La protéine prion cellulaire : un relai de neurotoxicité commun aux protéines amyloïdes et aux nanoparticules

par François Boudet-Devaud

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire

Sous la direction de Odile Kellermann.

Soutenue le 26-11-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .


  • Résumé

    La protéine prion cellulaire (PrPC) est une protéine majoritairement exprimée à la surface des neurones, dont la conversion transconformationnelle en prion pathogène PrPSc, est à l'origine des maladies à prions. Il est clairement 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 le rôle de la PrPC est donc un pré-requis pour aborder les mécanismes de neurodégénérescence dans les maladies à prions. Une partie de mes travaux de thèse a permis de montrer que la PrPC exerce un rôle cytoprotecteur vis-à-vis de la cytokine inflammatoire TNFalpha. L'extinction de la PrPC dans les neurones (neurones PrPnull) rend ces cellules hypersensibles au TNFalpha en raison de l'accumulation membranaire des récepteurs au TNFalpha (TNFR). Mes travaux démontrent que la perte de la fonction régulatrice de la PrPC sur l'agrégation et la signalisation des intégrines bêta 1 dans les neurones PrPnull provoque la suractivation de la kinase PDK1, l'internalisation subséquente de l'alpha-sécrétase TACE, et un découplage de TACE vis-à-vis de l'un de ses substrats, TNFR. Étant donné la proximité phénotypique entre les neurones PrPnull (Ezpeleta et al. 2017) et les neurones infectés par la PrPSc (Pietri et al. 2013 ; Alleaume-Butaux et al. 2015), mes travaux plaident en faveur d'une perte de fonction cytoprotectrice de la PrPC dans les maladies à prions. Concernant l'infection à prions, mes travaux montrent que TACE internalisée en réponse à la suractivation de PDK1 est découplée d'un autre substrat, la protéine précurseur des peptides amyloïdes (APP), ce qui mène à l'accumulation des peptides neurotoxiques Abêta 40 et Abêta 42 caractéristiques de la maladie d'Alzheimer. Dans un contexte « infection à prions », les peptides Abêta 40/42 sont présents majoritairement sous une forme monomérique, et de façon plus discrète sous forme trimérique et tétramérique. Par des approches in vitro et in vivo, nous montrons que les peptides Abêta générés par les cellules infectées par les prions ne modifient ni la réplication ni l'infectiosité des prions. Néanmoins, nous démontrons que les formes oligomérisées d'Abêta sont capables de se déposer sous forme de plaques amyloïdes dans le cerveau des souris transgéniques APP23 infectées par les prions. Dans ces souris, les dépôts d'Abêta accélèrent la pathogenèse des prions. Le dernier axe de mon travail de thèse concerne les nanoparticules, des matériaux de taille nanométrique couramment utilisés dans de nombreux produits et procédés industriels. Mes travaux mettent en évidence que, à l'instar de la PrPSc et d'Abêta, des assemblages de nanoparticules de dioxyde de titane ou de noir de carbone se lient à la PrPC exprimée à la surface des neurones et dévient sa fonction de signalisation. Cette interaction PrPC/nanoparticules provoque, entre autres, la suractivation de PDK1, l'internalisation de TACE, et l'accumulation membranaire de TNFR. Les cellules neuronales exposées aux nanoparticules deviennent alors hypersensibles au stress inflammatoire TNFalpha. Le découplage de TACE à APP induit par les nanoparticules augmente aussi la production de peptides Abêta par les neurones. Même si aucune donnée épidémiologique n'associe une exposition aux nanoparticules à la maladie d'Alzheimer, mes travaux suggèrent une implication causale des nanoparticules dans l'initiation voire l'amplification de cette maladie.

  • Titre traduit

    The cellular prion protein : a relay of neurotoxicity shared by amyloid proteins and nanoparticles


  • Résumé

    The cellular prion protein (PrPC) is a protein mostly expressed at the plasma membrane of neurons. Its transconformation into the pathogenic prion PrPSc is at the root of prion diseases. It is clearly established that the PrPSc-induced neurodegeneration depends on the expression of PrPC in neurons and results from the corruption of PrPC function(s) by PrPSc. Unravelling the role of PrPC is thus a prerequisite to grasp neurodegeneration mechanisms in prion diseases. Part of my work shows that PrPC exerts a cytoprotective function against TNFalpha inflammatory cytokine. PrPC silencing in neurons (PrPnull-neurons) renders these cells highly sensitive to TNFalpha due to surface accumulation of TNFalpha receptor (TNFR). My work demonstrates that the loss of PrPC regulatory function on the clustering and signaling downstream of bêta 1 integrins in PrPnull neurons provokes the overactivation of the kinase PDK1, subsequent internalization of TACE alpha-secretase, and uncoupling of TACE from TNFR substrate. Because of the phenotypic proximity between PrPnull neurons (Ezpeleta et al. 2017) and PrPSc-infected neurons (Pietri et al. 2013; Alleaume-Butaux et al. 2015), my work supports the view of a loss of PrPC protective function in prion diseases. As concerns prion infection, my work shows that after PDK1 overactivation, internalized TACE is uncoupled from another substrate, the amyloid peptides precursor protein (APP), leading to the accumulation of neurotoxic peptides Abêta 40 and Abêta 42, hallmarks of Alzheimer's disease. Within a prion infectious context, Abêta 40/42 peptides are predominantly present as monomers, and to a lesser extent, as trimers and tetramers. By combining in vitro and in vivo approaches, we show that Abêta peptides produced by infected neurons do not alter replication nor the infectivity of prions. Nevertheless, we demonstrate that oligomerized Abêta is able to form amyloid plaques in the brain of transgenic APP23 mice infected by prions. In these mice, Abêta deposits accelerate prion pathogenesis. The last axis of my work deals with nanoparticles, that is, nanometric materials commonly found in manufactured products and industrial processes. My work shows that, as PrPSc and Abêta, titanium dioxide or carbon black assemblies interact with PrPC at the surface of neurons and deviate its signaling function, which leads, inter alia, to PDK1 overactivation, TACE internalization, TNFR accumulation at the plasma membrane, and neuronal cells hypersensitivity to TNFalpha inflammatory stress. We also found that nanoparticle-induced TACE uncoupling from APP increases Abêta peptide production by neurons. Even if no epidemiological study has demonstrated to date a link between nanoparticle exposure and Alzheimer's disease, my work suggests an causal implication of nanoparticles in the initiation or amplification of this disease.

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