Etude des atteintes morphofonctionnelles des synapses excitatrices dans la maladie d'Alzheimer : implication de la voie Cofiline-dépendante

par Marc Dollmeyer

Thèse de doctorat en Neurosciences neurobiologie

Sous la direction de Alain Buisson.

Soutenue le 16-12-2015

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) , en partenariat avec GIN - Grenoble Institut des Neurosciences (laboratoire) et de Institut des neurosciences de Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Rémy Sadoul.

Le jury était composé de Laurence Lafenechère, Olivier Nicole.

Les rapporteurs étaient Stéphane Martin, Carine Ali.


  • Résumé

    La maladie d'Alzheimer (AD) est une pathologie neurodégénérative caractérisée par une atrophie cérébrale progressive associée à une mort neuronale. Plus récemment, il a été suggéré que la perte des fonctions cognitives survenant pendant la maladie s'explique principalement par une atteinte au niveau synaptique préalable à la mort neuronale. Ainsi il a été observé que le peptide β-amyloïde ou Aβ constituant des plaques séniles, l'un des deux marqueurs histologiques de la maladie, existe sous une forme soluble/oligomérique (Aβo), et cette conformation lui confère des propriétés synaptotoxiques. L'Aβo agit préférentiellement sur le compartiment post-synaptique des synapses excitatrices également appelées épines dendritiques, structures sub-cellulaires dont la forme est régie par un cytosquelette d'actine riche et dynamique. Parmi les nombreuses hypothèses émises pour expliquer la synaptotoxicité de l'Aβo, il a été suggéré que la disparition des épines était due à une dépolymérisation anormale des filaments d'actine par une enzyme : la cofiline. Pourtant des données récentes ont montré à l'inverse une phosphorylation/inactivation de la cofiline dans le cortex frontal de patients AD, mais aussi dans le cerveau de la lignée de souris APP/PS-1, modèle de AD. De plus, des analyses morphologiques des synapses de la région CA1 chez la souris APP/PS-1 ont montré une réduction de la densité d'épines, associée à une augmentation du volume des épines survivantes. Les variations de volume de la tête de l'épine sont des phénomènes très fréquents lors d'une induction de potentialisation à long terme, le corrélat électrophysiologique de la mémoire.. Au cours de ma thèse, nous avons cherché dans un premier temps à caractériser les altérations morphologiques des épines dendritiques chez la souris APP/PS-1 par microscopie électronique. Nous avons pu confirmer que dès 3 mois, les synapses excitatrices sont moins nombreuses, que les épines restantes sont plus larges, mais surtout, que l'épaisseur de la densité post-synaptique n'est plus proportionnelle à la surface de l'épine, ce qui suggère un découplage entre modifications morphologiques et fonctionnelles. Nous avons également mis en évidence la présence de spinules anormales sur les épines.En utilisant des cultures primaires de neurones corticaux, nous avons pu montrer qu'un traitement aigu avec de l'Aβo induit la formation de protrusions riches en actine filamenteuse ressemblant aux spinules observés chez les animaux transgéniques. En purifiant la fraction post-synaptique, nous avons montré que cette formation de protrusions est concomitante à une phosphorylation anormale de la cofiline induite par l'Aβo. Ainsi l'inactivation de la cofiline qui en résulte pourrait être à l'origine d'une stabilisation et donc d'un allongement des filaments d'actine synaptique conduisant à la formation des protrusions. Cette inactivation de la cofiline a également été retrouvée chez la souris APP/PS-1 et chez l'humain. En conclusion, l'ensemble des résultats de cette thèse montre que l'Aβo induit des déformations morphologiques des épines, qui se caractérisent par la formation de protrusions membranaires ressemblant à des spinules. Ces protrusions ne sont pas activité-dépendantes, mais proviennent plutôt d'une dérégulation de l'activité enzymatique de la cofiline par l'Aβo.

  • Titre traduit

    Morpho-functional alterations of excitatory synapses in Alzheimer disease : involvment of the cofilin enzyme


  • Résumé

    Alzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative pathology associated with progressive cerebral atrophy linked to neuronal death. It has been recently suggested that loss of cognitive functions occurring during the disease was a consequence of synapse dysfunction and prior to neuronal death. Thus, it has been observed that Amyloïd-β peptide (Aβ), the main component of senile plaques, one histological marker of the disease, also exists as soluble/oligomeric Aβ (Aβo). This Aβ conformation is known to be synaptotoxic. Aβo acts preferentially on the post-synaptic compartment of excitatory synapses, also named dendritic spines, sub-cellular micro-domains containing dynamic and filamentous actin as their main cytoskeleton component. Among numerous theories explaining Aβo synaptotoxicity, it has been suggested that spine collapsing was due to an abnormal actin depolymerisation through Cofilin enzyme. Yet, recent evidences inversely showed Cofilin phosphorylation/inactivation in frontal cortex of AD patients and in the APP/PS-1 transgenic mice brain, an AD animal model. Moreover, synapse morphological analysis in the CA1 region of APP/PS-1 mice showed a reduction in spine density and an increase in spine head volume of remaining ones. Spine head volume variations are commonly occurring during induction of Long Term Potentiation, the electrophysiological correlate of memory.During my thesis, we firstly characterized APP/PS-1 mice dendritic spine morphological alterations using electron microscopy. We confirmed that even at 3 month-old, excitatory synapses are fewer, but also that remaining ones display larger surfaces. In addition, PSD thickness is not proportional to spine surface anymore, which suggests an uncoupling between functional and morphological modifications. We also demonstrated the presence of abnormal shaped spinules onto spines.Using primary cortical neuron cultures, we demonstrated that acute Aβo treatment induces the formation of filamentous actin enriched protrusions, resembling spinules observed in transgenic mice. By purifying post-synaptic protein fraction, we showed that protrusions formation is correlated to an abnormal Cofilin phosphorylation/inactivation by Aβo. Thus, resulting Cofilin inactivation could trigger actin filament stabilization, leading to protrusion formation. We also found Cofilin phosphorylation in APP/PS-1 mice and in AD brains. Taken together, these results show that Aβo triggers dendritic spine abnormal alterations, characterized by the formation of membrane protrusions ressembling spinules. These protrusions are not activity-dependant, but may instead originate from a disregulation of Cofilin enzymatic activity by Aβo.


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