• Langue : Anglais
• Discipline : Sciences de la vie et de la santé
• Identifiant : 2025ULILS059
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 10/12/2025

Résumé en langue originale

La perte synaptique constitue l'un des premiers marqueurs prédictifs de la maladie d'Alzheimer (MA), précédant la neurodégénérescence et le déclin cognitif caractéristiques. Bien que de nombreux facteurs de risque génétiques aient été associés à la MA, les mécanismes moléculaires par lesquels ils modulent la vulnérabilité synaptique face à la bêta-amyloïde (A?) demeurent mal compris. Cette thèse visait à identifier les gènes capables de protéger les synapses du stress induit par A? et à élucider les mécanismes par lesquels ces facteurs préservent la structure et la fonction synaptiques. Pour répondre à cet objectif, une approche expérimentale multi-échelle a été développée, combinant un criblage en coculture microfluidique, des validations compartiment-spécifiques et des enregistrements fonctionnels sur réseaux neuronaux à l'aide de microélectrodes (MEA).À l'aide d'un système de coculture microfluidique à moyen débit, un ensemble de facteur de risque associés à la MA a été testé de manière systématique pour leur capacité à moduler la connectivité synaptique en présence d'A? sécrété par des cellules. Parmi les candidats, ARFRP1 (ADP-ribosylation factor-related protein 1) s'est distingué par sa capacité à atténuer la perte synaptique induite par A?, suggérant un rôle de régulateur potentiel de la résilience synaptique. Les expériences de validation suggèrent qu'ARFRP1 agit comme un modulateur postsynaptique du trafic des récepteurs AMPA (AMPAR) sous conditions toxiques. L'inhibition d'ARFRP1 réduit l'intensité et la phosphorylation de GluA1 sur le résidu Ser845 - une modification favorisant l'internalisation des AMPAR et la dépression à long terme (LTD) des synapses - tandis que sa surexpression induit un profil enrichi en GluA1, associé à des mécanismes de potentialisation à long terme et à un renforcement synaptique.Les manipulations compartiment-spécifiques dans des dispositifs microfluidiques ont montré que l'effet protecteur d'ARFRP1 provient principalement du compartiment postsynaptique, où il soutient potentiellement le recyclage et la rétention membranaire des AMPAR au sein des épines dendritiques. De ce fait, ARFRP1 pourrait contrer l'internalisation et la dégradation des AMPAR responsables des processus LTD-like induits par A?. Les enregistrements fonctionnels réalisés sur des MEA couplées à des microfluidiques ont apporté une confirmation au niveau du réseau : la surexpression postsynaptique d'ARFRP1 semble maintenir la connectivité malgré l'hyperexcitabilité induite par l’A?, indiquant que la stabilisation des récepteurs postsynaptiques se traduit par une communication neuronale préservée. Cette protection structurale et fonctionnelle coordonnée soutient un modèle selon lequel ARFRP1 renforce la résilience synaptique en préservant l'homéostasie du trafic des récepteurs et l'équilibre entre élagage et consolidation synaptiques.Cette thèse a également permis des avancées méthodologiques majeures avec le développement de deux plateformes microfluidiques complémentaires : (1) un dispositif de criblage en coculture permettant une analyse à moyenne échelle des effets de modulation de l’expression génique sur les synapses, et (2) un système hybride microfluidique-MEA autorisant des manipulations compartiment-spécifiques couplées à des mesures structurales et électrophysiologiques. Ces outils constituent un cadre polyvalent pour l'étude des mécanismes de régulation synaptique dépendants des gènes. En conclusion, ce travail identifie ARFRP1 comme un nouveau régulateur postsynaptique du trafic des AMPAR favorisant la stabilité et la résilience des synapses face au stress induit par A?, tout en introduisant des approches microfluidiques avancées pour l'analyse multi-échelle de la fonction synaptique. Ces contributions approfondissent la compréhension des défaillances synaptiques précoces dans la MA et ouvrent de nouvelles perspectives pour cibler les voies moléculaires soutenant l'intégrité synaptique.

Résumé traduit

Synaptic dysfunction is one of the earliest and most predictive hallmarks of Alzheimer's disease (AD), preceding overt neurodegeneration and cognitive decline. While numerous genetic risk factors have been linked to AD, the molecular mechanisms through which they modulate synaptic vulnerability to amyloid-beta (A?) peptide remain largely unresolved. This thesis aimed to identify the genes that promote synaptic protection under A?-induced stress and to dissect the mechanisms by which such factors preserve synaptic structure and function.To address this question, a multi-scale experimental pipeline was developed that combines gene screening, compartment-specific validation, and microelectrode array (MEA)-based functional analysis. Using a medium-throughput microfluidic screening co-culture system, a set of AD-associated genes was systematically tested for their ability to modulate synaptic connectivity in the presence of cell-secreted A?. Among the top candidates, ARFRP1 (ADP-ribosylation factor-related protein 1) appeared to mitigate A?-induced synaptic loss, identifying it as a potential regulator of synaptic resilience. Subsequent validation experiments suggested that ARFRP1 may function as a postsynaptic trafficking modulator that maintains AMPA-type glutamate receptor (AMPAR) dynamics under toxic conditions. Silencing ARFRP1 reduced GluA1 intensity and phosphorylation at Ser845 residue –a modification leading to AMPAR internalisation and long-term depression (LTD)– while overexpression promoted a shift toward GluA1-enriched receptor composition associated with long-term potentiation (LTP)-like mechanisms and synaptic strengthening.Compartment-specific manipulations using microfluidic devices demonstrated that ARFRP1's protective role may originate primarily from the postsynaptic compartment, where it could support the recycling and surface retention of AMPARs within dendritic spines. By stabilising endosome-Golgi trafficking and maintaining receptor availability at excitatory synapses, ARFRP1 may counteract the A?-induced internalisation and degradation of AMPARs that typically drive A?-induced LTD-like processes.Functional recordings from microfluidic-coupled MEAs provided complementary network-level evidence. Neurons overexpressing ARFRP1 selectively in the postsynaptic chamber appeared to maintain network connectivity despite A?-induced hyperexcitability, suggesting that molecular stabilisation of postsynaptic trafficking translates into preserved communication across neuronal assemblies. This coordinated structural and functional protection supports a working model in which ARFRP1 enhances synaptic resilience by preserving receptor trafficking homeostasis and maintaining the balance between synaptic pruning and strengthening.Beyond its mechanistic findings, this thesis achieved significant methodological progress by establishing two complementary microfluidic-based platforms: (1) a co-culture screening device enabling medium-throughput assessment of gene expression modulation on synaptic connectivity, and (2) an integrated microfluidic-MEA hybrid system permitting compartment-specific genetic manipulation with simultaneous structural and electrophysiological readouts. These tools provide a versatile framework for studying gene-dependent mechanisms of synaptic regulation and dysfunction.In summary, this work identifies ARFRP1 as a potential trafficking regulator that might support AMPAR stability and synaptic resilience to A?-induced stress, while introducing advanced microfluidic approaches for multi-scale analysis of synaptic function. Together, these contributions advance our understanding of mechanisms underlying early synaptic vulnerability in AD models and open new experimental avenues for exploring molecular pathways that sustain synaptic integrity.