La traduction d'une séquence nucléotidique d'ARNm dans plus d'un cadre de lecture est un phénomène découvert chez les virus vers la fin des années 1970. Depuis, quelques exemples de ce phénomène de traduction alternative ont été découverts chez l'humain dans les gènes INK4a, GNAS1, XBP1, et PRNP. La protéine alternative du gène GNAS , nommée ALEX, interagit et régule la protéine de référence et une mutation dans la protéine alternative peut engendrer certains phénotypes pathologiques. Plusieurs groupes de recherche ont effectué des analyses bio-informatiques sur le génome humain et ont suggéré que la traduction alternative de gènes pourrait être beaucoup plus importante que les quelques exemples connus à ce jour. Nous avons créé une base de données dans le but de prédire ces protéines alternatives à partir du transcriptome humain. Le gène ATXN1 semblait un candidat très intéressant à valider puisque la protéine de référence du gène, l'ATXN1, est impliquée dans une maladie neurodégénérative importante: l'ataxie spinocérébelleuse de type 1 (SCA1). Cette pathologie est causée par l'expansion d'une région CAG dans l'ADN qui est traduite en région polyglutamique. La protéine pathologique tend à agréger dans des inclusions nucléaires, ce qui induit l'altération de nombreux interacteurs de l'ATXN1 et pourrait interférer avec la fonction normale de ATXN1. Nous avons observé la présence de deux sites d'initiation alternatifs dans la séquence codante du gène ATXN1, situés dans le cadre de lecture +3. Expérimentalement, nous avons montré l'existence de deux isoformes de la protéine alternative nommée Alt-ATXN1, l'isoforme long étant fortement majoritaire. Alt-ATXN1, qui se localise dans le noyau, interagit de façon directe avec l'ATXN1 et coagrège avec celle-ci dans les inclusions nucléaires caractéristiques de la SCA1. Cette caractéristique intéressante suggère que la fonction biologique d'Alt-ATXN1 pourrait être altérée dans les cas de pathologie due à l'agrégation de l'ATXN1. Nous démontrons qu'Alt-ATXN1 lie les ARNm et possède une localisation nucléaire dépendante de la transcription, ce qui est caractéristique des protéines impliquées dans le processing de l'ARNm. L'existence d'Alt-ATXN1 a été confirmée in vivo dans une lignée neuronale humaine et dans des extraits de cervelets humains. Suite à ces découvertes, la fonction approfondie ainsi que la détermination du rôle d'Alt-ATXN1 dans la SCA1 demeurent sous investigation.

Les maladies par expansion de polyglutamines sont des maladies neurodégénératives dues à l’expansion du trinucléotide cytosine-adénine-guanine (CAG) dans les gènes correspondants codant pour une expansion d’homopolymère de glutamine dans les protéines mutées. Ce projet concerne les formes les plus courantes qui sont la maladie de Huntington (MH) et les ataxies spinocérébelleuses (SCA) types 1, 2, 3 et 7. Ce sont des maladies autosomiques dominantes, responsables de troubles graves de la motricité partageant des voies physiopathologiques communes, avec un effet notable sur la dysfonction métabolique. La disponibilité des tests génétiques et le fait que la plupart du temps la maladie débute à l’âge adulte offre la possibilité d’une intervention thérapeutique avant l’apparition de symptômes. Toutefois, les échelles cliniques ne sont pas assez sensibles et ne peuvent effectivement être utilisés pour évaluer les personnes au stade présymptomatique de la maladie. Les techniques d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de spectroscopie (SRM) sont des approches non invasives qui permettent de recueillir des informations pertinentes et sensibles. Ainsi, dans ce travail, nous présentons une combinaison de différentes techniques d’IRM et SRM afin d’identifier de robustes biomarqueurs de la MH et des SCA. Nous présentons aussi des approches thérapeutiques prometteuses dans la MH. De la même manière, nous voulons démontrer que des biomarqueurs d’imagerie sont plus sensibles que des échelles cliniques. Pour conclure, nous combinons des données multimodales – volumétrie, SRM, métabolomique et lipidomique – à partir de SCA dans un modèle qui explique mieux la pathologie. / Mutations in different gene loci that lead to the encoding of the unstable and expanded glutamine-encoding cytosine-adenine-guanine (CAG) repeats results in the group of diseases known as the polyglutamine diseases. This project focuses on the most common forms which are Huntington disease (HD) and spinocerebellar ataxia (SCA) types 1, 2, 3 and 7. These are autosomal dominant diseases responsible for severe movement disorders and are thought to share common pathophysiological pathways with a major emphasis on metabolic dysfunction. The availability of genetic testing and their predominantly adult onset opens a window for therapeutic intervention before symptoms onset. However, current clinical scales are not sensitive and cannot effectively be used to evaluate individuals at the presymptomatic stage of the diseases. This prompts the need for biomarkers that are sensitive to macroscopic and microscopic changes that may occur prior to disease onset. Magnetic resonance imaging (MRI) and spectroscopy (MRS) techniques present non-invasive approaches to extract pertinent information that otherwise would not be possible with clinical scales. In this work therefore, we present a combination of different MRI and MRS techniques to identify robust biomarkers in HD and SCA. We also present therapeutic approaches that hold promise in HD. Likewise, we show that imaging biomarkers have higher effect sizes than clinical scales. Finally, we combine multimodal data – volumetry, MRS, metabolomics and lipidomic – from SCA into a model that best explains the pathology.

L’ataxie spinocérébelleuse de type 7 (SCA7) est une maladie neurodégénérative à transmission autosomale dominante, causée par une expansion toxique de polyglutamine (polyQ) dans la protéine Ataxine-7. Elle se caractérise par une dégénérescence des photorécepteurs en cônes et en bâtonnets, ainsi que des cellules cérébelleuses de Purkinje et granuleuses. La nature sélective de cette dégénérescence reste peu claire, l’expression d’Ataxine-7 étant ubiquitaire. Dans ce contexte, nous avons exploré la fonction de l’orthologue d’Ataxine-7 chez le poisson-zèbre au cours du développement de l’œil. L’inactivation d’atxn7 chez le poisson-zèbre – par des approches utilisant des oligonucléotides anti-sens ou par CRISPR/Cas9 – résulte principalement en un colobome, malformation structurelle de l’œil causée par un défaut de fermeture de la fissure choroïde. Les morphants atxn7 présentent une altération du motif proximo-distal de la vésicule optique causée par une élévation de la signalisation Hedgehog (Hh). Une étude minutieuse des photorécepteurs révèle un défaut de la morphogénèse des segments externes. La sensibilité de l’œil aux variations de fonction d’atxn7 pourrait expliquer la phyiopathologie SCA7. Notre étude suggère également qu’une perte de fonction d’atxn7 contribuerait au développement du colobome chez l’Homme. / Spinocerebellar ataxia type 7 (SCA7) is an autosomal-dominant neurodegenerative disorder caused by a toxic polyglutamine (polyQ) expansion in Ataxin-7 which leads to degeneration of cone and rod photoreceptors. The selective nature of degeneration remains unclear since Ataxin-7 is ubiquitously expressed. Here, we have explored the function of the Ataxin-7 ortholog in zebrafish during eye development. Inactivation of atxn7 in zebrafish primarily resulted in a coloboma defect, a structural malformation of the eye caused by failure of the choroid fissure to close. atxn7 morphants displayed altered proximo-distal patterning of the optic vesicle, caused by elevated Hedgehog (Hh) signaling. Careful examination of the photoreceptors reveals a defect in the morphogenesis of the outer segments. The eye sensitivity to variations in atxn7 function could account for SCA7 physiopathology. Our study also suggests that atxn7 loss of function may contribute to the development of human coloboma.

Nous présentons ici la description clinique et génétique d’un syndrome neurocutané unique. Le laboratoire du Dr Cossette a entrepris la caractérisation clinique et génétique d'une famille canadienne-française qui a été identifiée par les Drs Giroux et Barbeau en 1972 et qui comprend plus de 100 personnes sur six générations. Les membres atteints de cette famille présentent des lésions typiques d'érythrokératodermie (EK) (OMIM 133190, EKV1 et EKV2), associées à une ataxie spinocérébelleuse pure. Dans cette famille, l'ataxie est caractérisée par des troubles de la coordination et de la démarche causés par une dégénérescence du cervelet et de la moelle épinière. Cette ataxie est transmise selon un mode autosomique dominant. Une étude antérieure de cette variante d'EK avec ataxie avait suggéré une liaison sur le chromosome 1p34-p35, soit la même région que les formes EKV de type 1 et 2, causées respectivement par des mutations dans les gènes connexin-31 (GJB3; OMIM 603324) et connexin-30.3 (GJB4; OMIM 605425). Cependant, aucune mutation n'a été retrouvée dans ces gènes pour la famille canadienne-française. Nous avons récemment recontacté la famille et effectué des examens détaillés, incluant une imagerie par résonance magnétique (IRM) et un électromyogramme (EMG). Les manifestations neurologiques des individus atteints sont compatibles avec une nouvelle forme d’ataxie cérébelleuse pure à transmission autosomique dominante (ADCA de type III dans la classification de Harding) que nous avons appelée SCA34. Une cartographie complète du génome nous a permis de localiser le gène SCA34 sur le chromosome 6p12.3-q16.2. Également, en collaboration avec les Drs Alexis Brice (Hôpital Pitié-La Salpêtrière, Paris) et Alfredo Brusco (Hôpital San Giovanni Battista di Torino, Italie), nous avons confirmé que trois autres familles européennes avec SCA inexpliquée étaient également liées au locus SCA34. Notre laboratoire a récemment entrepris la recherche des mutations responsables de SCA34. Les résultats de ce criblage de gènes candidats sont présentés dans le chapitre 3 de cette thèse. / We present here the clinical and genetic description of a unique neuro-cutaneous syndrome. Dr. Cossette’s laboratory began the clinical and genetic characterization of a French-Canadian family who was identified by Drs. Giroux and Barbeau in 1972 and includes more than 100 people over six generations. The affected members of this family have typical lesions of erythrokeratodermia (EK) (OMIM 133190, and EKV1 EKV2), associated with pure spinocerebellar ataxia. In this family, the clinical phenotype is characterized by gait ataxia caused by degeneration of the cerebellum and spinal cord and the pattern of inheritance is compatible with an autosomal dominant trait. In a previous study of this variant of ataxia with EK, putative linkage was found on chromosome 1p34-p35, the same chromosomal region of EKV1 and EKV2 that are respectively caused by mutations in the connexin-31 gene (GJB3, OMIM 603324) and connexin -30.3 (GJB4, OMIM 605425). However, no mutations have been found in these latter genes for the French-Canadian family. We recently contacted the family and carried out detailed examinations, including a magnetic resonance imaging (MRI) and electromyography (EMG). Neurological manifestations of affected individuals are consistent with a new form of pure autosomal dominant cerebellar ataxia, (ADCA type III in the classification of Harding) that we named SCA34. A whole genome scan allowed us to map the gene on chromosome 6p12.3-q16.2. Interestingly, in collaboration with Dr. Alexis Brice (Hôpital Pitié-La Salpêtrière, Paris), and Alfredo Brusco (San Giovanni Battista Hospital, Turin, Italy), we found that three additional European families with unexplained SCA were also linked to the SCA34 locus. Our laboratory has recently begun the search for mutations causing SCA34. The results of this screening of candidate genes are presented in Chapter 3 of this thesis.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous présentons ici la description clinique et génétique d’un syndrome neurocutané unique. Le laboratoire du Dr Cossette a entrepris la caractérisation clinique et génétique d'une famille canadienne-française qui a été identifiée par les Drs Giroux et Barbeau en 1972 et qui comprend plus de 100 personnes sur six générations. Les membres atteints de cette famille présentent des lésions typiques d'érythrokératodermie (EK) (OMIM 133190, EKV1 et EKV2), associées à une ataxie spinocérébelleuse pure. Dans cette famille, l'ataxie est caractérisée par des troubles de la coordination et de la démarche causés par une dégénérescence du cervelet et de la moelle épinière. Cette ataxie est transmise selon un mode autosomique dominant. Une étude antérieure de cette variante d'EK avec ataxie avait suggéré une liaison sur le chromosome 1p34-p35, soit la même région que les formes EKV de type 1 et 2, causées respectivement par des mutations dans les gènes connexin-31 (GJB3; OMIM 603324) et connexin-30.3 (GJB4; OMIM 605425). Cependant, aucune mutation n'a été retrouvée dans ces gènes pour la famille canadienne-française. Nous avons récemment recontacté la famille et effectué des examens détaillés, incluant une imagerie par résonance magnétique (IRM) et un électromyogramme (EMG). Les manifestations neurologiques des individus atteints sont compatibles avec une nouvelle forme d’ataxie cérébelleuse pure à transmission autosomique dominante (ADCA de type III dans la classification de Harding) que nous avons appelée SCA34. Une cartographie complète du génome nous a permis de localiser le gène SCA34 sur le chromosome 6p12.3-q16.2. Également, en collaboration avec les Drs Alexis Brice (Hôpital Pitié-La Salpêtrière, Paris) et Alfredo Brusco (Hôpital San Giovanni Battista di Torino, Italie), nous avons confirmé que trois autres familles européennes avec SCA inexpliquée étaient également liées au locus SCA34. Notre laboratoire a récemment entrepris la recherche des mutations responsables de SCA34. Les résultats de ce criblage de gènes candidats sont présentés dans le chapitre 3 de cette thèse. / We present here the clinical and genetic description of a unique neuro-cutaneous syndrome. Dr. Cossette’s laboratory began the clinical and genetic characterization of a French-Canadian family who was identified by Drs. Giroux and Barbeau in 1972 and includes more than 100 people over six generations. The affected members of this family have typical lesions of erythrokeratodermia (EK) (OMIM 133190, and EKV1 EKV2), associated with pure spinocerebellar ataxia. In this family, the clinical phenotype is characterized by gait ataxia caused by degeneration of the cerebellum and spinal cord and the pattern of inheritance is compatible with an autosomal dominant trait. In a previous study of this variant of ataxia with EK, putative linkage was found on chromosome 1p34-p35, the same chromosomal region of EKV1 and EKV2 that are respectively caused by mutations in the connexin-31 gene (GJB3, OMIM 603324) and connexin -30.3 (GJB4, OMIM 605425). However, no mutations have been found in these latter genes for the French-Canadian family. We recently contacted the family and carried out detailed examinations, including a magnetic resonance imaging (MRI) and electromyography (EMG). Neurological manifestations of affected individuals are consistent with a new form of pure autosomal dominant cerebellar ataxia, (ADCA type III in the classification of Harding) that we named SCA34. A whole genome scan allowed us to map the gene on chromosome 6p12.3-q16.2. Interestingly, in collaboration with Dr. Alexis Brice (Hôpital Pitié-La Salpêtrière, Paris), and Alfredo Brusco (San Giovanni Battista Hospital, Turin, Italy), we found that three additional European families with unexplained SCA were also linked to the SCA34 locus. Our laboratory has recently begun the search for mutations causing SCA34. The results of this screening of candidate genes are presented in Chapter 3 of this thesis.

Dix-huit maladies humaines graves ont jusqu'ici été associées avec des expansions de trinucléotides répétés (TNR) codant soit pour des polyalanines (codées par des codons GCN répétés) soit pour des polyglutamines (codées par des codons CAG répétés) dans des protéines spécifiques. Parmi eux, la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP), l’Ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3) et la maladie de Huntington (MH) sont des troubles à transmission autosomale dominante et à apparition tardive, caractérisés par la présence d'inclusions intranucléaires (IIN). Nous avons déjà identifié la mutation responsable de la DMOP comme étant une petite expansion (2 à 7 répétitions supplémentaires) du codon GCG répété du gène PABPN1. En outre, nous-mêmes ainsi que d’autres chercheurs avons identifié la présence d’événements de décalage du cadre de lecture ribosomique de -1 au niveau des codons répétés CAG des gènes ATXN3 (SCA3) et HTT (MH), entraînant ainsi la traduction de codons répétés hybrides CAG/GCA et la production d'un peptide contenant des polyalanines. Or, les données observées dans la DMOP suggèrent que la toxicité induite par les polyalanines est très sensible à leur quantité et leur longueur. Pour valider notre hypothèse de décalage du cadre de lecture dans le gène ATXN3 dans des modèles animaux, nous avons essayé de reproduire nos constatations chez la drosophile et dans des neurones de mammifères. Nos résultats montrent que l'expression transgénique de codons répétés CAG élargis dans l’ADNc de ATXN3 conduit aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et que ces événements sont néfastes. À l'inverse, l'expression transgénique de codons répétés CAA (codant pour les polyglutamines) élargis dans l’ADNc de ATXN3 ne conduit pas aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et n’est pas toxique. Par ailleurs, l’ARNm des codons répétés CAG élargis dans ATXN3 ne contribue pas à la toxicité observée dans nos modèles. Ces observations indiquent que l’expansion de polyglutamines dans nos modèles drosophile et de neurones de mammifères pour SCA3 ne suffit pas au développement d'un phénotype. Par conséquent, nous proposons que le décalage du cadre de lecture ribosomique -1 contribue à la toxicité associée aux répétitions CAG dans le gène ATXN3. Pour étudier le décalage du cadre de lecture -1 dans les maladies à expansion de trinucléotides CAG en général, nous avons voulu créer un anticorps capable de détecter le produit présentant ce décalage. Nous rapportons ici la caractérisation d’un anticorps polyclonal qui reconnaît sélectivement les expansions pathologiques de polyalanines dans la protéine PABPN1 impliquée dans la DMOP. En outre, notre anticorps détecte également la présence de protéines contenant des alanines dans les inclusions intranucléaires (IIN) des échantillons de patients SCA3 et MD. / Eighteen severe human diseases have thus far been associated with trinucleotide repeat (TNR) expansions coding for either polyalanine (encoded by a GCN repeat tract) or polyglutamine (encoded by a CAG repeat tract) in specific proteins. Among them, oculopharyngeal muscular dystrophy (OPMD), spinocerebellar ataxia type-3 (SCA3), and Huntington’s disease (HD) are late-onset autosomal-dominant disorders characterised by the presence of intranuclear inclusions (INIs). We have previously identified the OPMD causative mutation as a small expansion (2 to 7) of a GCG repeat tract in the PABPN1 gene. In addition, we and others have reported the occurrence of -1 ribosomal frameshifting events in expanded CAG repeat tracts in the ATXN3 (SCA3) and HTT (HD) genes, which result in the translation of a hybrid CAG/GCA repeat tract and the production of a polyalanine-containing peptide. Data from OPMD suggests that polyalanine-induced toxicity is very sensitive to the dosage and length of the alanine stretch. To validate our ATXN3 -1 frameshifting hypothesis in animal models, we set out to reproduce our findings in Drosophila and mammalian neurons. Our results show that the transgenic expression of expanded CAG repeat tract ATXN3 cDNA led to -1 frameshifting events, and that these events are deleterious. Conversely, the expression of polyglutamine-encoding expanded CAA repeat tract ATXN3 cDNA was neither frameshifted nor toxic. Furthermore, expanded CAG repeat tract ATXN3 mRNA does not contribute to the toxicity observed in our models. These observations indicate that expanded polyglutamine repeats in Drosophila and mammalian neuron models of SCA3 are insufficient for the development of a phenotype. Hence, we propose that -1 ribosomal frameshifting contributes to the toxicity associated with CAG repeat tract expansions in the ATXN3 gene. To further investigate ribosomal frameshifting in expanded CAG repeat tract diseases, we sought to create an antibody capable of detecting the frameshifted product. Here we report the characterization of a polyclonal antibody that selectively recognizes pathological expansions of polyalanine in the protein implicated in OPMD, PABPN1. Furthermore, our antibody also detects the presence of alanine proteins in the intranuclear inclusions (INIs) of SCA3 and HD patient samples.

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