Impact des ions zinc et cuivre dans la cascade amyloïde liée à la maladie d'Alzheimer

Effects of zinc and copper ions in the amyloid cascade linked to Alzheimer's disease

• Auteur / Autrice : Valentina Borghesani
• Direction : Christelle Hureau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, biologie et santé
• Date : Soutenance le 13/04/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amyloïde

Chimie bioinorganique

Alzheimer, Maladie d'

Mots clés libres

Chimie bioinorganique

Zinc

Peptides

Maladie d'Alzheimer

Cuivre

ERO

Résumé

La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative. Elle représente entre 60-80 % des cas de démence et touche autour de 47 millions de personnes à travers le monde. Deux types de lésions morphologiques de la MA ont été identifiés post mortem : les enchevêtrements neurofibrillaires intra-neuronaux de protéine Tau hyperphosphorylée et les plaques séniles. Les plaques séniles, ou plaques amyloïdes, se forment dans l'espace extracellulaire entre les fentes synaptiques et empêchent les connexions neuronales. Le composant principal de ces plaques est le peptide Amyloïde-ß (Aß) agrégé. Une hypothèse concernant cette maladie propose une mauvaise régulation des ions métalliques, telles que Zn et Cu, et une accumulation de Aß. Cette hypothèse est appelée hypothèse de la cascade amyloïde. Dans cette hypothèse le peptide Aß monomérique, présent aussi dans les cerveaux sains, agrège d'abord en formes oligomériques, puis en fibres, qui vont ensuite constituer les plaques amyloïdes. Il est proposé que le zinc stabilise davantage les fibres et le cuivre les formes oligomériques. Ces formes présentent une grande toxicité liée à la production d'Espèces Réactives de l'Oxygène (ERO), en présence d'un réducteur tel que l'ascorbate. Ces espèces oxydantes sont délétères pour les molécules environnantes. Pour mieux comprendre comment les ions Zn(II) et Cu(II) vont moduler ou induire l'agrégation, leur impact est étudié en comparaison avec le peptide Amyloïde-ß murin (mAß). En effet, les rats et les souris partagent ce peptide et ne développent pas la MA. Le mAß diffère du Aß humain (hAß) par seulement 3 acides aminés sur les 40-42 acides aminés qui constituent la séquence hAß. Pour cette raison, une étude de l'impact de la différence de coordination des ions Zn(II) et Cu(II) au sein des deux peptides sur l'agrégation et la morphologie des agrégats est ici menée. Ceci a pour objectif d'aider une meilleure compréhension de la cascade amyloïde. La deuxième partie de cette thèse se focalise sur la production d'ERO. Jusqu'à récemment, les études étaient focalisées sur les peptides Aß1-n (n=16/28/40/42). Celui ici, en présence des ions cuivre, de dioxygène et d'ascorbate va produire des ERO. Cependant, il est démontré qu'une forte quantité de formes tronquées en position N-terminale du Aß (en particulier Aß4-n et Aß11-n) se trouvent dans les cerveaux post mortem des malades d'Alzheimer. Ces deux peptides présentent un site de coordination pour le Cu(II) de type ATCUN, qui peut donc coordonner fortement les ions Cu(II). Il est donc intéressant d'étudier leur capacité à produire des ERO et/ou capacité à en arrêter la production. Enfin, l'impact du Zn(II) sur la production d'ERO par les complexes AßCu a été évalué, car la concentration en Zn dans les fentes synaptiques est environ 100 fois plus grande que celle en Cu.

Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disease and it represents the 60-80 % of the dementia cases. It touched around 47 million people worldwide. Two hallmarks of AD were identified in post mortem brain: the intracellular neurofibrillary tangles of hyperphosphorylated Tau protein and the amyloid (or senile) plaques. The amyloid plaques are formed in the extracellular space in the synaptic cleft. These aggregates would prevent the neuronal connections. The major component of the senile plaques is the aggregated Amyloid-ß (Aß) peptide. An hypothesis concerning this disease proposed a metal ions dyshomeostasis and an accumulation of Aß. This hypothesis is called amyloid cascade hypothesis. According to this hypothesis, the monomeric Aß peptide, present also in the healthy brains, aggregates into dimer, trimer... and more generally into oligomers; and then into fibers, which constitute the amyloid plaques. It is considered that zinc ions stabilize the fibers and copper ions the oligomeric forms. These forms present a high toxicity linked to the production of Reactive Oxygen Species (ROS), in the presence of dioxygen and a reducing agent such as ascorbate. These oxidants species are toxic for the surrounding molecules. To better understand how Zn(II) and Cu(II), modulate and/or induce the aggregation of the Aß peptide, their impact was studied and compared to the murine amyloid-ß (mAß) peptide. Indeed, rats and mice share this peptide and do not develop AD. mAß peptide differs from the human (hAß) peptide at 3 only positions on the 40-42 amino acids which constitute the hAß sequence. For this reason, a study of the impact of the different Zn(II) and Cu(II) coordination on the aggregation and on the morphology of aggregates of both peptides was performed. This aims at helping to better describe amyloid cascade hypothesis. The second part of this thesis focuses on ROS production. Until recently, the studies were focused on the peptides Aß1-n (n=16 / 28 / 40 / 42). These peptides in presence of copper ions, O2 and ascorbate produce ROS. However, a high amount of N-truncated Aß peptides, in particular Aß4-n and Aß11-n, was found post mortem in AD brains. These two peptides have an ATCUN coordination site, which strongly coordinates the Cu(II). It is interesting to study their ability to produce or stop ROS production. Finally, the impact of the Zn(II) in the ROS production of AßCu complexes is evaluated. Indeed, the concentration of Zn in the synaptic cleft is around 100 times more than Cu.