Fundamental aspects of alpha-synuclein, synphylin-1 and tau in neurodegenerative proteinopathies converge within lipid rafts : from yeast to mice models

par Charlotte Delay

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Marie-Christine Galas et de Joris Winderickx.

Soutenue en 2010

à Lille 2 en cotutelle avec l'Université catholique de Louvain (1970-....) .

mots clés

• Alzheimer, Maladie d'
• Maladie d'Alzheimer
• Maladie de Parkinson
• Maladie de Parkinson
• Microdomaines membranaires
• Microdomaines membranaires
• alpha-Synucléine
• Protéines tau

Titre traduit

Les radeaux lipidiques, point de convergence des protéines alpha-synucleine, synphiline-1 et tau dans les protéionpathies neurodégénératives : une étude de la levure à la souris

Résumé

Les maladies neurodégénératives représentent un fardeau humain, social et économique, qui ne cesse de croître en raison du vieillissement de la population. Les études portant sur les protéinopathies, telles que la maladie d’Alzheimer ainsi que la maladie de Parkinson, se sont principalement orienté sur l’étude des effets délétères de l’agrégation de protéines comme l’ - Synucléine, la protéine Tau et le peptide A. Par contre, peu d’efforts ont été consacrés à la compréhension de la propagation systématique de ces pathologies d’une région du cerveau à une autre. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux relations entre les protéines qui s’agrègent et les microdomaines de la membrane plasmique impliqués dans l’endo- et l’exo-cytose. Les radeaux lipidiques sont des microdomaines impliqués dans de nombreux systèmes de communication cellulaire tels que l’endocytose et l’exocytose. Nous avons identifié, à la fois dans des modèles de levures et dans des modèles eucaryotes plus complexes comme des cultures de neurones murins, que l’ -Synucléine, la Synphiline-1 ainsi que la protéine Tau sont des protéines qui se lient aux radeaux lipidiques. Il est possible que la propagation de la pathologie de ces maladies dépende de systèmes de communication cellulaire impliquant des radeaux lipidiques. Dans ce contexte nous avons étudié l’effet de la Synphiline-1 sur la capacité de l’ -Synucléine à se lier à ces domaines et nous avons identifié les séquences peptidiques impliquées dans la liaison de la protéine Tau aux radeaux lipidiques. En parallèle nous avons étudié l’effet de la Synphiline-1 sur la biologie de l’ -Synucléine, et avons observé que la Synphiline-1 augmentait la toxicité de l’ -Synucléine dans un modèle de levure de la maladie de Parkinson. Nous avons aussi démontré que la Synphiline-1 augmentait la formation d’inclusions d' -synucléine ainsi que sa phosphorylation. Nous en avons conclu que la Synphiline-1 aggravait les propriétés pathologiques de l’ -Synucléine. Finalement, en relation avec ces résultats, les interactions protéine-lipide ainsi que le trafic vésiculaire peuvent être analysés dans des modèles de levure. Nous avons, à l’aide de mutants, étudié à quels niveaux de l’endocytose, l’ -Synucléine acquière sa toxicité. De cette façon, nous avons démontré que la toxicité de l’ -Synucléine est atténuée lors du blocage des évènements précoces de l’endocytose et lors du blocage du recyclage vésiculaire. Ces résultats démontrent que l’ -Synucléine acquière sa toxicité au cours de l’endocytose précoce ainsi que lors du récyclage vésiculaire. En perspective, cette étude pourrait être étendue à la Synphiline-1 et à la protéine Tau xv pour étudier de quelle façon le trafic vésiculaire pourrait être impliqué dans la propagation des protéines agrégées dans les maladies neurodégénératives.

Résumé

Door de steeds groeiende vergrijzing, vormen neurodegeneratieve aandoeningen een belangrijk sociaal en economisch probleem. De meeste studies georiënteerd op neurodegeneratieve proteinopathiën, zoals de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson hebben zich vooral gericht op de nefaste effecten van aggregatieve eiwitten zoals -Synucleïne, zijn interactie partner Synphiline-1, Tau en A. Veel minder werk werd geleverd voor het begrijpen van de systematische en pathologische spreiding van deze aandoeningen van de ene regio naar de andere in het brein. In deze doctoraatsthesis hebben wij gezocht naar de relaties tussen aggregerende eiwitten en plasmamembraan gelokaliseerde micro-domeinen betrokken in endo- en exocytose. Lipid rafts, zijn gespecialiseerde membraan domeinen betrokken in verschillende cel-cel communicatie wegen met inbegrip van endo- en exocytose. Wij hebben, in gist en hogere eukaryote modelsystemen, waaronder primaire muis celculturen, aangetoond dat de eiwitten - Synucleïne, Synphiline-1 en Tau, lipid raft interagerende eiwitten zijn. Een mogelijke hypothese is dat de pathologische verspreiding van neurodegeneratieve proteinopathiën via lipid raft afhankelijke wegen verloopt. In deze context hebben we het effect van Synphiline-1 op de - Synucleïne – lipid raft interactie onderzocht en hebben we de eiwit sequenties van Tau betrokken in lipid raft interactie geïdentificeerd. Daarnaast, hebben we het effect van Synphiline-1 op biochemische eigenschappen van - Synucleïne bestudeerd. We hebben aangetoond dat Synphiline-1 de toxiciteit van -Synucleïne versterkt in een gistmodel voor Parkinson. We hebben ook aangetoond dat Synphiline-1 expressie zowel inclusievorming als fosforylatie van -Synucleïne verhoogt. Hieruit konden we concluderen dat Synphiline-1 de toxische eigenschappen van -Synucleïne versterkt. Gebruik makend van onze gistmodellen werden tot slot ook vesiculaire transportsystemen onderzocht en werd nagegaan op welk moment gedurende de endocytose -Synucleïne zijn toxiciteit verkrijgt. We hebben geobserveerd dat wanneer endocytose vroeg wordt verhinderd of wanneer vesiculaire recyclage wordt geblockeerd, de -Synucleïne toxiciteit vermindert. Dit betekent dat -Synucleïne zijn toxiciteit verwerft tijdens vroege endocytose en recyclage. In de toekomst kunnen dergelijke experimenten ook uitgevoerd worden met Synphiline-1 en Tau om zo het effect van vesiculair transport op het verspreiden van aggregerende eiwitten in neurodegeneratieve aandoeningen verder te bestuderen.

Résumé

Neurodegeneration is an increasing problem due to the eldering population. Studies on neurodegenerative proteinopathies, such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease have mainly been focused in the deleterious effects due to the aggregating proteins -Synuclein, Aβ and Tau. However, much less effort has been put in understanding the systematic and pathological spreading of the diseases from one brain region to the other. In the present work, we aim to investigate relationships between aggregating proteins and microdomains of the plasma membrane involved in endo-/exo-cytosis. Lipid rafts are specialized membrane microdomains implicated in different cell-cell communication pathways such as endocytosis and exocytosis. In both yeast models and higher eukaryotic cells such as murine neuronal cell cultures, we identified -Synuclein, the -Synuclein interaction partner Synphilin-1 and Tau as lipid raft interacting proteins. It might be that the pathological spreading of the diseases goes through lipid raft dependent cell-cell communication pathways. In this context, we investigated the effect of Synphilin-1 on the - Synuclein-lipid raft interaction and identified the amino-acid sequences of tau implicated in the binding of tau to these microdomains. In parallel, we investigated the effect of Synphilin-1 on the -Synuclein biology and observed that Synphilin-1 increased -Synuclein toxicity in a yeast Parkinson’s disease model. We have also shown that Synphilin-1 expression increases both inclusion formation and phosphorylation of -Synuclein. We therefore concluded that Synphilin-1 increases the pathological properties of -Synuclein. Finally, in the scope of these data, protein-lipid interactions and vesicle trafficking may be analyzed in yeast models. Using yeast endocytosis mutants, we have investigated, at which point during endocytosis, -Synuclein acquired its toxicity. We have thereby identified that the toxicity due to -Synuclein expression in yeast was alleviated upon blockage of early endocytotic events as well as upon blockage of vesicle recycling. It means that -Synuclein acquires its toxicity upon endocytosis and recycling. In perspective, such work may be developed with Synphilin-1 and Tau proteins to further investigate how vesicle trafficking may be involved in the spreading of aggregating proteins in neurodegenerative disorders.