Microglia are the innate immune cells of the brain. They are involved in a plethora of mechanisms required for proper brain development and to maintain brain homeostasis. They play a crucial role in developmental activity-dependent synaptic pruning and synapse refinement, which are essential for the formation, maturation and function of neuronal circuits. However, these cells have been found to have ambivalent effects in neuropathology. In Alzheimer’s Disease (AD), for example, microglia engulf amyloid-beta (Aβ), a major hallmark of AD, and aid in compacting Aβ oligomers to reduce their cellular toxicity. However, they also release proinflammatory factors and aberrantly eliminate synapses, ultimately leading to detrimental synapse loss. Importantly, Aβ expression is also found in the healthy brain, suggesting that it could have physiological functions distinct from those already described in AD. In line with this, Aβ has been shown to have a tight link with synaptic activity. Pilot experiments in our laboratory have demonstrated that its expression increases in the developing mouse hippocampus, particularly during the peak of synaptic refinement by microglia. However, the role of Aβ in developmental synaptic pruning and whether its early overexpression could lead to neuronal network susceptibility are still largely unknown.
My doctoral study aimed to shed light on this question by characterizing the developing hippocampus of the ArcAβ mouse line, which expresses mutated human APP (hAPP) and is used as a model of AD. Specifically, I measured synaptic content and microglia features at different early developmental stages to investigate if Aβ could play a role in regulating synaptic fitness and maturation. My research demonstrated that at early time points, from postnatal day (P)15 to P60, hAPP/Aβ overexpression induces alterations in synaptic marker contents and dendritic spine density. These changes are accompanied by changes in the lipid composition at the synaptic level. Additionally, microglia in female mice display an increased phagocytic content of postsynaptic terminals at P30. Furthermore, I demonstrated that WT microglia in vitro engulf more synaptosomes derived from P15 ArcAβ compared to those
derived from WT mice, supporting a role for Aβ as a modulator of synaptic fitness and microglia-mediated synaptic pruning. Taken together, our data indicate that overexpression of hAPP/Aβ could already affect hippocampal circuits during early development, potentially making them susceptible to synaptic vulnerability long before the deposition of amyloid plaques and the onset of cognitive impairments.
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Les microglies sont les cellules immunitaires innées du cerveau. Elles sont impliquées dans une multitude de mécanismes nécessaires au bon développement du cerveau, ainsi qu’au maintien de son homéostasie. Elles ont un rôle crucial dans l’élagage synaptique et dans l’optimisation des circuits neuronaux. Cet élagage est basé sur l’activité synaptique, processus dans lequel les synapses actives et fonctionnelles sont préservées alors que celles déficientes ou avec une faible activité sont phagocytées par les microglies. Ces cellules sont, par conséquent, essentielles au développement et au fonctionnement du système nerveux. Dans le contexte des maladies neurodégénératives, il a été remarqué qu’elles avaient un rôle ambivalent. Par exemple, dans la maladie d’Alzheimer (MA), elles sont capables de phagocyter les bêta-amyloïdes (Aβ) et aident au compactage des oligomères d’Aβ, diminuant ainsi leur toxicité. Cependant, elles relâchent également des facteurs pro-inflammatoires et éliminent les synapses de façon excessive impactant ainsi le fonctionnement du cerveau. L’Aβ n’est pas produit exclusivement dans cette pathologie, mais est retrouvé également chez les personnes saines, suggérant ainsi un rôle physiologique distincts de ceux décrits dans la pathologie. En réalité, l’Aβ a un lien étroit avec l’activité des synapses. Dans un projet pilote, notre laboratoire a remarqué que la production d’Aβ est accrue durant le développement de l’hippocampe et particulièrement lors du pic d’activité d’élagage synaptique par les microglies. Néanmoins, le rôle de l’Aβ dans l’élagage synaptique développemental et la question de savoir si sa surexpression précoce pourrait conduire à des vulnérabilités synaptiques sont encore largement inconnus.
Le but de ce travail de doctorat est de répondre à ces questions en caractérisant le développement de l’hippocampe de la souris ArcAβ. Cette souris transgénique est un modèle pour la MA surexprimant la protéine humaine précurseur de l’amyloïde contenant des mutations associées à la pathologie. Pour ce faire, j’ai quantifié le contenu synaptique et mesuré certaines caractéristiques des microglies chez des souris âgées de 15, 30 et 60 jours
pour savoir si l’Aβ avait un rôle dans la régulation de la fitness synaptique et à la maturation de ces dernières. Mes recherches ont démontré que la surexpression d’Aβ altère des marqueurs post-synaptiques ainsi que la densité des épines dendritiques dans l’hippocampe. De plus, ces changements sont accompagnés par une transformation de la composition lipidique des synapses. Chez les souris transgéniques femelles âgées de 30 jours, j’ai également mesuré que les microglies phagocytent plus de matériels post-synaptiques que chez les contrôles. En outre, j’ai démontré in vitro que les synapses isolées à partir de ces souris mutantes âgées de 15 jours sont plus phagocytées par les microglies, soutenant l’hypothèse que l’Aβ a un rôle dans la modification de la fitness synaptique et dans l’élimination des synapses réalisée par les microglies. Pour résumer, mes résultats indiquent que la surexpression de la protéine humaine précurseur de l’amyloïde et de ses bêta- amyloïdes dérivés modifient les connexions neuronales dans l’hippocampe et induisent potentiellement des vulnérabilités et ceci, bien avant l’arrivée des plaques séniles et des troubles cognitifs, symptômes clés de la MA.