Vers une compréhension des modes d’action des peptides impliqués dans la maladie d’Alzheimer sur des membranes modèles

Abstract

La maladie d'Alzheimer (MA) est une neuropathologie complexe qui constitue la principale forme de démence chez l'être humain. Étroitement associée au vieillissement, elle se manifeste par une perte progressive de la mémoire et des fonctions cognitives. Avec 30 millions d’individus concernés au niveau mondial et des estimations voyant ce chiffre quadrupler d'ici 2050, elle constitue aujourd’hui une menace sociétale majeure. L’atrophie cérébrale observée chez les patients atteints de la MA est la conséquence d’un long processus de neurodégénérescence qui intervient au niveau moléculaire et s’amorce bien avant l’apparition des symptômes. Deux marqueurs histopathologiques ont été identifiés comme étant associés à ce processus : les plaques séniles, composées du peptide Abêta1-42 et les dégénérescences neurofibrillaires constituées de la protéine Tau. Ces deux molécules, considérées comme les protagonistes décisifs du développement de la MA, concentrent les recherches afin de mieux comprendre leurs rôles dans le processus neurodégénératif et pouvoir mettre en place des solutions thérapeutiques, inexistantes à ce jour. Un des axes de recherche majeurs se focalise sur l’interaction de ces molécules avec la membrane plasmique. L’occurrence d’un tel phénomène pourrait potentiellement être en cause dans la mort neuronale s’il s’avérait délétère. Il est donc capital d’étudier en détail ces processus afin d’identifier les facteurs qui pourraient conduire Abêta1-42 et Tau à endommager l’intégrité des membranes. De nombreux travaux ont démontré que certains lipides pouvaient promouvoir ces interactions. Cependant, les conclusions sont parfois divergentes et un consensus commun reste à trouver quant à leurs rôles. Ce travail de thèse s’est consacré à l’étude des modes d’action du peptide Abêta1-42 et d’un fragment clé de la protéine Tau, le peptide K18, sur des membranes modèles, en se focalisant principalement sur l’influence de certains lipides. Afin d’élucider les mécanismes qui régissent ces phénomènes, les processus de solubilisation membranaire ont dans un premier temps été étudiés avec des molécules amphiphiles bien caractérisées : les détergents. Cette étude a permis d’établir que les phénomènes de solubilisation membranaire peuvent varier en fonction de la composition membranaire et démontrer de la sélectivité lors de l’extraction lipidique. Le cœur du projet était de visualiser les effets des peptides amyloïdes Abêta1-42 et K18 sur des modèles membranaires, les bicouches supportées, avec pour principale technique d’investigation la microscopie à force atomique. Elle nous a permis d’observer ces phénomènes in situ, en conditions physiologiques et à l’échelle sub-micrométrique. Nous avons pu montrer que la composition membranaire était un facteur pouvant moduler l’interaction avec Abêta1-42. L'étude établit que les domaines lipidiques favorisent les perturbations membranaires induites par le peptide. Il est proposé que des défauts d'empilement lipidiques aux interfaces de ces domaines agissent comme des sites d'adsorption du peptide, menant à la destruction des membranes. En utilisant la même approche, avec des compositions lipidiques plus en adéquation avec la protéine Tau, nous avons pu observer que K18 induisait également des effets de perturbation en fonction de la nature des lipides dans la membrane et des propriétés qui leurs sont associées. Dans les deux cas, nous montrons les effets délétères que peuvent induire ces peptides, qui se manifestent par des effets de solubilisation comparables à ceux des détergents et qui sont dépendants de la composition des membranes. L’agrégation des peptides, qui peut conduire à leur fibrillation, n’a également été mise en évidence qu’en présence de lipides spécifiques. Ce travail de thèse apporte de nouvelles informations sur l’importance des lipides et leurs capacités à pouvoir moduler les interactions avec les peptides Abêta1-42 et K18. Par extension aux membranes cellulaires, ces phénomènes pourraient potentiellement être associés aux processus neurodégénératifs complexes impliqués dans la MA.

Alzheimer’s disease is a complex neuropathological disorder that constitutes the prime form of dementia. Intimately related to ageing, it is associated to the gradual loss of memory and cognitive functions in individual suffering from the pathology. With nearly 30 million people concerned today, and the alarming trends predicting this figure to increase fourfold by 2050, Alzheimer’s disease will constitute a major burden for our societies in the upcoming decades. The cerebral atrophy occurring within the brain results from slow and progressive neurodegenerative mechanisms triggered many years before the appearance of the first symptoms. Two histopathological markers have been identified as strongly associated to the neurodegeneration: the senile plaques, majorly composed of the amyloid peptide Abeta1-42, and the neurofibrillary tangles, constituted of the abnormally phosphorylated form of Tau protein. These two molecules, hence considered as the main culprits of the disease, are therefore under the spotlight of researchers who try to better understand their respective roles in the neurodegeneration process and uncover therapeutic solutions to a still uncurable disease. One of the promising research axis is focusing on the interplay between these molecules and the plasma membrane as potential interactions could convincingly rationalize the neural cell deaths if they happened to be deleterious. Therefore, investigate these interactions in detail is of primary importance to identify the factors that might drive Abeta1-42 and Tau to cause damages on membranes. A strong body of evidences has demonstrated that certain lipids could promote these interactions and are then suspected to be involved into detrimental phenomena. However, numerous results appear to be contradicting and consensual conclusions are still lacking. This PhD was dedicated to the investigation of the effects of Abeta1-42 and K18, a key peptide fragment of Tau protein, on membranes with a particular focus on the influence of lipids. The aim of this work was to elucidate the action mechanisms of these peptides. To first comprehend how membrane damages can be induced, we first focused on the solubilising ability of extensively used amphiphile agents: detergents. As a first study, we revealed that the membrane composition and the physicochemical properties of lipids play an important role in driving the solubilisation of the bilayer, a process that can even lead to a selectivity during the lipid extraction. The core part of the project was to visualize the effects of the amyloid peptides Abeta1-42 and K18 on supported lipid bilayers, used as membrane models, using atomic force microscopy as an investigation technique. With its high spatial resolution and its ability to operate in physiological milieu, this approach has shown that the membrane composition could promote membrane disruption induced by Abeta1-42 oligomers in a lipid-dependent manner. More importantly, we propose that packing defects at the interface of membrane domains act as adsorption and nucleation sites leading to membrane damages. Using the same strategy, we observed that K18 could also induce solubilisation phenomenon and demonstrated to be sensitive to the lipid nature. In both cases, we have highlighted that these peptides could be detrimental to supported lipid bilayers and that their disruptive abilities, associated to detergent-like mechanisms, were intimately dependent of lipids. We also show that the aggregation, a phenomenon that can lead to the peptide fibrillation can only be triggered in presence of certain lipids. This work provides important insights about the decisive role of the membrane composition in modulating interactions with the Abeta1-42 and K18. This interplay could constitute one of the numerous factors that promote neurotoxic phenomena, taking part in the complex neurodegenerative processes associated to Alzheimer’s disease.