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Altération de la réponse cérébrale à l'insuline chez les souris transgéniques exprimant l'allèle epsilon-4 de l'apolipoprotéine E humaine

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Academic year: 2021

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Altération de la réponse cérébrale à l'insuline chez les

souris transgéniques exprimant l'allèle ε4 de

l'apolipoprotéine E humaine

Mémoire

Marie-Thérèse Traversy

Maîtrise en sciences pharmaceutiques

Maître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

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Résumé

La maladie d’Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative incurable, dont le principal facteur de risque génétique est l’isoforme epsilon-4 du gène de l’apolipoprotéine E (APOE4). La littérature rapporte une insulinorésistance cérébrale chez les patients atteints de la MA, associe APOE4 à des particularités dans la signalisation de cette hormone et montre que les patients APOE4 ne bénéficient pas d’un traitement intranasal à l’insuline, contrairement aux autres génotypes APOE. L’hypothèse que nous avons émise est qu’il y aurait des différences dans la réponse cérébrale à l’insuline entre les souris transgéniques APOE3 et

APOE4. Nous avons vérifié l’effet d’une injection d’insuline sur leur comportement et sur la concentration de

différentes protéines impliquées dans la signalisation de l’hormone et le développement de la MA. Nos résultats suggèrent une altération dans la réponse cérébrale à l’insuline chez les souris APOE4, qui pourrait entraîner l’hyperphosphorylation de la protéine tau, un marqueur neuropathologique de la MA.

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Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is a incurable neurodegenerative disorder for which epsilon-4 isoform of apolipoprotein E gene (APOE4) is the main genetic risk factor. Previous studies have shown cerebral insulin resistance in AD patients and an association between APOE4 genotype and insulin brain signaling defects. Intranasal insulin treatment improves cognition in non-carriers of APOE4 but has no beneficial effects on

APOE4 carriers. We hypothesized that brain insulin response would differ between APOE3 and APOE4

transgenic mice. We verified the effect of a single acute insulin injection on the behaviour and concentration of different proteins involved in insulin signaling and AD development in these mice. The results of our study suggest an altered cerebral insulin response in transgenic mice expressing the human APOE4 isoform, that could possibly lead to tau hyperphosphorylation, a neuropathological marker for AD.

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Table des matières

Résumé ... iii

Abstract ... v

Table des matières ... vii

Liste des tableaux... ix

Liste des figures ... xi

Liste des abréviations ... xiii

Remerciements ... xix Avant-propos ... xxi Chapitre 1 : Introduction ... 1 1.1) La maladie d’Alzheimer ... 1 1.1.1) Facteurs de risque ... 1 1.1.1.1) Génétiques ... 1 1.1.1.2) Environnementaux ... 3 1.1.2) Neuropathologie ... 4 1.1.3) Traitements pharmacologiques ... 7

1.2) Le facteur de risque APOE4 ... 8

1.2.1) Impact sur la cognition ... 11

1.2.2) Interaction avec les marqueurs neuropathologiques de la MA ... 12

1.2.2.1) Clairance déficiente et accumulation d’Aβ ... 12

1.2.2.2) Accumulation de tau hyperphosphorylé ... 13

1.2.3) Interaction avec les facteurs de risque environnementaux de la MA ... 14

1.2.4) Impact sur l’intégrité de la barrière hémato-encéphalique ... 15

1.2.5) Interaction avec la signalisation cérébrale de l’insuline ... 16

1.3) L’insuline ... 18

1.3.1) La résistance à l’insuline ... 20

1.3.2) La résistance à l’insuline dans la MA ... 20

1.3.3) L’insuline comme traitement dans la MA ... 21

1.4) Problématique, objectifs et hypothèses ... 24

Chapitre 2 : Altered cerebral insulin response in transgenic mice expressing the epsilon-4 allele of human apolipoprotein E gene. ... 27

2.1) Résumé... 27

2.2) Abstract ... 29

2.3) Introduction ... 30

2.4) Materials and methods ... 32

2.4.1) Animals ... 32

2.4.2) Insulin sensitivity ... 33

2.4.3) Brain capillary isolation ... 33

2.4.4) Tissue preparation for post-mortem analyzes ... 34

2.4.5) Western immunoblotting ... 34

2.4.6) Behavioural assessment ... 35

2.4.6.1) Recognition memory assessment ... 35

2.4.6.2) Anxiety assessment ... 35

2.4.6.3) Locomotor activity assessment ... 36

2.4.7) Statistical analysis ... 36

2.5) Results ... 36

2.5.1) APOE genotype does not modulate peripheric insulin sensitivity in APOE mice ... 36

2.5.2) Insulin does not modulate memory, anxiety and motor functions in APOE mice ... 37

(8)

2.5.4) Insulin does not influence proteins involved in Aβ brain transport ... 38

2.5.5) APOE4 have higher tau pSer202 concentration than APOE3 mice following an acute insulin injection ... 38

2.5.6) Insulin has no effect on its signaling in brain capillaries of APOE mice ... 39

2.6) Discussion ... 39

2.6.1) Greater brain response to insulin in APOE4 mice ... 40

2.6.2) Increase in tau phosphorylation could contribute to the progression of AD-like pathology in APOE4 mice ... 40

2.6.3) Enhanced insulin response might contribute to raise tau phosphorylation in APOE4 mice ... 41

2.6.4) Insulin as a therapeutical tool in AD ... 41

2.7) Author’s contribution ... 42

2.8) Acknowledgments and conflict of interest disclosure ... 42

2.9) References ... 43

2.10) Figures and legends ... 49

2.11) Supplementary material ... 56

Chapitre 3 : Matériel et méthodes : notes supplémentaires ... 57

3.1) Modèle animal ... 57

3.2) Test de tolérance à l’insuline ... 58

3.3) Tests comportementaux ... 59

3.3.1) Test de reconnaissance d’objets ... 59

3.3.2) Test de la boîte à deux compartiments ... 60

3.3.3) Test d’activité en champ libre ... 61

3.4) Sacrifice des animaux ... 61

3.5) Technique de déplétion capillaire... 62

3.6) Technique d’extraction protéique ... 63

3.7) Immunobuvardage de type Western ... 63

3.8) Analyses statistiques ... 64

Chapitre 4 : Discussion ... 65

4.1) Retour sur les résultats ... 65

4.1.1) Effet de l’insuline sur le comportement ... 65

4.1.2) Réponse à l’insuline ... 66

4.1.2.1) En périphérie ... 66

4.1.2.2) Au cerveau ... 66

4.1.3) Effet de l’insuline sur la phosphorylation de la protéine tau ... 67

4.1.4) Effet de l’insuline sur les concentrations de RAGE et LRP1 ... 68

4.2) Interprétation des résultats ... 69

4.2.1) Augmentation de la réponse cérébrale à l’insuline chez les souris APOE4 ... 69

4.2.2) L’augmentation de la phosphorylation de tau chez les souris APOE4 pourrait contribuer à la progression d’une pathologie s’apparentant à la MA ... 70

4.2.3) L’altération de la réponse cérébrale à l’insuline pourrait contribuer à augmenter la phosphorylation de tau chez les souris APOE4 ... 70

4.3) Limitations et perspectives ... 71

4.4) Conclusion ... 73

Bibliographie ... 75

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Liste des tableaux

Chapitre 1

Tableau 1 : Fréquences alléliques de la population générale et de la population Alzheimer pour le gène

APOE. Adapté de Farrer et al. 1997. ... 3

Chapitre 2

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Liste des figures

Chapitre 1

Figure 1 : Structure des isoformes APOE3 (droite) et APOE4 (gauche) de l’apolipoprotéine E. Tiré de Mahley et al. 2009. ... 9

Figure 2 : Schéma récapitulatif des liens établis dans la littérature entre le génotype APOE4 et divers aspects en lien (ou potentiellement en lien) avec la MA. ..………18

Figure 3 : Implication des voies de signalisation de l’insuline dans la phosphorylation de la protéine tau. ..19

Figure 4 : (A) Index de reconnaissance de souris 3xTg-AD ayant reçu une injection intrapéritonéale (IP) d'insuline (1IU/kg) ou de salin, 2h précédant le test de reconnaissance d'objets. (B) Niveau d’Aβ42 soluble dans le cortex de souris 3xTg-AD ayant reçu une injection intraveineuse (IV) d’insuline (3,8 IU/kg) ou de salin, 5 minutes précédant le sacrifice. Tiré de Vandal et al. 2014b. ... 22 Figure 5 : Moyenne des résultats des tests de mémoire Story Recall Test (A) et Hopkins Verbal Learning

Test (B) chez des patients non-porteurs et porteurs d’APOE4, 15 minutes après avoir reçu un placebo

(salin) ou différentes doses d’insuline sur 5 matins séparés d’une à 6 semaines. Adapté de Reger et al. 2008. ... 23

Chapitre 2

Fig. 1 : No difference in insulin sensitivity between APOE3 and APOE4 mice at 12 months of age. ... 49 Fig. 2 : Lower object recognition memory in APOE4 compared to APOE3 mice at 12 months of age: no effect of insulin. ... 50 Fig. 3 : Response to insulin : APOE4 mice have an increased pAKT concentration in the cortex compared to

APOE3 mice at 12 months of age. ... 51

Fig. 4 : No effect of insulin on phosphatases concentration in the cortex of APOE3 and APOE4 mice at 12 months of age. ... 52 Fig. 5 : No effect of insulin on RAGE concentration in the cortex of APOE3 and APOE4 mice at 12 months of age. ... 53 Fig. 6 : Insulin increases tau pSer202 concentration in the cortex of APOE4 mice compared to APOE3 mice at 12 months of age. ... 54 Fig. 7 : No effect of insulin on protein concentrations in brain capillaries of APOE3 and APOE4 mice at 12 months of age. ... 55

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Chapitre 3

Figure 6 : Stratégie de remplacement génique ciblé employée pour remplacer des séquences codantes d’APOE murin par des séquences codant pour l’APOE3 humain (huE3). Recombinaison homologue entre le locus d’APOE murin endogène (A) et la construction de ciblage (B) résultant en un gène chimérique (C) où la séquence codante du gène APOE murin a été remplacée par la région codante d’APOE3 humain équivalente. Tiré et traduit de Sullivan et al. 1997. ... 57 Figure 7 : Schéma du test de tolérance à l’insuline (1 UI/kg de poids corporel). ... 59 Figure 8 : Schémas des tests comportementaux : reconnaissance d’objets (A), boîte à deux compartiments

(B) et activité en champ libre (C). ... 61 Figure 9 : Conséquences d’une signalisation cérébrale altérée de l’insuline chez les souris APOE4 (suite à une injection d’insuline). ..………71

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Liste des abréviations

ε Epsilon

ω-3 Oméga-3

μm Micromètre

aa Acide aminé

Aβ Peptide bêta-amyloïde AKT Protéine kinase B ANOVA Analysis of variance

APO Apolipoprotéine

APOE Apolipoprotéine E

APOE3 Isoforme epsilon-3 du gène de l’APOE

APOEε3 Allèle ε3 du gène de l’APOE

APOE4 Isoforme epsilon-4 du gène de l’APOE

APOEε4 Allèle ε4 du gène de l’APOE APP Protéine précurseur de l’amyloïde

Arg Arginine

ARNm Acide ribonucléique messager BCA Acide bicinchoninique

BHE Barrière hémato-encéphalique BSA Albumine de sérum bovin

°C Degré Celsius

14C-DHA DHA marqué au carbone 14 DCL Déficit cognitif léger

DCLa DCL de type amnésique DHA Acide docosahexaénoïque

DMEM Milieu minimum essentiel de Eagle modifié par Dulbecco DT2 Diabète de type 2

ELISA Méthode immuno-enzymatique (enzyme-linked immunosorbent assay) ERK Extracellular signal-regulated kinases

FBS Sérum bovin foetal Glu Acide glutamique

GSK3β Glycogène synthase kinase 3-bêta HbA1c Hémoglobine glyquée

HDL Lipoprotéine de haute densité HOMA Homeostasis model assessment

HRP Enzyme peroxydase de raifort IDE Enzyme de dégradation de l’insuline IgIV Immunoglobuline intraveineuse IP Intrapéritonéal

IRMf Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ITT Test de tolérance à l’insuline

IV Intraveineux

JNK Protéine kinase c-Jun N-terminal KCl Chlorure de potassium

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LDLR Ligand du récepteur de la lipoprotéine de basse densité LRP1 Low density lipoprotein receptor-related protein 1

MA Maladie d’Alzheimer

MAPK Protéine kinase activée par mitogène MCA Maladie coronarienne athérosclérotique mol/L Moles par litre

mmol/L Milimoles par litre

mTor Cible mammalienne de la rapamycine NaCl Chlorure de sodium

NEP Néprilysine

NMDA N-méthyl-D-aspartate ns Non significatif

PBS Tampon phosphate salin

PCIS Technique de perfusion cérébrale in situ PDK Pyruvate déshydrogénase kinase PI3K Phosphatidylinositol 3-kinase

PP2Ac Sous-unité catalytique de la protéine phosphatase 2A PP2B Protéine phosphatase 2B

PSEN Préséniline

pSer Sérine phosphorylée pThr Thréonine phosphorylée pTyr Tyrosine phosphorylée PVDF Difluorure de polyvinylidène

RAGE Receptor for advanced glycation endproducts

RI Résistance à l’insuline

RIPA Radioimmunoprecipitation assay

RO Reconnaissance d’objets SEM Erreur standard de la moyenne

Ser Sérine

SNPs Polymorphismes nucléotidiques

Thr Thréonine

UI Unité internationale

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La sagesse, c'est d'avoir des rêves suffisamment grands pour ne pas les perdre de vue lorsqu'on les poursuit.

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À mes parents, Ninon et Denis, pour tout l’amour qu’ils m’ont transmis. À la mémoire de mon grand-père Mozart.

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Remerciements

Une multitude de gens passionnés et dévoués ont collaboré, de près ou de loin, à la réalisation de ce mémoire et je tiens sincèrement à les remercier pour leur précieuse contribution.

D’abord, merci à mon directeur de recherche, Dr. Frédéric Calon, de m’avoir accueilli dans une si belle équipe et d’avoir permis l’existence d’un équilibre entre encadrement et liberté. Un immense merci à Milène Vandal pour son accompagnement et tout le temps qu’elle m’a accordé afin que je puisse mener ce projet à terme en repoussant mes limites. Milène, tu m’as appris que presque tout est possible même si ça ne semble pas toujours l’être. Ça me suivra très longtemps et je ne te remercierai jamais assez pour cela. Merci à Cyntia Tremblay de m’avoir transmis des parcelles de son savoir en début de parcours et à Dr. Vincent Émond pour ses conseils, sa présence en cas de besoin et son humour.

Remerciements à mes collègues pour leur bel esprit d’équipe et l’agréable ambiance de travail qui en résulte. Ce fut un plaisir de vous côtoyer et de travailler en votre présence. Merci à Katherine Coulombe d’avoir été une partenaire d’étude et une voisine de bureau toujours de bonne humeur. Une petite mention spéciale à Marine Tournissac, Ariane Giguère-Rancourt et Jessica Virgili pour leur coup de main fort apprécié en fin de projet.

J’aimerais également souligner le dévouement du personnel de l’animalerie du CHUL, sans qui nous ne pourrions mettre sur pied de tels projets. Des mercis particuliers à Sonia Francoeur pour sa précieuse assistance technique et nos petites jasettes, à Nathalie Alain pour ses bons conseils et son sourire contagieux ainsi qu’à Stéphanie Bernard pour son temps et son attention. J’aimerais également remercier la Faculté de pharmacie de l’Université Laval pour le soutien financier qu’elle m’a offert en m’octroyant une bourse du Fonds de recherche et d’enseignement (FER).

Merci aux meilleurs amis du monde pour votre belle amitié, votre support constant, vos petits mots d’encouragement. En terminant, j’aimerais dédier ce mémoire à mes amours de toujours, mes merveilleux parents. Merci pour tout. Je vous aime infiniment.

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Avant-propos

L’avant-propos suivant résume les travaux effectués au cours de mes études de deuxième cycle en sciences pharmaceutiques, ayant comme objectif principal de vérifier les effets de l’insuline sur les fonctions cognitives et les concentrations de protéines impliquées dans les voies de signalisation de l’insuline et dans la maladie d’Alzheimer (MA), chez les souris transgéniques APOE3 et APOE4.

Le premier chapitre de ce mémoire est une introduction aux notions de base de mon projet de maîtrise, afin de fournir aux lecteurs les connaissances nécessaires à une bonne compréhension de l’étude. Une revue de la littérature concernant l’apolipoprotéine E, la MA et l’insuline ainsi que les liens unissant ces trois sujets y est présentée. Les hypothèses de recherche ainsi que les principaux objectifs de l’étude sont mentionnés à la fin du chapitre.

Le second chapitre présente l’article scientifique rassemblant la majorité des résultats obtenus au cours de mes cinq sessions de maîtrise. Le manuscrit est présentement en préparation et sera éventuellement soumis à un journal international. J’ai réalisé la totalité des expérimentations ayant mené aux résultats présentés dans cet article et j’en suis la première auteure. Milène Vandal, étudiante au doctorat et deuxième auteure de l’article, m’a appris à effectuer les tests de comportement, les tests de tolérance à l’insuline et la perfusion sur les animaux ainsi que les analyses biochimiques. Elle m’a guidée dans l’analyse statistique, la présentation des résultats et l’écriture de l’article. Elle a aussi contribué à l’élaboration du projet et à la correction de l’article. La troisième auteure du papier, Marine Tournissac, a réalisé des immunobuvardages de type Western afin de confirmer certains résultats. Dr. Frédéric Calon, dernier auteur, a élaboré le projet et corrigé l’article.

En complément à l’article, le troisième chapitre détaille la méthodologie et fournit aux lecteurs des précisions additionnelles et des explications étoffées concernant les techniques utilisées dans l’étude. Le modèle animal, le comportement ainsi que les analyses biochimiques et statistiques y sont décrits. Le quatrième et dernier chapitre du mémoire correspond à une discussion présentant une interprétation des résultats obtenus ainsi que leur positionnement par rapport à ceux de précédentes études. Les limitations du projet et quelques perspectives pour son éventuelle poursuite sont présentées en fin de chapitre. En annexe, est joint un bref résumé des projets parallèles auxquels j’ai contribué lors de mes études de deuxième cycle. Bonne lecture!

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Chapitre 1 : Introduction

1.1) La maladie d’Alzheimer

En 1906, le médecin allemand Alois Alzheimer fit la première description de lésions cérébrales chez une patiente présentant des atteintes neurologiques et de la démence. Les plaques et les enchevêtrements neurofibrillaires, qu’il avait observés au microscope, sont aujourd’hui considérés comme étant les principaux marqueurs neuropathologiques de la maladie qui porte son nom : la maladie d’Alzheimer (MA) (Maurer et al. 1997 ; Blennow et al. 2006 ; Caselli et al. 2006 ; Hardy 2006). Plus d’un centenaire après ces observations, la MA est toujours incurable. Maladie neurodégénérative la plus commune et principale cause de démence avec le vieillissement (Ghezzi et al. 2013), elle touche plus de 35 millions d’individus dans le monde (Querfurth & La Ferla 2010) et on prévoit que sa prévalence triplera dans les 40 prochaines années (Brookmeyer et al. 2007).

La MA peut exister sous deux formes principales, soit la forme sporadique (tardive) qui représente près de 95% des cas, soit la forme familiale (précoce) plutôt rarissime avec 5% des cas (Piaceri et al. 2013). La MA est une maladie à progression lente qui altère les fonctions cognitives, le comportement, le langage ainsi que les fonctions motrices des individus qui en souffrent (Tarawneh & Holtzman 2012). Il devient donc difficile, voir impossible pour le patient de vaquer à ses occupations quotidiennes lorsqu’il atteint le stade avancé de la maladie. Cette situation nécessite l’aide de l’entourage et de personnel soignant, engendrant des coûts importants pour le système de la santé (Zhu & Sano 2006 ; Diamond 2006). Il est donc impératif de mettre au point un traitement efficace contre cette maladie.

1.1.1) Facteurs de risque

1.1.1.1) Génétiques

La MA est une maladie fort complexe qui comporte de multiples causes et pour laquelle divers facteurs de risque entrent en jeu. Les formes familiales de la MA se transmettent génétiquement de façon autosomale dominante par le biais de mutations présentes sur les gènes impliqués dans la production du peptide bêta-amyloïde (Aβ) (Bertram & Tanzi 2008 ; Gessel et al. 2012). Ces mutations sur les gènes des présénilines (PSEN) 1 et 2 et du précurseur du peptide Aβ (APP) entraîneraient une agrégation accrue des peptides Aβ

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en oligomères et en fibrilles (Jarrett et al. 1993), en raison d’une augmentation de la production d’Aβ42 et/ou du ratio Aβ42/Aβ40 (Schellenberg & Montine 2012 ; Tanzi 2012 ; Potter et al. 2013). En effet, Aβ42 s’agrège davantage qu’Aβ40 (Jarrett et al. 1993).

Les facteurs de risque génétiques des formes sporadiques de la MA sont moins bien identifiés et semblent dépendre des variations alléliques de différents gènes (Bertram & Tanzi 2008). Il y a plus de vingt ans, un gène a été identifié comme facteur de risque de la MA (Saunders et al. 1993 ; Strittmatter et al. 1993a) et demeure le plus étudié à ce jour dans le développement de la maladie : il s’agit du gène de l’apolipoprotéine E (APOE) (Tanzi 2012). Ce dernier code pour l’apoE humaine, qui s’avère être un régulateur du transport et du métabolisme des lipides au niveau cérébral (Alaupovic 1982 ; Boyles et al. 1989 ; Hauser et al. 2011). Le gène APOE comporte de multiples polymorphismes mononucléotidiques (SNPs), dont trois qui prédominent et mènent aux principaux isoformes d’APOE : epsilon-2 (ε2), epsilon-3 (ε3) et epsilon-4 (ε4) (Weisgraber et al. 1981). Il existe donc des variations de quelques acides aminés pour chacun des trois allèles. Les positions 112 et 158 sont occupées par une cystéine dans le cas d’APOEε2 tandis que pour APOEε3, une cystéine et une arginine occupent respectivement ces places. Dans le cas d’APOEε4, on retrouve une arginine aux deux positions (Weisgraber et al. 1981). Ces différences dans la constitution allélique, minimes en apparence, sont pourtant suffisantes pour perturber la structure et la fonctionnalité d’ApoE (Hatters et al. 2006).

L’allèle APOEε4 (APOE4) représente d’ailleurs le principal facteur de risque de la MA sous sa forme sporadique et a également été associé à un risque accru d’être atteint de la forme familiale (Corder et al. 1993 ; Saunders et al. 1993 ; Strittmatter et al. 1993a ; Warzok et al. 1998). Cet allèle confère aux porteurs hétérozygotes un risque de développer la maladie 3,68 fois plus élevé qu’un porteur d’APOEε3 (APOE3) homozygote (www.alzgene.org 2011 (Bertram et al. 2007) ; Holtzman et al. 2012). Les individus homozygotes pour APOE4, constituant environ 2% de la population (Corder et al. 1993), ont un risque encore plus accentué avec un facteur de risque approximatif de 12 (Holtzman et al. 2012). Alors que la variation allélique ε4 confère un risque plus élevé pour la MA, le port d’APOEε2 (APOE2) tend plutôt à être associé à un risque moindre de développer la maladie avec un facteur de risque de 0,62 comparativement aux porteurs d’APOE3 (www.alzgene.org 2011 (Bertram et al. 2007) ; Holtzman et al. 2012). De plus, même en présence de la neuropathologie associée à la MA, les individus de génotype APOE2 sont protégés sur le plan cognitif (Berlau et al. 2007 ; Berlau et al. 2009). En effet, l’allèle APOEε2 est plutôt

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bénéfique pour la cognition, étant associé notamment à une réduction du risque de déclin cognitif (Blair et al. 2005) et de mémoire épisodique chez les adultes âgés (Wilson et al. 2002). Cependant, pour des raisons qui seront énoncées ultérieurement (voir section 3.1), le génotype APOE2 ne sera pas discuté en détail dans le présent ouvrage.

Au sein de la population Caucasienne générale, l’isoforme APOE3 est le plus commun avec une prévalence de 77,9%, alors que seulement 13,7% des individus qui la composent expriment l’isoforme

APOE4 (Tableau 1). Cependant, parmi les patients atteints de la MA, le génotype APOE4 est davantage

présent avec une fréquence avoisinant les 36,7%, ce qui met en évidence la prédominance de l’allèle ε4 au sein de cette maladie (Farrer et al. 1997).

Tableau 1 : Fréquences alléliques de la population générale et de la population Alzheimer pour le gène APOE. Adapté de Farrer et al. 1997. Allèle ε2 ε3 ε4 Fréquence générale 8,4% 77,9% 13,7% Fréquence dans la MA 3,9% 59,4% 36,7%

1.1.1.2) Environnementaux

En plus des facteurs de risque liés à la susceptibilité génétique, la forme sporadique de la MA peut être influencée par différents facteurs environnementaux qui peuvent potentialiser son développement. L’avancement en âge est le facteur environnemental le plus important puisque la maladie apparaît généralement après l’âge de 65 ans. À partir de 60 ans, le risque est de 1% et la prévalence de la maladie double tous les cinq ans, atteignant un risque de 40% vers l’âge de 85 ans (von Strauss et al. 1999). Le diabète de type 2 (DT2) est également un facteur de risque important pour la MA (Profenno et al. 2010 ; Cheng et al. 2012 ; Exalto et al. 2012 ; Hildreth et al. 2012 ; Wang et al. 2012). Les patients atteints de cette maladie, caractérisée par une résistance à l’insuline (RI), peuvent être jusqu’à deux fois plus à risque de développer la MA que les non diabétiques (Ott et al. 1996 ; Ott et al. 1999 ; Craft & Watson 2004). En effet, l’étude de Ott et al. révèle un risque relatif de MA de 1,9 (1,2 à 3,1 ; intervalle de confiance = 95%) pour les patients diabétiques, comparativement à ceux qui ne souffrent pas de diabète (Ott et al. 1999).

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De plus, des niveaux de cholestérol total élevés dans le sérum et le plasma ont été suggérés représenter un facteur de risque pour développer la MA (Pappolla et al. 2003). Toutefois, cette hypothèse n’est pas entièrement supportée par les données révélées suite à certaines études (Wood et al. 2005 ; Daviglus et al. 2010). Alors qu’une étude montre que les niveaux de cholestérol plasmatique des patients Alzheimer étaient approximativement 10% plus élevés que ceux des sujets contrôles (Popp et al. 2013), une étude précédente menée par la même équipe n’avait pas rapporté de différence entre les niveaux de cholestérol plasmatique chez ces deux groupes d’individus (Popp et al. 2012). L’usage de statines, hypolipidémiants prescrits afin d’abaisser le taux de cholestérol, n’a d’ailleurs pas été concluant dans la prévention et le traitement de la MA puisqu’aucun effet bénéfique, ni préjudiciable n’a été observé (McGuinness et al. 2013). L’hypothèse a été revue par Solomon et son équipe, qui en sont venus à la conclusion que présenter des taux élevés de cholestérol plasmatique, vers l’âge de 40-45 ans, est associé à un risque accru de MA (Solomon et al. 2009).

D’autres facteurs de risque environnementaux, comme une diète pauvre en oméga-3 (ω-3) et la sédentarité, pourraient influencer le risque de développer la MA. En effet, plusieurs études rapportent que la diète méditerranéenne et la consommation de poisson, apports notables en ω-3, réduiraient le risque de MA, ou du moins auraient un impact positif sur la préservation des fonctions cognitives au cours du vieillissement (Panza et al. 2004 ; Morris et al. 2005 ; Scarmeas et al. 2006 ; Kawas 2006). De plus, certains résultats montrent que la pratique régulière d’activités physiques préviendrait également le déclin cognitif (Laurin et al. 2001 ; Yaffe et al. 2001 ; Lytle et al. 2004).

1.1.2) Neuropathologie

La neuropathologie se manifeste par différents marqueurs, notamment deux types de lésions cérébrales : les plaques séniles (pathologie amyloïde) et les dégénérescences ou enchevêtrements neurofibrillaires (tauopathie) (Maurer et al. 1997 ; Blennow et al. 2006 ; Caselli et al. 2006 ; Hardy 2006). Tout d’abord, les plaques séniles, dites amyloïdes, se caractérisent par des dépôts denses de peptides Aβ (Aβ40-42) qui se localisent entre les neurones (Serrano-Pozo et al. 2011). Les peptides Aβ sont issus du clivage enzymatique de la protéine précurseur de l’amyloïde (APP) (Gralle et al. 2006). La production, l’élimination

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et la dégradation des peptides Aβ sont des mécanismes qui, en étant altérés, peuvent causer l’accumulation de ces peptides au cerveau.

Les formes solubles des oligomères d’Aβ sont suspectées être en mesure d’endommager le cerveau en perturbant le fonctionnement synaptique en premier lieu (Pham et al. 2010 ; Tomiyama et al. 2010). Il est possible qu’une cascade menant à la mort neuronale et impliquant l’activation des cellules microgliales et des astrocytes (Tomiyama et al. 2010), le stress oxydatif (De Felice et al. 2007) et la tauopathie (Ma et al. 2009 ; Tomiyama et al. 2010 ; Brouillette et al. 2012) soit ensuite enclenchée. Deux types de plaques peuvent résulter de l’accumulation et de l’agrégation cérébrales des peptides Aβ. Les plaques diffuses, principalement composées de peptides Aβ42, sont présentes chez les personnes âgées en santé (Knopman et al. 2003) et constitueraient les précurseurs des plaques séniles (Tagliavini et al. 1988 ; Yamaguchi et al. 1988). Les plaques neuritiques, dites séniles, sont celles qui caractérisent la pathologie amyloïde et leur densité, dans le cerveau de patients atteints de la MA, corrèle avec les déficits cognitifs observés chez ces individus (Tremblay et al. 2007 ; Nelson et al. 2012). D’ailleurs, les concentrations d’Aβ42 ont été associées à l’expression clinique de la MA (Tremblay et al. 2007).

Les dégénérescences neurofibrillaires, aussi appelées enchevêtrements neurofibrillaires, sont des agrégats intraneuronaux de protéine tau, résultant de l’hyperphosphorylation de cette protéine (Brion et al. 1985 ; Grundke-Iqbal et al. 1986 ; Buée et al. 2000 ; Serrano-Pozo et al. 2011). Ces paires de filaments hélicoïdaux sont présentes en quantité importante dans le cerveau des patients atteints de la MA (Kidd 1963 ; Wisniewski et al. 1976). La protéine tau, généralement sous forme d’agrégats insolubles, possède de multiples sites de phosphorylation et est essentielle au maintien des microtubules. L’altération de sa structure perturbe le transport axonal et, par conséquent, la communication interneuronale (Hyman & Trojanowski 1997). La protéine possède 85 résidus qui sont sujets à être phosphorylés (Morishima-Kawashima et al. 1995 ; Hanger et al. 2007) et sa capacité de liaison aux microtubules est contrôlée par son degré de phosphorylation (Khatoon et al. 1994).

Toutefois, une phosphorylation excessive pourrait survenir en condition pathologique. Cette hyperphosphorylation pourrait perturber la stabilité des microtubules (Alonso et al. 1994) en promouvant l’agrégation de la protéine (Kopke et al. 1993 ; Khatoon et al. 1994 ; Alonso et al. 1996). Tau a également été associée à l’expression clinique de la MA (Arriagada et al. 1992 ; Tremblay et al. 2007). Au même titre

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que les plaques séniles, les enchevêtrements neurofibrillaires ont été reliés à des problèmes de cognition (Nelson et al. 2012).

Selon plusieurs études, l’augmentation de la phosphorylation de tau peut contribuer, du moins en partie, à la toxicité d’Aβ. En effet, des études réalisées sur des souris transgéniques et des cultures neuronales de souris ont démontré que la pathologie tau est nécessaire à la progression de la neurodégénération, de la mort neuronale et des problèmes cognitifs résultant de la neurotoxicité de la pathologie amyloïde (Rapoport et al. 2002 ; King et al. 2006 ; Roberson et al. 2007).

Comme plusieurs études le démontrent, la MA est également caractérisée par une perte de jonctions synaptiques (Selkoe 2002 ; Honer 2003 ; Scheff & Price 2003 ; Arendt 2009). Une réduction synaptique au niveau du cortex et de l’hippocampe est observée dans le vieillissement normal (Bertoni-Freddari et al. 2003 ; Berchtold et al. 2013) et celle-ci progresse avec l’avancement de la MA (Masliah et al. 1992 ; Sze et al. 1997 ; Heffernan et al. 1998 ; Sze et al. 2000 ; Julien et al. 2008 ; Scheff et al. 2011), en s’installant dès les premiers stades de la pathologie (Masliah et al. 2001 ; Scheff et al. 2006 ; Scheff et al. 2011).

Une réduction cérébrale de la drébrine, une protéine synaptique, serait impliquée dans la MA (Julien et al. 2008). Certaines études suggèrent d’ailleurs qu’il existerait des mécanismes pouvant compenser pour la diminution des fonctions synaptiques due à l’âge et que, chez les patients atteints de la MA, ces processus ne seraient pas en mesure de pallier à la perte synaptique (Bertoni-Freddari et al. 1990 ; Bertoni-Freddari et al. 2003 ; Arendt 2009).

La MA présente également une perte cellulaire, visible sur résonnance magnétique par une atrophie corticale se traduisant par un élargissement des ventricules cérébraux (Killiany et al. 1993 ; Juottonen et al. 1998 ; Blennow 2006). La mort des neurones survient relativement tôt dans la maladie, décimant en moyenne plus de 30% de la population neuronale en comparaison avec des individus sains (Gómez-Isla et al. 1996 ; Terry 2000 ; Kordower et al. 2001 ; Price et al. 2001 ; Hof et al. 2003). Dans le cerveau des patients atteints de la MA, la pathologie tau corrèle avec la perte neuronale et elles augmentent toutes deux avec l’avancement de la maladie. Toutefois, la perte neuronale est plus importante que l’accumulation cérébrale de dégénérescences neurofibrillaires (Gómez-Isla et al. 1997).

Bien que les mécanismes demeurent partiellement incompris, l’accumulation de peptides Aβ, l’hyperphosphorylation de la protéine tau ainsi que les pertes synaptique et neuronale observées dans la

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MA pourraient contribuer à son développement et jouer un rôle crucial au sein des manifestations cliniques et pathologiques de la maladie.

1.1.3) Traitements pharmacologiques

La MA est encore incurable à ce jour. En effet, aucun traitement permettant de guérir la maladie ou d’agir sur son évolution n’a réussi à franchir les études cliniques de phase III avec succès. Certains médicaments, dont l’efficacité est discutable, sont toutefois disponibles pour améliorer les symptômes que présentent les patients souffrant de la MA (Schneider 2013 ; Ghezzi et al. 2013 ; Zemek et al. 2014).

Les traitements pharmacologiques les plus répandus pour atténuer les symptômes de la MA sont les inhibiteurs de la cholinestérase (Aisen et al. 2012). Au niveau métabolique, la MA est associée à un déficit cérébral d’acétylcholine (Davies & Maloney 1976 ; Arendt et al. 1983 ; Kasa et al. 1997 ; Giacobini 2003), un neurotransmetteur essentiel qui assure le bon fonctionnement de la mémoire et de la pensée. Puisque des diminutions d’acétylcholine ont été associées à la gravité des symptômes observés dans la MA (Wilkinson & Francis et al. 2004), la mise au point d’un traitement permettant de rétablir l’activité cholinergique cérébrale est de mise.

De façon générale, les inhibiteurs de la cholinestérase agissent en bloquant les cholinestérases (acétylcholinestérase et butyrylcholinestérase), enzymes responsables de la dégradation de l’acétylcholine. Ainsi, la dégradation de l’acétylcholine est retardée et sa disponibilité est accrue dans la fente synaptique, permettant ainsi de remédier aux déficits occasionnés par la MA (Giacobini 2003 ; Wilkinson & Francis et al. 2004 ; Birks & Flicker 2006 ; Loy & Schneider 2006 ; Birks et al. 2009 ; Aisen et al. 2012).

Trois médicaments, approuvés par Santé Canada, se basent sur ce principe thérapeutique et peuvent actuellement être prescrits aux patients Alzheimer afin de soulager leurs symptômes (Société Alzheimer 2014). Le donépézil (AriceptMD) et la galantamine (ReminylMD) inhibent l’activité de l’acétylcholinestérase seulement, tandis que la rivastigmine (ExelonMD) possède aussi la capacité de bloquer la butyrylcholinestérase (Giacobini 2003 ; Wilkinson & Francis et al. 2004).

Un autre système de neurotransmetteurs est déficient dans la MA. Il s’agit du système glutamatergique, régulant le glutamate. Au même titre que l’acétylcholine, ce neurotransmetteur est impliqué dans les processus d’apprentissage et de mémoire (Bliss & Collingridge 1993 ; Sucher et al. 1996). Dans la MA, la libération de glutamate est excessive et entraîne une suractivation de ses récepteurs, en particulier les

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récepteurs NMDA (N-méthyl-D-aspartate) glutamatergiques. Cette situation occasionne des évènements neurotoxiques qui conduisent à la mort des neurones (Greenamyre & Porter 1994 ; Hardingham & Bading 2003 ; Cummings 2004 ; Waxman & Lynch 2005 ; Pietrzik & Behl 2005).

La mémantine (EbixaMC) est un antagoniste des récepteurs NMDA non-compétitif qui serait en mesure d’offrir une protection aux neurones contre l’excitotoxicité causée par le glutamate (Scarpini et al. 2003 ; Tariot 2004 ; Parsons et al. 2007 ; Burns 2009 ; Xia et al. 2010). Toutefois, son efficacité semble varier en fonction du stade de la maladie et être davantage établie dans des cas modérés à sévères de MA (Robinson & Keating 2006).

Ces traitements peuvent apporter une amélioration symptomatique mais n’ont pas d’effet sur la neurodégénérescence survenant dans la MA. Une compréhension plus approfondie des mécanismes impliqués dans cette maladie est nécessaire afin de développer une solution thérapeutique efficace pour la combattre.

1.2) Le facteur de risque APOE4

Les apolipoprotéines (APOs) sont des protéines auxquelles se fixent des lipides pour leur transport dans la circulation sanguine jusqu’aux cellules. Elles jouent de nombreux rôles au sein du métabolisme des lipides. Elles sont impliquées entre autres dans les processus de solubilisation, de transport et de redistribution des lipides dans l’organisme, en plus d’être des cofacteurs lors de réactions enzymatiques et d’interagir avec des récepteurs cellulaires (Schaefer et al. 1978). Elles sont également essentielles au maintien structurel des lipoprotéines. Il existe plusieurs types d’APOs chez l’humain, principalement l’apoA (I, II, IV), l’apoB, l’apoC (I, II, III) et l’apoE (Mahley et al. 1984).

L’apoE est une glycoprotéine de 34 kilos daltons (kD), composée de 299 acides aminés (aa) (Mahley 1988). Elle possède un domaine amino (N)-terminal (aa 1 à 191) et un domaine carboxy (C)-terminal (aa ~ 225 à 299). La partie N-terminale contient la région de liaison au récepteur (aa 134 à 150) et la C-terminale, la région de liaison au lipide (aa ~ 244 à 272). Les deux domaines sont liés par une région flexible composée des aa 192 à 222 (Weisgraber 1994 ; Mahley 1988 ; Mahley & Rall 2000). Seul APOE4 a comme propriété biophysique une interaction entre les deux domaines. En effet, dans le cas de cet isoforme, l’arginine située à la position 112 modifie l’orientation de la chaîne latérale de l’arginine 61 du domaine N-terminal, par rapport à celle qu’elle adopte dans les isoformes APOE2 et APOE3. Dans cette configuration, la chaîne de l’arginine 61 peut former un pont salin avec l’acide glutamique (Glu) se trouvant

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à la position 255 du domaine C-terminal, ce qui créé une interaction entre les domaines (Figure 1) (Dong et al. 1994 ; Dong & Weisgraber 1996). Plus concrètement, cette particularité conformationnelle d’APOE4 a un impact sur la classe de lipoprotéines à laquelle son domaine C-terminal se lie préférentiellement. En effet, cet isoforme se lie de préférence aux lipoprotéines de très basse densité (VLDL), tandis que l’isoforme

APOE3 a une préférence de liaison pour les lipoprotéines de haute densité (HDL) (Dong et al. 1994 ; Dong

& Weisgraber 1996).

Le gène APOE a été séquencé chez 18 espèces, mais on retrouve l’Arg-61 uniquement chez l’humain. Les autres espèces possèdent plutôt une thréonine à cette position (Weisgraber 1994). Certaines études ont montré que la permutation de l’Arg-61 pour une thréonine ou de Glu-255 pour une alanine, empêchait l’interaction entre les domaines et transformait APOE4 en une forme similaire à celle d’APOE3 (Dong et al. 1994 ; Dong & Weisgraber 1996). Dans l’APOE murin, on retrouve une arginine à l’équivalent de la position 112 chez l’humain et une Thr-61 remplace l’Arg-61 (Weisgraber 1994). L’APOE de souris serait donc fonctionnellement équivalent à l’APOE3 humain, puisqu’il n’y a pas d’interaction entre les domaines en raison de l’absence d’Arg à la position 61. L’interaction entre les domaines peut toutefois être introduite en remplaçant la Thr-61 par une arginine, puisque l’APOE murin possède l’équivalent de la Glu-255 (Raffaï et al. 2001).

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L’apoE est le principal transporteur de lipides, particulièrement du cholestérol, pour la croissance et la réparation de cellules nerveuses au niveau cérébral (Alaupovic 1982). Constituant des VLDL, l’apoE est un ligand du récepteur de la lipoprotéine de basse densité (LDLR) et de la protéine apparentée au récepteur de la lipoprotéine de basse densité (LRP). En s’associant à l’apoE, les lipides peuvent être introduits dans les cellules via ces récepteurs (Mahley & Innerarity 1983). Cette APO est principalement produite au niveau du foie et en moins grande quantité au niveau du système nerveux central par les astrocytes et les neurones. Après sa synthèse, elle est distribuée dans le système lymphatique et captée par les chylomicrons pour assurer le transport des lipides au cerveau (Elshourbagy et al. 1985 ; Pitas et al 1987). Le gène codant pour cette protéine est situé sur le chromosome 19, est constitué de 4 exons et présente 3 variations alléliques ou polymorphismes, comme mentionné précédemment (Weisgraber et al. 1981). Rappelons que l’allèle ε4, dont environ 14% de la population est porteuse (Farrer et al. 1997), constitue le principal facteur de risque génétique pour être atteint de la forme sporadique de la MA (Corder et al. 1993 ; Saunders et al. 1993 ; Strittmatter et al. 1993a ; Warzok et al. 1998). En effet, les résultats obtenus au fil des ans, chez l’animal et l’humain, suggèrent qu’APOE4 puisse contribuer à la MA de différentes façons, que ce soit indépendamment ou en combinaison avec d’autres facteurs.

Plusieurs modèles de souris APOE ont été créés afin de permettre l’étude de mécanismes associés aux actions pathogènes d’APOE4. Il existe des souris transgéniques exprimant différents isoformes d’APOE dans les neurones ou les astrocytes (Jain et al. 2013), d’autres montrant une expression neuronale des fragments neurotoxiques d’APOE4 (Harris et al. 2003) et certaines possédant un isoforme humain d’APOE en remplacement de la forme murine du gène (Sullivan et al. 1997). Le gène APOE est exprimé dans différents types cellulaires comme les neurones (Beffert & Poirier 1996 ; Xu et al. 1998) et les astrocytes (Boyles et al. 1985 ; Poirier et al. 1991), et au niveau cérébral sous certaines conditions physiologiques et/ou pathophysiologiques. Ces modèles murins permettent donc d’étudier les rôles des différents isoformes d’APOE au sein de maladies comme la MA et peuvent être utile dans l’élaboration de thérapies ciblant les effets néfastes d’APOE4 (Huang 2011).

Il existe plusieurs différences entre l’APOE3 et l’APOE4, que ce soit au niveau de l’homéostasie et du transport des lipides (Gregg et al. 1986 ; Chouinard-Watkins & Plourde 2014), des effets sur la carence des récepteurs aux androgènes (Raber et al. 2002), sur la neurodégénération (Buttini et al. 1999 ; Buttini et al. 2002), la fonction mitochondriale (Chang et al. 2005) et les fuites lysosomales (Ji et al. 2002) ainsi qu’au niveau de la susceptibilité des isoformes à la protéolyse (Huang et al. 2001 ; Harris et al. 2003 ; Brecht et

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al. 2004 ; Chang et al. 2005). Dans les prochaines sections, nous traiterons des effets d’APOE4 sur la cognition, l’accumulation et la clairance des peptides Aβ, la phosphorylation de la protéine tau, les facteurs de risque environnementaux de la MA, l’intégrité de la barrière hémato-encéphalique (BHE) et la signalisation de l’insuline au cerveau, afin de mieux comprendre les potentielles implications de ce génotype au sein de la MA.

1.2.1) Impact sur la cognition

Plusieurs études ont établi une association entre le génotype APOE4 et la présence de problèmes cognitifs. Chez l’humain, plusieurs études tendent à démontrer que les porteurs d’APOE4, âgés de 40 ans et plus, présentent un déficit cognitif en comparaison avec les non-porteurs (Caselli et al. 2009 ; Liu et al. 2010). Les déficits cognitifs observés en fonction des mesures de delayed recall et spatial attention (Bondi et al. 1999 ; Greenwood et al. 2005a) ne concernent pas exclusivement les sujets APOE4 âgés (Baxter et al. 2003 ; Scarmeas et al. 2005), puisqu’ils peuvent apparaître plus d’une décennie avant l’apparition des symptômes de la MA tardive, c’est-à-dire vers l’âge de 35-40 ans (Greenwood et al. 2005b). Des études montrent que le taux d’atrophie cérébrale est accéléré chez les porteurs d’APOE4 en comparaison avec les non-porteurs de cet allèle (Jak et al. 2007 ; Chen et al. 2007 ; Filippini et al. 2009). Cette perte de volume au niveau du cerveau, à un plus jeune âge, pourrait être due à une protection du cerveau et à des mécanismes de réparation cérébrale plus faibles chez la population APOE4 (Luchsinger et al. 2002 ; Laitinen et al. 2006). Chez les souris ayant subi un remplacement du gène APOE murin par l’allèle ε4 humain, un déclin de la mémoire a aussi été rapporté (Bour et al. 2008 ; Siegel et al. 2012). Par exemple, les souris APOE4 âgées de 6 mois présentent des dysfonctions au niveau de la mémoire et du comportement exploratoire lorsque comparées avec des souris portant plutôt l’allèle ε3 humain. De plus, ces dysfonctions s’aggravent avec l’âge (Raber et al. 1998).

Chez les individus APOE4, la fonction d’apoE est altérée et la concentration cérébrale totale en apoE est réduite (Bales et al. 1997 ; Beffert et al. 1999 ; Ong et al. 2014). En comparaison avec les autres génotypes

APOE, les niveaux d’apoE sont aussi plus bas chez les souris APOE4 âgées de 4 et 13 mois (Vandal et al.

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1.2.2) Interaction avec les marqueurs neuropathologiques de la

MA

1.2.2.1) Clairance déficiente et accumulation d’Aβ

Puisque la surproduction et la déposition d’Aβ semblent être impliquées dans la pathogénèse de la MA (Selkoe 2001) et qu’apoE est associée avec les plaques amyloïdes neuritiques in vivo (Namba et al. 1991 ; Wisniewski & Frangione 1992 ; Strittmatter et al. 1993a), nous allons survoler l’incidence du génotype

APOE sur la clairance et l’accumulation d’Aβ au cerveau.

Chez les humains à risque de développer la MA et chez les modèles animaux, le génotype APOE4 a précédemment été caractérisé par une clairance déficiente des peptides Aβ, du cerveau à travers la BHE (Deane et al. 2008 ; Castellano et al. 2011). Par conséquent, une accumulation cérébrale accentuée d’Aβ chez l’humain porteur d’APOE4 a été rapportée (Drzezga et al. 2009 ; Morris et al. 2010 ; Risacher et al. 2013). Chez ces individus, la déposition des plaques amyloïdes peut se produire dès l’âge de 30 ans (Kok et al. 2009). Lors d’une étude menée récemment chez des individus âgés cliniquement normaux, il était plus probable que les sujets présentant des niveaux élevés d’Aβ soient de génotype APOE4 que ceux présentant de faibles niveaux d’Aβ. Les individus APOE4 présentant des niveaux élevés d’Aβ ont montré un déclin cognitif davantage marqué en comparaison aux autres groupes, suggérant qu’une interaction

APOE4-Aβ pourrait promouvoir un déclin au niveau de la cognition (Mormino et al. 2014).

ApoE semble se lier à Aβ différemment en fonction de son isoforme. En effet, apoE3 et apoE4, dépourvus de lipide, sont en mesure de former un complexe stable avec les peptides Aβ in vitro. Lorsque les isoformes d’apoE pauvres en lipides sont issus de milieu de culture tissulaire et sont incubés avec Aβ, apoE3 se lie à Aβ avec une affinité 20 fois plus grande que apoE4 (LaDu et al. 1994). La plus forte affinité d’apoE3 pour Aβ pourrait favoriser la clairance du complexe et ainsi prévenir la conversion d’Aβ en une forme neurotoxique (LaDu et al. 1995). Cette liaison préférentielle d’apoE3 à Aβ est toutefois atténuée, voire abolie par le processus de purification (LaDu et al. 1995). En effet, lorsque les isoformes sont purifiés, c’est apoE4 qui se lie plus rapidement et plus efficacement à Aβ sous certaines conditions (Strittmatter et al. 1993b ; Cho et al. 2001). L’augmentation de la formation de fibrilles amyloïdes en lien avec apoE4 pourrait être un facteur déclencheur ou amplificateur de la neurodégénération et du développement de la MA (Huang 2011).

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L’accumulation de plaques amyloïdes est d’ailleurs plus faible chez les souris transgéniques APP qui expriment APOE3 en comparaison avec celles exprimant APOE4 (Holtzman et al. 2000), et APOE3 assure la protection des neurones hippocampiques de rats contre la neurotoxicité induite par Aβ (Jordan et al. 1998). L’expression d’APOE4 a également été associée avec une régulation à la hausse de RAGE (receptor for advanced glycation endproducts), un transporteur favorisant le passage d’Aβ de la circulation sanguine vers le cerveau, chez des souris homozygotes pour cet allèle comparativement à des souris homozygotes pour APOE3 (Donahue et al. 2008).

Certaines études suggèrent que l’apoE humaine stimule la clairance d’Aβ puisque les souris ayant subi un remplacement de l’apoE murine par un allèle APOEε3 ou APOEε4 humain, montrent une déposition moins importante d’Aβ que les souris exprimant l’apoE murine. Les souris APOE4 ont toutefois montré une clairance plus faible d’Aβ comparativement aux APOE3 (Holtzman et al. 2000 ; Bien-Ly et al. 2011). Une étude a révélé que la forme d’apoE4 tronquée en C-terminal, que l’on retrouve dans les cerveaux de patients Alzheimer (Huang et al. 2001 ; Harris et al. 2003), n’est pas en mesure d’effectuer une clairance efficace d’Aβ et qu’elle entraîne des déficits neuronaux et comportementaux chez les souris transgéniques, malgré de faibles niveaux d’Aβ (Bien-Ly et al. 2011). D’après une étude réalisée chez les souris transgéniques hAPP-V717I, il semble que l’apoE4 neuronal, mais non l’apoE4 glial, puisse stimuler la déposition d’Aβ et la formation de plaques dans les régions de l’hippocampe et du cortex (Van Dooren et al. 2006). Cependant, les résultats d’une autre étude sur les souris transgéniques ne montrent pas d’effet d’une surexpression d’apoE4 dans l’astroglie et les neurones sur la déposition d’Aβ (Lesuisse et al. 2001). Puisque l’agrégation d’Aβ-40 est dépendante de l’isoforme d’apoE et qu’elle est plus importante pour

APOE4 que pour APOE3 et APOE2, une récente étude a conclu que le rôle délétère d’APOE4 dans la MA

pouvait être en lien avec la stabilisation d’oligomères et d’intermédiaires d’Aβ solubles ainsi que des fibrilles (Garai et al. 2014).

1.2.2.2) Accumulation de tau hyperphosphorylé

L’hyperphosphorylation de la protéine tau est à l’origine des dégénérescences neurofibrillaires qui sont des marqueurs neuropathologiques de la MA (Querfurth & La Ferla 2010). Concernant la MA, la part de risque reliée au génotype APOE est plus importante chez la femme que chez l’homme, et ce risque accru est suggéré avoir un lien avec la pathologie tau (Altmann et al. 2014).

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Plusieurs études ont montré une augmentation de la phosphorylation de la protéine tau chez les souris transgéniques qui expriment l’APOE4 dans les neurones, mais pas chez celles l'exprimant au niveau des astrocytes (Tesseur et al. 2000a ; Tesseur et al. 2000b ; Brecht et al. 2004), et cette phosphorylation augmentée semble être associée avec l’activation de la voie ERK (extracellular signal-regulated kinases) (Harris et al. 2004). Par exemple, une accumulation accentuée de tau hyperphosphorylé a précédemment été rapportée dans les neurones de souris APOE4 au niveau de l’hippocampe (Liraz et al. 2013). Les fragments d’apoE4, résultant de sa troncature en C-terminal, ont la capacité de causer la dégénération des neurones ainsi que des problèmes de comportement chez les souris transgéniques (Huang et al. 2001 ; Harris et al. 2003 ; Brecht et al. 2004). Ces fragments sont toxiques lorsqu’ils sont exprimés dans les neurones in vitro puisqu’ils engendrent la phosphorylation de tau et la formation d’inclusions s’apparentant aux dégénérescences neurofibrillaires (Huang et al. 2001 ; Ljungberg et al. 2002). La neurotoxicité induite par lesdits fragments est en lien avec la tauopathie, puisque chez les souris transgéniques, enlever tau prévient les déficits neuronaux et comportementaux occasionnés par les fragments d’apoE4 (Andrews-Zwilling et al. 2010).

1.2.3) Interaction avec les facteurs de risque environnementaux

de la MA

En plus des liens entre APOE4 et les marqueurs neuropathologiques de la MA, cet allèle semble aussi être en lien avec certains facteurs de risque environnementaux de la maladie. Par exemple, être porteur d’APOE4 est lié à un risque accru de développer le DT2 (Profenno et al. 2010 ; De Felice 2013), qui est un facteur de risque connu de la MA (Profenno et al. 2010 ; Cheng et al. 2012 ; Exalto et al. 2012 ; Hildreth et al. 2012 ; Wang et al. 2012).

De plus, les porteurs d’APOE4 ne bénéficient pas de l’effet positif d’une consommation d’ω-3 sur la cognition comme c’est le cas pour les non-porteurs de cet allèle (Huang et al. 2005 ; Samieri et al. 2011). Une étude menée chez des sujets atteints de la MA tardive a d’ailleurs montré que le seul groupe chez lequel on observait un ralentissement du taux de changement cognitif, comparativement au groupe placebo, était celui composé de patients non-porteurs d’APOE4 qui étaient traités à l’acide docosahexaénoïque (DHA) (Quinn et al. 2010).

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Les résultats de plusieurs études renforcent l’évidence d’une perturbation de l’homéostasie des acides gras chez les porteurs d’APOE4 en comparaison aux non-porteurs. Chez les souris âgées de 4 mois, la captation cérébrale de DHA marqué au carbone 14 (14C-DHA) est 18% plus faible chez les souris APOE4 que chez les souris APOE2. L’écart est encore plus marqué entre les deux génotypes à l’âge de 13 mois, avec une captation cérébrale 24 % plus basse chez les APOE4 (Chouinard-Watkins & Plourde 2014). Les concentrations en acides gras ω-3 à longues chaînes, en acide alpha-linolénique et en DHA, dans le foie et le tissu adipeux, sont plus faibles chez les souris APOE4 comparativement aux APOE3 (Chouinard-Watkins & Plourde 2014). La différence dans la distribution des acides gras dans la lipoprotéine est potentiellement en lien avec la concentration sanguine d’apoE réduite chez les porteurs d’APOE4 en comparaison aux non-porteurs (Gregg et al. 1986). Le fait qu’APOE4 se lie aux VLDL de façon préférentielle et moins aux HDL, comparativement à APOE3, pourrait également expliquer la perturbation homéostatique (Gregg et al. 1986). La captation d’acides gras comme le DHA, par les cellules hépatiques, pourrait donc être influencée par ces mécanismes, ce qui expliquerait la différence de réponse observée sur le plan cognitif entre les individus APOE4 et non-APOE4 suite à leur consommation de DHA (Chouinard-Watkins & Plourde 2014). Un taux élevé de cholestérol total dans le sérum semble être un facteur de risque environnemental de la MA, particulièrement chez les individus âgés entre 40 et 45 ans (Solomon et al. 2009). L’allèle APOEε4 a été associé à un risque accru de développer une complication cardiovasculaire. Selon une méta-analyse, être porteur d’au moins un allèle ε4 pour le gène APOE confère un risque 42% plus élevé de développer une maladie coronarienne athérosclérotique (MCA) (Song et al. 2004). Une autre étude a par ailleurs démontré qu’en contrôlant le LDL (lipoprotéines de basse densité) et le HDL cholestérol, le génotype APOE n’avait pas d’incidence sur le risque de MCA (Ward et al. 2009). Le risque augmenté chez les individus

APOE4 semble donc être lié à des perturbations dans l’homéostasie des lipides, surtout en ce qui a trait

aux triglycérides, au cholestérol et au métabolisme des LDL (Chouinard-Watkins & Plourde 2014).

1.2.4) Impact sur l’intégrité de la barrière hémato-encéphalique

L’intégrité de la BHE semble être compromise lorsqu’un déclin cognitif est observé, et cette atteinte pourrait être impliquée dans la MA tardive. Chez les souris, l’expression de l’allèle APOEε4 humain est liée à une dysfonction de la BHE (Bell et al. 2012 ; Hawkes et al. 2012 ; Alata et al. 2014b). De plus, la BHE des souris APOE4 serait plus perméable que celle des APOE3 (Nishitsuji et al. 2011). APOE4 est aussi associé à une réduction du transport cérébral d’acides gras polyinsaturés (Vandal et al. 2014a).

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Une étude menée chez les animaux propose que l’intégrité de la BHE serait compromise par une insuffisance d’apoE, ce qui conduirait à une rupture de la BHE via l’activation d’une voie pro-inflammatoire dans les péricytes, celle de la cyclophiline A (Bell et al. 2012). Tel que mentionné précédemment, les concentrations d’apoE sont plus faibles chez les individus (Bales et al. 1997 ; Beffert et al. 1999 ; Ong et al. 2014) de même que chez les souris APOE4 (Vandal et al. 2014a), ce qui pourrait expliquer que la perméabilité de la BHE soit plus importante chez les souris APOE4 comparativement aux APOE3 (Bell et al. 2012). Chez les humains, les porteurs d’APOE4 âgés présentent des niveaux de marqueurs de détérioration de la BHE plus élevés que les non-porteurs de même âge ou que les jeunes porteurs d’APOE4 (Halliday et al. 2013).

Tel que mentionné dans l’étude de Chouinard-Watkins & Plourde, les résultats précédents suggèrent un lien entre le déclin cognitif et l’existence d’une pathologie vasculaire au niveau de la BHE, association possiblement influencée par le génotype APOE (Chouinard-Watkins & Plourde 2014).

1.2.5) Interaction avec la signalisation cérébrale de l’insuline

Puisque les patients atteints de la MA présentent une résistance cérébrale à l’insuline (voir section 1.3.2) (Kuusisto et al. 1997 ; Talbot et al. 2012), certaines études se sont penchées sur la possible implication de l’allèle APOEε4 dans la RI. Les conclusions qui en ressortent ne vont pas toutes dans la même direction et le statut du lien APOE4-RI n’est toujours pas clarifié à ce jour.

Chez les patients non-diabétiques présentant un déficit cognitif léger (DCL), la RI a été associée à un déclin cognitif, exclusivement chez les porteurs d’APOE4 (Kim et al. 2014). Une autre étude n’a cependant rapporté aucune interaction d’APOE4 avec la RI sur le risque de MA (Schrijvers et al. 2010). Certains travaux antérieurs ne rapportent aucune association entre la RI et le génotype APOE (Meigs et al. 2000 ; Ragogna et al. 2012) tandis que VanFossen et son équipe ont observé que les patients porteurs d’APOE4 présentaient des indices HOMA (homeostasis model assessment) plus bas, indiquant une plus faible RI comparativement aux non-porteurs (VanFossen et al. 2010). Une association entre le port d’APOE4 et la RI a également été établie, particulièrement au sein d’hommes issus d’une population chinoise âgée (Elosua et al. 2003). De plus, une association positive entre le génotype APOE4 et la présence d’hyperglycémie a été mise en lumière dans cette étude (Elosua et al. 2003). Dans le même ordre d’idées, d’autres résultats mettent de l’avant une plus forte probabilité d’hyperglycémie chez les hommes porteurs d’APOE4

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comparativement aux hommes porteurs d’APOE3, tandis qu’aucune différence dans le taux de glucose sanguin à jeun n’a été observée entre eux (Tao et al. 2011). Dans le vieillissement normal, APOE4 contribue d’ailleurs au ralentissement du métabolisme cérébral du glucose (Jagust & Landau 2012 ; Reiman et al. 2004). Chez les patients atteints du DT2, les plus hauts niveaux d’hémoglobine glyquée (HbA1c) ont été reliés à une performance cognitive moindre chez les porteurs d’APOE4 uniquement, suggérant que les individus APOE4 ont une susceptibilité accrue aux dommages découlant d’un pauvre contrôle glycémique (Ravona-Springer et al. 2014). L’ensemble de ces résultats suggère que la signalisation cérébrale de l’insuline pourrait être déficiente chez les porteurs d’APOE4 et pourrait mener à une hyperglycémie et, ultimement à une hyperinsulinémie qui pourrait promouvoir l’apparition de désordres neurodégénératifs. La signalisation de l’insuline chez les porteurs d’APOE4 nécessite donc davantage de compréhension.

En se basant sur les études in vitro et in vivo mentionnées dans les précédentes sections, APOE4 semble interagir avec de multiples facteurs via différentes voies de signalisation pour contribuer à la pathologie de la MA (Figure 2). Plusieurs approches thérapeutiques ciblant les effets pathologiques d’APOE4 in vivo ont d’ailleurs fait l’objet d’études au cours des dernières années. Les stratégies mises en place, soit pour contrecarrer les effets toxiques en éliminant ou en neutralisant APOE4, soit pour compenser la perte de fonction associée à APOE4 via des mécanismes compensatoires, ont montré une certaine efficacité. Plusieurs mécanismes moléculaires et cellulaires semblent donc impliqués et devront être mieux compris afin de mettre au point un traitement efficace contre la maladie (Michaelson 2014).

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Figure 2 : Schéma récapitulatif des liens établis dans la littérature entre le génotype APOE4 et divers aspects en lien (ou potentiellement en lien) avec la MA. (ApoE = Apolipoprotéine E, Aβ = bêta-amyloïde, BHE = barrière hémato-encéphalique, DT2 = diabète de type 2, pTau = tau phosphorylé, RAGE = «receptor for advanced glycation endproducts»)

1.3) L’insuline

L’insuline est une hormone sécrétée majoritairement par le pancréas, plus particulièrement les cellules bêta des îlots de Langherhans (Henderson 1964). Le cerveau est aussi un site de production secondaire de cette hormone (de la Monte & Wands 2005). Elle permet aux cellules périphériques insulinodépendantes de capter le glucose présent dans le sang pour s’en alimenter. Lorsque le taux de glucose sanguin ou glycémie, subit une hausse, suite à un repas par exemple, le pancréas libère de l’insuline (Henderson 1964). Les cellules insulinodépendantes, comme celles du muscle squelettique, du tissu adipeux et du foie, possèdent des récepteurs à insuline (DeFronzo 1988 ; Simpson & Cushman 1986). Ces derniers sont aussi présents dans le cerveau, étant particulièrement denses entre autres au niveau du bulbe olfactif, du cortex cérébral, de l’hippocampe et de l’hypothalamus (Havrankova et al. 1978 ; Marks et al. 1990). Lorsque l’insuline s’y lie, une cascade de signaux intracellulaires est enclenchée, ce qui résulte en une captation accrue du glucose et une inhibition de sa production au niveau du foie, ayant pour effet de rétablir la

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glycémie. Une fois le glucose entré dans les tissus périphériques, l’insuline stimule son oxydation via la glycolyse ou son entreposage sous forme de triglycérides et de glycogène (Henderson 1964). Bien que le cerveau ait longtemps été considéré comme un organe insensible à l’insuline, plusieurs études ont démontré le contraire au cours des trente dernières années. En effet, l’insuline aurait plusieurs rôles à jouer au niveau du système nerveux central, notamment au niveau de la régulation de l’homéostasie énergétique périphérique (Marino et al. 2011 ; Scherer et al. 2011), de la neuroprotection (Plum et al. 2005 ; Kovacs & Hajnal 2009 ; Ott et al. 2012 ; Bomfim et al. 2012), de la plasticité synaptique (Wan et al. 1997 ; Biessels et al. 1996) et de la régulation de la survie neuronale (Li & Hölscher 2007). Elle serait aussi impliquée dans la régulation des systèmes dopaminergiques (Williams et al. 2007). Certaines voies de signalisation de l’insuline sont également impliquées dans la phosphorylation de la protéine tau (Figure 3) (Mandelkow et al. 1992 ; Ishiguro et al. 1995 ; Takashima et al. 1996 ; Illenberger et al. 1998 ; Reynolds et al. 2000 ; Reding et al. 2003 ; Harris et al. 2004 ; Kyoung Pyo et al. 2004).

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kinase, AKT = Protéine kinase B, ERK = Extracellular signal-regulated kinases, MAPK = Protéine kinase activée par mitogène, Thr = Thréonine, Ser = Sérine)

1.3.1) La résistance à l’insuline

En fonction des individus et des conditions qui les affligent, la capacité de l’insuline à stimuler l’absorption du glucose par les cellules insulinodépendantes peut varier (Yeni-Komshian et al. 2000). C’est ce qu’on qualifie comme le degré de sensibilité à l’insuline. Certaines pathologies comme le DT2 peuvent être causées par une perte de sensibilité à l’insuline, entraînant un état de résistance à cette hormone (Reaven 1988). Un tel état se produit lorsque les cellules insulinodépendantes du foie, du muscle squelettique et du tissu adipeux ne sont plus en mesure de répondre au signal insulinémique, en raison d’une perte d’affinité de l’insuline pour son récepteur. S’ensuit une augmentation de la sécrétion d’insuline par le pancréas dans le but de pallier à la hausse de glucose sanguin et d’éviter l’hyperglycémie chronique. Pour la plupart des individus, ce mécanisme compensatoire réussit à stabiliser leur glycémie, mais entraîne cependant des effets néfastes comme une dysfonction endothéliale et une dyslipidémie (Reaven 2005). Toutefois, certaines personnes ne sont pas en mesure de maintenir une sécrétion abondante d’insuline par les cellules pancréatiques sur une période prolongée et leur niveau de glucose sanguin augmentera jusqu’au développement du DT2 (Reaven 1988).

1.3.2) La résistance à l’insuline dans la MA

Tout comme dans le DT2, la résistance à l'insuline est aussi présente dans la MA, notamment dans le cerveau des patients atteints (Kuusisto et al. 1997 ; Talbot et al. 2012). En effet, en plus des démonstrations cliniques, des niveaux plus faibles d’insuline, de facteurs de croissance de l’insuline et de récepteurs d’insuline ont été détectés dans le cerveau des patients Alzheimer (Hoyer & Nitsch 1989 ; Steen et al. 2005 ; Craft 2012). La résistance dans le système nerveux central serait aussi corrélée à une résistance périphérique. D’ailleurs, une augmentation du niveau plasmatique d’insuline a été rapportée chez les patients Alzheimer comparativement aux individus sains. Une étude récente démontre que plusieurs biomarqueurs de résistance périphérique à l’insuline sont augmentés de façon importante dans l’hippocampe de patients Alzheimer non-diabétiques (Talbot et al. 2012). Des dysfonctions ayant trait à la signalisation cérébrale de l’insuline ont aussi été rapportées chez les modèles animaux de la MA (Bomfim et al. 2012 ; Takeda et al. 2010). L’insulinorésistance apparaît tôt dans la maladie et entraîne une

Figure

Tableau 1 : Fréquences alléliques de la population générale et de la population Alzheimer pour le gène APOE
Figure 1 : Structure des isoformes APOE3 (droite) et APOE4 (gauche) de l’apolipoprotéine E
Figure 2  : Schéma récapitulatif des liens établis dans la littérature entre le génotype  APOE4 et divers aspects en lien  (ou  potentiellement  en  lien)  avec  la  MA
Figure  3  :  Implication  des  voies  de  signalisation  de  l’insuline  dans  la  phosphorylation  de  la  protéine  tau
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