Dissertationen zum Thema „Sclérose latérale amyotrophique – Modèles mathématiques“

L’hétérogénéité des progressions des maladies chroniques, comme la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA), constitue un obstacle au développement de traitements. L'utilisation croissante de bases de données, couplée à la modélisation de ces maladies, contribue à une meilleure compréhension de ce phénomène. Cependant, les données collectées ne permettent de décrire que des trajectoires partielles qui doivent être réalignées pour reconstruire une progression complète de la maladie. Le modèle spatiotemporel est l’un des modèles développés pour traiter cette question. Son principal intérêt est sa capacité à réaligner les progressions des patients à la fois en terme de chronologie (aspect temporel), grâce à un âge latent, et en terme d’ordre de progression des données longitudinales (aspect spatial). Cependant, ce modèle n’a pas été conçu pour la modélisation d’évènements, cruciaux dans la SLA : survie ou introduction de support de vie, comme la ventilation non invasive (VNI). A l’inverse, les modèles conjoints existants offrent l'avantage de traiter simultanément des données longitudinales et de survie. Cependant, ils ne réalignent pas les trajectoires, ce qui compromet leur résolution temporelle. Cette thèse visait à étendre le modèle spatiotemporel en un modèle spatiotemporel conjoint, permettant l'examen des données longitudinales et de survie dans la SLA. Nous avons d’abord appliqué le modèle spatiotemporel pour étudier l’impact de l'interaction entre le sexe et le site de début (spinal ou bulbaire) sur la progression de la SLA. En utilisant la base de données PRO-ACT, nous avons démontré une influence significative à la fois du sexe et du site de début sur six résultats longitudinaux surveillant le déclin fonctionnel et respiratoire ainsi que l'indice de masse corporelle. Cependant, cette étude n'a pas incorporé d'analyse de survie, malgré son importance dans la SLA, en raison des limitations du modèle. Pour combler cette lacune, nous avons associé au modèle spatiotemporel un modèle de survie qui estime une distribution de Weibull de l’évènement (le décès ici) à partir de l’âge latent, créant ainsi un modèle temporel univarié conjoint. Après validation du modèle, nous l'avons comparé à un modèle conjoint de l’état de l’art sur les données PRO-ACT. Notre modèle a obtenu des performances significativement supérieures en termes de biais absolu et d'AUC moyenne pour les événements censurés à droite. Cela a démontré l'efficacité de notre approche dans le contexte de la SLA. Cependant, la modélisation de plusieurs résultats longitudinaux nécessite une approche multivariée et l'initiation de support de vie, qui peut être censurée par le décès, doit aussi être prise en compte. Nous avons donc étendu le modèle temporel conjoint en un modèle spatiotemporel conjoint avec des risques concurrents pour analyser l'initiation de la VNI. Cela impliquait de coupler le modèle spatiotemporel multivarié avec un modèle de survie pour risques concurrents estimé à partir de l'âge latent. Après validation, nous avons comparé notre modèle à un modèle conjoint de l’état de l’art sur les données PRO-ACT et avons analysé l'interaction entre le sexe et le site de début en complément de la première étude. Le modèle spatiotemporel conjoint a atteint des performances similaires au modèle de l’état de l’art tout en capturant un processus latent partagé, l'âge latent, tandis que le modèles de l’état de l’art examinent l'impact des données longitudinales sur la survie. Pour faciliter la reproductibilité et la réutilisation de ces modèles, ils ont été implémentés dans le logiciel open source Leaspy. Cette thèse introduit le premier modèle permettant de réaligner des trajectoires partielles en combinant la modélisation de données longitudinales et de survie. Nous avons démontré sa pertinence pour comprendre l'occurrence d'événements critiques dans la SLA
Progression heterogeneity in chronic diseases such as Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a significant obstacle to developing effective treatments. Leveraging the growing wealth of large databases through modelling can help better understanding it. However, the data collected only offer access to partial trajectories, that need to be realigned to reconstruct a comprehensive disease progression. To address this challenge, data-driven progression models like the longitudinal Spatiotemporal model were developed. Its main interest is its ability to synchronise patients onto a common disease timeline (temporal aspect) thanks to a latent disease age, while also capturing the remaining variability through parameters that account for outcome ordering (spatial aspect). However, this model was primarily designed for longitudinal data, overlooking crucial outcomes in ALS such as time to death or initiation of life support, like Non-Invasive Ventilation (NIV). Conversely, existing joint models offer the advantage of simultaneously handling longitudinal and survival data. However, they do not realign trajectories, which compromises their temporal resolution. This thesis aimed to expand the Spatiotemporal model into a Joint Spatiotemporal model, enabling, for ALS research, the examination of survival data alongside longitudinal data. First, we applied the Spatiotemporal model to explore how the interaction between sex and onset site (spinal or bulbar) impacts the progression of ALS patients. We selected 1,438 patients from the PRO-ACT database. We demonstrated a significant influence of both sex and onset site on six longitudinal outcomes monitoring the functional and respiratory decline in addition to Body Mass Index. However, this study did not incorporate survival analysis, despite its paramount importance in ALS, due to limitations inherent to the Spatiotemporal model. To address this gap, we associated the Spatiotemporal model with a survival model that estimates a Weibull survival model from its latent disease age, creating a univariate Joint Temporal model. After model validation, we benchmarked our model with a state-of-the-art joint model on PRO-ACT data. Our model exhibited significantly superior performance in terms of absolute bias and mean cumulative AUC for right-censored events. This demonstrated the efficacy of our approach in the context of ALS compared to existing joint models. However, modelling several longitudinal outcomes requires a multivariate approach. Life support initiation that might be censored by death needs to be also considered. We thus extended the Joint Temporal model, into a multivariate Joint Spatiotemporal model with competing risks to analyse NIV initiation. This involved coupling the multivariate Spatiotemporal model with a cause-specific Weibull survival model from the latent disease age. We incorporated spatial parameters with a Cox proportional effect on the hazard. After validation, we benchmarked our model with a state-of-the-art joint model on PRO-ACT data and analysed sex and onset site interaction in complement to the first study. The Joint Spatiotemporal model achieved similar performance to the state-of-the-art model while capturing an underlying shared latent process, the latent disease age, whereas the state-of-the-art models the impact of longitudinal outcomes on survival. To enhance the reproducibility and facilitate the reuse of these models, the proposed models were implemented in the open-source software Leaspy. In conclusion, this thesis introduces the first data-driven progression model combining longitudinal and survival modelling. We demonstrated its relevance to understand the occurrence of critical events in ALS. This work paves the way for further extension to analyse recurrent events, among other potential applications in causal inference

La SLA est une maladie neurodégénérative se caractérisant par la perte progressive et sélective des neurones moteurs. une mutation dans le gène codant pour VAPB a été associée avec la SLA. VAPB est une protéine du réticulum endoplasmique (RE) qui jouerait un rôle dans le transport de protéines et dans la réponse du RE aux protéines mal repliées. J'ai utilisé la technique de transfert viral de gène pour induire l'expression de VAPB humaine (hVAP-Bwt et hVAP-BP56S) dans les neurones moteurs in vitro. Nous avons observé que hVAPBP56S forme des agrégats cytoplasmiques et que la surexpression de hVAPBwt et hVAPBp56s induit la mort des neurones via un mécanisme dépendant du RE et du calcium. Dans les cellules Cos-7, l'expression de hVAP-Bwt et hVAP-Bp(-s bloque l'activité du protéasome via l'activation d'un stress du RE et la séquestration de la sous-unité 20S. Enfin, nous avons développé des souris transgéniques hVAPBp56s mais elles ne développent aucun phénotype moteur
ALS is a neurodegenerative disease characterized by a selective loss of motor neurons. A mutation in VAPB protein has been associated with ALS. VAPB, an endoplamic reticulum (ER) resident protein is proposed to play a role in protein transport and in the unfolded protein response. To manipulate VAPB (hVAPBwt and hVAPBp56s) expression in motor neurons in vitro, I used the viral gene transfer technology. hVAPBp56s induces selective motor neuron death which involved an ER-related pathway dependent on calcium signals. Studies on Cos-7 cells showed that hVAPBwt and hVAPBp56s impair the proteasome activity through the activation of ER stress and the sequestration of the 20S subnit. Moreover, we developed transgenic mice overxpressing hVAPBp56s which do not display any motor disorder

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative dont les premiers symptômes apparaissent généralement vers 60 ans. Elle affecte sélectivement le système moteur et provoque une paralysie progressive amenant au décès du patient par défaillance respiratoire en quelques années. À ce jour, il n’existe aucun traitement curatif, d’où la nécessité de comprendre la physiopathologie de la SLA. Bien que de nombreuses altérations dans le muscle aient été mises en évidence, sa contribution dans la SLA reste à définir. Nous avons montré que FUS est enrichi dans les noyaux sous-synaptiques de façon dépendante de l’innervation. De plus, FUS se lie au promoteur des récepteurs de l’acétylcholine et induit leur transcription de façon dépendante d’ERM. Le mutant FUS, quant à lui, est enrichi dans les noyaux extra-synaptiques et entraîne une toxicité musculaire responsable de l’altération de la jonction neuromusculaire (JNM). Au-delà de la JNM, FUS active MEF2A, de façon dépendante de PRMT1 afin de réguler les fonctions mitochondriales et la différenciation musculaire. La toxicité musculaire de FUS joue donc un rôle clé dans la physiopathologie de la SLA
Amyotrophic lateral sclerosis is a neurodegenerative whose first symptoms generally appear around age 60. It is characterized by progressive motor neuron degeneration, paralysis and leading to death due to respiratory failure in a few years. Currently, there is no cure so the understanding of ALS physiopathology is necessary. Although many alterations in the muscle have been highlighted, its contribution in ALS remains to be defined. We showed that FUS is enriched in subsynaptic nuclei and this enrichment depended on innervation. Besides, FUS binds directly acetylcholine receptors (AchR) promoter and is required for Ermdependent induction of AChR expression. Conversely, mutant FUS is enriched on extra-synaptic nuclei and induce muscle intrinsic toxicity responsible for neuromuscular junction (NMJ) alteration. Beyond NMJ, FUS is required for muscle mitochondrial function and muscle differentiation through PRMT1-dependent MEF2A activation. Thus, FUS muscular toxicity plays a key role in the ALS physiopathology

La SLA est la maladie du motoneurone la plus fréquente chez l’adulte conduisant à une paralysie progressive et la mort des patients. Les cellules microgliales, macrophage du SNC, sont impliquées dans la progression de la maladie. Sachant que la SLA est à caractère majoritairement sporadique, cibler la phase symptomatique et donc la microglie, semble pertinent pour la SLA. Les voies spécifiques impliquant la microglie et entraînant la dégénérescence des motoneurones sont encore largement inconnues. Nous avions donc pour objectif d'identifier les facteurs microgliaux agissant au cours de la dégénérescence des motoneurones. Etant donnée l'importance de l'excitotoxicité comme mécanisme potentiellement impliqué dans la neurodégénérescence de la SLA, ce projet a mis l'accent sur le glutamate libéré par les cellules microgliales par le biais du système xc- (sous-unité spécifique: xCT), un antiport cystine / glutamate, exprimé par la microglie. Nos résultats ont montré que les cellules microgliales exprimaient xCT et à un niveau plus élevé lorsqu’elles étaient activées. L'ARNm de xCT était également présent dans la moelle épinière de souris et son expression augmentée au cours de la maladie dans la moelle épinière de souris SLA. La délétion de xCT chez les souris SLA a entrainé une accélération du début de la maladie mais a permis de prolonger la durée de la phase symptomatique. Le système xc- microglial était responsable de la libération de glutamate et éliminer xCT a permis de renforcer le phénotype neurotrophique de la microglie. Ces résultats montrent que le système xc- pourrait être une cible pour ralentir la progression de la SLA
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is the most common adult onset motor neuron disease leading to paralysis and death of patients. Mutations in SOD1 are responsible for motor neuron degeneration through a non-cell autonomous mechanism. Microglial cells, the macrophages of the central nervous system, participate in the progression of the disease. Since ALS is mainly sporadic, targeting the symptomatic phase during which microglial cells are actively involved is relevant to ALS. Since microglial neurotoxic factors are still largely unidentified in ALS and excitotoxicity is one pathway suggested to cause motor neuron death, our hypothesis was to assess if glutamate released by microglia through system xc- (a cystine/glutamate antiporter with the specific subunit xCT) could participate to motor neuron death in ALS. We now show that primary microglial cells expressed xCT and to a higher level upon activation, that xCT transcripts were enriched in microglia compared to the whole spinal cord and absent in motor neurons. In addition, xCT mRNA levels were increased in mutant SOD1 mouse spinal cords during disease progression. Deleting xCT in mutant SOD1 mice accelerated the onset of the disease but increased the duration of the symptomatic phase. Microglial system xc- was responsible for release of glutamate by microglial cells and deleting xCT increased the neurotrophic profile of microglial cells. These results show that system xc- could be a good target to slow ALS disease progression

La Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative létale caractérisée par la mort des motoneurones et une atrophie musculaire. La majorité des cas sont sporadiques, mais il existe aussi des formes familiales dues à des mutations du gène de la superoxyde dismutase 1 (SOD1), qui ont permis la création de modèles animaux développant une forme expérimentale de SLA. Plusieurs équipes ont impliqué le muscle dans le processus pathologique. Nous avons donc entrepris une étude afin d’explorer les modifications du transcriptôme musculaire lors de la SLA. Cette étude a généré une «signature transcriptionnelle» pouvant servir de base à un test clinique et une liste de gènes d’intérêt. En premier lieu, Rad en raison de la précocité de son expression et de l’intensité de sa régulation comparée aux animaux sains. Nous avons pour la première fois décrit des mécanismes de régulation de ce gène et les phénomènes responsables de son induction. (observations confirmées chez les patients). Par ailleurs, la SLA est associée à un hypermétabolisme qui, une fois compensé, augmente la survie des animaux. Pour mieux comprendre cet hypermétabolisme, nous avons étudié un second gène : la stéaroyl-coenzyme-A désaturase 1 (SCD1), enzyme clé de la biosynthèse des acides gras. La SCD1 est spécifiquement réprimée dans le muscle SLA et son invalidation est connue pour déclencher un hypermétabolisme. Ainsi, on peut espérer avoir identifié une des causes de l’hypermétabolisme associé à la SLA. Mon travail a donc permis de déchiffrer la «signature» du transcriptôme musculaire lors de la SLA et d’en dégager des cibles d’intérêt pour la compréhension fondamentale de la pathologie
Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a lethal neurodegenerative disease characterized by motorneuron death and muscular atrophy. Most cases are sporadic, however familial forms also exist, as a result of a dominant mutation in the superoxide dismutase 1 (SOD1) gene, which enabled the generation of animal models developing an experimental form of ALS. Several teams, including our lab, involve the muscle in the pathological process. We thus undertook a global study to investigate muscular transcriptome modifications during ALS pathology. This study generated a transcriptional "signature" of the disease, which could be used as basis to develop diagnostic tests, and revealed genes of interest in this pathology. First, we studied Rad because of its precocity and the intensity of its regulation in SOD1 mice, compared to wild type animals. We described the mechanisms regulating rad expression as well as the pathological phenomenon responsible for its induction. (Confirmed in human patients). Furhthermore, ALS is associated with hypermetabolism which, once compensated, increases animal’s survival. To better understand this hypermetabolism, we studied the implication of a second gene: the stearoyl-coenzyme-A desaturase 1 (SCD1) a key enzyme in mono unsatured fatty acids biosynthesis. SCD1 mRNA is specifically repressed in ALS muscle and its invalidation is known to trigger hypermetabolism in wild type animals. We thus hope to have identified one of the genes responsible for ALS-associated hypermetabolism. My work has therefore provided a muscular transcriptom "signature" in ALS and allowed us to identify target genes crucial for the fundamental understanding of the pathology

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une pathologie neurodégénérative caractérisée par une perte progressive des neurones moteurs et par de l’atrophie musculaire menant à de la paralysie. Bien que plusieurs mécanismes pathologiques aient été élucidés, la SLA reste un mystère médical puisqu’il n’existe toujours pas de traitement efficace. Nous avons développé deux stratégies dans le but de traiter la SLA. La première stratégie fut de cibler la protéine SOD1 mal repliée (chapitre 2) et la deuxième consistait à traiter la neuroinflammation présente dans la maladie (chapitre 3). Dans le chapitre 2, nous avons tenté de diminuer le niveau de la protéine SOD1 mal repliée présent dans le système nerveux de souris transgéniques développant un phénotype de SLA. Pour ce faire, nous avons testé une nouvelle approche thérapeutique basée sur l’utilisation d’ « adeno-associated virus (AAV) ». Ce virus contient une séquence d’ADN qui encode pour un anticorps à chaîne unique variable (scFv). Cet anticorps est composé d’une des deux chaînes légères et lourdes de l’anticorps D3H5 ciblant de manière spécifique la protéine SOD1 mal repliée. Une injection intra-thécale unique de l’AAV encodant l’anticorps à chaîne unique dans des souris SOD1G93A repousse le début de la maladie et augmente la survie des souris de 28%. Nous avons démontré que la Withaferin A (WA), un inhibiteur du facteur NF-κB, diminuait le phénotype neurologique retrouvé chez le modèle de souris transgénique TDP-43. Donc, nous avons testé la Withaferin A sur deux autres lignées de souris transgéniques exprimant des mutations dans la protéine SOD1, soit la lignée de souris SOD1G93A et la lignée de souris SOD1G37R. L’effet bénéfique de la WA chez les souris SOD1G93A était accompagné d’un soulagement de la neuroinflammation, d’une diminution du niveau de protéine SOD1 mal repliée dans la moelle épinière et d’une baisse de la mortalité des neurones moteurs. En considérant ces résultats, l’utilisation d’AAV encodant un anticorps à chaîne unique contre la protéine SOD1 mal repliée ainsi que l’utilisation de Withaferin A devrait toutes les deux être considérées comme des approches pour traiter la SLA.
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive neurodegenerative disease associated with motor neuron degeneration, muscle atrophy and paralysis. Although numerous pathological mechanisms have been elucidated, ALS still remains a medical mystery in the absence of any effective therapy. Riluzole is the only therapeutic drug approved for ALS with regard to prolonging survival. Here, we have developed two strategies for treatment of ALS, first targeting the misfolded SOD1 (chapter 2) and other targeting neuroinflammation (chapter 3). In chapter 2, we aimed to reduce the level of misfolded SOD1 species in the nervous system. We tested a novel therapeutic approach based on adeno-associated virus (AAV)-mediated tonic expression of a DNA construct encoding a secretable single chain fragment variable (scFv) antibody composed of the variable heavy and light chain regions of a monoclonal antibody (D3H5) binding specifically to misfolded SOD1. A single intrathecal injection of the adeno-associated virus encoding the single chain antibody in SOD1G93A mice delayed disease onset and extended the life span by up to 28%, in direct correlation with scFv titers in the spinal cord. Our second treatment strategy which is aimed to target neuroinflammation is based on previous reports from our lab where it has been shown that Withaferin A (WA), an inhibitor of NF-κB activity was efficient in reducing disease phenotype in TDP-43 transgenic mouse model of ALS. We tested WA in mice from two transgenic lines expressing different ALS-linked SOD1 mutations, SOD1G93A and SOD1G37R. The beneficial effects of WA in SOD1G93A mice model was accompanied by alleviation of neuroinflammation, decrease in level of misfolded SOD1 species in spinal cord, a reduction in loss of motor neurons, resulting in delayed disease progression and mortality. Based on these evidences, AAV encoding a secretable scFv against misfolded SOD1 and WA should be considered as a potential treatment for ALS.

Les modèles murins de la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA) ont permis des avancées dans la compréhension des mécanismes pouvant conduire à la mort sélective et progressive des motoneurones (Mns) mais ils présentent des disparités dans la sévérité et le décours temporel de la maladie. Parmi les hypothèses avancées figurent des modifications des propriétés intrinsèques des motoneurones conduisant à des modifications de l’excitabilité et de l’homéostasie du calcium intracellulaire et à la mort du motoneurone.Nous avons donc étudié les propriétés électrophysiologiques des Mns lombaires de souris SOD1G85R et SOD1G93A, deux modèles à faible nombre de copies du gène humain muté, durant les deux premières semaines postnatales afin d’identifier d’éventuelles anomalies pré-symptomatiques précoces. Nos travaux ont été réalisés sur deux préparations in vitro de moelle entière isolée et de tranches de moelle épinière. Les Mns mutants présentent, sur les deux types de préparations, une altération des propriétés du potentiel d’action se traduisant par un allongement de la durée associée à une diminution des vitesses maximales de dépolarisation et repolarisation et une réduction d’amplitude. Ces altérations apparaissent entre P2-P5 dans les Mns SOD1G85R et entre P6-P10 dans les Mns SOD1G93A et suggèrent une diminution de la densité des canaux sodiques et potassiques associés au potentiel d’action. Nous avons aussi observé sur des tranches de moelle épinière entre P6-P10 que le gain de fréquence des Mns SOD1G85R diminue et celui des SOD1G93A augmente sans aucune modification des densités des courants entrants persistants sodiques et calciques. On note également que, sur tranches de moelle épinière, les Mns SOD1G93A présentent un potentiel de repos diminué. En présence d’une surcharge calcique extracellulaire, les propriétés membranaires des Mns SOD1G85R entre P6-P10 sont moins affectées que celles des Mns témoins. Les effets différentiels de cette surcharge peuvent être dus à des modifications différentes de la dépendance au voltage des canaux voltage-dépendants et/ou à la modulation de certains types de canaux activés par le calcium extracellulaire. Une arborisation dendritique plus ramifiée que celle de Mns témoins, comparable à celle précédemment décrite dans les Mns SOD1G85R, a été observée dans les Mns SOD1G93A à P8-P9 avec des altérations du potentiel d’action citées plus haut et une réduction de la rhéobase. Ces altérations morphologiques et électriques pourraient indiquer des modifications de cinétiques et/ou de densités de canaux sur des sites différents dans ces Mns. Nos travaux montrent donc, d’une part que les mutations SOD1G85R et SOD1G93A induisent dans ces deux modèles murins des altérations des propriétés des Mns lombaires comparables mais décalées dans le temps et d’autre part que certaines altérations semblent être spécifiques à une mutation SOD1 donnée
The SOD1 murine models of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) allowed major progress in the understanding of mechanisms which could lead to a selective loss of motoneurons (Mns), but these models display differences in the severity and time course of the disease. Changes in intrinsic properties of motoneurons may induce changes in excitability and intracellular calcium homeostasis leading to motoneuron death.Therefore, we studied electrophysiological properties of lumbar Mns from SOD1G85R and SOD1G93A mice, low expressor lines, during the first two postnatal weeks in order to identify possible early presymptomatic abnormalities. Our studies were carried out on two in vitro preparations: the whole isolated spinal cord and acute spinal cord slices. Mutant Mns display, in the two preparations, a modified action potential characterized by an increased duration due to a decrease of the maximal speeds of depolarisation and repolarisation and a reduction of the spike amplitude. These alterations appeared between P2-P5 in SOD1G85R Mns and between P6-P10 in SOD1G93A Mns and suggest a decrease of the density of sodium and potassium channels related to action potential. We also showed on spinal cord slices between P6-P10 that the gain of frequency decreases for SOD1G85R Mns and increases for SOD1G93A Mns without any change in the density of persistent inward sodium or calcium currents in these different mutant Mns. We observed also that the resting membrane potential of SOD1G93A Mns on spinal cord slices is decreased. The membrane properties of SOD1G85R Mns between P6-P10 were less susceptible to changes in presence of an extracellular calcium overload. Differential effects of this extracellular calcium overload on membrane properties of WT and SOD1G85R Mns could be due to different alterations of the potential dependence of voltage-gated channels and/or to the modulation of some types of channels sensitive to extracellular calcium. An over-branching of dendritic arborization, similar to that previously described in SOD1G85R Mns, was observed in SOD1G93A at P8-P9 with the above-mentioned action potential alterations and a weak rheobasic current. These morphogical and electrical changes could indicate together alterations of kinetics and/or density of channels on different sites on these Mns. In conclusion, our work shows on one hand that SOD1G85R and SOD1G93A mutations induce similar alterations of lumbar Mns properties but time-shifted in these two murine models and on the other hand that some alterations seem to be specific to a given SOD1 mutation

L'amyotrophie spinale (SMA) et la sclérose latérale amyotrophique sont les maladies du motoneurone (MN) les plus communes, caractérisées par une dégénérescence des MN de la moelle épinière, responsable d'une amyotrophie progressive souvent létale, et pour laquelle aucun traitement curatif n'est actuellement disponible. Parmi les pistes thérapeutiques les plus prometteuses, la thérapie génique permet de faire exprimer de façon durable un facteur neuroprotecteur ou de ré-introduire un gène manquant dans les MN. En effet, plusieurs études ont montré une amélioration sans précédent de l'espérance de vie de modèles murins sévères de SMA après administrations intraveineuses de vecteur dérivé du virus adéno-associé de sérotype 9 (AAV9). Toutefois, avant d'envisager une application clinique, l'efficacité et l'innocuité d'une telle stratégie de transfert de gènes doivent être évaluées dans des modèles gros animaux, plus proches de l'homme anatomiquement et physiologiquement. L'objectif de ce travail a été de tester différentes stratégies de transfert de gènes dans la moelle épinière d'un modèle félin atteint d'une pathologie du MN proche de la SMA humaine de type III, causée par la délétion du gène limb-expression 1 (LIX1). Pour identifier une stratégie efficace de thérapie génique dans la moelle des chats LIX1, nous avons testé parallèlement à l'administration intraveineuse de vecteur AAV9, deux voies d'administration d'AAV restreintes au système nerveux central : les injections intracérébrale et intracisternale (dans le liquide cérébro-spinal), avec deux transgènes potentiellement thérapeutiques, le facteur neuroprotecteur VEGF et le gène LIX1. Nos résultats ont montré qu'une injection intracisternale d'AAV9 mène à une expression des transgènes dans de nombreux MN tout le long de la moelle, chez les chats adultes comme chez les chats nouveau-nés, avec une transduction périphérique limitée. Cette étude pourrait valider l'utilisation de vecteurs AAV9 par voie intracisternale dans le cadre d'une stratégie thérapeutique des maladies du MN chez l'homme
Spinal muscular atrophy (SMA) and amyotrophic lateral sclerosis are the most common motor neuron (MN) diseases characterized by the degeneration of the spinal cord MN, leading to often lethal progressive muscular atrophy, for which no cure is currently available. Among the most promising therapeutic approaches, a neuroprotective factor or a missing gene can be expressed or re-introduced in MN in a sustainable manner by gene therapy. Indeed, several studies have shown an unprecedented improvement of the lifespan of severe SMA mouse models after intravenous administrations of vector derived from adeno-associated virus serotype 9 (AAV9). However, before considering clinical application, efficiency and safety of such a strategy should be evaluated in large animal models, anatomically and physiologically more closely related to humans than rodents. The objective of this study was to test different strategies for gene transfer into the spinal cord of cats with a MN disease close to human type III SMA caused by the deletion of the LIX1 gene (limb expression 1). To identify an effective strategy for gene therapy in LIX1 cats spinal cord, we tested parallel to the intravenous administration of AAV9 vector, two AAV administration routes restricted to the central nervous system: intracerebral and intracisternal (in the cerebrospinal fluid) injections with two therapeutic transgenes candidates: the neuroprotective factor VEGF and the LIX1 gene. Our results showed that intracisternal injections of AAV9 lead to transgene expression in many MN throughout the spinal cord in both adult and newborn cats with limited peripheral transduction. This study could validate the use of intracisternal administration of AAV9 vectors in a therapeutic strategy for MN diseases in humans

L’amyotrophie spinale infantile (ASI) et la sclérose latérale amyotrophique (SLA) sont deux maladies neurodégénératives très graves. Nous avons analysé les effets de l’exercice physique dans des modèles souris de ces deux pathologies. La course est bénéfique dans le cas de l’ASI. Elle augmente la durée de vie, permet une neuroprotection et diminue l’atrophie musculaire due à la maladie. L’étude comparée des effets de la nage et de la course chez un modèle souris de la SLA montre que les deux types d’exercice sont neuroprotecteurs. Mais alors que la course protège plutôt les motoneurones d’unités motrices lentes, la nage préserve plutôt ceux des unités motrices rapides. Que ce soit dans l’ASI ou la SLA, l’exercice physique est très bénéfique. Ces études ouvrent la voie au développement de programmes d’entraînement pour les patients, permettront d’identifier ces mécanismes et de proposer de nouvelles voies thérapeutiques.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie se caractérisant par la dégénérescence progressive et conjointe des neurones corticospinaux (NCS) et des motoneurones (MN) bulbaires et spinaux. Des études chez les patients suggèrent une origine corticale et une propagation corticofuge de la pathologie. Cependant, cette hypothèse n’a jamais été démontrée chez les patients SLA ni testée dans les modèles murins. Ces travaux ont permis de tester le rôle des neurones à projections subcérébrales (NPSC) dans le déclenchement et la progression de la SLA chez les souris Sod1G86R. Nous avons alors généré un nouveau modèle murin développant la SLA en absence de NPSC. Les résultats montrent que l’absence de NPSC retarde le déclenchement de la pathologie, prolonge la survie des animaux, tout en réduisant le déclin de leurs capacités motrices. Ces données suggèrent que l’absence de NPSC est bénéfique et que, dans un contexte de SLA, les NPSC seraient donc toxiques et auraient un rôle prépondérant dans le déclenchement et l’établissement de la SLA. Ces travaux montrent l’importance d’inclure l’étude des NCS pour le développement de futures stratégies thérapeutiques
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a disease characterized by progressive and combined degeneration of corticospinal neurons (CSN) and bulbar and spinal motoneurons (MN). Studies in patients suggest a cortical origin and a corticofugal spread of the pathology. However, this hypothesis has never been demonstrated in ALS patients nor tested in mouse models. The work of this thesis allowed to test the role of subcerebral projection neurons (SCPN) in the onset and progression of ALS in Sod1G86R mice. To do so, we generated a new mouse model developing ALS in the absence of SCPN. Results show that the absence of SCPN delays the onset of the pathology, prolongs the survival of the animals, while reducing the decline of their motor abilities. These data suggest that the absence of SCPN is beneficial and that, in an ALS context, SCPN would be toxic and have a preponderant role in the onset and establishment of the pathology. This work shows the importance of including the CSN study for the development of future therapeutic strategies

La signalisation purinergique ainsi que l'augmentation en surface des récepteurs ionotropiques P2X4 activé par l'ATP sont exacerbés dans divers troubles du SNC dont la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Le récepteur P2X4 a une expression étendue dans le système nerveux central (SNC) au niveau des neurones et des cellules gliales ainsi que dans divers types cellulaires périphériques. Une question clé concernant le rôle de la signalisation purinergique dans la physiologie et la physiopathologie est la fonction de l'augmentation du nombre de récepteurs P2X4 en surface observée dans différents types cellulaires de manière spécifique.Pour élucider les fonctions cellulaires spécifiques du récepteur P2X4 dans un contexte pathologique, une lignée de souris transgéniques conditionnelle (P2X4mCherryIN floxée) a été créée permettant la substitution du motif d'internalisation de P2X4 par la protéine fluorescente mCherry, sous la dépendance de la Cre recombinase, empêchant ainsi l'endocytose constitutive du récepteur P2X4. Nous avons validé et caractérisé deux lignées de souris knock-in (KI) exprimant le récepteur mutant d'internalisation P2X4mCherryIN dans les neurones excitateurs du cerveau antérieur (CamK2) ou dans toutes les cellules exprimant le récepteur P2X4 de façon native (CMV). Comme attendu, la substitution génétique du récepteur P2X4 sauvage par le mutant P2X4mCherryIN dans les deux modèles de souris knock-in n'altère pas la distribution ni la localisation subcellulaire du récepteur P2X4 mais conduit à une augmentation accrue de son expression en surface de manière cellule-spécifique. D’un point de vue fonctionnel, ces modèles ont permis de démontrer que l'augmentation du récepteur P2X4 à la surface des neurones excitateurs diminue l'anxiété et altère la mémoire en raison de la modulation de la plasticité synaptique dans la région CA1 de l'hippocampe.Dans le but élucider l'implication du récepteur P2X4 dans la pathogenèse de la SLA, nous avons croisé le nouveau modèle de souris KI CMV (ou P2X4KI) généré exprimant le récepteur P2X4 augmenté en surface dans toutes les cellules qui expriment nativement le récepteur P2X4 ou bien un modèle de souris transgénique délétée pour le gène p2x4 (P2X4KO) avec le modèle murin de SLA le plus couramment utilisé portant la mutation SOD1-G93A humaine (SOD1) pour la génération de souris double-transgénqiues SOD1:P2X4KI et SOD1 :P2X4KO. De manière intéressante, l'ablation du récepteur P2X4 ainsi que l'expression du mutant d'internalisation chez les souris SOD1 ont un impact significatif et positif sur les performances motrices et la survie des animaux, ce qui révèle un rôle actif bien que complexe des récepteurs P2X4 dans la progression de la SLA. Chez les souris SOD1, l'expression de P2X4 dans la moelle épinière (ME), est initialement limitée au MN puis augmente au niveau de la microglie pendant la phase symptomatique, et le récepteur P2X4 joue un rôle double sur l'expression des marqueurs d''inflammation pendant la progression de la maladie. Parallèlement, l'expression à la surface du récepteur P2X4 augmente de manière significative dans les macrophages péritonéaux des souris SOD1 au cours de la progression de la SLA, et ce dès les stades présymptomatiques, ce qui suggère que le récepteur P2X4 pourrait représenter un biomarqueur précoce de la SLA. De plus, nous révélons que le mécanisme sous-jacent à la surexpression en surface du récepteur P2X4 dans les modèles de SLA au fil du temps peut s'expliquer par une altération compétitive et progressive de l'internalisation constitutive des récepteurs par les protéines mutantes SOD1.A l’avenir, ce nouveau modèle de souris KI innovant permettant d'étudier la fonction de l'augmentation en surface du récepteur P2X4 de manière cellule-spécifique dans le SNC mais également au niveau des cellules périphériques, pourra représenter un outil majeur pour l'étude de nombreuses autres pathologies au-delà de la SLA
ATP signaling and surface P2X4 ATP-gated receptor channels are upregulated in various neurological disorders including amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a fatal motoneuron (MN) disease characterized by protein misfolding and aggregation leading to cellular degeneration. P2X4 displays a widespread distribution in the central nervous system (CNS) neurons and glial cells as well as in multiple peripheral cell types throughout the body. A key question regarding the role of purinergic signaling in health and disease is the function of this upregulated surface P2X4 state observed in specific cell types.To elucidate the cell-specific functions of P2X4 in a pathological context, a conditional transgenic knock-in P2X4 mouse line (floxed P2X4mCherryIN) was created allowing the Cre activity-dependent genetic swapping of the internalization motif of P2X4 by the fluorescent protein mCherry to prevent constitutive endocytosis of P2X4. We describe and characterize two distinct knock-in mouse lines expressing non-internalized P2X4mCherryIN either in excitatory forebrain neurons (CamK2) or in all cells natively expressing P2X4 (CMV). The genetic substitution of wild-type P2X4 by non-internalized P2X4mCherryIN in both knock-in mouse models does not alter the sparse distribution and subcellular localization of P2X4 but leads to a cell-specific increased surface P2X4 expression mimicking the pathological upregulated P2X4 state. We provide evidence that the increase in P2X4 at the surface of excitatory neurons decreases anxiety and impairs memory processing due to alteration of synaptic plasticity in the hippocampal CA1 region.To unravel the implication of P2X4 in ALS pathogenesis, we generate innovating double transgenic mice called SOD1:P2X4KI and SOD1:P2X4KO using the new knock-in CMV mice model expressing the upregulated P2X4 receptor in all cells that expressed natively the P2X4 receptor (P2X4KI) or a trangenic mice lacking the P2X4 gene (P2X4KO) with most commonly used ALS model carrying the human SOD1-G93A mutation (SOD1). Interestingly, the ablation of the P2X4 gene as well as the expression of non-internalized P2X4 in SOD1 mice have a significant and positive impact on motor performances and animal survival revealing that P2X4 are active and complex players in ALS progression. In SOD1 mice spinal cord, the expression of P2X4 is initially restricted to MN and increased in microglia during the symptomatic phase of ALS, and P2X4 has a dual role on inflammation markers expression during the progression of the disease. In parallel, P2X4 surface expression significantly increased in peritoneal macrophages of SOD1 mice during ALS progression even from the presymptomatic stages suggesting that P2X4 may represent an early biomarker of ALS. Moreover, we reveal that the mechanism underlying the surface upregulation of P2X4 receptor in ALS models over the time can be explained by a competitive and progressive alteration of P2X4 constitutive internalization by SOD1 misfolded protein leading to MN death and associated neuroinflammation.Overall, we provide an innovative knock-in P2X4 model to study the functional contributions of upregulated P2X4 receptor in specific cells of the nervous system but also in peripheral tissues throughout the body that will be helpful for study many others pathologies besides ALS

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la démence fronto-temporale (DFT) sont deux maladies qui constituent un continuum clinico-pathologique. La mutation de FUS, une protéine nucléaire à fonctions multiples, provoque des cas familaux de SLA, et ces mutations provoquent une redistribution sub-cellulaire de FUS, du noyau vers le cytoplasme. Certains cas de DFT présentent une telles distribution anormale en l’absence de mutations de FUS. Il n’est pas connu si la maladie est provoquée par une perte de la fonction nucléaire de FUS et/ou un gain de fonction cytoplasmique.Nous avons généré et caractérisé une lignée de souris exprimant une forme cytoplasmique de FUS (Fus-ΔNLS). La localisation exclusive de FUS dans le cytoplasme provoque la mort des motoneurones via un gain de fonction dans les motoneurones eux-mêmes. Une localisation cytoplasmique partielle de FUS est suffisante pour développer un phénotype de la SLA et de DFT. Les mécanismes élucidés permettront de comprendre les bases des SLA/DFT
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and Frontotemporal dementia (FTLD) are now considered as a unique clinicopathological spectrum referred to as ALS/FTLD. Cytoplasmic aggregation of the physiologically nuclear FUS protein is a hallmark feature of a subset of ALS/FTLD. It remains unknonwn whether the critical pathogenic event relies on a loss of FUS normal nuclear functions, a toxic gain of function of FUS in the cytoplasm, or a combination of both.To answer this question we have generated a conditional mouse model expressing truncated FUS without nuclear localization signal - FusΔNLS. Our data showed that complete cytoplasmic mislocalization of truncated FUS protein within spinal motor neurons is a major determinant of motor neuron degeneration via toxic gain of function. A partial mislocalization of truncated FUS protein was sufficient to trigger key features of ALS and of FTLD.These studies allowed the elucidation of mechanisms underlying FUS role in ALS/FTLD, and will hopefully lead to development of therapies for these devastating diseases

Les mitochondries sont la principale source d’énergie dans les neurones. Les défauts mitochondriaux participent à l’apparition de maladies neurodégénératives, cependant ils peuvent être contrés par un système de contrôle qualité. Le but de ma thèse a été de déterminer si ce système est dérégulé dans la maladie de Huntington (MH) et la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et si sa restauration est neuroprotectrice, en utilisant principalement des modèles drosophile. La MH, caractérisée par une atteinte des neurones du striatum, est due à la protéine Huntingtin mutée (mHtt). Nous avons montré que la mHtt induit une accumulation des mitochondries dans la rétine. Ceci pourrait être dû à un défaut de la mitophagie, un mécanisme qui permet l’élimination des mitochondries défectueuses et qui est orchestré par la protéine PINK1. De manière intéressante, la surexpression de PINK1 corrige le phénotype pathologique des drosophiles exprimant la mHtt. Je me suis aussi intéressé à la SLA, chez laquelle les motoneurones dégénèrent, plus exactement au gène TDP-43 qui est un contributeur majeur à la maladie. Nous avons montré que la surexpression de TDP-43 dans les neurones de drosophiles entraîne une fragmentation des mitochondries liée à une sous-expression du gène mitofusin. Ce dernier contrôle le processus de fusion entre les mitochondries saines et endommagées et donc l’intégrité de cet organite. La surexpression de Mitofusin améliore les défauts locomoteurs et l’activité neuronale altérée chez les drosophiles exprimant TDP-43. Nos résultats montrent l’importance du contrôle qualité mitochondrial dans la pathogenèse de ces maladies, et que de le renforcer pourrait être bénéfique
Mitochondria are the main energy source in neurons. Mitochondrial defects contribute to the development of neurodegenerative diseases, however they can be countered by a quality control system. The purpose of my thesis has been to determine if this system is dysregulated in Huntington’s disease (HD) and in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and if restoring it can be neuroprotective, by mainly using Drosophila models. HD, which is characterized by loss of striatal neurons, is caused by the mutant Huntingtin protein (mHtt). We showed that mHtt induces the accumulation of mitochondria in the retina. This could be due to a defect in mitophagy, a mechanism which allows the elimination of defective mitochondria and which is orchestrated by the protein PINK1. Interestingly, PINK1 overexpression ameliorates the abnormal phenotype of flies expressing mHtt. I also got interested in ALS, in which motor neurons degenerate, and mainly in the TDP-43 gene which is a major contributor to the disease. We showed that TDP-43 overexpression in Drosophila neurons leads to fragmentation of mitochondria due to decreased expression levels of the mitofusin gene. The latter controls the fusion process between healthy and damaged mitochondria and therefore the organelle integrity. We show that Mitofusin overexpression ameliorates locomotor defects and abnormal neuronal activity in flies expressing TDP-43. Our results show the importance of mitochondrial quality control in the pathogenesis of these diseases, and that reinforcing it can be beneficial

Une expansion de répétitions G4C2 dans le gène C9ORF72 est la cause génétique la plus commune de la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Afin d’étudier les conséquences de la perte d’expression de C9ORF72, nous avons généré un modèle murin knockout pour ce gène. Ces souris ne développent pas d’altérations locomotrices, mais présentent des dysfonctions immunitaires (splénomégalie et lymphadénopathie). Nos analyses révèlent un niveau élevé d’autoanticorps et une glomérulonéphropathie conduisant à la mort des animaux. Nous avons alors généré des modèles murins avec un knockout tissu spécifique de C9orf72 dans les principales populations cellulaires immunitaires. De façon intéressante, la perte de C9orf72 dans les cellules dendritiques reproduit les altérations immunitaires. Des études d’immunophénotypage révèlent une fonction importante de C9orf72 dans les cellules dendritiques plasmacytoïdes. En conclusion, mes données suggèrent qu’une activation de ces cellules pourrait être le point de départ des dysfonctions immunitaires observées dans les souris C9orf72 KO
An expansion of G4C2 repeats in C9ORF72 gene is the most common genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). These repeats lead to DNA epigenetic changes resulting in a decrease expression of C9ORF72. To better understand the functions of this protein, we generated a C9orf72 KO mouse model. These mice do not develop an ALSphenotype, but present immune dysfunctions characterized by a splenomegaly and a lymphadenopathy. Sera and immunohistochemistry analysis also revealed elevated autoantibodies and a glomerulonephropathy, leading to mice death. To further investigate this phenotype, we generated different mice models with a tissue specific KO of C9orf72 in the main immune cell populations. Interestingly, the loss of C9orf72 in dendritic cells reproduce the splenomegaly and lymphadenopathy. Immunophenotyping of the dendritic cell lineage of KO mice revealed specific alteration of the plasmacytoid dendritic cells(pDCs). Overall, these results suggest that pDC could be the starting point of the inflammatory dysfunctions observed in C9orf72 KO mice

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative fatale de l’adulte caractérisée par la dégénérescence des motoneurones (MNs) et ayant une étiologie multifactorielle. La plupart des études sur la SLA se sont focalisées aux stades symptomatiques selon l’hypothèse que la pathogénicité apparaît lorsque la maladie devient symptomatique. Cependant, un nombre grandissant d’évidences indique que la pathogénicité se développerait bien avant les symptômes. Mon travail de thèse de Doctorat a été basé sur l’hypothèse selon laquelle la SLA – familiale et sporadique – découlerait de déficits présents dès le développement précoce. La première partie de ma thèse a consisté à analyser les courants post-synaptiques GABA/glycine (IPSCs) au niveau des MNs embryonnaire (E) E17,5, localisés dans la colonne motrice ventro-laterale, chez la souris SOD1G93A (SOD) modèle de la SLA, en parallèle à l’analyse de l’homéostasie chlorure. Nos résultats ont montré que les IPSCs sont moins fréquents chez les animaux SOD en accord avec une réduction des terminaisons synaptiques VIAAT autour des MNs. Les MNs SODs avaient un ECI 10 mV plus positif que les MNs sauvages (WT) de la même portée. Ce déficit était lié à une réduction du co-transporteur chlorure KCC2. Les IPSCs évoqués et spontanés présentaient une relaxation plus longue chez les MNs SOD, en corrélation à une [Cl-]i plus élevée. La modélisation a montré que cet excès de relaxation permettait de compenser la moindre efficacité de l’inhibition GABA/glycine liée au ECI dépolarisé. De manière intéressante, les simulations ont révélé la nature excitatrice des potentiels dépolarisants post-synaptiques GABA/glycine (dGPSPs) survenant à basse fréquence (<50Hz) sur les MNs SOD mais pas sur les MNs WT. A plus haute fréquence, les dGPSPs basculaient vers une inhibition du MN liée à une sommation de composantes « shuntantes ». La seconde partie de ma thèse a donc focalisé sur les effets de dGPSPs évoqués électriquement at différentes fréquences (7,5 - 100 Hz) sur de vrais MNs E17,5 au niveau desquels un ECl dépolarisant (sous le seuil du PA) était imposé. Le but était d’examiner si l’effet excitateur pouvait être lié aux changements morphologiques des MNs E17,5 décrits précédemment. Les résultats ont montré que certains MNs étaient bien excités par les dGPSPs basse fréquence et inhibés à plus forte fréquence (MNs bi-effet) alors que d’autres MNs étaient inhibés quelles que soient les fréquences (MNs inhibés). L’effet double était plus souvent détecté au niveau des MNs SOD. Les MNs WT ont été classés en deux groupes en fonction de leur résistance d’entrée (Rin), les MNs bi-effet ayant une Rin élevée et les MNs inhibés une Rin basse. Les données morphométriques ont mis en avant un arbre dendritique réduit pour les MNs WT bi-effet (Rin élevée) et un arbre dendritique étendu pour les MNs inhibés (Rin basse). Ce n’était pas le cas des MNs SOD excités ou inhibés indépendamment de leur morphologie. En accord avec les simulations montrant qu’une baisse de la densité des courants inhibiteurs sur le soma du MN favorise l’excitation des dGPSPs, nous avons trouvé moins de terminaisons synaptiques VIAAT sur le soma et dendrites proximales des MNs SOD, et une fréquence réduite des dGPSPs spontanés. Dans leur ensemble, les données de ma thèse soulignent une altération précoce de l’homéostasie chlorure et de l’innervation GABA/glycine des MNs SOD1G93A. Avant la naissance, une population dominante de MNs avec Rin basse émerge chez les animaux WT. Ces MNs qui sont inhibés par les dGPSPs pourraient correspondre aux futures MNs vulnérables (rapides, FF). Ces MNs ne sont pas inhibés chez les animaux SOD. Le dysfonctionnement de l’inhibition pourrait être attribué à deux facteurs distincts : la morphologie et la densité des synapses inhibitrices péri-somatiques. Parmi ces facteurs, le deuxième joue un rôle majeur en contrôlant la capacité des neurones GABA/glycine à façonner la sortie motrice spinale
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal and adult-onset neurodegenerative disease characterized by a progressive degeneration of motoneurons (MNs) with complex multifactorial aetiology. Most ALS studies have focused on symptomatic stages based on the hypothesis that ALS pathogenesis occurs when the disease becomes symptomatic. However, growing evidence indicates that ALS pathogenesis might start long before symptom onset. My PhD thesis work was based on the hypothesis that ALS - familial and sporadic - stems from deficits taking place during early development. With the aim of identifying early changes underpinning ALS neurodegeneration, the first part of my thesis analysed the GABAergic/glycinergic inhibitory postsynaptic currents (IPSCs) to embryonic (E) E17.5 MNs located in the ventro-lateral motor column from SOD1G93A (SOD) mice, in parallel with the analyse of chloride homeostasis. Our results showed that IPSCs are less frequent in SOD animals in accordance with a reduction of synaptic VIAAT-positive terminals in the close proximity of MN somata. SOD MNs exhibited an ECI 10 mV more depolarized than wild type (WT) MNs. This deficit in GABA/glycine inhibition was due to a reduction of the neuronal chloride transporter KCC2. SOD spontaneous IPSCs and evoked GABAAR-currents exhibited a slower decay correlated to elevated [Cl-]i. Using computer modelling approach, we revealed that the slower relaxation of synaptic inhibitory events acts as a compensatory mechanism to strengthen or increase the efficacy of GABA/glycine inhibition when ECI is more depolarized. Interestingly, simulations revealed an excitatory effect of low frequency (<50Hz) depolarizing GABA/glycine post-synaptic potentials (dGPSPs) in SOD-like MNs but not in WT-like littermates. At high frequency, dGPSPs switched to inhibitory effect resulting from the summation of the shunting components. The second part of my PhD thesis focussed on the effect of electrically evoked-dGPSPs, at different frequencies (7.5 to 100 Hz), on real lumbar E17.5 MNs in which a depolarized ECI (below spike threshold) was imposed. The aim was to examine whether the excitatory effect could be linked to morphological changes previously described in E17.5 SOD MNs. Results showed that some MNs were excited by low frequency dGPSPs and inhibited by high frequency dGPSPs (Dual MNs) and others were inhibited at all frequencies (Inhibited MNs). Dual effect was more often detected in SOD MNs. WT MNs were classified into two clusters according to their input resistance (Rin), Dual MNs being specific to high Rin and Inhibited MNs to low Rin. Morphometric data pointed out a reduced dendritic tree in high Rin WT Dual MNs and a large dendritic tree in low Rin Inhibited MNs. This was not the case in SOD MNs that were excited or inhibited whatever their morphology and Rin. In agreement with simulation showing that a less density of inhibitory current on MNs soma favours excitatory dGPSPs, we found less synaptic VIAAT terminals on the soma and proximal dendrites of SOD MNs, compared to littermate WT MNs, as well as a lower frequency of spontaneous dGPSPs. Altogether, my thesis data emphasize a prenatal defect in the CI- homeostasis and GABA/glycine innervation in the SOD1G93A ALS MNs. Before birth, a dominant population of MNs with low Rin emerges in WT animals. These MNs that are inhibited by dGPSPs could represent future ALS vulnerable fast MNs (putative FF). Interestingly, those MNs are not inhibited in SOD animals. The inhibitory dysfunction could be attributed to two distinct factors: morphology and perisomatic inhibitory synapse density. Of these two factors, the latter plays a major role by controlling capability of GABAergic/glycinergic neurons for shaping spinal motor output

Les gènes TDP-43 (TAR DNA Binding Protein 43) et FUS/TLS (Fused in Sarcoma/Translocated in Liposarcoma) sont actuellement à l’étude quant à leurs rôles biologiques dans le développement de diverses neuropathies telles que la Sclérose Latérale Amyotrophique (SLA). Étant donné que TDP-43 et FUS sont conservés au cours de l’évolution, nous avons utilisé l’organisme modèle C. elegans afin d’étudier leurs fonctions biologiques. Dans ce mémoire, nous démontrons que TDP-1 fonctionne dans la voie de signalisation Insuline/IGF pour réguler la longévité et la réponse au stress oxydatif. Nous avons développé des lignées C. elegans transgéniques mutantes TDP-43 et FUS qui présentent certains aspects de la SLA tels que la dégénérescence des motoneurones et la paralysie adulte. La protéotoxicité causée par ces mutations de TDP- 43 et FUS associées à la SLA, induit l’expression de TDP-1. À l’inverse, la délétion de tdp-1 endogène protège contre la protéotoxicité des mutants TDP-43 et FUS chez C. elegans. Ces résultats suggèrent qu’une induction chronique de TDP-1/TDP-43 sauvage propagerait la protéotoxicité liée à la protéine mutante. Nous avons aussi entrepris un criblage moléculaire pilote afin d’isoler des suppresseurs de toxicité neuronale des modèles transgéniques mutants TDP-43 et FUS. Nous avons ainsi identifié le bleu de méthylène et le salubrinal comme suppresseurs potentiels de toxicité liée à TDP-43 et FUS via réduction de la réponse au stress du réticulum endoplasmique (RE). Nos résultats indiquent que l’homéostasie de repliement des protéines dans le RE représente une cible pour le développement de thérapies pour les maladies neurodégénératives.
Two recently discovered causative genes for ALS, TDP-43 (TAR DNA Binding Protein 43) and FUS/TLS (Fused in Sarcoma/Translocated in Liposarcoma) are under further investigation regarding their biological roles in neuropathies such as Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). Since TDP-43 and FUS are evolutionarily conserved we turned to the model organism C. elegans to learn more about their biological functions. Here we report that TDP-1 functions in the Insulin/IGF pathway to regulate longevity and the oxidative stress response. We have generated mutant TDP-43 and FUS transgenic lines in C. elegans that recapitulate certain aspects of ALS including motor neuron degeneration and adult-onset paralysis. Proteotoxicity caused by ALS- associated mutations in TDP-43 or FUS also induce TDP-1 expression and consistently, deletion of endogenous tdp-1 rescues mutant TDP-43 and FUS proteotoxicity in C. elegans. These results suggest that chronic induction of wild type TDP-1/TDP-43 by proteotoxicity may actively promote neurodegeneration. We also screened for small- molecule suppressors of mutant TDP-43 and FUS neuronal toxicity in transgenic C. elegans and identified methylene blue and salubrinal as potent suppressors of TDP-43 and FUS toxicity in our models through induction of the endoplasmic reticulum (ER) stress response. Our results indicate that protein folding homeostasis in the ER may be an important target for therapeutic development in neurodegenerative diseases.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est une maladie neurodégénérative fatale caractérisée par une perte progressive et sélective des neurones moteurs. La SLA est incurable et il n’existe aucun traitement efficace pour les personnes atteintes de cette maladie. Environ 90% des cas sont sporadiques tandis que 10% sont familiaux, et les patients décèdent généralement deux à cinq ans après l'apparition des premiers symptômes. De nombreuses anomalies génétiques sont associées à la SLA, incluant des mutations dans les protéines FUS, C9orf72, SOD-1 et TDP-43. Le laboratoire a développé un modèle transgénique de Caenorhabditis elegans surexprimant la protéine humaine mutante TDP-43(Q331K) dans les neurones moteurs GABAergiques. Nous avons également obtenu par mutagénèse et CRISPR-Cas9 des modèles physiologiquement représentatifs du nématode basés sur des mutations dans tdp-1, l'orthologue de TARDBP chez le C. elegans. L'objectif est de caractériser ces modèles et de déterminer s'ils peuvent récapituler certains aspects phénotypiques clés de la SLA, tels que des déficits moteurs et une neurodégénérescence dépendante de l'âge générant une paralysie. L’hypothèse est que le modèle TDP-1 pourra refléter plus précisément l’expression physiologique du gène dans la maladie humaine grâce à la mutation dans un gène endogène, l’absence de surexpression et l’expression ubiquitaire de la protéine TDP-1. Les résultats montrent que les modèles TDP-43/TDP-1 ont des déficits moteurs, une transmission synaptique altérée et une neurodégénérescence liée à l’âge. Cependant, seule la mutation dans TDP-43 semble avoir un effet sur la durée de vie. Ces modèles procurent différentes expressions physiologiques des protéines mutantes et donc, des phénotypes de niveaux d'intensité variables. Ils constitueront des outils utiles pour élucider de nouveaux mécanismes pathogéniques de la SLA ainsi que de bons candidats pour le criblage de médicaments et le développement de stratégies thérapeutiques.
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by a progressive and selective loss of motor neurons. ALS is incurable and there are no effective treatments available for people living with the disease. About 90% of the cases are sporadic whereas 10% are familial, and patients usually die two to five years after symptom onset. Many gene defects are associated with ALS, including mutations in genes encoding FUS, C9orf72, SOD-1 and TDP-43 proteins. We have developed a transgenic Caenorhabditis elegans model expressing human mutant TDP-43(Q331K) in GABAergic motor neurons. We have also obtained by mutagenesis and CRISPR-Cas9 physiologically accurate models based on mutations in tdp-1, the C. elegans ortholog of TARDBP. Our objective is to characterize these models and determine if they can recapitulate key aspects of the disease such as motor deficits and age-dependent neurodegeneration causing paralysis. We believe that the TDP-1 model will reflect more precisely the physiological expression of the gene in the human disease because of its mutation in an endogenous gene, the absence of overexpression and ubiquitous protein expression. Our results show that both TDP-43 and TDP-1 models have motor deficits, synaptic transmission impairments and age-dependent neurodegeneration. However, only the TDP-43 mutation seems to have an effect on lifespan. These models provide different physiological expression of mutant proteins and thus phenotypes of varying intensity levels. They will be useful tools to elucidate new pathogenic mechanisms of ALS as well as being good candidates for drug screening and developing therapeutic strategies.