Atypical functions of Tau in physiological and pathological condition

La protéine Tau est impliquée dans de nombreuses maladies neurodégénératives regroupées sous le terme de Tauopathies dont la plus fréquente est la maladie d’Alzheimer (MA), qui est caractérisée, dans les phases précoces, par une augmentation du stress oxydant dans le cerveau des patients. L’accumulation d’espèces réactives de l’oxygène (ou ROS) dans les neurones mène notamment à l’apparition de dommages au niveau de leur ADN génomique. Les neurones ne se divisant pas, l’accumulation de dommages non réparés au niveau de la molécule d’ADN induit, à terme, des conséquences importantes sur leur fonctionnement. Cependant, les mécanismes impliqués dans l’accumulation de dommages à l’ADN neuronal dans la MA ne sont pas élucidés. La MA est également caractérisée par la présence de protéine Tau hyper et anormalement phosphorylée. Cette protéine Tau pathologique s’agrège et forme les « dégénérescences neurofibrillaires » (ou DNF). Les mécanismes conduisant à l’agrégation de Tau dans les cerveaux Alzheimer demeurent encore peu connus. Néanmoins, il est maintenant admis que bien plus que les agrégats insolubles, ce sont des petites formes oligomériques de Tau qui sont toxiques dans les neurones.Tau peut se localiser dans les conditions physiologiques au niveau de la membrane plasmique et au sein du noyau des neurones. Dans le laboratoire, il a été montré dans des cultures primaires de neurones murins que Tau joue un rôle essentiel dans la protection de l’ADN génomique neuronal en condition de stress. Le premier objectif de cette thèse était de savoir si in vivo Tau joue un rôle protecteur vis-à-vis de l’ADN. Nous avons donc mis au point un modèle murin de stress hyperthermique, stress induisant la formation de ROS. Nous avons ainsi validé in vivo la fonction protectrice de Tau vis-à-vis de l’ADN génomique. Nous avons également mis en évidence que l’absence de Tau altérait l’intégrité d’ARN cytoplasmiques et nucléaires en condition de stress, ce qui suggère que Tau pourrait jouer un rôle dans le contrôle qualité des ARN. Le deuxième objectif était d’évaluer l’impact de la pathologie Tau sur sa fonction protectrice de l’ADN. Notre hypothèse était que la pathologie Tau pourrait avoir un rôle délétère sur sa fonction protectrice de l’ADN génomique. L’impact de la pathologie Tau a alors été évalué in vivo dans un modèle de souris transgéniques (THY-Tau22). Nos résultats indiquent que dans les neurones hippocampiques soumis à un stress hyperthermique et possédant une pathologie de Tau précoce, il y a la perte de la fonction protectrice de Tau vis-à-vis de l’intégrité des acides nucléiques. Par ailleurs, nous avons observé qu’une augmentation de ROS jouait le rôle d’agent inducteur in vivo dans la formation de petits oligomères de Tau dans le cytoplasme et le noyau de neurones hippocampiques. De façon intéressante nous avons observé une corrélation entre les neurones possédant des dommages aux acides nucléiques et la formation de petits oligomères de Tau. Ces résultats mettent en lumière l’existence d’une fenêtre temporelle critique où une augmentation du stress oxydant induit conjointement l’oligomérisation de Tau et la formation de dommages aux acides nucléiques dans des neurones présentant une pathologie précoce. Ceci suggère que des formes oligomériques de Tau seraient impliqués dans l’altération des acides nucléiques.Les phospholipides peuvent également servir d’agent inducteur pour l’oligomérisation de Tau. Ils sont retrouvés dans les membranes. Les radeaux lipidiques sont des microdomaines de la membrane plasmique riches en sphingolipides et en cholestérol qui pourraient servir de point de nucléation pour l’oligomérisation de Tau. Avant de pouvoir répondre à cette question, le troisième objectif a été d’étudier l’état de phosphorylation de Tau associée aux radeaux lipidiques. Nos résultats indiquent que dans le cortex de patients atteints de la MA, la protéine Tau associée aux radeaux lipidiques est hyperphosphorylée et oligomérisée.Tau protein is involved in neurodegenerative diseases called tauopathies. The most frequent tauopathies is Alzheimer's disease (AD). This dementia is characterized, in the early phases, by an increase of oxidative stress in the brain of patients. The accumulation of reactive oxygen species (ROS) in neurons leads to the appearance of damage to genomic DNA. Neurons do not divide, so unrepaired DNA damage will have important consequences on neuronal functioning. However, mechanisms involved in DNA damage accumulation in AD have not been deciphered.AD is also characterized by the presence of hyper and abnormally phosphorylation of Tau protein. Pathological Tau forms aggregates and leads to the formation of neurofibrillary tangles. However, mechanisms involved in the intracellular aggregation of Tau in AD brains remain unknown. Nevertheless, it is now admitted that, much more than insoluble aggregates of Tau, small oligomers are the toxic form of Tau.Tau protein is mainly known for its MAP (Microtubule Associated Protein) function. However, in physiological condition, it can also be located at the plasmic membrane level and in neurons nucleus and therefore may have others functions. A new function of Tau was revealed in the laboratory. It was shown that Tau plays an essential role in neuronal genomic DNA protection in stress condition. This study was performed in primary neuronal cultures of embryonic mice neurons. The first objective of this thesis was to challenge the DNA protective function of Tau in vivo. To answer this question, we designed a murine model of hyperthermic stress which leads to the formation of ROS. Using this model, we showed that Tau is able to protect in vivo the genomic DNA of hippocampal neurons of mice submitted to hyperthermic stress. We also highlighted the fact that Tau deficiency alters the integrity of cytoplasmic and nuclear ARN suggesting that Tau could play a role in quality control of RNA. Our second objective was to study if Tau pathology has a deleterious impact on its DNA protective function. The impact of Tau pathology has been analyzed in the transgenic mouse model THY-Tau 22 mice. Our results indicate that an increase of ROS induces the loss of the nucleic acid protective function of Tau selectively in early stages of Tau pathology. We also observed that hyperthermic stress plays an inducing role in vivo in the formation of small Tau oligomers in the nuclei and the cytoplasm of hippocampal neurons. Interestingly, we observed a correlation between nucleic acid damage and the formation of Tau oligomers suggesting that oligomers would be the toxic forms of Tau involved in the alteration of nucleic acid integrity. These results bring to light the existence of a critical time window where an increase of ROS induces both Tau oligomerization and nucleic acid damage in neurons displaying early Tau pathology.Phospholipids, which are principally found in membranes, can be an inducing agent for Tau oligomerization. Lipid rafts are microdomains of the plasmic membrane, which are rich in sphingolipids, and cholesterol. A hypothesis is that lipid rafts could be a nucleation point for Tau oligomerisation. Before being able to answer this question, the third objectif was to study the phosphorylation and conformational state of Tau associated with rafts in physiological and pathological conditions. Our results indicate that in the cortex of AD patients, Tau associated to lipid rafts is hyperphosphorylated, abnormally conformed and oligomerized