70% des mutations identifiées sur le gène responsable de la mucoviscidose correspondent à la délétion de la phénylalanine en position 508 (F508del) de la protéine CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator). Cette mutation est responsable, à 37°C, d'un mauvais repliement, du blocage et de la dégradation rapide de CFTR au niveau du réticulum endoplasmique (RE), et par conséquent de l'absence de sécrétion des ions Cl- au niveau de la membrane apicale des cellules épithéliales. Deux conséquences principales de cette mutation sont un épaississement important du mucus bronchique et une diminution de l'intégrité de la barrière luminale de l'épithélium bronchique. Ces deux phénomènes participent à l'invasion et à l'infection du tissu pulmonaire par des bactéries pathogènes comme Pseudomonas aeruginosa, exacerbant l'inflammation et la destruction tissulaire au niveau des poumons. L'objectif de cette étude a été de déterminer le rôle de deux protéines appartenant à la famille des protéines G hétérotrimériques, Gα12 et Gα13, dans la dégradation de la protéine CFTR-F508del ainsi que dans le contrôle des complexes jonctionnels au niveau de l'épithélium bronchique sain et mucoviscidosique. Nos travaux démontrent pour la première fois que dans la mucoviscidose, l'expression des protéines Gα12 et Gα13 est faible. Nous avons aussi montré que Gα12, et non Gα13, est impliquée dans le contrôle de la dégradation de la protéine CFTR-F508del via les protéines chaperonnes Calnexine et HSP90, et dans la formation et le maintien des jonctions cellulaires bronchiques via E-cadhérine et ZO-1 de manière inverse par rapport à l'épithélium rénale. Ces travaux placent donc Gα12 comme un acteur non négligeable de la maladie de la mucoviscidose.

Introduction : La mucoviscidose est une maladie génétique autosomale récessive causée par des mutations dans le gène CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator). Ce dernier code un canal chlorure AMPc-dépendant localisé dans la membrane apicale des cellules épithéliales, dont l'activité est régulée par de nombreuses interactions protéine-protéine. Dans le cadre de la recherche de nouveaux partenaires du CFTR, une interaction directe entre le canal (sauvage et muté F508del) etl'annexine A5 (AnxA5) a été mise en évidence dans notre laboratoire. Des stratégies de sur et de sousexpression nous ont également permis d'établir un lien fonctionnel entre les deux protéines. En effet, nos travaux montrent que les sécrétions ioniques dépendantes du CFTR sont corrélées au niveau d'expression intracellulaire de l'AnxA5. Par ailleurs, une élévation des courants médiés par le CFTR ainsi qu'une augmentation de la quantité de canaux dans la membrane plasmique sont observées suite à la surexpression de l'AnxA5 dans des cellules exprimant le CFTR muté F508del.But de l'étude : Au vu de ces observations, l'AnxA5 apparaît comme une cible potentielle pour la correction de certains défauts engendrés par la mutation F508del. Une piste thérapeutique pourrait être l'identification de composés capables d'augmenter son expression dans des cellules épithéliales exprimant le mutant F508del de la protéine CFTR. Considérant les informations fournies par la littérature, notre choix s'est porté sur la GnRH (gonadotropin-releasing hormone), molécule utilisée en thérapeutique humaine depuis plus de 25 ans. Ainsi, nous avons évalué l'effet de la GnRH sur la modulation de l'expression de l'AnxA5 et sur le transport ionique dépendant du CFTR dans nos différents modèles d'étude Résultats : Outre la présence du récepteur de la GnRH dans nos modèles cellulaires, nous montrons également que l'expression de l'AnxA5 y est augmentée dès 60 minutes de traitement avec l'hormone (1 nM). De plus, comparativement à des cellules non stimulées, des cellules prétraitées avec la GnRH présentent une hausse significative des sorties actives d'iodure, corrélant avec une augmentation de la quantité de CFTR à la surface cellulaire. Ces observations ont été faites dans les modèles exprimant le CFTR muté F508del ainsi que dans ceux exprimant le CFTR sauvage. Conclusion : Dans nos modèles et selon nos conditions de stimulation, un traitement avec la GnRH augmente l'expression intracellulaire de l'AnxA5 et conduit à une élévation des sécrétions ioniques médiées par le canal CFTR. Néanmoins, au vu de la multitude de voies de signalisation susceptibles d'être activées et de gènes pouvant être régulés suite à la liaison de la GnRH sur son récepteur, l'effet observé sur l'AnxA5 ne représente probablement pas le seul évènement cellulaire à l'origine de l'impact positif enregistré sur l'activité du canal CFTR.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23065号 / 医博第4692号 / 新制||医||1049(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 村川 泰裕, 教授 平井 豊博, 教授 小川 誠司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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Cystic Fibrosis (CF) is a common life-shortening autosomal recessive disease that affects over 100.000 people worldwide people worldwide. It is caused by mutations in the CF trans-membrane conductance regulator (CFTR) gene, that encodes for a membrane channel localized at the apical surface of epithelial cells where it has a crucial role in the secretion of chloride and bicarbonate. Over 2100 different CFTR mutations have been reported and among the pathogenic once the most common is F508del, located in the nucleotide-binding domain 1 (NBD1). F508del is a three-nucleotide deletion that results in the loss of a phenylalanine at position 508 in the protein and in the consequent CFTR degradation by the ubiquitin-proteasome system. Different attempts to correct F508del-CFTR gene were made using genome editing approaches, however deletions like F508del remain difficult to be repaired. Several studies reported that additional mutations (revertant mutations) in the F508del-CFTR gene can rescue both CFTR folding and activity, suggesting a potential novel strategy to correct F508del. For this reason, the first aim of this work was the identification of novel F508del-CFTR revertants that can rescue CFTR localization and function. We generated a library of mutants introducing random substitutions into the F508del-CFTR gene. Revertant mutations were isolated based on their ability to rescue the presence of CFTR at the plasma membrane (PM) in HEK293T cells and identified by Sanger sequencing. Restoration of CFTR maturation, localization, and function of the identified revertants was evaluated by western blot, flow cytometry analysis and YFP assay, reaching levels similar to the wild type CFTR. Then we used CRISPR-Cas technology to introduce selected revertant mutations, such as I539T, R553Q, G550E, R555K and R1070W, in the endogenous F508del-CFTR gene. Adenine and cytosine base editors (ABE and CBE) allow the insertion of the desired base conversion without the formation of double strand breaks. Efficient editing was evaluated through Sanger sequencing, reaching up to 60% of base conversion. CFTR rescue at the PM in edited cells was analyzed by flow cytometry showing different degrees of recovery compared to the wild type CFTR. In this work, we confirmed that revertant mutations can rescue F508del CFTR localization and function. In addition, we demonstrated that CRISPR-base editors are valid tools to introduce these mutations in the endogenous F508del-CFTR gene, leading to a permanent correction. The proposed strategy could overcome the limits that genome editing strategies faced till now in the correction of F508del, providing a new potential therapeutic approach to treat CF.

Aquest treball és una contribució als estudis de diversitat del genoma humà i pretén estudiar la variació genètica existent a nivell mundial en dos gens, causants de malaltia, el gen CFTR i el gen GBA, en cromosomes d'individus sans. Mutacions en aquests gens produeixen la fibrosi quística i la malaltia de Gaucher respectivament. La fibrosi quística és la malaltia autosòmica recessiva més comuna en poblacions europees. La malaltia de Gaucher és la malaltia lisosòmica d'acumulació lipídica més freqüent. L'estudi analitza la variació genètica en diferents polimorfismes d'ambdós gens; reconstrueix els haplotips i analitza la seva distribució geogràfica; i analitza l'extensió i distribució geogràfica del desequilibri de lligament entre loci. Pel gen GBA, hem ampliat la regió, abastant fins al gen PKLR (que codifica per a la piruvat quinasa). A més a més, pel cas de CFTR, pot ajudar a entendre l'origen de les mutacions més freqüents causants de fibrosi quística. / This work is a contribution to human genome diversity studies and it aims to study the world-wide genetic variation that exists in two disease genes, CFTR and GBA gene, in healthy chromosomes. Mutations in these genes are known to cause cystic fibrosis and Gaucher disease respectively. Cystic fibrosis is the most common severe autosomal recessive disease in patients of European descent. Gaucher disease is the most frequent lysosomal storage disorder. The study analyzes the genetic variation in CFTR and GBA polymorphisms; estimates haplotype frequencies and describes their geographic distribution; and measures linkage disequilibrium between loci. For GBA gene, we have extended the analysis covering PKLR gene (that encodes for a pyruvate kinase). Moreover, for CFTR gene, we have tried to understand the origin of the most common cystic fibrosis causing mutations.

Cystic fibrosis (CF) is caused by mutations in the gene that codes for the chloride channel cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). Recent advances in CF treatment have included use of small-molecule drugs known as modulators, such as Lumacaftor (VX-809), but their detailed mechanism of action and interplay with the surrounding lipid membranes, including cholesterol, remain largely unknown. To examine these phenomena and guide future modulator development, we prepared a set of wild type (WT) and mutant helical hairpin constructs consisting of CFTR transmembrane (TM) segments 3 and 4 and the intervening extracellular loop (termed TM3/4 hairpins) that represent minimal membrane protein tertiary folding units. These hairpin variants, including CF-phenotypic loop mutants E217G and Q220R, and membrane-buried mutant V232D, were reconstituted into large unilamellar phosphatidylcholine (POPC) vesicles, and into corresponding vesicles containing 70 mol% POPC +30 mol% cholesterol, and studied by single-molecule FRET and circular dichroism experiments. We found that the presence of 30 mol% cholesterol induced an increase in helicity of all TM3/4 hairpins, suggesting an increase in bilayer cross-section and hence an increase in the depth of membrane insertion compared to pure POPC vesicles. Importantly, when we added the corrector VX-809, regardless of the presence or absence of cholesterol, all mutants displayed folding and helicity largely indistinguishable from the WT hairpin. Fluorescence spectroscopy measurements suggest that the corrector alters lipid packing and water accessibility. We propose a model whereby VX-809 shields the protein from the lipid environment in a mutant-independent manner such that the WT scaffold prevails. Such ‘normalization’ to WT conformation is consistent with the action of VX-809 as a protein-folding chaperone.

Abdominal surgery inhibits gastrointestinal motility, a phenomenon referred to as postoperative ileus. Since the postoperative ileus disturbs duodenal physiology it is important to minimize the side effects of this condition. Recent experiments in our laboratory show that treatment of anaesthetised rats with parecoxib, a selective cyclooxygenase-2 inhibitor, prevents duodenal postoperative ileus, increases duodenal mucosal bicarbonate secretion and improves other functions as well. One aim of the thesis was to investigate whether removal of luminal chloride affect the parecoxib- and the vasoactive intestinal peptide (VIP)-induced stimulation of duodenal mucosal bicarbonate secretion. The proximal duodenum of anaesthetised Dark Agouti rats was perfused with isotonic solutions containing zero or low Cl- and the effect on luminal alkalinisation determined. The basal as well as the parecoxib-induced increase in alkalinisation, but not that stimulated by VIP, were markedly reduced in the absence of luminal Cl-. One important function of the duodenum is to adjust luminal osmolality towards that in the blood. It is believed that the adjustment of osmolality in the duodenum is achieved by osmosis and diffusion of electrolytes along their concentration gradients and that these processes occur predominately paracellularly. Another aim of the thesis was to examine whether prevention of postoperative ileus affects the duodenal response to luminal hypertonicity. The proximal duodenum of anaesthetised Dark Agouti and Sprague-Dawley rats were perfused with hypertonic solutions of different composition and osmolality and the effects on duodenal motility, alkaline secretion, transepithelial fluid flux, mucosal permeability and the adjustment of luminal osmolality were determined in absence and presence of parecoxib. It is concluded that COX-2 inhibition increases duodenal mucosal bicarbonate secretion by stimulating apical Cl-/HCO3- exchange in duodenocytes. Furthermore, pretreatment of anaesthetised rats with parecoxib improves a number of duodenal functions in both rat strains that contribute to improve the ability to adjust luminal osmolality. The choice of rat strain is another important feature to consider when interpreting the results because the DA strain was more responsive to luminal hypertonicity than the SD strain. Finally, several evidences are provided to suggest that the adjustment of luminal osmolality in the rat duodenum is a regulated process.