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Malgré l’avancée considérable des connaissances sur le génome humain, de nombreuses maladies génétiques restent mal comprises car nous ignorons encore quel gène porte la mutation responsable d’une pathologie spécifique. Notre travail s’intègre dans le cadre de l’étude des maladies génétiques héréditaires monogéniques récessives, maladies rares mais qui ensemble touchent près d’1% de la population globale.

Les maladies récessives sont des maladies génétiques dont le phénotype malade ne se déclare que lorsque les deux allèles d’un gène sont mutés, hérités chacun d’un parent porteur. L’approche que nous utilisons pour localiser le gène causal dans le génome est l’analyse de liaison génétique. Les familles consanguines sont le profil idéal pour ce type d’étude car l’hypothèse peut être faite que les enfants atteints ont hérité deux fois de la même mutation, chaque allèle malade provenant d’un parent porteur et hérité d’un ancêtre commun relativement proche Dans cette optique, nous établissons une cartographie d’homozygotie (homozygosity mapping) du génome des patients, c à d que nous recherchons à travers le génome complet des zones d’homozygotie indiquant une identité par descente à partir d’un ancêtre commun (1) en à testant systématiquement un grand nombre de marqueurs génomiques polymorphes (microsatellites d’ADN et SNPs) répartis sur tous les chromosomes dans l’ADN extrait de tous les membres de la famille, atteints et non atteints. Ensuite nous inspectons la région homozygote à la recherche des meilleures gènes candidats, que nous séquençons jusqu’à trouver une mutation dont le rôle causal de la pathologie soit convaincant.

Nous avons étudié une famille constituée de 2 boucles de consanguinité avec plusieurs enfants atteints d’épilepsie myoclonique progressive (PME).

Nous avons criblé le génome entier des patients au moyen d’un kit permettant l’analyse de 382 microsatellites et avons confronté ces résultats avec ceux d’une analyse sur puce de 10.000 SNPs. Cela nous a permis de mettre en évidence un nouveau locus de PME s’étalant sur une dizaine de cM sur la région centromérique du chromosome 7. La valeur maximale du LOD score que nous avons calculé atteint 4.0 rendant ce locus significatif. Dans cet intervalle, contenant environ 85 gènes annotés, nous avons séquencé le gène KCTD7 car il s’agit de l’acronyme pour K+ Channel Tetramerization Domain 7, spéculant sur une interaction potentielle avec un canal potassique. Ce séquençage a révélé une mutation non sens homozygote chez les atteints, hétérozygotes chez les parents, et totalement absente dans une série de 100 contrôles. Cette mutation, sur l’exon 2 de KCTD7, substitue une arginine par un codon stop, tronquant deux tiers de la protéine (289aa total). L’ensemble de ces résultats ont été repris dans une première publication au journal Annals of Neurology en 2007 (2).

Au début de ce travail, le gène KCTD7 était une simple annotation génomique. Son ADNc avait été cloné dans un effort systématique à haut débit et des ESTs (expressed sequence tag) en avaient été caractérisés. La famille des protéines KCTDs sont de petites protéines solubles caractérisées par un domaine d’interaction protéine-protéine appelé BTB/POZ. Ces protéines sont impliquées dans une grande variété de processus biologiques. Certaines sont des adaptateurs spécifiques du complexe multimèrique E3 Ubiquitine Ligase (2), d’autres sont impliquées dans l’assemblage des récepteurs GABAb (3), d’autres encore sont des protéines nucléaires, stimulant l’activité polymérase de l’ADN polδ2 (4).

Nous avons montré, en utilisant la technique du Northern Blot, que l’ARNm du gène KCTD7 était exprimé de manière ubiquitaire (cerveau, cœur, foie, poumon, intestin, colon, reins, rate, yeux, muscle). Ceci a été confirmé par PCR après transcription inverse à partir d’ARNs provenant des mêmes tissus chez la souris adulte. Nous avons également montré que ce gène était déjà exprimé durant la vie fœtale par PCR après transcription inverse à partir d’embryon de souris (E6.5 à E14.5).

Nos Western Blots ne nous ayant pas permis d’observer la protéine endogène dans les extraits tissulaires totaux, nous avons pensé que la protéine pouvait être rapidement dégradée. Nous avons donc mesuré la demi-vie de la protéine KCTD7 recombinante en cellules COS-7 traitées pour différents temps par la cyclohéximide comme inhibiteur de la synthèse protéique. Cette demi-vie a été évaluée à 6h, ce qui indique que KCTD7 n’est pas une protéine hyper-labile.

Puisque nous avions l’hypothèse que KCTD7 puisse interagir avec les canaux ioniques membranaire, nous avons cherché à comprendre sa distribution intracellulaire. Ainsi, nous avons déterminé par immuno-fluorescence que la protéine recombinant KCTD7, marquée par les tags GFP, HIS ou HA, avait une distribution essentiellement périnucléaire en cellules COS-7. Lors des immuno-détections, nous avons utilisé soit l’anticorps contre KCTD7, soit l’anticorps contre le tag, afin de renforcer la validité du marquage. Un signal à la membrane plasmique n’ayant pas été détecté, nous avons postulé que KCTD7 n’interagit sans doute pas directement à cette membrane, que ce soit avec des canaux ioniques membranaires ou des récepteurs de neurotransmetteurs (GABAb). Un modèle de régulateur direct de canaux potassiques associés au réticulum endoplasmique a déjà été proposé pour KCNRG, un membre des protéines KCTDs capable de réguler négativement l’activité des canaux Kv1.1 et Kv1.4 par un contrôle de leur expression à la membrane grâce à leur rétention dans le réticulum endoplasmique (6).

A l’instar d’autres protéines de la famille des KCTDs, nous avons montré, par des expériences de co-immunoprécipitation, que KCTD7 était capable de former des homodimères, très probablement grâce à son module d’interaction BTB/POZ comme cela à été montré pour d’autres protéines de la même famille (7). Nous avons également montré par co-immunoprécipitation que KCTD7 interagi avec la Cullin-3 alors qu’il ne lie pas la Cullin-1. Cette protéine fait partie d’un complexe protéique impliqué dans l’ubiquitination de certains substrats. Nous avons montré que KCTD7 n’est pas sujet à l’ubiquitination en cellules COS-7 co-transfectées par KCTD7 et l’ubiquitine-flag, ce qui n’exclu pas qu’il puisse l’être dans un autre système ou d’autres conditions expérimentales. L’ubiquitination, quand elle ne conduit pas son substrat à la dégradation par le protéasome, est un processus qui permet le contrôle de l’expression de nombreuses protéines, dont certains canaux ioniques membranaires (KCNQ2/3 et KNCQ3/5 (8), Kv1.3 (9), Kv1.5 (10) et KCNH2 (11)) et certaines enzymes métaboliques défectueuses dans certaines PME (dont Laforine et Maline (12), Cystatine B (13), β-hexosaminidase (14)). KCTD7 pourrait donc cibler la Cullin-3 vers son substrat et sans être ubiquitiné lui-même.

Nous avons étudié plus en détail l’expression de KCTD7 (ARN et protéine) dans le cerveau de souris adulte. Nous avons déterminé à la fois par des expériences d’hybridation in situ (ARN) et d’immunohistochimie (protéine) sur des coupes coronales de cerveau de souris adultes CD1 que KCTD7 semble être spécifiquement localisé dans trois régions distinctes :la couche de cellules mitrales des bulbes olfactifs, le gyrus denté et les régions CA1 et CA3 de l’hippocampe, et enfin la couche de cellules de Purkinje du cervelet. Il apparait que ces zones sont atteintes dans un modèle murin de la maladie d’Unverricht-Lundborg (15), la forme la plus fréquente d’épilepsie myoclonique progressive et très proche du phénotype de nos patients.

Enfin, nous avons montré en collaboration avec le laboratoire du professeur Schiffmann par des mesures électrophysiologiques (Patch Clamp en cellule entière) que KCTD7 diminue le potentiel de repos (accroît la polarisation) de la membrane cellulaire de neurones corticaux embryonnaires de souris en cultures primaires, diminuant l’excitabilité neuronale en augmentant la conductance de la membrane plasmique. Ces résultats sont compatibles avec l’idée qu’une perte de fonction de la protéine entraîne une augmentation de l’excitabilité neuronale qui est caractéristique de l’épilepsie. Ces données fonctionnelles sur KCTD7 ont fait l’objet d’un manuscrit actuellement en cours de soumission au journal Molecular and Cellular Neuroscience.

Les données que nous avons récoltées sur KCTD7 ont précisé un mécanisme probable d’action de la protéine. Malgré les limitations de nos modèles expérimentaux, nous postulons que le défaut de KCTD7 cause l’épilepsie en modifiant la conductance potassique et par là, le potentiel de repos et l’excitabilité de la membrane plasmique des neurones, peut-être par ubiquitination, via la Culline-3, d’un canal potassique. À notre connaissance, il s’agirait de la première PME dont le défaut primaire serait au niveau du potentiel membranaire. Cette hypothèse cadre bien avec l’observation clinique que les patients les plus atteints étaient ceux dont l’épilepsie était la moins bien contrôlée par le traitement, suggérant une dégénérescence secondaire excito-toxique.

La suite logique de notre travail serait la définition plus précise de l’expression sub-cellulaire de KCTD7 en microscopie confocale à fluorescence, de son expression spatiale et temporelle chez la souris et si possible chez l’homme, l’étude de l’ubiquitination de sous-unités de canaux potassiques, et le développement d’un modèle animal, poisson zèbre ou souris, afin, entre autres, d’y tester l’hypothèse que la sévérité de l’hyperexcitabilité neuronale elle-même aggrave le phénotype.

Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques
info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'épilepsie est une maladie neurologique qui touche plus de 50 millions de personnes dans le monde. Elle se caractérise par des crises récurrentes dues à la surexcitation synchrone et spontanée de populations neuronales du cerveau. Les crises sont de nature très variable et les symptômes dépendent de la zone du cerveau touchée et de son étendue. Le terme «troubles épileptiques» est par conséquent préféré. Ceux-ci peuvent avoir de nombreuses causes, soient génétiques (par exemple, le syndrome de Dravet, une épilepsie infantile rare, provoquée dans 80% des cas par la mutation hétérozygote du gène SCN1A), soient environnementales (par exemple, après un empoisonnement aux organophosphorés, des composés présents dans les pesticides et les agents de guerre neurotoxiques). Dans les deux cas, les traitements actuels ne permettent pas un contrôle optimal des crises. Une meilleure compréhension de la physiopathologie de ces différentes formes d'épilepsie est donc nécessaire pour trouver de nouvelles cibles thérapeutiques et de nouveaux anticonvulsivants. Les cellules microgliales, les macrophages résidents du cerveau ont de nombreuses fonctions qui varient en fonction de la maturité du cerveau. Les microglies sont les gardiennes de l'homéostasie cérébrale, assurant en permanence le bon fonctionnement des neurones. Ce sont des cellules immunitaires capables de moduler leur activité en fonction des dangers qu'elles détectent. De plus, elles ont un rôle particulier dans la plasticité synaptique et la modulation de l'excitabilité neuronale. Ces différents rôles ont suscité de nombreuses hypothèses sur l'implication de ces cellules dans la physiopathologie des troubles épileptiques. Pour certaines, les microglies sont nocives pour l'excitabilité des neurones, par leur activation et la sécrétion chronique de cytokines pro-inflammatoires. Pour d'autres, elles ont un rôle bénéfique, la microglie tamponnant l'hyperexcitabilité neuronale et diminuant ainsi la fréquence des crises. L'objectif de mon travail de thèse était d'étudier les mécanismes de l'épileptogenèse impliquant les cellules microgliales afin d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. J'ai développé deux modèles d'épilepsie chez le poisson zèbre, un modèle génétique du syndrome de Dravet et un modèle d'empoisonnement aux organophosphorés. Ceux-ci m'ont permis d'étudier les modifications du système nerveux central au cours de l'épileptogenèse. J'ai ainsi montré un déséquilibre de la balance excitateur/inhibiteur vers l'excitation qui pourrait déclencher des crises d'épilepsie. En utilisant le modèle de Dravet, j'ai également caractérisé les changements morphologiques, comportementaux et moléculaires des cellules microgliales après des crises. Ces travaux améliorent notre compréhension des conséquences des crises d'épilepsie dans le cerveau et contribuent à ouvrir la voie à la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques pour traiter différentes formes d'épilepsie
Epilepsy is a neurological disease affecting some 50 million people worldwide. It is characterized by recurrent seizures due to the synchronous and spontaneous overexcitation of neuronal populations in the brain. Seizures vary widely in nature, and symptoms dependon the area of the brain affected and its extent. The term ‘epileptic disorders’ is accordingly preferred. These can have many causes, including both genetic (e.g. Dravet syndrome, a rare infantile epilepsy caused in 80% of cases by the heterozygous mutation of the SCN1A gene), and environmental (e.g. after poisoning with organophosphates, compounds present in pesticides and neurotoxic warfare agents). Whether for Dravet syndrome or organophosphate poisoning, current treatments do not enable optimal control of seizures. A better understanding of the pathophysiology of these different forms of epilepsy is thus needed to find new therapeutic targets and new anticonvulsants. Microglial cells are the resident macrophages in the brain. These cells have many functions, which can vary depending on the maturity of the brain. The microglia are the guardians of cerebral homeostasis, continuously ensuring the proper functioning of neurons. They are immune cells able to modulate their activity according to the dangers they detect. In addition, microglia have a special role in synaptic plasticity and the modulation of neuronal excitability. These different roles have prompted numerous hypotheses on the involvement of these cells in the pathophysiology of epileptic disorders. In some, microglia are harmful for the excitability of neurons, through their activation and the chronic secretion of proinflammatory cytokines. Others lend them a beneficial role, with microglia buffering neuronal hyperexcitability and thus decreasing the frequency of seizures. The objective of my PhD work was to study the mechanisms of epileptogenesis involving microglial cells in order to identify new therapeutic targets. I developed two models of epilepsy in zebrafish, a genetic model of Dravet syndrome and a model of organophosphate poisoning. These enabled me to study the modifications of the central nervous system during epileptogenesis. I specifically demonstrated an excitatory/inhibitory imbalance toward excitation that could trigger epileptic seizures. Using the Dravet model, I also successfully characterized the morphological, behavioral and molecular changes of microglial cells after seizures. This work improves our understanding of the consequences of epileptic seizures in the brain and helps pave the way for the discovery of new therapeutic targets to treat different forms of epilepsy

Les epilepsies idiopoathiques sont des syndromes a composante hereditaire qui representent 20% des epilepsies chez l'adulte. Les etudes de segregation ont montre que le mode de transmission peut etre mendelien ou complexe selon le type de syndrome epileptique etudie. L'epilepsie frontale nocturne est une epilepsie partielle (limitee au cortex frontal), transmise selon un mode autosomique dominant, pour laquelles des mutations dans le gene codant pour la sous-unite alpha 4 de recepteur nicotinique neuronal (canal ionique forme par l'assemblage de cinq sous-unites). Nous avons en collaboration avec le pr d. Bertrand, developpe une methode de clonage qui permet d'exprimer dans des oocytes de xenope les deux alleles 4 (mute et sain) amplifies a partir de l'adn genomique de plusieurs cas d'une meme famille (atteints plus ou mois severement). Et, les donnees preliminaires d'analyses electrophysiologique sont encourageantes. Par ailleurs, nous avons etudie un syndrome a heredite complexe : l'epilepsie myoclonique juvenile (emj). Des etudes de liaison menees sur des familles d'emj ont caracterise 3 loci candidats dans la region hla pour ce syndrome et des etudes d'association ont propose une association de ce syndrome avec le sous-type hla dr13 dans certaines populations. Nous avons exclu cette association dans une population de 100 cas francais. En 1997, une autre etude a montre l'association entre des epilepsies generalisees idiopathiques et la sous-unite 4 du recepteur nicotionique. Nous avons etudie ce gene dans notre population de cas et avons montre une association entre un marqueur silencieux de ce gene et l'emj. Il est probable que ce gene ou un autre proche (par sa localisation chromosomique) soit implique dans la susceptibilite a l'emj. Nous avons egalement etudie le gene codant pour la sous-unite 7 du recepteur nicotinique, mais la complexite de la structure de ce gene empeche, pour le moment toute conclusion quant a son implication dans l'emj.

Les épilepsies de l’enfant interviennent à des périodes critiques du développement cérébral. Or, les antiépileptiques utilisés sont ceux qui ont été mis au point pour l’adulte, à l’aide de modèles animaux qui ne tiennent pas compte de cette spécificité. L’objectif de cette thèse a été de mettre au point un modèle animal in vitro intégrant les principales caractéristiques développementales d’un syndrome épileptique infantile. Cet objectif a été atteint en travaillant sur des structures cérébrales intactes et interconnectées pendant la première semaine de vie du rat, l’hyperactivité étant induite par l’activation des récepteurs NMDA. Le modèle présente des propriétés dépendantes de l’âge, avec une évolution des crises vers un patron de décharge persistant. L’étude des mécanismes de genèse des crises et l’analyse des effets de 14 antiépileptiques a permis de dégager des cibles thérapeutiques et de montrer que c’est avec le syndrome de Dravet que ce modèle in vitro présentait le plus de convergence
Infantile epilepsies occur during critical developmental periods. However, the administered antiepileptic drugs have been selected using adult animal models that do not take into account this specificity. We therefore aimed to provide an immature animal model that could be relevant for one particular epileptic syndrome. Using an in vitro approach we have triggered seizures in intact interconnected brain regions through the activation of NMDA receptors during the first postnatal week of the rat. This model displays most of the age-dependent characteristics of infantile epilepsies and particularly an age-dependent evolution of the epileptic pattern. From the analysis of the mechanisms involved in the genesis and the propagation of seizures, and the therapeutic profile of 14 antiepileptic drugs, new therapeutic target have been proposed and we showed that this model accounts for many of the characteristics of the Dravet syndrome

Les canaux calciques neuronaux activés par la dépolarisation membranaire
contrôlent diverses fonctions cellulaires telles que l'excitabilité neuronale et la
transmission synaptique. Les canaux calciques sont formés d'une sous-unité principale
Cav associée à 3 sous-unités régulatrices (b, a2d et g). La sous-unité auxiliaire Cavb joue
un rôle crucial dans la régulation des propriétés biophysiques du canal et dans l'adressage
membranaire de la sous-unité Cav. Chez l'homme, un isoforme de cette sous-unité Cavb4
est l'objet de mutations qui conduisent à des phénotypes épileptiques. L'une de ces
mutations est une délétion d'une partie du domaine carboxy-terminal de Cavb4 (R482X).
Les efforts effectués pour comprendre les mécanismes cellulaires du phénotype
épileptique des patients concernés n'ont pas encore aboutit à des explications probantes.
Ainsi, le phénotype neurologique ne semble pas lié à une altération de l'activité du canal,
mais plus vraisemblablement à des fonctions cellulaires inconnues de Cavb4.
Ma thèse porte sur la caractérisation des déterminants moléculaires et cellulaires
du mutant humain R482X impliqué dans le phénotype neurologique des patients qui
portent la mutation. Etant donné que l'épilepsie implique essentiellement les neurones du
lobe temporal, je me suis particulièrement intéressée à l'étude des fonctions et de la
localisation de Cavb4 dans les neurones d'hippocampe. Dans ces cellules, une
translocation de la sous-unité Cavb4 du cytoplasme vers le noyau est notée au cours de la
différenciation neuronale. Cette translocation est dépendante de l'intégrité structurale de
la sous-unité Cavb4, elle est perdue dans le cas de la mutation R482X. La perte du
fragment carboxy-terminal conduit à une altération de la structure de Cavb4 suite à la
rupture de l'interaction intramoléculaire entre les deux domaines conservés, au sein de la
protéine native. Dans les neurones d'hippocampe, cette déstructuration empêche la
localisation nucléaire de la protéine mutante. Etant donné que la sous-unité Cavb4 ne
possède aucun signal d'adressage nucléaire, la technique du double hybride a été réalisée
afin de déterminer les partenaires protéiques capables d'adresser la sous-unité Cavb4 vers
le noyau. Parmi les trois protéines criblées qui interagissent spécifiquement avec Cavb4 et
pas avec le mutant, une est capable d'adresser Cavb4 dans le noyau alors que l'autre la
retient dans le cytoplasme. Afin d'étudier l'effet de la localisation nucléaire de la sousunité
Cavb4 sur la régulation génique, une étude transcriptomique a été réalisée. La sousunité
Cavb4 montre un effet répressif sur l'expression génique. Cette répression est
inversée dans le cas du mutant incapable de s'adresser vers le noyau des neurones. Parmi
ces gènes, plusieurs sont des candidats potentiels pour expliquer l'altération d'activités
neuronaux impliquée dans le phénotype épileptique.
Enfin, l'absence de l'adressage nucléaire de la sous-unité Cavb4 mutante (R482X)
due à la déformation de sa structure native, altèrerait la régulation transcriptionnelle des
gènes, qui serait à la base du phénotype épileptique des patients qui portent cette
mutation.