Modélisation des atteintes neurologiques du syndrome de Wolfram de type 1 : exploitation des cellules souches pluripotentes induites et de leurs dérivés - Approches génétiques intégrées et nouvelles thérapies pour les maladies rares Access content directly
Theses Year : 2022

Modeling neurological damage in Wolfram syndrome type 1 : exploitation of induced pluripotent stem cells and their derivatives

Modélisation des atteintes neurologiques du syndrome de Wolfram de type 1 : exploitation des cellules souches pluripotentes induites et de leurs dérivés

Abstract

Wolfram syndrome type 1 (WS1) is a rare autosomal recessive neurodegenerative disorder characterized by a combination of devastating clinical symptoms, namely: diabetes insipidus (DI), insulin-dependent diabetes mellitus (DM), optic atrophy (OA) and deafness (D), also known as DIDMOAD. Other impairments appear over time including various neurological complications, frequently causing premature death of patients around 40 years old, usually due to respiratory failure induced by brainstem atrophy. To date, and despite scientific advances, there is no cure. Recently, several MRI studies of young patients have shown important early damage including an overall reduction of brain volume and hypomyelination. These findings pointed out the need to reconsider the syndrome not only as a neurodegenerative disease but also as a neurodevelopmental disorder. Wolfram syndrome type 1 is caused by mutations in the WFS1 gene which encodes a protein located in the endoplasmic reticulum membrane, wolframin. The development of cellular and animal models of the disease has identified certain physiological roles for the protein. Thus, an increase in the activation of the unfolded protein response (UPR) and defects in calcium homeostasis have been described in its absence. Recently, the localization of the protein to mitochondria-associated membranes (MAMs) and mitochondrial defects have been described. These mechanisms were mainly observed in pancreatic β cells, but to date they have not been studied in the context of neurological impairments. This can be explained by the complexity regarding the development of a neurological model genetically and physiologically relevant. Thus, the objective of my thesis was to exploit the unique properties of induced pluripotent stem cells (iPSCs) in order to develop a human cellular model to study neurological damage reported in patients. Using this approach, we were able to generate the cells of interest, neural stem cells (NSC) and cortical neurons. Then, we analyzed the consequences of wolframin loss for the neuronal differentiation process and identified, in neurons derived from patient's iPSC lines, a yet unknown major neurodevelopmental defect. This defect is characterized by an alteration of neuritic outgrowth with increase neuritic bundling. It was correlated to the absence of the protein thanks to the use of a WS iPSC rescue line. Transcriptomic analyses revealed the deregulation of genes known to be involved in neurogenesis, nervous system development and axonal guidance. By studying the mechanisms underlying this abnormal neuronal network, we were able to identify the involvement of the ATF6α pathway of the UPR. Finally, the potential effect of several molecules currently in clinical trials was also evaluated. We found that, among all these molecules, only valproic acid (VPA) prevented the appearance of the phenotype. The use of this anti-epileptic molecule also allowed the correction of the expression of several genes in the mutated neurons. These results contributed to the launch of a clinical trial in WS1 patient complementary to the Treatwolfram one. In conclusion, this work has allowed the development of a new model using patient cells and the identification of a neuritic growth defect strengthening the hypothesis of a neurodevelopmental component in Wolfram syndrome.
Le syndrome de Wolfram de type 1 (SW1) est une maladie neurodégénérative autosomique récessive rare caractérisée par l'association de quatre symptômes principaux : un diabète insipide (DI), un diabète sucré insulino-dépendant (DM), une atrophie optique (OA) et une surdité (D). D'autres atteintes apparaissent avec le temps dont des complications neurologiques variées principalement associées à une atrophie du cervelet et du tronc cérébral. Récemment, plusieurs études réalisées par IRM sur de jeunes patients ont mis en évidence la présence d'atteintes précoces majeures dont une diminution du volume cérébral et une hypomyélinisation. Ces résultats ont soulevé la nécessité de requalifier le syndrome non seulement en maladie neurodégénérative mais également en maladie neurodéveloppementale. La maladie, d'évolution lente, progresse généralement vers un décès précoce, le plus souvent dû à une détresse respiratoire consécutive aux atteintes neurologiques. A ce jour, aucun traitement curatif n'existe et les patients décèdent généralement avant 40 ans. Le SW1 est causé par des mutations au sein du gène WFS1 qui code pour une protéine située à la membrane du réticulum endoplasmique, la wolframine. L'élaboration de modèles cellulaires et animaux de la pathologie a permis d'identifier certains rôles physiologiques de la protéine. Ainsi, une augmentation de l'activation de la réponse aux protéines mal repliées (UPR), des défauts de l'homéostasie calcique, ou encore un dysfonctionnement des mitochondries, liés aux membranes associées aux mitochondries (MAMs), ont été identifiés. Principalement observés dans les atteintes pancréatiques, ces mécanismes restent à ce jour peu étudiés dans le contexte des atteintes neurologiques. Cela peut s'expliquer par la complexité et les limites liées à la mise en place d'un modèle neurologique génétiquement et physiologiquement proche des patients. Ainsi, l'objectif de ma thèse a consisté à exploiter les propriétés uniques des cellules souches pluripotentes induites (CSPi) dans le but de développer un modèle cellulaire humain pour étudier les atteintes neurologiques observées chez les patients. Par cette approche, nous sommes parvenus à générer, à partir de CSPi contrôles et de CSPi issues de patients, les cellules d'intérêt, à savoir des cellules souches neurales (NSC) et des neurones corticaux. Puis, nous avons étudié les conséquences de la perte de wolframine au cours de la différenciation neuronale, et avons ainsi pu identifier un défaut neurodéveloppemental encore méconnu à ce jour. Ce défaut se traduit par une altération de la pousse neuritique et l'apparition de fasciculations axonales anormalement épaisses au cours du développement des neurones issus de CSPi mutées. Cette altération de la pousse neuritique a été corrélée à l'absence de la protéine grâce à l'utilisation d'une lignée rescue. Des analyses transcriptomiques ont permis de mettre en évidence dans les NSC et les neurones corticaux une dérégulation de gènes connus pour être impliqués dans la neurogenèse, le développement du système nerveux et le guidage axonal. En étudiant les mécanismes à l'origine de ce réseau neuronal anormal, nous avons pu identifier l'implication de la voie ATF6α de l'UPR. Enfin, l'effet potentiel de plusieurs molécules actuellement en essai clinique a également été évalué. Nous avons mis en évidence que, parmi toutes ces molécules, seul l'acide valproïque (VPA) permettait de prévenir l'apparition du phénotype. L'utilisation de cette molécule antiépileptique a également permis de corriger certains défauts d'expression génique dans les neurones mutés. Ces résultats ont contribué au lancement d'un nouvel essai clinique dans le cadre du SW1. Pour conclure, ces travaux ont permis l'élaboration d'un nouveau modèle à partir de cellules de patients ainsi que l'identification d'un défaut de pousse neuritique renforçant l'hypothèse d'une composante neurodéveloppementale dans le syndrome de Wolfram de type 1.
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Cite

Axel Sciauvaud. Modélisation des atteintes neurologiques du syndrome de Wolfram de type 1 : exploitation des cellules souches pluripotentes induites et de leurs dérivés. Physiologie [q-bio.TO]. Université Paris-Saclay, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPASQ034⟩. ⟨tel-03917165⟩
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