Soutenance de thèse de Dominika PILAT

La maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus courante, touchant 50 millions de personnes dans le monde. Elle est incurable et ses mécanismes physiopathologiques exacts restent inconnus. Depuis 30 ans la recherche sur l’Alzheiemer a mis en évidence certains mécanismes clés de la maladie. L'analyse génétique des formes familiales de la MA a permis d'identifier les principales protéines impliquées dans sa pathogenèse (APP (amyloid precursor protein) et presenilin 1), suggérant un rôle central du peptide Aβ dans l'évolution de la maladie. Plus tard, la neuroinflammation et la perte synaptique ont été reconnues comme des caractéristiques intégrales de la maladie. De nombreuses études ont tenté de déchiffrer un mécanisme commun de la maladie qui pourrait servir de base à une thérapie préventive efficace. Cependant, nous pouvons affirmer sans hésiter que la MA est une maladie multifactorielle qui nécessite une approche multidimensionnelle. Il est donc urgent de rechercher de nouvelles cibles et stratégies thérapeutiques en utilisant des approches qui tiennent compte de l'interaction entre divers processus pathogènes fondamentaux, notamment l'amyloïdogenèse, la neuroinflammation et le dysfonctionnement synaptique. Les métalloprotéinases matricielles (MMP) pourraient constituer un groupe de cibles thérapeutiques puisque certaines semblent avoir un impact à la fois sur le métabolisme de l'APP, sur la réponse inflammatoire et sur la plasticité synaptique. Mon équipe a précédemment identifié la MT5-MMP (MT5) comme un nouveau facteur pro-amyloïdogène dans la MA. De précédents travaux in vivo ont révélé un effet bénéfique de la déficience en MT5 dans le modèle de souris 5xFAD de la MA. Des données pionnières in vivo de notre laboratoire ont caractérisé la déficience en MT5 par des niveaux plus faibles de métabolites toxiques de l'APP, y compris C99 et Aβ, des niveaux plus faibles de marqueurs inflammatoires, comme le nombre d'astrocytes positifs et de microglies activées, concomitants avec des niveaux réduits de cytokines pro-inflammatoires, y compris IL-1β et TNF-α. Ces données étaient en accord avec la préservation de la LTP, du réseau neuronal et des comportements cognitifs. D'autres résultats in vitro de l'équipe montrent que MT5 peut interagir avec l'APP, augmentant sa localisation dans les endosomes précoces, et donc la libération d'Aβ. Au cours de mon doctorat, en utilisant des cultures neuronales mixtes primaires provenant de souris de 4 génotypes différents : sauvage (WT), déficientes en MT5-MMP (MT5-/-), 5xFAD (Tg) et 5xFADxMT5-/- (TgMT5-/-), j'ai étudié l'impact de MT5 sur trois caractéristiques très importantes de la MA. Ces paramètres expérimentaux m'ont permis d'évaluer le rôle de MT5 sur la transformation de l'APP, la maturation des neurones dans un contexte physiologique et pathologique, et enfin, à l'aide d'un traitement inflammatoire, j'ai pu étudier les réponses associées à l'IL-1β, qui est une cytokine pro-inflammatoire cardinale dans la MA, en parallèle à l'amyloïdogénèse. J'ai montré que la déficience en MT5 dans les neurones murins diminue les niveaux de métabolites potentiellement toxiques de l'APP comme C99, C83 et A. J'ai également montré que la déficience en MT5 interfère avec la réponse à l'IL-1, réduisant les états pro-inflammatoires. En ce qui concerne l'intégrité et la plasticité des synapses, la délétion de MT5 dans le fond 5xFAD a préservé ce génotype des déficits de maturation des épines dendritiques et a empêché l'hyperexcitabilité des neurones Tg. Dans l'ensemble, ces données confirment que MT5 est un nouvel acteur à multiples facettes dans la pathogenèse de la MA. J'espère que les résultats inclus dans cette thèse ouvriront la voie à la recherche de nouvelles molécules ciblant MT5 et ses substrats nouvellement identifiés afin de mieux contrôler les processus pathologiques dans la MA.

Alzheimer's disease (AD) is the most common neurodegenerative disease, affecting 50 million people worldwide. Despite numerous research endeavors, AD remains incurable and the underlying pathophysiological mechanisms are still to be clearly understand. Nevertheless, the last 3 decades of research pointed out some key mechanisms of the disease. Genetic analysis of familial forms of AD allowed to identify main proteins implicated in its pathogenesis such as APP (amyloid  peptide precursor protein) and PS1 (presenilin 1)), suggesting a central role for Aβ peptide in the course of the disease. Later, neuroinflammation and synaptic loss were recognized as integral hallmarks of the disease. Numerous studies have tried to decipher and pinpoint one common mechanism of the disease that could be used as a base for a successful preventive therapy. However, we can say without any hesitation that AD is a multifactorial disease that requires a multifaceted approach. Therefore, it is urgent to search for novel targets and therapeutic strategies using approaches that consider the interplay between various fundamental pathogenic processes, including amyloidogenesis, neuroinflammation and synaptic dysfunction. Matrix metalloproteinases (MMP) could constitute a group of original therapeutic targets since some seem to have an impact not only on APP metabolism, but also on the inflammatory response and on the synaptic plasticity. In this context, my team previously identified MT5-MMP (MT5) as a new pro-amyloidogenic factor in the AD. Previous in vivo work revealed a beneficial effect of MT5 deficiency in the 5xFAD mouse model of AD. 5xFAD mice express human APP and PSEN1 genes with 5 common mutations responsible for familial forms of the disease. Pioneering in vivo data from our lab showed that MT5 deficiency decreases the levels of toxic APP metabolites, including C99 and Aβ, levels of inflammatory markers including IL-1β and TNF-α along with number of reactive astrocytes and activated microglia. These data were in agreement with preservation of long term potentiation, the global neuronal network and learning and memory. Moreover, our recent in vitro results showed that MT5 can interact with and drive APP into early endosomes, the main site for Aβ production, this in a proteolytic-independent manner. During my Ph.D., making use of primary mixed neuronal cultures from mice of 4 different genotypes: wild-type (WT), MT5-MMP deficient (MT5-/-), 5xFAD (Tg) and 5xFADxMT5-/- (TgMT5-/-), I studied the impact of MT5 on three most important features of AD. Those experimental settings allowed me to evaluate the role of MT5 on APP processing in vitro, the maturation of neurons in physiological and pathological context, and finally, using inflammatory challenge, I was able to study the responses associated with IL-1β, which is a cardinal pro-inflammatory cytokine in AD, in parallel to amyloidogenesis. I showed that MT5 deficiency in murine neurons decreases the levels of potentially toxic APP metabolites as C99, C83 and A. I also showed that MT5 deficiency interferes with the response to IL-1, lowering the pro-inflammatory states. As for synapse integrity and plasticity, deletion of MT5 in 5xFAD background preserved this genotype from deficits in the maturation of dendritic spines and prevented Tg neurons from hyperexcitability. Overall, these data confirm that MT5 is a new multifaceted player in AD pathogenesis. I hope that the results included in this thesis will pave the way for the search for new molecules targeting MT5 and its newly identified substrates to better control amyloidogenic, inflammatory and synaptic processes.