La souris scrambler (Dab1scm) est un mutant ataxique cérébelleux qui présente une mutation naturelle du gène mdab1, codant pour une protéine intracellulaire nécessaire à la voie de signalisation de la rééline. Cette protéine joue un rôle crucial dans la mise place et la plasticité des structures laminées telles que le cortex cérébral, l’hippocampe ou le cervelet. Notre objectif a été de caractériser le phénotype comportemental et neurochimique de la souris scrambler au cours du développement post-natal et à l’âge adulte. Les premiers signes de l’ataxie cérébelleuse sont observables dès 8 jours et sont majorés au cours des 2ème et 3ème semaines de vie post-natale. A l’âge adulte, la souris se caractérise par un trouble important de la coordination motrice et une hyperactivité locomotrice exacerbée et stéréotypée (comportement de rotation) lorsque l’animal est placé en milieu aquatique. Les tests du labyrinthe aquatique de Morris et de l’alternance spontanée mettent en évidence des déficiences possiblement causées par un trouble du guidage visuo-moteur et la désinhibition comportementale. Chez ces souris, l’activité métabolique régionale évaluée par le marquage de la cytochrome oxydase est relativement préservée dans le cervelet ; elle est en revanche altérée dans diverses régions du tronc cérébral qui lui sont associées ainsi que dans l’hippocampe et certaines régions corticales. Le comportement de rotation stéréotypé et l’hyperactivité causés possiblement par un déséquilibre neurochimique acétylcholine/dopamine a été évalué dans un rotamètre avec ou sans injection préalable d’un antagoniste des récepteurs D2. Parallèlement, l’innervation cholinergique du système nerveux central, révélée par l’activité de l’acétylcholinestérase était diminuée dans la substance noire pour laquelle nous avons observé une désorganisation et une perte partielle des neurones dopaminergiques. Bien que les atteintes multiples compliquent l’étude structuro- fonctionnelle de ce mutant, nos résultats ont permis de préciser le phénotype scrambler en le comparant aux autres mutants de la voie de la rééline. Ces mutants font l’objet aujourd’hui d’un intérêt croissant pour la modélisation non seulement de l’ataxie mais également de certaines maladies neurologiques et neuro-psychiatriques comme l’autisme et la schizophrénie / The Dab1scm scrambler mice is a cerebellar ataxic mutant spontaneously mutated for a gene encoding a protein of the reelin signaling pathway involved in the development and the plasticity of laminated structures such as the neocortex, the hippocampus, and the cerebellum. Our objective was to characterize the behavioral and neurochemical phenotype of the scrambler mice during postnatal developmental and adult stages. The first signs of cerebellar ataxia are observable as early as 8 days and increase during the 2nd and 3rd weeks of postnatal life. Adult mouse is characterized by a significant disturbance of motor coordination and a locomotor hyperactivity which increases ans becomes stereotyped (circling) when the animal was placed in water. Morris water maze and spontaneous alternation highlight deficiencies possibly caused by disorder of visuomotor control and disinhibitory processes. Brain regional metabolic activity measured by cytochrome oxidase is relatively preserved in the mutant cerebellum. However, it is impaired in various connected regions of the brainstem as well as in the hippocampus and some cortical regions. Circling behavior and hyperactivity, possibly caused by a neurochemical imbalance between acetylcholine and dopamine, were evaluated in a rotameter with or whithout prior injection of D2 receptor antagonist. In parallel, cholinergic innervation of the central nervous system measured by acetylcholinesterase activity is lower in the substantia nigra for which a partial disruption and loss of dopaminergic neurons is observed. Although the multiple alterations complicate the structuro-fonctional study of this mutant, results have clarified the scrambler phenotype by comparison with others mutants of the reelin pathway. This mutants are now subject to a growing interest in not only ataxia modeling but also some neurological and neuropsychiatric diseases

La souris "dystoniamusculorum" (Dstdt-j) résulte d'une mutation spontanée autosomale récessive d'un gène codant pour la dystonine, protéine du cytosquelette qui s'exprime normalement dans les neurones sensitifs du système nerveux périphérique, mais aussi dans de nombreuses structures du système nerveux central. Elle est caractérisée par une dégénérescence des fibres nerveuses affectant principalement les voies afférentes sensitives du système nerveux périphérique et les afférences secondaires cérébelleuses et thalamiques. Des troubles posturaux et une sévère ataxie apparaissent avec les dégénérescences. Une altération des muscles squelettiques est associée. Afin d'étudier l'incidence des troubles du transport axonal sur l'activité métabolique de la fibre nerveuse et l'impact de la dégénérescence sensitive sur les fonctions motrices, une analyse histopathologique et biochimique comparative du système nerveux central et des muscles squelettiques est effectuée sur des souris de souche B6C3Fea /a-Dstdt-j, âgées de 42 à 54 jours réparties un groupe de souris homozygotes Dstdt-j et un groupe contrôle, formé de souris homozygotes normales et hétérozygotes. En plus des dégénérescences afférentes périphériques, l'étude histopathologique montre des altérations centrales au niveau de centres segmentaires et de différentes structures du système extra-pyramidal comme le cervelet, le noyau rouge et les noyaux du pont. Une évaluation quantitative de l'activité métabolique régionale par marquage histochimique de la cytochrome oxydase (enzyme du complexe IV de la phosphorylation oxydative) est effectuée sur l'ensemble de l'encéphale et de la moelle épinière cervicale. Elle met en évidence une hyperactivité métabolique des voies de la proprioception inconsciente, affectant principalement les structures du tronc cérébral et du cervelet, et plus spécifiquement des structures motrices impliquées dans l'équilibre, le tonus musculaire et les réflexes posturaux. Une étude de l'innervation cholinergique est effectuée par marquage histochimique de l'acétylcholinestérase (AChE). Des augmentations importantes de l'activité AChE sont observées dans les structures cibles du noyau cholinergique tegmental pontique, à savoir le thalamus servant à l'activation corticale, le striatum et certains noyaux mésencéphaliques connectés au striatum, impliqués dans le contrôle des mouvements. Des altérations structuro-fonctionnelles des trois muscles observés (langue, muscle masséter et flexordigitorumsuperficialis) illustrent un tableau clinique d'hypotonicité et d'hypoactivité musculaire. Une dégénérescence partielle des fibres musculaires semble indiquer que ces modifications sont conséquentes de la lésion nerveuse plutôt que d'une atteinte intrinsèque des fibres musculaires. La présente étude sert à comprendre la physiopathologie 1) des neuropathies sensitives humaines présentant des atteintes similaires comme l'ataxie de Friedreich, ou la forme infantile de l'ataxie spino-cérébélleuse, 2) de déafférentations trigéminales pouvant survenir par compressions iatrogènes lors d'actes chirurgicaux / The "dystoniamusculorum" (Dstdt-J) mouse is the result of a recessive autosomal mutation of the dystonin (dst) gene responsible for the expression of a protein of the cytoskeleton, normally present in sensory peripheral neurons and numerous central nervous structures. The mutation is characterised by primary degeneration of peripheral afferent fibers followed by degenerative processes in secondary cerebellar and thalamic afferents. Postural reflex dysfunction and a severe ataxia occurat the same time as peripheral neurodegenerative processes. To study the impact of axonal transport alteration on neuronal activity as well as sensory degeneration on motorfunctions, histopathatological and biochemical studies have were performed on brain and skeletal muscles of B6C3Fea /a-Dstdt-j mice displayed in two groups, homozygotes Dstdt-J and controls. In addition to sensory defects, histopathological evaluation showed central alterations affecting the segmentar nuclei and motor control regions, such as cerebellum, red nucleus, and pontine nuclei. Regional metabolism assessed by cytochrome oxidase histochemistry showed hypermetabolic activity in cerebellum and motor regions of the brain stem involved in equilibrium, muscle tonicity, and postural reflexes. Brain cholinergic innervation was performed by histochemical labelling of acetylcholinesterase (AChE) activity. Enzymatic hyperactivity was observed in target structures of the cholinergic pedunculo-pontine tegmental nucleus, the thalamus, and the basal ganglia. The morphological and functional alterations observed in the three skeletal muscles (masseteric, flexor digitorum superficialis and tongue) were characterized by muscle hypotonicity and hypoactivity. A partial muscular fiber degeneration was observed, probably as a result of sensory denervation rather than an intrinsic defect of muscle fibers. Several sensory neuropathies (Friedreich's ataxia or infant-onset spinocerebellar ataxia) have similar clinicopathological features. The present studies are of interest in understanding the physiopathology of these lesions. They can also contribute in the study of the pathological effects of trigeminal deafferentation induced by compression

Les ataxies cérébelleuses héréditaires sont des pathologies neuro-dégénératives rares, hétérogènes, complexes affectant le cervelet et parfois la moelle épinière et/ou les nerfs périphériques. Elles se transmettent sur le mode autosomique récessif (ARCA), dominant (SCA) ou lié à l’X. Les objectifs de cette thèse de sciences étaient la description phénotypique d’ataxies cérébelleuses héréditaires, la mise en évidence de corrélations du génotype au phénotype et la description de stratégies diagnostiques pour mettre en évidence ces pathologies rares.Grâce à nos résultats, nous avons pu élargir le spectre phénotypique clinique, biologique, radiologique d’ataxies cérébelleuses héréditaires connues : Fragile X Tremor Ataxia Syndrome (FXTAS), ataxie récessive lentement progressive liée au gène PEX 10 impliqué dans la biogénèse du peroxysome, ataxie avec apraxie oculomotrice de type 1 (AOA1). Nous avons pu mettre en évidence des corrélations du génotype au phénotype dans AOA1 et montré que l’âge moyen de début était plus élevé et que la pathologie était moins sévère chez les patients avec au moins un faux sens (p <0,01) par rapport aux patients avec deux mutations tronquantes. Nous avons réussi également à établir un algorithme pour faciliter le diagnostic des ataxies cérébelleuses autosomiques récessives et aider à l’interprétation du séquençage à haut débit. Il est important dans ce type de pathologies rares de pouvoir établir au maximum un diagnostic moléculaire afin de guider le conseil génétique et mettre en évidence les ataxies accessibles à une thérapeutique. / Hereditary cerebellar ataxias are a group of rare and heterogeneous neurodegenerative diseases. The transmission mode is recessive, dominant or X-linked. Our objectives were to better describe the phenotype of some inherited ataxias, to provide genotype-phenotype correlations and to improve the diagnostic strategies for these rare diseases. We enlarged the clinical, biological, radiological phenotype of Fragile X Tremor Ataxia Syndrome (FXTAS), recessive ataxia due to PEX10 related peroxisomal biogenesis disorders, ataxia with oculomotor apraxia type 1 (AOA1). We showed genotype-phenotype correlations in AOA1 patients: mean age at onset was higher with at least one missense mutation. A ranking algorithm has been created to predicting the molecular diagnoses of recessive cerebellar ataxia in order to guide the diagnosis and facilitate interpretation of next generation sequencing. The establishment of a molecular diagnosis is important in this type of rare pathologies to guide the genetic counseling and to diagnosis the ataxias accessible to a treatment.

Thèse doctorat : Sciences du Vivant : Strasbourg 1 : 2006. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 8 p.

Thèses (M.Sc.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2002. / Titre de l'écran-titre (visionné le 19 juillet 2006). Publié aussi en version papier.

L’Ataxie de Friedreich (AF) est une pathologie à hérédité autosomique récessive caractérisée par des troubles neurologiques progressifs (atteinte des neurones cérébelleux et des neurones sensoriels primaires (PSN, Primary Sensory Neurons), une hypertrophie cardiaque et un risque élevé de diabète. La cause la plus fréquente de cette maladie est la présence d’une hyperexpansion homozygote de triplets nucléotidiques GAA au sein du premier intron du gène de la frataxine (FXN), qui code pour une petite protéine mitochondriale, la frataxine. Cette expansion GAA induit la formation de structures secondaires de l’ADN ainsi que la formation d’hétérochromatine, provoquant une diminution de la transcription du gène FXN. Plusieurs modèles cellulaires et animaux AF ont été développés sans toutefois reproduire l’ensemble des caractéristiques génétiques, épigénétiques et biochimiques de la maladie retrouvé chez le patient AF, à savoir la présence d’une hyperexpansion GAA, au sein du premier intron du gène FXN, accompagnée de la répression du gène FXN conduisant à la diminution de l’expression de la protéine frataxine. Dans la première partie du projet, nous avons généré deux modèles cellulaires, les cellules corticales et les neurones sensoriels primaires dérivés des cellules souches pluripotentes induites (iPSC), générées à partir de biopsies de peau de patients AF. Ces deux modèles cellulaires AF présentent les caractéristiques génétiques, épigénétiques et biochimiques décrites chez les patients AF. D’un point de vue biochimique, nous avons montré que le déficit en frataxine induit une perturbation de l’homéostasie du fer avec un déficit de la biosynthèse des centres [Fe-S] et de l’expression des protéines [Fe-S], qui jouent un rôle au sein de la chaine respiratoire mitochondriale et du cycle de Krebs. De plus, le déficit en frataxine entraine la perturbation des voies antioxydantes sensibilisant les cellules AF au stress oxydatif. Nous avons aussi montré que les cellules corticales AF présentent une sensibilité à l’apoptose pouvant être prévenu par un traitement par la forskoline. Enfin, nous avons étudié l’implication éventuelle de mTOR dans la pathogénèse de l’AF au sein des cellules corticales. Les résultats obtenus n’ont pas permis d’attribuer les désordres de l’homéostasie du fer et du métabolisme lipidique observés au sein des cellules corticales AF, au seul déséquilibre de mTORC1, mais sans doute à la déficience en frataxine elle-même. Ces données font de ces deux modèles cellulaires, dérivés des iPSC, des modèles fiables et robustes dans l’étude de l’AF. Dans la seconde partie du projet, nous avons étudié le potentiel effet thérapeutique d’analogues des incrétines ([D-Ala2]-GIP et exendin-4) et de deux générations d’inhibiteurs des HDAC (iHDAC 109 et iHDAC 69, 71 et 89) sur le niveau d’expression de la frataxine, l’homéostasie du fer, le métabolisme protéique et lipidique ainsi que le stress oxydatif, au sein des cellules corticales AF, des PSN AF et de deux modèles murins de l’AF (les souris Knock-In homozygotes (KIKI) et les souris BAC transgéniques). La nouvelle génération d’iHDAC (69, 71 et 89), se distingue du composé 109 par leur capacité supérieure à traverser la barrière hématoencéphalique et leur courte durée de vie prévenant ainsi l’accumulation du composé cardio-toxique au sein de l’organisme. Nous avons observé que l’ensemble des traitements testé dans ce projet, a eu pour effet d’augmenter l’expression de la frataxine et de restaurer l’homéostasie du fer au sein des cellules corticales AF. De la même façon, l’expression de la frataxine a été augmentée suite à l’administration du composé 109 au sein des PSN AF. De plus, nous avons mis en évidence un effet thérapeutique du composé 89 sur le stress oxydatif et le métabolisme lipidique et protéique, au sein des cellules corticales AF. Néanmoins, étant donné l’absence d’un phénotype biochimique de l’AF clair, au sein des deux modèles murins de l’AF utilisés dans cette étude, nous n’avons pas pu étendre l’efficacité des nouveaux iHDAC (69, 71 et 89) au sein de ces deux modèles murins de l’AF. Néanmoins, les résultats obtenus au sein des cellules corticales AF, sur l’induction de l’expression de la frataxine par des analogues des incrétines et par la nouvelle génération des iHDAC, font de ces molécules de nouvelles approches prometteuses dans l’intervention thérapeutique chez les patients AF. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

ARCA2 est une ataxie récessive qui se caractérise par une atrophie du cervelet et un léger déficit en coenzyme Q10. Des mutations dans le gène ADCK3 ont été récemment identifiées comme étant la cause d’ARCA2. ADCK3 code pour une kinase mitochondriale atypique, qui pourrait être impliquée dans la biosynthèse du coenzyme Q10. L’objectif de mon projet de thèse était d’élucider la physiopathologie d’ARCA2 en utilisant le modèle murin knockout pour Adck3. J’ai ainsi pu montrer que les souris Adck3-/- reproduisent de nombreux symptômes associés à ARCA2 et constituent un bon modèle pour étudier ARCA2. Au niveau du cervelet, les cellules de Purkinje sont spécifiquement touchées et présentent des anomalies morphologiques et fonctionnelles. Un léger défaut mitochondrial a été observé dans les muscles squelettiques des souris Adck3-/-. Enfin, une analyse transcriptomique de ces deux tissus a révélé des altérations de nombreuses voies, impliquant ADCK3 dans de nouveaux processus cellulaires. / ARCA2 is a form of recessive ataxia characterized by a slow progression of the ataxic phenotype, cerebellar atrophy and mild deficit in Coenzyme Q10. ARCA2 was recently found associated with mutations in the ADCK3 gene that encodes a putativemitochondrial kinase homologous to the yeast Coq8 and the bacterial UbiB proteins, which are required for Coenzyme Q biosynthesis. In order to elucidate the pathophysiology of ARCA2, a constitutive knockout mouse for Adck3 was generated.Adck3-/- mice reproduce many ARCA2 symptoms such as slow progression of the ataxic phenotype and mild Coenzyme Q deficit, suggesting that Adck3-/- mice are a good model to study ARCA2. Strikingly, a morphological and functional impairmentwas found in cerebellar Adck3-/- Purkinje cells, whereas a mild mitochondrial defect was observed in the skeletal muscle of Adck3-/- mice. Interestingly, transcriptomic analyses revealed alteration in a number of molecular pathways implicating ADCK3in novel cellular processes.

L’ataxie de Friedreich (AF) est une maladie mitochondriale caractérisée par une ataxie spinocérébelleuse et sensitive, une cardiomyopathie et un diabète. L’AF est due à un déficit en frataxine (FXN), une protéine mitochondriale impliquée dans la synthèse des centres Fe-S et l’homéostasie mitochondriale. L’atteinte cardiaque, pour laquelle il n’existe aucun traitement, est la cause principale de décès. Nous avons montré que l’injection intraveineuse d’un vecteur adéno-associé (AAV) rh10 exprimant la FXN humaine prévient le développement de la cardiomyopathie d’un modèle souris de l’AF mais aussi que l’injection du vecteur à des animaux en insuffisance cardiaque permet la correction complète et rapide du phénotype cardiaque. Ces résultats démontrent la capacité des cardiomyocytes défectueux présentant un défaut bioénergétique à être rapidement corrigés. Nous avons ainsi établi la preuve de concept qu’un traitement par thérapie génique est une approche thérapeutique pertinente pour l’AF. / Friedreich ataxia (FRDA) is a mitochondrial disease with neurodegeneration, hypertrophic cardiomyopathy and diabetes. FRDA is caused by reduced level of frataxine (FXN), an essential mitochondrial protein involved in iron-sulfur cluster biogenesis and mitochondrial homeostasis. Cardiac failure is the most common cause of mortality in FRDA. To date, no treatment exists for FRDA cardiomyopathy. During my PhD, we showed that an adeno-associated vector (AAV) rh10 expressing human FXN injected intravenously not only prevented the onset of the cardiac disease in a faithful FRDA cardiac mouse model, but also, when administered in animals with cardiac failure, reversed rapidly and completely cardiac remodeling and insufficiency. Our results demonstrate the capacity of defective cardiomyocytes with severe energy failure and ultrastructure disorganization to be rapidly corrected and remodeled by gene therapy. Thus, we showed that gene therapy may be a relevant therapeutical approach for FRDA.

Les ataxies cérébelleuses héréditaires sont un ensemble de pathologies neurodégénératives ou neuro-développementales rares responsables d’un handicap fonctionnel important. Nous décrivons la découverte dans deux familles consanguines avec une ataxie cérébelleuse, une épilepsie et un retard mental deux mutations homozygotes dans le gène WWOX à l’aide du séquençage de l’exome d’un des patients de chaque famille. Ce gène était connu comme un gène suppresseur de tumeur. Par une stratégie de capture ciblée de 57 gènes d’ataxies cérébelleuses sur une série de 155 patients, nous avons posé un diagnostic dans 20,6% des cas dont des mutations d’ANO10 et SYNE1. Des études multicentriques ont permis d’étendre les connaissances sur ces maladies et montrer l’existence de phénotypes sévères dans ARCA1.A partir de cette série, nous avons validé en aveugle la pertinence d’un algorithme diagnostique clinico-biologique proposé par l’article de Anheim dans le New England Journal of Medicine en 2012. / Hereditary cerebellar ataxias are a group of neurodegenerative or neurodevelopemental diseases responsible of major disability. We found thanks to exome sequencing mutations in the WWOX gene in two consaguineous families presenting with cerebellar ataxia, epilepsy and mental retardation. This gene was until recently only recognized to be a tumor suppressor.With a 57 ataxia genes targeted capture strategy, next generation sequencing in 155 patients found 20,6% of positive diagnosis, including several new mutations in ANO10 and SYNE1. Multi center studies allow to extend clinical knowledge with severes phenotypes especially in ARCA1.We validate a clinico-biological algorithm for recesssive ataxias diagnosis published by Anheim in the in New England Journal of Medicine, 2012 in a blinded manner.

ARSACS est une maladie neurodégénérative autosomique récessive caractérisée par une ataxie cérébelleuse, une paraplégie spastique et une polyneuropathie sensitivo-motrice démyélinisante. Le gène SACS, responsable de la maladie, a été identifié en 2000. Depuis, de nombreux cas ont été décrits dans le monde entier. Le gène SACS code pour la sacsine, dont la fonction reste inconnue malgré l’identification de nombreux domaines protéiques et surtout la description récente d’un rôle dans la physiologie mitochondriale. Les objectifs de ma thèse étaient d’identifier des mutations dans SACS au sein d’une large cohorte de patients atteints d’ataxie grâce à plusieurs collaborations puis d’étudier leurs effets au niveau du compartiment mitochondrial en utilisant essentiellement des cellules de malades. Nous avons pu identifier 2 variants de SACS dans 10% des cas analysés recrutés via le réseau international SPATAX. Nous avons parallèlement confirmé les mutations de SACS identifiées par séquençage haut-débit chez 5 autres patients via le PHRC ATAXIC et analysé un dernier cas porteur d’une délétion complète de SACS découverte par CGH-array pangénomique. Des cultures primaires de fibroblastes ont été obtenues chez 11 patients pour l’analyse fonctionnelle. Une altération de la morphologie des mitochondries a été observée chez tous les patients sauf un. Ces anomalies du réseau mitochondrial semblent très utiles pour cheminer vers le diagnostic d’ARSACS qui peut s’avérer complexe dans les situations non exceptionnelles où les résultats moléculaires sont délicats à interpréter (mutations faux-sens). Nous proposons une définition graduelle d’ARSACS reposant sur des critères cliniques, génétiques et cellulaires intégrant ces anomalies du réseau. Enfin, nous avons débuté l’exploration des mécanismes impliqués dans cette altération de la dynamique du réseau mitochondrial. Nos résultats préliminaires font évoquer une action potentielle de la sacsine au niveau du renouvellement des mitochondries. / ARSACS is a recessive autosomal neurodegenerative condition characterized by cerebellar ataxia, spastic paraplegia and demyelinating sensitivo-motor polyneuropathy. ARSACS is caused by mutations in the SACS gene identified in 2000. Since then, cases have been reported worldwide. SACS encodes sacsin, a protein of still unknown function in spite of the description of numerous protein domains and of a recent focus on a potential implication in the regulation of mitochondrial physiology. Aims of this thesis were to identify new mutations in a large population of ataxic patients and then to functionally analyze their cellular effects in the mitochondrial compartment. We identified 2 variants in SACS in 10% of analyzed cases collected through the international SPATAX network. We also confirmed mutations in SACS in 5 patients identified using next-generation sequencing in the ATXAIC project, and studied a last case harbouring a large deletion encompassing the entire SACS gene identified by pangenomic CGH-array. For functional analyses, primary cultures of fibroblasts were obtained in 11 patients. A drastic and recurrent alteration of the mitochondrial network was observed in all patients except one. These anomalies seem very useful for the diagnosis of ARSACS when molecular results are difficult to interpret (missense variants). We therefore propose a grading diagnostic definition using clinical, genetic and cellular criteria for ARSACS. Finally, we started to study the mechanistic of the mitochondrial function of sacsin. Our preliminary data may suggest a potential role at the mitochondrial turn over level.