Les mutations MKS1 sont impliquées dans un groupe de ciliopathies récessives létales, telles que le syndrome de Meckel-Gruber (MKS) et le syndrome de Joubert (JBT), caractérisées par une dysplasie rénale kystique, des anomalies du système nerveux central (encéphalocèle occipitale), une polydactylie, une dysgénésie biliaire et une fibrose hépatique. MKS1 a été localisée dans la zone de transition du cil dans de nombreux types cellulaires où elle joue un rôle essentiel pour la structure et la fonction des cils, en particulier la régulation de plusieurs voies de signalisation telles que Wnt et Shh.Dans le présent travail, nous avons identifié la fonction pré-ciliaire de MKS1 dans des cellules épithéliales. Nous avons montré que la localisation subcellulaire de MKS1 varie au cours de la maturation de l’épithelium, passant du cytosol où MKS1 co-localise avec le réseau de kératine, aux jonctions cellulaires, où elle co-colocalise avec les caténines. De plus, la translocation de MKS1 des jonctions au cytosol s'est avérée être mécano-sensible, suggérant que MKS1 participe à l'homéostasie épithéliale en stabilisant les jonctions cellulaires, via la transduction des signaux mécaniques liés à la compaction de l’épithelium.L’analyse fonctionnelle a démontré que le « knockdown » de MKS1 désorganise le réseau de kératine, et déstabilise les jonctions adhérentes des cellules épithéliales en culture, avec une diminution de la β-caténine jonctionnelle et une libération de l’E-cadhérine, l’α-caténine et la vinculine dans le cytosol. De plus, la déplétion de MKS1 entraîne une diminution notable du réseau apical d’actine, ainsi que la désorganisation de la structure épithéliale et une transition partielle vers un état mésenchymateux. Ces résultats illustrent une fonction indépendante du cil de MKS1 dans l’homéostasie épithéliale, et apporte de nouvelles hypothèses quant à son rôle et celui des filaments intermédiaires dans les processus d’organogenèse des épitheliums, en particulier la tubulogenèse, qui repose à la fois sur l’équilibre de la transition épithelium/mesenchyme et la mécanotransduction des sollicitations mécaniques durant l’embryogenèseDans le but de caractériser les partenaires de MKS1, des expériences de Co-IP et d’analyses protéomiques ont permis d’identifier l’epiplakine comme un partenaire possible de MKS1. L'Epiplakine est un cytolinker capable de lier la kératine à la membrane et à l'actine ; l’interaction de MKS1 avec l’epiplakine pourrait ainsi rendre compte de la stabilisation à la fois du réseau de kératine et des jonctions cellulaires. Des analyses complémentaires de protéomique et des études fonctionnelles devront compléter ces résultats préliminaires.Finalement, ces travaux ont également permis de révéler le rôle de MKS1 dans la stabilisation des jonctions communicantes ; la déplétion de MKS1 conduisant à une diminution de la CX43 jonctionnelle et à une altération de la fonction de communication intercellulaire dans les cellules épithéliales en culture. Ces travaux, qui constituent la première mention d’une altération possible des jonctions communicantes dans ce type de maladies, devront être approfondis pour caractériser leur impact dans les processus de tubulogenèse.En conclusion, ce travail qui a permis de révéler un rôle pré-ciliaire de MKS1 dans l'homéostasie épithéliale, apporte de nouvelles hypothèses pour l’étiologie de ces maladies, jusqu’alors considérées comme essentiellement consécutives à des défauts de transduction de la signalisation ciliaire. Il propose également de nouveaux mécanismes pour rendre compte des anomalies du développement hépatique, telles que la dysgénésie des voies biliaires, et plus largement des processus de tubulogenèse impliqués dans le développement de nombreux organes. / MKS1 mutations are involved in a group of lethal recessive ciliopathies, such as Meckel-Gruber syndrome (MKS) and Joubert's syndrome (JBT), characterized by cystic renal dysplasia, central nervous system abnormalities (occipital encephalocele) , polydactyly, biliary dysgenesis and hepatic fibrosis. MKS1 has been located in the transition zone of the cilia in many cell types where it plays an essential role in the cilia structure and function, in particular in the regulation of signaling pathways such as Wnt and Shh.In the present work, we have identified the preciliary function of MKS1 in epithelial cells. We have shown that the subcellular localization of MKS1 varies during the maturation of the epithelium, from the cytosol where MKS1 co-localizes with the keratin network, to the cell junctions, where it co-localizes with the catenins. In addition, the MKS1 translocation to cytosol junctions proved to be mechano-sensitive, suggesting that MKS1 participates in epithelial homeostasis by stabilizing cell junctions, via the transduction of mechanical signals related to epithelial compaction.Functional analysis has shown that the knockdown of MKS1 disrupts the keratin network, and destabilizes the adherent junctions of epithelial cells in culture, with a decrease in the junctional β-catenin and a release of E-cadherin, the α-catenin and vinculin in the cytosol. In addition, the depletion of MKS1 results in a significant decrease in the apical actin network, as well as disorganization of the epithelial structure and a partial transition to a mesenchymal state. These results illustrate a ciliary-independent function of MKS1 in epithelial homeostasis, and provides new hypotheses regarding its role and that of intermediate filaments in epithelial organogenesis processes, in particular tubulogenesis, which is based both on the equilibrium of the epithelium / mesenchyme transition and the mechanotransduction of mechanical stresses during embryogenesisIn order to characterize MKS1 partners, Co-IP experiments and proteomic analyzes have identified epiplakin as a possible MKS1 partner. Epiplakin is a cytolinker capable of binding keratin to membrane and actin; the interaction of MKS1 with epiplakin could thus account for the stabilization of both the keratin network and cell junctions. Additional proteomic analyzes and functional studies will complement these preliminary results.Finally, this work has also revealed the role of MKS1 in the stabilization of gap junctions; the depletion of MKS1 leading to a decrease in the junctional CX43 and an alteration of the intercellular communication function in the epithelial cells in culture. This work, which constitutes the first mention of a possible alteration of gap junctions in this type of disease, will have to be further developed to characterize their impact on tubulogenesis processes.In conclusion, this work which revealed a pre-ciliary role of MKS1 in epithelial homeostasis, provides new hypotheses for the etiology of ciliopathies, previously considered as essentially consecutive to signal transduction defects. It also proposes new mechanisms to account for abnormalities of hepatic development, such as bile ducts dysgenesis, and more broadly tubulogenesis processes involved in the development of many organs.

La scoliose est une déformation de la colonne vertébrale dans les trois plans de l’espace (frontal, sagittal et transverse), et la forme la plus fréquente est la scoliose idiopathique (SI) dont la cause est encore très mal comprise. La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une forme de SI qui se développe au cours de la puberté, plus souvent chez les filles, et présente une importante hétérogénéité phénotypique. Les très nombreuses recherches afin de comprendre les mécanismes qui entrent en jeu dans le développement de cette maladie et afin de déterminer l’étiologie ont permis de mettre en évidence un très grand nombre de théories regroupant des facteurs endocriniens et métaboliques, des facteurs biomécaniques et musculosquelettiques, des facteurs neurologiques et vestibulaires ainsi que des facteurs génétiques et épigénétiques. L’identification du gène candidat POC5 dans la SI par notre laboratoire, un gène crucial dans la formation du cil primaire, a été un tournant majeur apportant la première pièce d’un puzzle plaçant le cil primaire au centre des hypothèses concernant la mise en place de la maladie. Le cil primaire est une organelle non-motile retrouvée à la surface de la totalité des cellules du corps humain à l’exception des cellules sanguines. Grâce à son axonème formé de tubuline capable de subir des modifications post-traductionnelles appelées « code tubuline » et sa membrane ciliaire ultra spécialisée, le cil primaire joue un rôle mécanosenseur important tout au long de la vie, dès le développement embryonnaire. Il prend part à de nombreux mécanismes dont la formation et l’homéostasie osseuse et a déjà été mis en cause dans les maladies osseuses. En effet, lorsque le cil primaire est défectueux, il est responsable de syndromes complexes regroupés sous le nom de ciliopathie dont un des symptômes est la scoliose. L’hypothèse générale de la présente thèse est que des variants rares dans des gènes ciliaires, particulièrement le gène POC5 et le gène TTLL11, agissent sur les mécanismes cellulaires responsables de la mise en place de la SIA faisant d’elle une maladie appartenant à la grande famille des ciliopathies. L’objectif de cette thèse a été de documenter l’implication et la pathogénicité des gènes POC5 et TTLL11 dans la SIA. Nous avons d’abord déterminé la prévalence des variants du gène POC5 dans une cohorte de patients d’origine franco-canadienne ou britannique atteints de SIA (Manuscrit 1). Ensuite, nous avons créé trois modèles de souris Knock-in pour l’équivalent des variants du gène POC5 humain afin d’analyser la pathogénicité et le phénotype éventuel de ciliopathie (Manuscrit 2). Finalement, la pathogénicité du gène TTLL11 muté a été analysée dans des cellules issues de patients atteints de SIA et dans un modèle animal, le poisson zèbre (Manuscrit 3). Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont montré que les deux gènes ciliaire POC5 et TTLL11 sont des gènes candidats probablement impliqués dans les mécanismes cellulaires fondamentaux induisant la mise en place de la SIA et ont permis d’identifier un mécanisme, la polyglutamylation du cil primaire, comme étant relié à la SIA. / Scoliosis is a 3D spinal curvature, in the frontal, sagittal and transverse plans, and the most common form is the idiopathic scoliosis (IS) with a cause that remains very poorly understood. Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) is a subtype of IS that develops during the puberty, most commonly in girls, and has a significant phenotypic heterogeneity. To date, a large amount of research on scoliosis etiology highlighted various hypotheses based on endocrine and metabolic factors, biomechanical and musculoskeletal factors, neurological and vestibular factors, as well as genetic and epigenetic factors. The identification of the IS candidate gene POC5 by our laboratory, a crucial gene in the formation of the primary cilium, was a major turning point bringing the first piece of a puzzle where the primary cilium is a central hypothesis concerning the onset of the disease. The primary cilium is a non-motile organelle found at the cell surface of all the human body cells, except for blood cells. The primary cilium plays an important mechano-sensor role throughout life, from embryonic development through its axoneme composed by tubulin that hosted post-translational modifications called “tubulin code”, and its ultra-specialized ciliary membrane. It is involved in many mechanisms including bone formation and homeostasis and has already been implicated in bone diseases. Indeed, the defective primary cilium is responsible for human ciliopathy syndromes that are associated with scoliosis. The main hypothesis of this thesis is that rare variants in ciliary genes, especially the POC5 gene and the TTLL11 gene, participate on cellular mechanisms responsible for the onset of AIS supporting the idea that scoliosis is a form of ciliopathy. The specific objective of this thesis was to document the involvement and pathogenicity of the POC5 and TTLL11 genes in AIS. We first determined the prevalence of POC5 gene variants in a cohort of French-Canadian and British AIS patients (Manuscript 1). Then, we created three knock-in mouse models carrying the equivalent of the human POC5 gene variants to analyze the pathogenicity and the possible phenotype of ciliopathy (Manuscript 2). Finally, the pathogenicity of the mutated TTLL11 gene was analyzed in cells extracted from AIS patients and in an animal model, the zebrafish (Manuscript 3). The work presented in this thesis showed that the two ciliary genes POC5 and TTLL11 are candidate genes probably involved in the fundamental cellular mechanisms inducing the onset of AIS and allowed us to identify the primary cilium polyglutamylation, as a mechanism being related to AIS.

La néphronophtise (NPH) est une néphropathie tubulo-interstitielle chronique de transmission autosomique récessive. Elle représente la cause génétique la plus fréquente des insuffisances rénales terminales de l'enfant et du jeune adulte (5 à 10%). Elle se caractérise au niveau histologique par des anomalies des membranes basales tubulaires, une fibrose interstitielle massive et par l'apparition tardive de kystes à la jonction cortico-médullaire. Dans 40% des cas, la NPH est associée à des atteintes extra-rénales, notamment oculaires, cérébelleuses ou osseuses, définissant de nombreux syndromes (Senior Løken, Joubert, Jeune, etc). Sur la quinzaine de gènes responsables de la maladie, sept ont été identifiés au laboratoire : NPHP1, NPHP4, NPHP8/RPGRIP1L, NPHP11/MKS3, NPHP12/TTC21B, NPHP13/WDR19 et IFT140. Les protéines codées par ces gènes forment des complexes moléculaires principalement localisés au niveau des jonctions cellulaires et du cil primaire des cellules épithéliales rénales, classifiant la NPH et les syndromes associés dans le groupe des "ciliopathies". Mes travaux de thèse se sont intégrés au projet de recherche de l'équipe, centré sur l'étude des mécanismes pathophysiologiques à l'origine des lésions observées dans la NPH. Pour cela, nous avons développé des modèles de cellules tubulaires rénales (MDCK, IMCD et HEK293), et des modèles animaux (souris et poisson zèbre en collaboration avec l'équipe de Sylvie Schneider-Maunoury UMR7622). Je me suis particulièrement intéressé à l'analyse des phénotypes cellulaires et à la caractérisation des voies de signalisation perturbées dans les cellules épithéliales rénales invalidées pour les gènes NPHP1, NPHP4 et NPHP8/RPGRIP1L. Les protéines codées par ces gènes forment un complexe au niveau du cil primaire et des jonctions cellulaires. J'ai participé à définir le rôle crucial de ces protéines dans l'établissement des jonctions serrées par leur interaction avec les protéines de polarité, la morphogénèse épithéliale en culture 3D et la ciliogenèse. De plus, j'ai mis en évidence que l'absence de ces protéines entraîne des anomalies de migration et d'adhésion cellulaires s'accompagnant d'une activation anormale des protéines Rho GTPases (Cdc42, Rac1 et RhoA) et d'une réorganisation du cytosquelette d'actine. J'ai par ailleurs montré que le complexe NPHP4/inversine/RPGRIP1L régule finement l'expression et la localisation de Dishevelled, élément clé des voies Wnt canonique et Wnt/PCP, dans les cellules rénales. Ceci est en accord avec les défauts de polarité planaire observés dans le pronéphros du poisson zèbre et dans le rein de la souris, après invalidation des gènes Nphp4 ou Rpgrip1l. L'ensemble de ces résultats a permis de mieux comprendre le rôle moléculaire et cellulaire des néphrocystines et les mécanismes pathophysiologiques aboutissant aux altérations retrouvées chez les patients telles que la fibrose interstitielle rénale et la formation de kystes.

Le syndrome de Bardet-Biedl (BBS) est une ciliopathie syndromique associant une rétinopathie pigmentaire, une polydactylie post-axiale, une obésité, un hypogonadisme, des anomalies rénales et des troubles des apprentissages. Le cil primaire est présent à la surface de la quasi totalité des cellules de l’organisme et joue un rôle d’antenne cellulaire captant les signaux extérieurs pour les transmettre à la cellule. A ce jour 21 gènes BBS ont été identifiés codant des protéines ayant une fonction ciliaire. Au cours de ce travail, nous avons identifié 3 nouveaux gènes BBS (SDCCAG8/BBS16, LZTFL1/BBS17, BBIP1/BBS18) et confirmé l’implication de IFT172/BBS20. Nous avons également établi des corrélations génotype-phénotype : absence de polydactylie et insuffisance rénale associées aux mutations dans BBS16 ; polydactylie mésoaxiale et atteinte rénale associées aux mutations dans BBS17 ; possible association d’une polydactylie préaxiale aux mutations dans BBS20. Enfin, nous décrivons sur le plan clinique et moléculaire la plus grande cohorte de patients BBS à partir d’une base de données clinico-biologique mise en place au cours de ce travail. / Bardet-Biedl syndrome (BBS) is a syndromic ciliopathy associating with retinitis pigmentosa, postaxial polydactyly, obesity, hypogonadism, renal anomalies and learning difficulties. The primary cilium is antenna-like structure at the surface of the cell. 21 BBS genes are identified and the corresponding proteins are related to primary cilium structure and function. In this study, we identified 3 new BBS genes (SDCCAG8/BBS16, LZTFL1/BBS17, BBIP1/BBS18) and we confirmed the implication of IFT172/BBS20 in this syndrome. We also established strong genotype-phenotype correlations: absence of polydactyly and early renal failure in SDCCAG8/BBS16 patients; mesoaxial polydactyly and early renal failure in LZTFL1/BBS17 patients; possible preaxial polydactyly in IFT172/BBS20 patients. Finally, we reported the molecular and clinical description of the largest BBS cohort thanks to the clinical and biological database created in the Laboratory.

Le syndrome de Bardet-Biedl (BBS) est considéré comme l’une des causes les plus fréquentes de rétinopathie pigmentaire dite syndromique. Il a été démontré une connexion entre les protéines BBS et les structures du cil primaire. Le cil primaire est un organelle formé par une fine évagination de la membrane plasmique soutenu par une ossature de microtubules. Dans la rétine, le photorécepteur (PR) est une cellule ciliaire composée d’un segment interne et d’un segment externe reliés par un cil primaire modifié. Au cours de ce travail, nous avons mis en évidence que le stress du réticulum endoplasmique est à l’origine du processus apoptotique car un défaut ciliaire dans le PR entraine l’accumulation de protéines dans le segment interne et déclenche une réponse au stress cellulaire appelé unfolded protein response. Nous avons développé un traitement pharmacologique modulant ce stress cellulaire afin de ralentir l’apoptose des PR dans un modèle murin BBS. Cette approche pharmacologique a montré son efficacité dans le maintien et la fonctionnalité des PR. Elle pourrait potentiellement être applicable à d’autres ciliopathies rétiniennes. / Bardet-Biedl syndrome (BBS) is one of the most frequent cause of syndromic retinitis pigmentosa. BBS proteins are related to primary cilium structure and function. The primary cilium is microtubule-based antenna-like structure at the surface of the cell. In the retina, the photoreceptor (PR) is a ciliated cell composed of an inner and an outer segment linked by a modified primary cilium. In this study, we demonstrated that endoplasmic reticulum stress induces unfolded protein response due to protein accumulation in the inner segment in case of ciliary defect in the PR leading to apoptosis. We designed a pharmacological treatment to alleviate PR apoptosis in a BBS mouse model. This pharmacological approach was efficient to protect PR from apoptosis and maintain their functionality. This treatment could be applicable to others retinal ciliopathies.

La néphronophtise (NPH) est une néphropathie tubulo-interstitielle chronique de transmission autosomique récessive. Elle représente la cause génétique la plus fréquente des insuffisances rénales terminales de l’enfant et du jeune adulte (5 à 10%). Elle se caractérise au niveau histologique par des anomalies des membranes basales tubulaires, une fibrose interstitielle massive et par l’apparition tardive de kystes à la jonction cortico-médullaire. Dans 40% des cas, la NPH est associée à des atteintes extra-rénales, notamment oculaires, cérébelleuses ou osseuses, définissant de nombreux syndromes (Senior Løken, Joubert, Jeune, etc). Sur la quinzaine de gènes responsables de la maladie, sept ont été identifiés au laboratoire : NPHP1, NPHP4, NPHP8/RPGRIP1L, NPHP11/MKS3, NPHP12/TTC21B, NPHP13/WDR19 et IFT140. Les protéines codées par ces gènes forment des complexes moléculaires principalement localisés au niveau des jonctions cellulaires et du cil primaire des cellules épithéliales rénales, classifiant la NPH et les syndromes associés dans le groupe des "ciliopathies". Mes travaux de thèse se sont intégrés au projet de recherche de l'équipe, centré sur l'étude des mécanismes pathophysiologiques à l'origine des lésions observées dans la NPH. Pour cela, nous avons développé des modèles de cellules tubulaires rénales (MDCK, IMCD et HEK293), et des modèles animaux (souris et poisson zèbre en collaboration avec l'équipe de Sylvie Schneider-Maunoury UMR7622). Je me suis particulièrement intéressé à l'analyse des phénotypes cellulaires et à la caractérisation des voies de signalisation perturbées dans les cellules épithéliales rénales invalidées pour les gènes NPHP1, NPHP4 et NPHP8/RPGRIP1L. Les protéines codées par ces gènes forment un complexe au niveau du cil primaire et des jonctions cellulaires. J'ai participé à définir le rôle crucial de ces protéines dans l’établissement des jonctions serrées par leur interaction avec les protéines de polarité, la morphogénèse épithéliale en culture 3D et la ciliogenèse. De plus, j'ai mis en évidence que l'absence de ces protéines entraîne des anomalies de migration et d'adhésion cellulaires s’accompagnant d’une activation anormale des protéines Rho GTPases (Cdc42, Rac1 et RhoA) et d’une réorganisation du cytosquelette d’actine. J'ai par ailleurs montré que le complexe NPHP4/inversine/RPGRIP1L régule finement l'expression et la localisation de Dishevelled, élément clé des voies Wnt canonique et Wnt/PCP, dans les cellules rénales. Ceci est en accord avec les défauts de polarité planaire observés dans le pronéphros du poisson zèbre et dans le rein de la souris, après invalidation des gènes Nphp4 ou Rpgrip1l. L'ensemble de ces résultats a permis de mieux comprendre le rôle moléculaire et cellulaire des néphrocystines et les mécanismes pathophysiologiques aboutissant aux altérations retrouvées chez les patients telles que la fibrose interstitielle rénale et la formation de kystes. / Nephronophthisis, a hereditary nephropathy characterized by interstitial fibrosis and cyst formation, is caused by mutations in NPHP genes encoding the ciliary proteins called nephrocystins. We investigate the function of nephrocystin-1, -4 and -8, in vitro and in vivo in mammalian kidney cells and in zebrafish respectively. Depletion of either NPHP1 (N1-KD), NPHP4 (N4-KD) or RPGRIP1L (RPGRIP1L-KD) by shRNA-mediated knockdown in MDCK cells led to abnormal ciliogenesis, delay in tight junction formation and disorganized structures in 3D culture. Moreover NPHP4 modulates the Wnt pathways during morphogenesis of the zebrafish pronephros and in mammalian kidney cells in which NPHP4 interacts with inversin and dishevelled, regulating its stability and its subcellular localization. Rpgrip1l is required for dishevelled stabilization at the cilium base and is necessary for polarized positioning of motile cilia of the zebrafish floor plate and sensory hair cells of the mouse cochlea. In either N1-KD or N4-KD cells, we also showed an over activation of Cdc42 and RhoA, downstream targets of dishevelled. This was accompanied by actin cytoskeletal disorganization, enhanced spreading on collagen, over-activation of proteins that regulate focal adhesion structures i.e p130cas-Pyk2 and increased cell migration. Interestingly, the stable expression of dominant negative form of Cdc42 in knockdown cells rescued the migration and the 3D phenotypes. In parallel, we observed that loss of Nphp4 in mice caused cystic tubular dilatation after subtotal nephrectomy correlated with alteration of ciliogenesis and over activation of Cdc42 and RhoA. Our data show a role of nephrocystins in epithelial cell organization and kidney morphogenesis in particular in regulation of focal adhesion, tight junction, ciliogenesis via dishevelled stability.

La dyskinésie ciliaire primitive (DCP) est une maladie génétique rare, autosomique récessive, résultant d'un dysfonctionnement des cils de l'épithélium respiratoire. Les patients atteints souffrent d'infections respiratoires chroniques accompagnées de complications évoluant vers l'insuffisance respiratoire, en dépit de traitements antibiotiques et de kinésithérapique à vie. Ils peuvent aussi présenter une hétérotaxie.La première partie de ma thèse a consisté à rechercher des gènes impliqués dans l'hétérotaxie et la DCP. Grâce au séquençage haut-débit, nous avons pu identifier deux nouveaux gènes - MMP21 et RSPH1 - responsables respectivement d'hétérotaxie et de DCP. L'identification de tous les gènes responsables est un préalable indispensable à toute thérapie génique. Dans la deuxième partie, nous avons cherché à développer une thérapie génique in vivo dans le but de restaurer un battement ciliaire normal et ainsi de stopper l'évolution de la maladie. Préalablement, notre laboratoire avait apporté la preuve du concept dans un essai de thérapie génique in vitro impliquant le gène DNAI1. Pour la démonstration in vivo, la lignée Dnahc11iv de souris ayant une mutation du gène Dnahc11 et ayant des cils déficients a été choisie. L'ADNc de DNAH11 (14 kb) a été cloné sous contrôle d'une partie de la séquence du promoteur FOXJ1, suffisante pour limiter l'expression du transgène aux cellules ciliées. Une autre construction a permis de produire des vecteurs dérivés du baculovirus. Un essai de délivrance par voies nasale et trachéale a été réalisé avec succès d'une part avec les vecteurs dérivés du baculovirus et d'autre part avec l'ADNc complexé à des nanoparticules / Primary ciliary dyskinesia (PCD) is a rare autosomal recessive genetic disorder, caused by airway epithelial cilia dysfunction. Patients suffer from chronic respiratory infections along with various organ defects evolving toward respiratory insufficiency, in spite of antibiotic treatment and lifelong physiotherapy. They can also have heterotaxy syndrome. The first part of this work aimed to identify mutations in genes implicated in heterotaxy and PCD. Thanks to next-generation sequencing method, two new genes were identified MMP21 and RSPH1 causing heterotaxy and PCD respectively. The discovery of all causal genes is the base of the development of a PCD therapy system. The second part describes the development and the characterization of tools needed to establish an in vivo gene therapy. The purpose is to restore a normal cilia beating to limit or even stop the disease. First, our laboratory demonstrated the proof-of-concept in an in vitro gene therapy assay for DNAI1. To do so, Dnahc11 deficient mouse model with immotile cilia and PCD symptoms was chosen. Then, to achieve the project, DNAH11 cDNA (14 kb) has been cloned under control of a part of the sequence of the specific promoter (FOXJ1), previously demonstrated as sufficient to limit transgene expression to ciliated cells. Another construction was made to produce baculovirus derived vectors. A cDNA delivery attempt through nasal and tracheal way was done with baculovirus derived vector or DNAH11 cDNA complexed with nanoparticles

Le syndrome de Joubert est une maladie récessive caractérisée par une malformation congénitale distincte du tronc cérébral et du cervelet, associée à une anomalie des mouvements oculaires (apraxie oculomotrice), une respiration irrégulière, un retard de développement, et une ataxie à la démarche. Au cours de la dernière décennie, plus de 20 gènes responsables ont été identifiés, tous ayant un rôle important dans la structure et la fonction des cils primaires. Ainsi, le syndrome de Joubert est considéré une ciliopathie. Bien que le Syndrome de Joubert ait été décrit pour la première fois dans une famille canadienne-française en 1969, le(s) gène(s) causal demeurait inconnu dans presque tous les cas de syndrome de Joubert recensés en 2010 dans la population canadienne-française, soit début de mon projet doctoral. Nous avons identifié un total de 43 individus canadiens-français (35 familles) atteints du syndrome de Joubert. Il y avait un regroupement de familles dans la région du Bas-Saint-Laurent de la province de Québec, suggérant la présence d'un effet fondateur. L’objectif de ce projet était de caractériser la génétique du syndrome de Joubert dans la population canadienne-française. Notre hypothèse était qu’il existait un effet fondateur impliquant au moins un nouveau gène JBTS. Ainsi, dans un premier temps, nous avons utilisé une approche de cartographie par homozygotie. Cependant, nous n’avons pas identifié de région d’homozygotie partagée parmi les individus atteints, suggérant la présence d’une hétérogénéité génétique ou allélique. Nous avons donc utilisé le séquençage exomique chez nos patients, ce qui représente une approche plus puissante pour l’étude de conditions génétiquement hétérogènes. Nos travaux ont permis l’identification de deux nouveaux gènes responsables du syndrome de Joubert: C5orf42 et TMEM231. Bien que la localisation cellulaire et la fonction de C5orf42 soient inconnus au moment de cette découverte, nos résultats génétiques combinés avec des études ultérieures ont établi un rôle important de C5orf42 dans la structure et la fonction ciliaire, en particulier dans la zone de transition, qui est une zone de transition entre le cil et le reste de la cellule. TMEM231 avait déjà un rôle établi dans la zone de transition ciliaire et son interaction avec d’autres protéines impliquées dans le syndrome de Joubert était connu. Nos études ont également identifié des variants rares délétères chez un patient JBTS dans le gène ciliaire CEP104. Nous proposons donc CEP104 comme un gène candidat JBTS. Nous avons identifié des mutations causales dans 10 gènes, y compris des mutations dans CC2D2A dans 9 familles et NPHP1 dans 3 familles. Au total, nous avons identifié les mutations causales définitives chez 32 des 35 familles étudiées (91% des cas). Nous avons documenté un effet fondateur complexe dans la population canadienne-française avec de multiples mutations récurrentes dans quatre gènes différents (C5orf42, CC2D2A, TMEM231, NPHP1). Au début de ce projet de recherche, l’étiologie génétique était inconnue chez les 35 familles touchées du syndrome de Joubert. Maintenant, un diagnostique moléculaire définitif est identifié chez 32 familles, et probable chez les 3 autres. Nos travaux ont abouti à la caractérisation génétique du syndrome de Joubert dans la population canadienne-française grâce au séquençage exomique, et révèlent la présence d'un effet fondateur complexe avec une l'hétérogénéité allélique et intralocus importante. Ces découvertes ont éclairé la physiologie de cette maladie. Finalement, l’identification des gènes responsables ouvre de nouvelles perspectives diagnostiques ante-natales, et de conseils génétique, très précieuses pour les familles. / Joubert syndrome (JBTS) is a primarily autosomal recessive disorder characterized by a distinctive mid-hindbrain/cerebellum malformation, eye movement abnormalities (oculomotor apraxia), irregular breathing, developmental delay, and ataxia. Over the past decade, over 20 causal genes have been identified, all of which have an important role in the structure and function of the primary cilia. Thus, JBTS joins an expanding category of diseases termed “ciliopathies”. Though JBTS was first described in affected siblings of a French Canadian (FC) family in 1969, the underlying genesis basis of the disorder was unknown in the overwhelming majority of FC cases at the onset of this doctoral project in 2010. We identified a total of 43 FC individuals with JBTS from 35 families. We observed a clustering of the affected families in the Lower Saint-Lawrence region of the province of Quebec, suggesting the presence of a founder effect. The aim of this doctoral project was to characterize the genetic landscape of JBTS in the FC population, and we hypothesized the presence of a founder effect in novel JBTS gene(s). Therefore, we initially used a homozygosity mapping approach. However, we did not identify any shared regions of homozygosity amongst affected individuals, suggesting the presence of genetic and/or allelic heterogeneity. We therefore primarily used a whole exome sequencing approach in our JBTS patients, a strategy that is better suited for the study of genetically heterogeneous conditions. Our work has resulted in the identification of two novel JBTS genes: C5orf42 and TMEM231. In total, we have identified causal mutations in C5orf42 in 14 families (including the original JBTS family described in 1969), and TMEM231 in 2 families. Though the function and cellular localization of C5orf42 was not known at the time of the publication of our manuscript, our genetic findings combined with subsequent animal and cellular work establish the important role of C5orf42 in ciliary structure and function, particularly at the ciliary transition zone. TMEM231 had been previously shown to localize to the ciliary transition zone and interact with several JBTS gene products. We also identified deleterious rare variants in one JBTS patient in the ciliary gene CEP104, implicating CEP104 as a strong candidate JBTS gene. We identified causal mutations in 10 JBTS genes, including CC2D2A in 9 families and NPHP1 in 3 families. Definite causal mutations were identified in 32 of 35 families (91% of cases). We documented a complex founder effect in the FC population with multiple recurrent mutations in 4 different genes (C5orf42, CC2D2A, TMEM231, NPHP1). Prior to the start of this research endeavor, the underlying genetic etiology of Joubert syndrome was unknown in all 35 families. Now, a definite molecular diagnosis has been identified in 32 families, and a probable molecular diagnosis in the remaining 3. Therefore, our work has resulted in the unraveling of the genetic basis of JBTS in the French-Canadian population using WES, and reveals the presence of a complex founder effect with substantial locus and allelic heterogeneity.