Academic literature on the topic 'Sécrétases de la protéine précurseur de l'amyloïde'

This report aims to inform on the progression of research into the genetic factors involved in the development of Alzheimer’s disease (AD). AD is a life-altering disease that affects millions of individuals from varying races and ethnic backgrounds1. According to the National Institute on Aging, a faculty of the U.S. Department of Health and Human Services, AD has been ranked as the third leading cause of death in the United States, only behind cancer and heart failure. It is predicted that by 2050, approximately one in 45 Americans will be afflicted with the disease5. Distinctive physical indications of the onset of AD include neuron loss, amyloid plaques and neurofibrillary tangles5. Onset is not frequent prior to 60 years of age but can be caused by one of two reasons. The first is a mutation in the amyloid precursor protein (APP) gene on chromosome 21. This gene is responsible for the regulation of the production of amyloid beta (Aβ) proteins, which are known to be abundant in the brains of AD patients. A mutation in the gene leads to an inappropriate regulation of this protein. The second, and more common cause is a result of an unidentified gene on chromosome 14 in AD patients2. It has been confirmed that there is involvement of chromosome 19 in late onset AD (LOAD) as well1. Most of the genes that are associated with the development of AD have yet to be identified, but the research is bringing society closer and closer to that goal everyday.Ce rapport vise à fournir de l’information sur la progression de la recherche au sujet des facteurs génétiques impliqués dans le développement de la maladie d'Alzheimer (MA). La MA est une maladie bouleversant la vie de la personne et qui affecte des millions d’individus de diverses races et ethnicité1. Selon l'Institut national sur le vieillissement, un corps professoral du département américain de la santé et des services sociaux, la MA a été classée comme la troisième cause de décès aux États-Unis, ne cédant le pas qu’au cancer et à l'insuffisance cardiaque. Il est prévu que d'ici l'an 2050, environ une personne sur 45 Américains sera affligée avec cette maladie5.Des indications visuelles distinctives de l'apparition de la MA comprennent la perte des neurones, les plaques amyloïdes et des enchevêtrements neurofibrillaires5. L'apparition précoce n’est pas fréquente avant 60 ans, mais peut être causée par l'une des deux raisons. La première raison est une mutation dans le gène de la protéine précurseur de l'amyloïde (PPA) sur le chromosome 21. Ce gène est responsable de la régulation de la production de protéines bêta-amyloïde (Aß), qui sont connues pour être abondant dans le cerveau des patients atteints de la MA. Une mutation dans le gène conduit à une régulation inappropriée de cette protéine. La seconde cause, et celle-là plus communes sont le résultat d'un gène inconnu sur le chromosome 142. Il a été confirmé qu'il y a aussi une participation du chromosome 19 dans l'apparition tardive de la MA (ATMA)1. La plupart des gènes qui sont associés avec le développement de la MA n’ont pas encore été identifiés, mais la recherche rapproche la société de cet objectif de plus en plus tous les jours.

La maladie d'Alzheimer (MA) est caractérisée par la présence de plaques amyloïdes. Le peptide amyloïde provient d'un clivage séquentiel du peptide précurseur amyloïde par l'activité de la β-sécrétase (BACE) et l'activité y-sécrétase des présénilines (PSI et PS2). L'activité présénilinase consiste à couper PSI pour former un complexe y-sécrétase fonctionnelle. Il a été démontré que BACE interagit directement avec PSI mais le rôle de cette interaction demeure inconnu. Pour explorer les voies de signalisation de ces deux protéines, nous avons utilisé le système double-hybride en levure en utilisant BACE comme appât. Le résultat de ce criblage a permis d'identifier un interacteur protéique potentiel de BACE: l'ubiquiline 1 (UBQLN1). L'UBQLN1 est impliquée dans la dégradation protéique et son variant (UBQLN1delta8) a été associé à la MA. Nous avons observé une interaction entre BACE et UBQLN1. Cette interaction est perdue quand BACE est exprimée avec le variant UBQLN1delta8. La surexpression de l'UBQLNl entraîne la réduction de l'activité de BACE ainsi qu'une réduction de sa demi-vie contrairement à l'expression d'UBQLN1delta8. L'UBQLN1delta8 s'avère à augmenter la production du peptide amyloïde. Par ailleurs, l'expression de dominant négatif de BACE affecte la maturation de PSI en augmentant le niveau de PSI FL. Un inhibiteur de BACE, le Z-VLL s'avère à ne pas inhiber l'activité de BACE. Par contre, il accumule PSI FL et inhibe l'activité de PSI. Nous suggérons que UBQLN1delta8 entraîne le développement de la MA via une dérégulation au niveau du mécanisme de dégradation de BACE augmentant ainsi son activité et la production du peptide amyloïde. Avec le Z-VLL, nous avons inhibé l'activité présénilinase entraînant une inhibition de l'activité γ-sécrétase. Les mutations dans PSI affectent également la signalisation de la β-caténine, une protéine similaire à une plakophiline neuronale (NPRAP). NPRAP est spécifique au cerveau et interagit avec PSI. Le rôle de cette interaction est inconnu. Le criblage en levure en utilisant NPRAP comme appât, nous a permis d'identifier certaines protéines comme la karyophérine-α2 (KPN2A). Pour découvrir les fonctions de NPRAP, nous avons effectué un ± microarray ¿. II en résulte que NPRAP fait varier l'expression de plusieurs gènes dont le gène codant pour la butyrylcholinestérase. La capacité de NPRAP de migrer au noyau et d'activer certains gènes est bien établi mais il est impossible pour le moment de la rallier à la MA.

La maladie d'Alzheimer (AD) est un désordre neurodégénératif progressif et la forme la plus commune de démence. A l’heure actuelle, il n'y a aucun remède et la maladie est toujours fatale. Une des caractéristiques histopathologiques de l'AD est la présence de dépôts protéiques, les plaques amyloïdes, dans le cerveau. Ces plaques sont formées par les peptides amyloïdes β (Aβ) de 40 et 42 résidus, qui sont les produits de clivage par des protéases de la protéine précurseur de l’amyloïde (l'APP). L'élucidation de certains des processus clés dans la cause et le développement de l'AD est une étape cruciale pour le développement de traitements nouveaux et efficaces.

Les propriétés conformationnelles du segment transmembranaire (TM) de l’APP peuvent affecter sa protéolyse par la γ-sécrétase. Ces propriétés ne sont pas encore clairement établies. Afin de comprendre le rôle des variations structurelles du TM dans le traitement de l'APP, des détails structurels des peptides APP_TM4K, chimiquement synthétisés, ont été étudiés dans la bicouche lipidique en utilisant la réflexion totale atténuée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (ATR-FTIR) et la résonance magnétique nucléaire à l’état solide (ssNMR). Tandis que la structure secondaire globale du peptide APP_TM4K est hélicoidale, une hétérogénéité conformationnelle et orientée a été observée pour le site de clivage γ et, dans une plus faible mesure, pour le site de clivage ζ. Ces variabilités conformationnelles autour des sites de clivage γ et ζ peuvent avoir des implications importantes dans le mécanisme de clivage et donc dans la production d’Aβ. Il a été aussi démontré que la dernière glycine dans le motif de dimérisation GxxxG est transmembranaire. Ceci peut impliquer que la dimérisation via ce motif pourrait servir d’ancrage et conférer une orientation transmembranaire stable au segment transmembranaire de l’APP.

Le peptide amyloïde β est directement lié à la maladie d’Alzheimer. Partant de sa forme monomérique, l’Aβ s'agrège pour produire en final des fibrilles et aussi de manière transitoire toute une gamme d'oligomères, ces derniers étant la plupart neurotoxiques. Une dérégulation de l’homéostasie du Ca2+ dans le cerveau vieillissant et dans des troubles neurodégénératifs joue un rôle crucial dans de nombreux processus et contribue au dysfonctionnement et à la mort cellulaire. Nous avons postulé que le calcium peut permettre ou accélérer l'accumulation d'Aβ. Le modèle d'accumulation d'Aβ (1-40) et celui d'Aβ (1-40) E22G, un peptide amyloïde portant la mutation arctique qui cause une apparition prématurée de la maladie, ont été comparé. Nous avons constaté qu'en présence de Ca2+, l’Aβ (1-40) forme de préférence des oligomères semblables à ceux formés par l’Aβ (1-40) E22G avec ou sans Ca2+, tandis qu'en absence de Ca2+ l'Aβ (1-40) s’agrège sous forme de fibrilles. Les ressemblances morphologiques entre oligomères ont été confirmées par microscopie de force atomique. La distribution des oligomères et des fibrilles dans des échantillons différents a été détectée par électrophorèse sur gel suivie d’une analyse par Western blot, dont les résultats ont été confirmés par des expériences de fluorescence à la thioflavine T. Dans les échantillons sans Ca2+, l’ATR-FTIR révèle la conversion des oligomères en feuillets β antiparallèles en la conformation caractéristique des fibrilles en feuillets β parallèles. En général, ces résultats nous ont ameré à conclure que les ions calcium stimulent la formation d'oligomères d'Aβ (1-40), qui sont impliqués dans la pathogénèse d'AD.

Malgré les progrès énormes obtenus dans la compréhension de la maladie (AD), il reste un défi majeur, celui du développement de médicaments nouveaux et efficaces. Afin d’obtenir des éclaircissements sur le mécanisme d'action de deux nouveaux puissants modulateurs de la γ-sécrétase - le benzyl-carprofen et le sulfonyl-carprofen dans la bicouche lipidique, la technique de RMN à l’état solide a été employée. Précédemment, les dérivés du carprofen ont été localisés dans des membranes de lipides par des expériences de diffusion (scattering) des neutrons. Les contraintes déterminées à partir des expériences de ssNMR ont permis d’affiner leurs positions et d’obtenir une orientation précise dans la double couche lipidique. Ces résultats combinés indiquent que le mécanisme probable de modulation du clivage par la γ-sécrétase est une interaction directe des carprofènes avec le domaine TM de l’APP. Une telle interaction, empêcherait à la formation de dimères d'APP, dimérisation nécessaire au clivage séquentiel par la γ-sécrétase, diminuant ou réduisant ainsi énormément la production d’Aβ, tout particulièrement d’Aβ42.

Les résultats de ce travail apporte de nouvelles informations sur les processus clés impliqués dans l'AD; Production de l'Aβ à partir de l'APP, formation des oligomères d'Aβ et mécanisme d'action potentiel de molécules thérapeutiques. Nous pensons que ces résultats pourront permettre une meilleure compréhension de la maladie et pourront aider dans la conception de nouveaux médicaments contre cette maladie.

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder and the most common form of dementia. There is no cure and the disease is fatal. One of the characteristic histopathological markers of AD is the presence of proteinaceous deposits, amyloid plaques, in the brain. These plaques are formed by the amyloid β-peptides (Aβ) 40- and 42-residue-long, which are protease cleavage products of the amyloid precursor protein (APP). Elucidation of some of the key processes in the cause and the development of AD is crucial for the development of new and efficient treatments.

Conformational properties of the transmembrane (TM) segment of APP may affect its proteolytic processing by γ-secretase. These properties have not been definitely established. In addressing the role of structural variations of the TM sequence in APP processing, structural details of the chemically synthesized APP_TM4K peptides within the membrane bilayers were studied using Attenuated total reflection Fourier transform spectroscopy (ATR-FTIR) and solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) techniques. While the overall secondary structure of the APP_TM4K peptide is an α-helix, conformational and orientational heterogeneity was observed for the γ-cleavage site and, to a smaller extent, for the ζ-cleavage site. Evidence for the conformational variability around γ- and ζ-cleavage sites may have important implications for the cleavage mechanism and hence for the Aβ production. It was also found that the last glycine within the sequence of GxxxG motifs is in the transmembrane orientation, implying that dimerization via these motifs may act as an anchor, confining the TM dimer to the stable transmembrane orientation.

Amyloid β-peptide is directly linked to AD. Starting from its monomeric form, Aβ aggregates into fibrils and / or oligomers, the latter being the most neurotoxic. Dysregulation of Ca2+ homeostasis in aging brains and in neurodegenerative disorders plays a crucial role in numerous processes and contributes to cell dysfunction and death. Here we postulated that calcium may enable or accelerate the aggregation of Aβ. The aggregation pattern of Aβ(1-40) and of Aβ(1-40)E22G, an amyloid peptide carrying the Arctic mutation that causes early onset of the disease, were compared. We found that in the presence of Ca2+, Aβ(1-40) preferentially formed oligomers similar to those formed by Aβ(1-40)E22G with or without added Ca2+, whereas in the absence of added Ca2+ the Aβ(1-40) aggregated to form fibrils. Morphological similarities of the oligomers were confirmed by contact mode atomic force microscopy (AFM) imaging. The distribution of oligomeric and fibrillar species in different samples was detected by gel electrophoresis and Western blot analysis, the results which were further supported by thioflavin T fluorescence experiments. In the samples without Ca2+, Fourier transform infrared spectroscopy revealed conversion of oligomers from an anti-parallel β-sheet to the parallel β-sheet conformation characteristic of fibrils. Overall, these results led us to conclude that calcium ions stimulate the formation of oligomers of Aβ(1-40), that have been implicated in the pathogenesis of AD.

Despite the tremendous progress in understanding AD, there remains the challenge of the development of new and efficient drugs. In order to shed light onto the mechanism of action of two new potent γ-secretase modulators -- benzyl-carprofen and sulfonyl-carprofen within lipid bilayers, ssNMR technique was employed. Using neutron scattering experiments it was previously found that sulfonyl-carprofen and benzyl-carprofen partition into the headgroup region of the lipid bilayer. The orientational constraints derived from the ssNMR experiments refined their position into precise orientation. Combined, these results indicate that carprofen-derivatives can directly interact with the region of APP that mediates dimerization. Such interaction, would interfere with proper APP-dimer formation, which is necessary for the sequential cleavage by γ-secretase, diminishing or greatly reducing Aβ42 production.

Results obtained during this work shed new light onto some of the key processes in AD: Aβ production from APP, formation of Aβ oligomers and insights into the mechanism of action of potential therapeutics. We believe that these results will promote a better understanding of the disease and will help in future drug design.

Doctorat en Sciences
info:eu-repo/semantics/nonPublished

La maladie d'Alzheimer est un syndrome neurodégénératif se caractérisant par une perte des fonctions cognitives et des troubles de la personnalité. Sur un plan histopathologique, les principales lésions sont les dégénérescences neurofibrillaires et les plaques séniles. Ces dernières sont des agrégats protéiques extracellulaires composés majoritairement de peptide b amyloïde (Ab). Le peptide Ab est produit par l'hydrolyse d'un précurseur membranaire, le précurseur de la protéine b amyloïde (bAPP), par l'action séquentielle de deux activités protéolytiques la b- et la g-sécrétase. C'est la voie amyloïdogénique. La bAPP peut subir une maturation protéolytique alternative par une a-sécrétase dont le site de clivage est situé dans la séquence de l'Ab. C'est la voie non-amyloïdogénique. Ces trois activités protéolytiques peuvent être considérées, à divers titres, comme des cibles thérapeutiques potentielles. Au cours de ma thèse, je me suis intéressée à la Biologie Cellulaire et à la pharmacologie de ces trois sécrétases. En ce qui concerne la b-sécrétase, j'ai contribué à la mise au point d'un nouveau dosage fluorimétrique de l'activité de type b-sécrétase et j'ai pu ainsi confirmer que les enzymes BACE1 et BACE2 se comportaient effectivement comme des b-sécrétases, alors qu'un autre candidat présumé, la cathepsine D ne présentait pas ce type d'activité. Ce dosage fluorimétrique a ensuite permis l'identification de deux générations de nouveaux inhibiteurs. Les inhibiteurs de la première génération sont des dérivés statine de nature peptidique. L'un d'eux, JMV1195, s'est avéré être un excellent inhibiteur de l'activité b-sécrétase in vitro. Toutefois, il s'est avéré être métaboliquement instable, incapable de bloquer l'Ab produit par les cellules et donc peu biodisponibles in vivo. Nous avons donc fait synthétiser un analogue de JMV1195 couplé à un groupement pénétratine, JMV2764, pour circonscrire le problème d'hydrophobicité. JMV2764 garde la capacité de bloquer la b-sécrétase in vitro, mais induit aussi une diminution conséquente de la production du peptide Ab sur des cellules en culture. Cela nous ouvre la voie à une étude chez l'animal ainsi qu'à la synthèse d'autres inhibiteurs couplés à une pénétratine, discriminant les activités BACE1 et BACE2. Dans une deuxième partie de mon travail, je me suis attachée à mettre au point un modèle d'étude original de l'activité g-sécrétase. La bAPP subit deux attaques de type g-sécrétase à l'extrémité C-terminale du peptide Ab (site g) et une dizaine d'acides aminés en aval de la coupure g (site e. Le clivage en e intervient aussi sur d'autres protéines dont Notch-1. Le fait que les g- et e-sécrétases soient une seule et même enzyme est encore discuté. Il était donc important de pouvoir discriminer les deux activités g-sécrétases sur la bAPP afin de pouvoir les étudier séparément. J'ai développé et caractérisé un modèle d'étude fondé sur l'expression transitoire ou stable du produit N-terminal résultant de la coupure e de la bAPP dans divers types cellulaires et j'ai établi que notre construction était substrat de la g-, de l'a et de la b-sécrétase et donc relevante pour l'étude ciblée et spécifique de la g-sécrétase. Enfin, je me suis intéressée à l'identité de l'a-sécrétase. En effet, les disintégrines ADAM10 et ADAM17 ont été identifiées en tant qu'a-sécrétases. Alors qu'ADAM10 est impliquée à la fois dans la voie constitutive et régulée, ADAM17 ne semble impliquée que dans la voie régulée. Dans un premier temps, j'ai pu observé qu'en absence d'ADAM10, la sécrétion constitutive diminue énormément sans toutefois disparaître. Nous savions que la prohormone convertase 7 (PC7) était impliquée dans cette voie mais nous ne savions pas si son rôle était direct ou indirect. J'ai pu démontrer que son implication se faisait en amont de l'activité a-sécrétase. De plus, grâce à la mise au point d'un dosage fluorimétrique de l'activité a-sécrétase j'ai pu montrer qu'un autre candidat potentiel, ADAM9, intervenait aussi dans cette voie mais vraisemblablement dans le contrôle de l'hydrolyse (shedding) d'ADAM10
Alzheimer's disease (AD) is characterized by the cortical and subcortical accumulation of proteinaceous deposits called senile plaques. The main constituent of these aggregates is referred to as amyloid b peptide (Ab). Ab is generated from the b amyloid precursor protein (bAPP) by the subsequent attacks by b- and g-secretases, which liberates the N- and C-terminal moieties respectively by a process called the amyloidogenic pathway. In the non-amyloidogenic pathway, a-secretase cleaves APP within the b-amyloid peptide, thereby preventing deposition of the intact amyloid peptide. Inhibition of b- and g-secretase, or stimulation of a-secretase, is a rational strategy for therapeutic intervention in AD. The work presented in this thesis was aimed to study the cellular biology and the pharmacology of these three secretases. Concerning b-secretase, I contributed to the design of a novel fluorimetric assay which confirmed the identity of BACE1 and BACE2 as b-secretase whereas cathepsin D proved to be a b-secretase " false positive " candidate. Our fluorimetric assay allowed us to identify two generations of new inhibitors. The first generation was a series of peptidomimetic statine-derived compounds. One of them, JMV1195, appeared potent and rather selective in vitro but was unable to block cellular b-secretase activity. Thus, we have designed a new permeable inhibitor, JMV2764 that corresponds to a derivative of JMV1195 to which a penetratin sequence had been added at its N-terminus. JMV2764 was able to affect BACE1 activity in vitro, and to modify Ab production in various cell systems. In a second part of my work, I developed an original cellular approach to study the g-secretase activity. BAPP undergoes two hydrolysis by g-secretase, at the C-terminus of Ab (g-site) and few residues C-terminal to the g-site (e-site). This e-cleavage resembles the S3 Notch cleavage. It appeared of most interest to discriminate the two g-secretase activities on bAPP to study them separately. I developed a cellular model based on the expression of the e-secretase-derived N-terminal fragment of bAPP (APPe) and I showed that APPe was a useful tool to study g-secretase activities and to design specific inhibitors without facing any rate-limiting effect of e-secretase-derived cleavage. Finally, I was interested in the a-secretase identity. Two disintegrin, ADAM10 and ADAM17 were identified as a-secretases. ADAM10 is involved in constitutive and regulated pathway and ADAM17 in the regulated pathway. Initially, I observed that in absence of ADAM10, constitutive secretion strongly decrease without totaly disappearing. I could show that the prohormone convertase 7 (PC7) acted upstream of a-secretase. Moreover, thanks to the development of a fluorimetric assay of a-secretase activity I demonstrated that ADAM9 participate in this pathway due its involvement in the shedding of ADAM10

Une des caractéristiques histopathologiques de la maladie d'Alzheimer (AD) est la présence de plaques amyloïdes formées par les peptides amyloïdes β (Aβ) de 40 et 42 résidus, qui sont les produits de clivage par des protéases de l'APP. Afin de comprendre le rôle des variations structurelles du TM dans le traitement de l'APP, les peptides APP_TM4K ont été étudiés dans la bicouche lipidique en utilisant l’ATR-FTIR et ssNMR. Tandis que la structure secondaire globale du peptide APP_TM4K est hélicoidale, hétérogénéité de conformation et d'orientation a été observée pour le site de clivage γ et , que peuvent avoir des implications dans le mécanisme de clivage et donc dans la production d’Aβ. Les peptides Aβ s'agrègent pour produire des fibrilles et aussi de manière transitoire d'oligomères neurotoxiques. Nous avons constaté qu'en présence de Ca2+, l’Aβ (1-40) forme de préférence des oligomères, tandis qu'en absence de Ca2+ l'Aβ (1-40) s’agrège sous forme de fibrilles. Dans les échantillons sans Ca2+, l’ATR-FTIR révèle la conversion des oligomères en feuillets β antiparallèles en la conformation caractéristique des fibrilles en feuillets β parallèles. Ces résultats nous ont amené à conclure que les Ca2+ stimulent la formation d'oligomères d'Aβ (1-40), qui sont impliqués dans l’AD. Les positions et une orientation précise de deux nouveaux médicaments puissants modulateurs de la γ-sécrétase - le benzyl-carprofen et le sulfonyl-carprofen  dans la bicouche lipidique, ont été obtenus à partir des expériences des ssNMR. Ces résultats indiquent que le mécanisme probable de modulation du clivage par la y-sécrétase est une interaction directe avec le domaine TM de l’APP
A histopathological characteristic of Alzheimer’s disease (AD) is the presence of amyloid plaques formed by amyloid β(A) peptides of 40 and 42 residues-long, which are the cleavage products of APP by proteases. To understand the role of structural changes in the TM domain of APP, APP_TM4K peptides were studied in the lipid bilayer using ATR-FTIR and ssNMR. While the overall secondary structure of the APP_TM4K peptide is helical, conformational and orientational heterogeneity was observed for the y- and for the -cleavage sites, which may have implications for the cleavage mechanism and therefore the production of Aβ. Starting from its monomeric form, Aβ peptides aggregate into fibrils and / or oligomers, the latter being the most neurotoxic. We found that in the presence of Ca2 +, Aβ (1-40) preferably forms oligomers, whereas in the absence of a2 + Aβ (1-40) aggregates into fibrils. In samples without Ca2 +, ATR-FTIR shows conversion from antiparallel β sheet conformation of oligomers into parallel β sheets, characteristic of fibrils. These results led us to conclude that Ca2 +stimulates the formation of oligomers of Aβ (1-40), that have been implicated in the pathogenesis of AD. Position and precise orientation of two new drugs  powerful modulators of γ-secretase  benzyl-carprofen and carprofen sulfonyl  in the lipid bilayer were obtained from neutron scattering and ssNMR experiments. These results indicate that carprofen-derivatives can directly interact with APP. Such interaction would interfere with proper APP-dimer formation, which is necessary for the sequential cleavage by β -secretase, diminishing or greatly reducing Aβ42 production