings enhance our understanding of the molecular mechanisms driving Tau pathology in AD and highlight potential therapeutic targets for mitigating Tau aggregation and progression in tauopathies.