Résumé confidentiel / Confidential abstract

Résumé confidentiel / Confidential abstract

Les cils et les flagelles sont des organites cellulaires très conservés qui assurent des fonctions essentielles. Chez l'Homme, les défauts d'assemblage des cils et des flagelles conduisent à de multiples pathologies, les ciliopathies. Afin de comprendre comment se forment et fonctionnent les cils, j'ai analysé la fonction de deux nouveaux gènes identifiés comme cible des facteurs de transcription de ciliogenèse RFX. Tout d'abord je me suis focalisée sur le gène CCDC151, évolutivement conservé dans les espèces possédant des cils motiles. J'ai pu montrer que CCDC151 est impliquée dans le transport dépendant de l'IFT des bras de dynéine chez les animaux et qu'elle est nécessaire à la perception sensorielle chez la drosophile. Par ailleurs, j'ai également montré que cette protéine possède des fonctions cellulaires additionnelles puisqu'elle est requise pour l'orientation correcte des plans de division cellulaire et qu'elle est impliquée dans la régulation de la taille du cil primaire chez les mammifères. Je me suis ensuite intéressée au gène LRRC48 également conservée dans les espèces possédant des cils motiles. Cette protéine est nécessaire à la motilité des flagelles de spermatozoïdes et des cils des neurones sensoriels en 9+0 et dans la réponse auditive chez la drosophile. De plus LRRC48 est indispensable au développement des vertébrés puisque son absence chez le poisson zèbre conduit à l'hydrocéphalie, des kystes rénaux et des défauts de motilité des cils. Elle est également essentielle à la biogenèse de l'oreille dans cet organisme.En conclusion, il s'agit de deux nouveaux acteurs de la ciliogenèse potentiellement impliqués dans les pathologies ciliaires chez l'Homme / Cilia are highly conserved structures found from protozoa to mammals where they play essential physiological and developmental functions and cilia dysfunction leads to various syndromes in humans known as ciliopathies. To understand cilia formation and function, I performed functional analysis of two new target genes of the RFX ciliogenic transcription factors. First, I focused on CCDC151 that is evolutionary conserved in motile ciliated species. I showed that CCDC151 is involved in the control of IFT-dependent dynein arm assembly in animals and required for geotaxis behavior of adult flies. In zebrafish, depletion of Ccdc151 leads to left-right asymmetry defects and kidney cysts, two phenotypes resulting from impaired ciliary beating. However, I also showed that CCDC151 is also implicated in other cellular functions in vertebrates as it is involved in proper orientation of cell divisions and implicated in the regulation of primary cilium length in mammalian cells. In a second part, I studied LRRC48 that is also conserved in species with motile cilia. I showed that this protein is essential for motility of flagellar spermatozoids and for motility of the 9+0 sensory cilia as well as in the auditory response in drosophila. In zebrafish, morpholinos induced depletion of this protein leads to hydrocephaly, kidney cysts, inner ear abnormalities and cilia motility defects. Moreover this protein is also required for inner ear biogenesis in the model. In conclusion, these two genes are essential for ciliogenesis and they are new candidate genes potentially implicated in human ciliary diseases

Le cil primaire est une antenne sensorielle présente à la surface de la plupart des cellules qui contrôle des voies de signalisation clés au cours du développement et de l’homéostasie tissulaire. Des défauts de formation ou de fonctionnement des cils sont responsables de maladies génétiques complexes appelées ciliopathies. La néphronophtise (NPH) est une ciliopathie caractérisée par une néphropathie tubulo-interstitielle chronique évoluant généralement vers l’insuffisance rénale terminale (IRT) avant l’âge adulte. La NPH peut être isolée ou associée à des signes extra-rénaux tels que la rétinite pigmentaire et des défauts du squelette permettant de définir des syndromes comme celui de Saldino-Mainzer (MZSDS). La NPH est une maladie à transmission autosomique récessive très hétérogène sur le plan génétique et les protéines codées par les gènes identifiés ont quasiment toutes été impliquées dans des fonctions ciliaires. Le séquençage d’exome de patients, ciblant plus de 1300 gènes ciliaires (ciliome), a permis de mettre en évidence des mutations dans deux nouveaux gènes candidats pour la NPH : CEP83 et TEKT1. Mon travail de thèse a consisté à caractériser l’effet des mutations et à valider leur implication dans les phénotypes des patients. CEP83 a été retrouvé muté chez plusieurs patients non-apparentés présentant une NPH avec IRT précoce (< 5 ans). CEP83 est un composant des appendices distaux du centriole père qui joue un rôle clé dans les étapes précoces de la formation du cil. J’ai montré que les mutations identifiées entraînaient une désorganisation des appendices distaux qui pourrait expliquer les défauts de ciliogénèse observés dans les fibroblastes et les biopsies rénales de patients. Ces résultats ont permis de démontrer l’implication d’une nouvelle protéine centriolaire dans la physiopathologie des formes sévères de NPH. TEKT1 présente des mutations hétérozygotes composites chez un patient ayant un tableau clinique complexe associant un MZSDS et une dyskinésie ciliaire primitive (PCD) due à des défauts de cils motiles. Une analyse génétique détaillée a mis en évidence des mutations sévères dans un second gène, WDR19, déjà caractérisé dans les formes de NPH associées à des défauts osseux. TEKT1 code la protéine Tektine-1, un membre encore non caractérisé de la famille des tektines impliquées dans les cils motiles. L’analyse de cellules nasales multiciliées a montré que Tektine-1 était localisée le long de l’axoneme des cils motiles contrôles et absent des cils des cellules du patient qui présentaient aussi des anomalies sévères de battement. En parallèle, des défauts de ciliogénèse, typiques de mutations de WDR19, ont été observés dans les fibroblastes du patient. Ces résultats suggèrent que ce phénotype complexe est dû aux effets complémentaires des mutations des deux gènes TEKT1 et WDR19, responsables des défauts dans les cils motiles et primaires, respectivement. / The primary cilium is a sensory antenna present on the surface of most of the cells. It controls key signaling pathways during development and tissue homeostasis. Defects in cilia growth or activity are responsible for complex genetic diseases called ciliopathies. Nephronophthisis (NPH) is a ciliopathy characterized by chronic tubulointerstitial nephritis which usually progresses to end-stage renal disease (ESRD) before adulthood. NPH may be isolated or associated with extra-renal defects such as retinitis pigmentosa and skeleton involvement. The combination of these symptoms defines syndromes such as Saldino-Mainzer (MZSDS). NPH is an autosomal recessive disorder highly genetically heterogeneous and almost all of proteins encoded by the identified genes have been involved in ciliary function. The exome sequencing in patients, targeting up to 1300 ciliary genes (ciliome), highlighted new mutations in 2 NPH candidate genes: CEP83 and TEKT1. My work was to characterize the effects of the mutations and validate their involvement in patient phenotypes. CEP83 was found mutated in several unrelated patients with early-onset of NPH (IRT<5 years). CEP83 is a component of distal appendages on the mother centriole which play a crucial role in the early steps of cilia formation. I have shown that the identified mutations perturbed the distal appendages formation which might explain the defects in ciliogenesis observed in fibroblasts and kidney biopsies from patients. These results have demonstrated the involvement of a new centriolar protein in the pathophysiology of NPH severe forms. TEKT1 presents compound heterozygous mutations in a patient with a complex phenotype combining a MZSDS and primary ciliary dyskinesia (PCD) due to defects in motile cilia. The genetic analysis showed mutations in a second gene, WDR19, already characterized in NPH associated with bone defects. TEKT1 encodes the Tektin-1 protein, an uncharacterized member of the tektin family involved in motile cilia. The nasal multiciliated cells analysis showed that Tektin-1 was localized along the axoneme of control motile cilia and absent from the cilia in patient cells, which also had severe beating impairment. In parallel, defects in ciliogenesis, typical of WDR19 mutations, were observed in the fibroblasts from the patient. These results suggest that this dual ciliary phenotype is rather due to the additional effect of mutations in both TEKT1 and WDR19, responsible for the defects in motile and primary cilia, respectively.

Les maladies rétiniennes héréditaires représentent un groupe de pathologie hétérogène sur le plan phénotypique et génétique. Elles sont dues à une dysfonction ou une dégénérescence de la neurorétine ou de l’épithélium pigmentaire rétinien. Elles peuvent être présente de manière isolée ou être associée à des atteintes extraoculaires dans les formes syndromiques. Le travail de thèse porte sur l’identification moléculaire de gènes responsables de formes rares de pathologie rétinienne syndromique incluant les ciliopathies dont le syndrome de Bardet-Biedl, caractérisé notamment par une dégénérescence rétinienne constante, et les microcéphalies associées à une choriorétinopathie. Par une approche de séquençage exomique, nous avons pu identifier trois nouveaux gènes impliqués dans ces pathologies rétiniennes syndromiques et confirmer l’implication d’un gène dans le syndrome de Bardet-Biedl. L’analyse des phénotypes rétiniens d’une cohorte de patients présentant un syndrome de Bardet-Biedl a permis la description d’un phénotype atypique avec atteinte prédominante des cônes. / Inherited retinal diseases (IRDs) represent a clinically and genetically heterogeneous group of rare pathologies. These disorders result of a dysfunction or a degeneration of the photoreceptors or the retinal pigment epithelium. IRDs can be subdivided in isolated forms, and syndromic forms that involve non–ocular features. This work deals with the molecular identification of genes implicated in rare forms of syndromic retinal diseases, including the ciliopathies with the Bardet-Biedl syndrome (BBS), characterized by a constant retinal degeneration, and the microcephaly associated with chorioretinopathy.Using an exomic sequencing approach, we have identified three new genes involved in these rare syndromic retinal diseases and confirmed the implication of a gene in Bardet-Biedl syndrome. The analysis of the retinal phenotypes of a BBS patients’ cohort allowed the description of an atypical retinal phenotype with predominantly cone dysfunction.

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Les ciliopathies sont un groupe de maladies génétiques multi-systémiques liées à un dysfonctionnement du cil primaire, une structure sensorielle présente à la surface des cellules qui régule des voies de signalisation clés au cours du développement et de l'homéostasie tissulaire. Afin d'identifier de nouveaux gènes responsables de ciliopathies développementales sévères, ~ 500 patients / fétus ont été analysés par une approche de séquençage à haut débit de l'exome ciblant > 1 200 gènes ciliaires ("ciliome"). Nous avons identifié huit nouvelles mutations dans le gène NEK8/NPHP9 chez cinq familles dont les syndromes se chevauchent. NEK8/NPHP9 code une protéine kinase de la famille des NIMA qui se localise au niveau du compartiment Inversine du cil primaire et agit comme un régulateur de la signalisation Hippo, une voie essentielle contrôlant la taille des organes. Nous montrons pour la première fois que les mutations du gène NEK8 sont associées à une agénésie rénale et une hypodysplasie. De plus, notre travail met en évidence une corrélation génotype/phénotype: les mutations "perte de fonction" de NEK8 conduisant à reins élargies et kystiques, des kystes pancréatiques et hépatique, alors que les mutations faux-sens de NEK8 causent une hypodysplasie/agénésie rénale associée à une cardiopathie et une paucité des canaux biliaires. La première partie de mon projet de thèse porte sur l'étude de l'impact des mutations faux-sens de NEK8 sur divers processus cellulaires et des voies de signalisation dépendantes de NEK8. Nous avons démontré un effet "gain de fonction" des mutations faux-sens de NEK8 puisqu'elles affectent la ciliogenèse et la composition du compartiment Inversine (localisation ciliaire de ANKS6). De plus, ces mutations altèrent la localisation nucléaire de YAP, le principal acteur de la voie Hippo, ainsi que l'expression des gènes cibles de YAP dans les fibroblastes de patients et dans la lignée cellulaire rénale (mIMCD3) invalidée pour NEK8. De même, nous avons montré une accumulation anormale de YAP nucléaire dans les reins polykystiques de la souris Jck, porteuse d'une mutation faux-sens de Nek8. Un déséquilibre de la voie Hippo serait donc à l'origine des défauts de morphogenèses épithéliales. En effet, les cellules mIMCD3 invalidées pour NEK8 forment en culture 3D des structures anormales et/ou des sphères élargies qui s'accompagnent d'une persistance du marquage nucléaire de YAP et Ki-67 et forment de grandes sphères par rapport aux cellules contrôles. Des défauts plus sévères ont été observés pour les cellules ré-exprimant les différents mutants de NEK8, confirmant la pathogénicité de ces mutations et leur effet "gain de fonction". Enfin, le traitement par la Vertéporfine, un inhibiteur spécifique de l'activité transcriptionnelle de YAP, améliore non seulement le phénotype des fibroblastes de patients et des cellules rénales invalidées pour NEK8 en culture 3D, mais également in vivo les anomalies observées chez les embryons de poisson zèbre dues à la surexpression de la forme NEK8 humaine, confirmant ainsi l'implication d'une dérégulation de YAP dans les mécanismes physiopathologiques. Par ailleurs, nous avons observé que les mutants de NEK8 s'accumulent de manière anormale au niveau de l'appareil de Golgi dans les fibroblastes de patients, et que cet appareil de Golgi apparait dispersé. Nos résultats montrent que le recrutement de NEK8 au Golgi est sensible à la Brefeldine A et dépendrait donc de ARF1, une petite GTPase impliquée dans le trafic de protéines entre les compartiments du Golgi et du réticulum endoplasmique. Nous avons démontré que NEK8 interagit et co-localise préférentiellement avec la forme d'ARF1 liée au GDP, suggérant pour NEK8 une possible fonction de facteur d'échange d'ARF1 à des sites spécifiques (appareil de Golgi, membranes, cil) afin de promouvoir le trafic vésiculaire de protéines telles que les protéine ciliaires. (...) / Ciliopathies are a group of genetic multi-systemic disorders related to dysfunction of the primary cilium, a sensory organelle present at the cell surface that regulates key signaling pathways during development and tissue homeostasis. In order to identify novel genes whose mutations would cause severe developmental ciliopathies, ~500 patients/fetuses were analyzed by a targeted high throughput sequencing approach allowing exome sequencing of > 1200 ciliary genes. We have identified eight novel mutations in NEK8/NPHP9 in five independent families with severe overlapping syndromic disorders. NEK8/NPHP9 encodes a NIMA-related kinase that localizes at the inversin compartment of the primary cilium and acts as a regulator of Hippo signaling, a pathway that is essential for control of organ size during development. We show for the first time that NEK8 mutations are associated with renal agenesis and hypodysplasia, and our work highlights a genotype/phenotype correlation with NEK8 loss-of-function mutations leading to enlarged cystic kidney, pancreas and liver, whereas NEK8 gain-of-function (missense) mutations cause renal hypodysplasia, cardiopathy and paucity of bile ducts. The first part of my thesis project focuses on the study of the impact of these NEK8 missense mutations on various cellular processes and NEK8-dependent signaling pathways. We demonstrate that NEK8 missense mutations impair the Inversin (INVS) compartment composition and ciliogenesis, and also alter the nuclear localization of the main Hippo signalling effector, YAP, as well as expression of its target genes in patient fibroblasts and renal cell lines. We also demonstrated that this Hippo pathway imbalance causes epithelial morphogenesis defects in 3D matrigel culture. Indeed, mIMCD3 cells depleted for NEK8 showed persistent YAP and Ki-67 staining and formed bigger spheres compared to control cells. Abnormal sphere volume was also observed in cells re-expressing NEK8-GFP mutations, suggesting their pathogenicity. We confirm these data in vivo in Jck mice, a model of polycystic kidney disease bearing a Nek8 missense mutation. Finally, treatment with Verteporfin, a specific inhibitor of YAP transcriptional activity, improves the mutant phenotype of both cellular models and zebrafish embryos overexpressing human NEK8, further supporting the involvement of YAP dysregulation in the pathogenic cellular mechanisms. Surprisingly, in patient fibroblasts, we showed that mutated NEK8 accumulates at the Golgi that appeared dispersed. NEK8 recruitment at the Golgi apparatus is dependent on ARF1 (Brefeldin A sensitive), a small GTPase involved in protein trafficking between Golgi compartments and ER. We notably demonstrated that NEK8 mostly interacts and localizes with the dominant negative form of ARF1 (T31N), suggesting that NEK8 could act as an activator (GEF) of ARF1 to promote vesicular trafficking of ciliary proteins. The second part of my project focuses on a new candidate gene for which a missense homozygous mutation has been identified in 3 individuals presenting a late onset NPH with hepatic fibrosis. This gene encodes ANKS3, an evolutionarily conserved protein whose function is still poorly characterized. Interestingly, ANKS3 has been reported to be a partner of NEK8, even though we showed it does not localize at the INVS compartment with NEK8 but is rather present at the base of cilia in fibroblasts. We showed that the missense mutation does not affect ANKS3 localization but leads to longer cilia and abnormal accumulation of NEK8 at the cilium base in patient fibroblasts and kidney tubules. Altogether, my work focused on NEK8 and its partners, ANKS6 and ANKS3, each of whose related gene is mutated in patients presenting a broad clinical spectrum of phenotypes. (...)

Les maladies à polyglutamines (polyQ) sont des maladies neurodégénératives héréditaires dominantes causées par une expansion de CAG traduite en longue expansion de polyglutamine dans la protéine correspondante. Ces maladies comprennent l’ataxie spinocérébélleuse 7 (SCA7) et la maladie de Huntington (MH) causées par une expansion de polyQ dans les protéines ataxine-7 (ATXN7) et huntingtine (htt), respectivement. Les souris SCA7 et MH développent des rétinopathies similaires suggérant des pathomécanismes communs toujours inexpliqués. Durant ma thèse, j’ai trouvé qu’en réponse à la toxicité des polyQ, les photorécépteurs (PR) perdent leur différenciation alors que d’autres migrent ou meurent. De plus, cette mortalité cellulaire active la prolifération des cellules gliales de Müller et leur différenciation en PR. Récemment, j’ai trouvé que l’ATXN7 et la htt se trouvent dans le cil primaire et leur mutation mène à une perte des protéines endogènes des cils associée à des défauts du cil. / Polyglutamine (polyQ) disorders are dominantly inherited neurodegenerative disorders caused by the expansion of CAG repeats translated into long polyQ tracts in the corresponding proteins. These diseases include Spinocerebellar ataxia 7(SCA7) and Huntington’s Disease (HD), caused by polyQ expansion ataxin-7 (ATXN7) and huntingtin (htt), respectively. SCA7 and HD mouse models develop similar retinopathies suggesting common pathomechanisms. In my thesis, I found that, in response to polyQ toxicity, SCA7 photoreceptors (PR) undergo several cell fates ranging from their deconstruction, to their migration and their death. Moreover, this cell death activates the proliferation of Müller glial cells and their differentiation into PR like cells. The pathomechanisms underlying HD and SCA7 are still unknown. Recently, I found that ATXN7 and htt are localized to the PR cilia and that the mutant proteins lead to a progressive loss of the wild-type proteins that correlates with defects in the PR cilia.

Au cours de la dernière décennie, la recherche biomédicale et la pratique médicale ont été révolutionné par l'ère post-génomique et l'émergence des « Big Data » en biologie. Il existe toutefois, le cas particulier des maladies rares caractérisées par la rareté, allant de l’effectif des patients jusqu'aux connaissances sur le domaine. Néanmoins, les maladies rares représentent un réel intérêt, car les connaissances fondamentales accumulées en temps que modèle d'études et les solutions thérapeutique qui en découlent peuvent également bénéficier à des maladies plus communes. Cette thèse porte sur le développement de nouvelles solutions bioinformatiques, intégrant des données Big Data et des approches guidées par la connaissance pour améliorer l'étude des maladies rares. En particulier, mon travail a permis (i) la création de PubAthena, un outil de criblage de la littérature pour la recommandation de nouvelles publications pertinentes, (ii) le développement d'un outil pour l'analyse de données exomique, VarScrut, qui combine des connaissance multiniveaux pour améliorer le taux de résolution. / Over the last decade, biomedical research and medical practice have been revolutionized by the post-genomic era and the emergence of Big Data in biology. The field of rare diseases, are characterized by scarcity from the patient to the domain knowledge. Nevertheless, rare diseases represent a real interest as the fundamental knowledge accumulated as well as the developed therapeutic solutions can also benefit to common underlying disorders. This thesis focuses on the development of new bioinformatics solutions, integrating Big Data and Big Data associated approaches to improve the study of rare diseases. In particular, my work resulted in (i) the creation of PubAthena, a tool for the recommendation of relevant literature updates, (ii) the development of a tool for the analysis of exome datasets, VarScrut, which combines multi-level knowledge to improve the resolution rate.

A l’ère des omiques, l’étude des relations génotype-phénotype repose sur l’intégration de données diverses décrivant des aspects complémentaires des systèmes biologiques. La génomique comparative offre un angle d’approche original, celui de l’évolution, qui permet d’exploiter la grande diversité phénotypique du Vivant. Dans ce contexte, mes travaux de thèse ont porté sur la conception de marqueurs évolutifs décrivant les gènes selon leur histoire évolutive. Dans un premier temps, j’ai construit une ressource d’orthologie complète, OrthoInspector 3.0 pour extraire une information évolutive synthétique des données génomiques. J’ai ensuite développé des outils d’exploration de ces marqueurs en relation avec les données fonctionnelles et/ou phénotypiques. Ces méthodes ont été intégrées à la ressource OrthoInspector ainsi qu’au réseau social MyGeneFriends et appliquées à l’étude des ciliopathies, conduisant à l’identification de 87 nouveaux gènes ciliaires. / In the omics era, the study of genotype-phenotype relations requires the integration of a wide variety of data to describe diverse aspects of biological systems. Comparative genomics provides an original perspective, that of evolution, allowing the exploitation of the wide phenotypic diversity of living species. My thesis focused on the design of evolutionary markers to describe genes according to their evolutionary history. First, I built an exhaustive orthology resource, called OrthoInspector 3.0, to extract synthetic evolutionary information from genomic data. I then developed methods to explore the markers in relation to functional or phenotypic data. These methods have been incorporated in the OrthoInspector resource, as well as in the MyGeneFriends social network and applied to the study of ciliopathies, leading to the identification of 87 new ciliary genes.