La microcéphalie est une maladie neurologique du nouveau-né qui se traduit par une circonférence réduite de la tête, une déficience intellectuelle et des défauts anatomiques du cerveau. La microcéphalie peut être la conséquence d’une infection, de stress environnementaux ou de mutations génétiques.Le cerveau commence à se former dès la cinquième semaine de grossesse et est majoritairement constitué de cellules souches neuronales, cellules qui conservent une capacité a se reproduire a l’identique sans se spécialiser. Cette première phase de prolifération est importante pour générer suffisamment de cellules. Suit une phase de différenciation, durant laquelle les cellules préalablement formées se différencient en deux groupes : les neurones, qui permettent de partager l’information grâce à des influx électriques, et les cellules gliales, qui soutiennent activement les fonctions des cellules neuronales.Je m’intéresse à un gène en particulier, KNL1, muté chez certains patients microcéphales. Grace aux nouvelles techniques d’édition du génome, j’ai reproduit la mutation retrouvée chez les patients dans des cellules souches pluripotentes humaines. En utilisant un modèle tridimensionnel (mini-cerveaux en culture), à partir de cellules souches neuronales, j’ai analysé de manière quantitative les étapes-clés de développement: les phases de prolifération et de différenciation.Mes travaux de recherche ont montré que les cellules souches neuronales portant la même mutation que les patients prolifèrent moins, réduisant le nombre de cellules initiales nécessaires au développement cérébral normal. Par ailleurs, les cellules souches neuronales se différencient prématurément en neurones et cellules gliales, ce qui réduit davantage le nombre le nombre final de cellules. Cette hypothèse a été confirmée par l’utilisation du modèle tridimensionnel, ou les mini-cerveaux sont plus petits que la normale.Cette étude est essentielle non seulement pour comprendre le développement de la maladie, mais également pour comprendre les étapes clés du développement du cerveau humain, et ne pourrait pas être mener à bien sur des modèles animaux. En outre, l’utilisation de cellules souches induites nous permet de ne pas utiliser de cellules embryonnaires, si nécessaire pour raisons d’éthique. / Microcephaly is a neurological condition, resulting in patients having a small head circumference, intellectual impairment and brain anatomical defects. A pre-requisite for achieving a better understanding of the cellular events that contribute to the striking expansion of the human cerebral cortex is to elucidate cell-division mechanisms, which likely go awry in microcephaly. Most of the mutated genes identified in microcephaly patient encode centrosomal protein, KNL1 is the only gene that encodes a kinetochore protein, it plays a central role in kinetochore assembly and function during mitosis. While the involvement of centrosome functions is well established in the etiology of microcephaly, little is known about the contribution of KNL1.In an attempt to assess the role of KNL1 in brain development and its involvement in microcephaly, we generated isogenic human embryonic stem cell (hESC) lines bearing KNL1 patient mutations using CRISPR/Cas9-mediated gene targeting. We demonstrated that the point mutation leads to KNL1 reduction in neural progenitors. Moreover, mutant neural progenitors present aneuploidy, an increase in cell death and an abrogated spindle assembly checkpoint. Mutant fibroblasts, derived from hESC, do not have a reduced expression of KNL1 and do not present any defect in cell growth or karyotype, which highlight a brain-specific phenotype.The subsequent differentiation of mutant neural progenitors into two-dimensional neural culture leads to the depletion of neural progenitors in the favor of premature differentiation. We developed a three-dimensional neural spheroids model from neural progenitors and reported a reduced size of mutant neural spheroids, compare to control. Lastly, using knockdown and rescue assays, we proved that protein level of KNL1 is responsible of the premature differentiation and the reduced size.These data suggest that KNL1 has a brain-specific function during the development. Changes in its expression might contribute to the brain phenotypic divergence that appeared during human evolution.

PART I: CRYSTAL STRUCTURE OF A DIMERIZATIO DOMAIN OF DROSOPHILA CAPRIN Drosophila Melanogaster Caprin (dCaprin) shares conversed HR1 domain with Caprin protein family members, which are RNA binding proteins that play critical roles in many important biological processes, such as synaptic plasticity, stress response, innate immune response and cellular proliferation. One of the Caprin protein family members, Caprin-1, is involved in the pathway of several human diseases, including breast cancer, neurodegenerative disorders, osteosarcoma, hearing loss, and viral infection. The functions of Caprin protein relies on their molecular interactions. Several direct interactions have been established between Caprin-1 and the Fragile X mental retardation protein (FMRP), Ras-GAP SH3 domain-binding protein 1 (G3BP1), and the Japanese encephalitis virus (JEV) core protein. We have determined the crystal structures of a fragment (residues 187-309) of Drosophila Melanogaster Caprin (dCaprin), which mediates homodimerization through a substantial interface created by a mainly alpha-helical fold. A larger hollow surface is created by homodimerization suggesting a protein binding groove. The FMRP binding should not affect dCaprin homodimerization for an integral alpha-helix in the dimeric dCaprein which formed by the FMRP interacting sequence motif. PART II: CHARACTERIZATION OF TWO TYPE VI-B CRESPR SYSTEMS: PGI5CAS1B AND PGI8CAS13B WHICH EFFECTOR PROTEINS ARE CAPABLE OF PROCESSING PRE-CRRNA INTO MATURE CRRNA CRISPR-Cas adaptive immune system protects microorganism from foreign nucleic acids invasion through endonucleases activity guided by RNA, which system has turned to a powerful genome editing tool applied to a multifold species, ranging from bacteria to human. Pgi5Cas13b and Pgi8Cas13b are identified by a computational sequence database mining approach, the CRISPR arrays lack of Cas1 and Cas2 encoding genes but contain a large candidate effector protein around 1,200 amino acids. They can be potentially classified as subtype VI-B CRISPR-Cas systems. We characterized the mature crRNA for Pgi5Cas13b and Pgi8Cas13b via Northern blot and small RNA sequencing. By EMSA (Electrophoretic mobility shift assay) experiments, we identified the binding constant between Pgi5Cas1b/Pgi8Cas13b and their corresponding crRNAs. The CRISPR loci of two of the Cas13b systems were cloned in pACYC vector and expressed in E. coli cells. Small RNAs were extracted and characterized by Northern Blotting and NGS (small RNA-seq) methods. The NGS results revealed the exact sequences of the crRNAs, which show a few new features not previously observed in other systems, including the longest spacer-derived sequences (32 and 31 nt), spacer-derived sequences flanking both ends of the full DR-derived sequence. The results also indicate different rules of pre-crRNA processing by the Pgi5Cas13b and Pgi8Cas13b systems. The characterization of these CRISPR systems extends the application of CRISPR based genome editing tools and promotes the development of single transcript manipulation tools.

La dystrophie musculaire de Duchenne est une maladie génétique qui résulte de diverses mutations dans le gène DMD, codant pour la protéine dystrophine. 70% des patients ont une délétion d'exons ou de parties d'exons provoquant un changement dans le cadre de lecture, résultant en l'apparition d'un codon stop et en l'absence de la protéine dystrophine. Plusieurs traitements potentiels ont été explorés dans les dernières années pour cette maladie, dont le système CRISPR-Cas9, un outil génétique permettant d'éliminer un segment d'ADN à l'aide de la protéine nucléase Cas9 et de deux guides d'ARN ciblant des séquences précises d'ADN. Le plus grand défi avec l'utilisation de cette technologie est sa livraison in vivo. Les vésicules extracellulaires sont des particules membranaires lipidiques qui jouent un rôle dans la communication intercellulaire et sont retrouvées dans tous les biofluides chez les mammifères. Elles pourraient donc être une alternative intéressante pour la livraison du système CRISPR-Cas9. J'ai participé à des travaux de purification de vésicules extracellulaires de sérum par chromatographie par exclusion de taille. Ces vésicules extracellulaires ont été chargées avec la protéine Cas9 et des guides ARN, puis, des injections intramusculaires ont été effectuées dans le Tibialis anterior de trois lignées de souris (Ai9, RAG-mdx et mdx/hDMD) pour établir l'efficacité du traitement. Les résultats ont montré que les vésicules extracellulaires chargées avec la Cas9 et des guides d'ARN provoquent une édition de l'ADN efficace dans le Tibialis anterior des trois lignées de souris utilisées et la restauration de l'expression de la protéine dystrophine dans les fibres musculaires du Tibialis anterior des souris RAG-mdx, modèle pour la dystrophie musculaire de Duchenne. Le traitement a ensuite été modifié pour permettre le ciblage des vésicules extracellulaires aux organes affectés par la dystrophie musculaire de Duchenne, soit le cœur et les muscles squelettiques. Des peptides de ciblage ont été sélectionnés dans la littérature et insérés dans la membrane des vésicules extracellulaires marquées de façon fluorescente à l'aide d'un segment lipidique stéaryl. Les résultats de l'expérience effectuée avec les vésicules extracellulaires ciblées n'ont pas été concluants en raison d'un marquage mal adapté des vésicules injectées, mais de futures expériences permettront d'élucider leur efficacité. L'ajustement du traitement pour permettre une injection systémique rejoignant le cœur et les muscles squelettiques est indispensable à l'application de celui-ci à la clinique. / Duchenne muscular dystrophy is a genetic disease that affects one in 3500 boys and results from mutations in the DMD gene, which codes for dystrophin protein. 70% of patients have an exon deletion, which results in a shift in the reading frame, the apparition of a stop codon, and the absence of the dystrophin protein. Many different potential treatments have been explored for Duchenne muscular dystrophy, including the CRISPRCas9 system. This technology allows for the modification of genomic DNA through a Cas9 nuclease and two guide RNAs designed to target a specific DNA sequence. The biggest challenge with using the CRISPR system is delivery. The classic vectors for CRISPR, such as AAV, can cause many adverse effects like immunological responses. Extracellular vesicles are membranous particles that play a role in intercellular communication and are found in all mammalian biofluids. They are thus an interesting alternative for the delivery of the Cas9 protein and its guide RNAs. I have participated in a research project aiming to purify serum extracellular vesicles by size-exclusion chromatography and to load them with Cas9 and two guide RNAs. These extracellular vesicles were then injected intramuscularly into the Tibialis anterior muscles of three mouse strains (Ai9, RAG-mdx and mdx/hDMD) to assess treatment efficiency. The injection of Cas9 and guide RNA-loaded extracellular vesicles produced efficient gene editing as well as dystrophin expression restauration. To modify the treatment for systemic injection, targeting peptides were added to EV membrane through a lipid stearyl segment. This was done to target the extracellular vesicles to Duchenne muscular dystrophy-affected organs: heart and skeletal muscles. Results of the targeted-extracellular vesicle experiment were inconclusive, however, with more experiments, the efficacy of the targeting peptides should be determinable. It is essential to adjust this treatment to allow for targeted systemic delivery for it to be applicable to the clinic.

CRISPR-Cas is the state-of-the-art biological tool that allows precise and fast manipulation of the genetic information of cellular genomes. The translation of the CRISPR-Cas technology from in vitro studies into clinical applications highlighted a variety of limitations: the currently available systems are limited by their off-target activity, the availability of a Cas-specific PAM sequence next to the target and the size of the Cas protein. In particular, despite high levels of activity, the size of the CRISPR-SpCas9 editing machinery is not compatible with an all-in-one AAV delivery system and the genomic sequences that can be targeted are limited by the 3-NGG PAM-dependency of the SpCas9 protein. To further expand the CRISPR tools repertoire we turned to metagenomic data of the human microbiome to search for uncharacterized CRISPR-Cas9 systems and we identified a set of novel small Cas9 orthologs derived from the analysis of reconstructed bacterial metagenomes. In this thesis study, ten candidates were chosen according to their size (less than 1100aa). The PAM preference of all the ten orthologs was established exploiting a bacterial-based and an in vitro platform. We demonstrated that three of them are active nucleases in human cells and two out of the three showed robust editing levels at endogenous loci, outperforming SpCas9 at particular targets. We expect these new variants to be very useful in expanding the available genome editing tools both in vitro and in vivo. Knock-out-based Cas9 applications are very efficient but many times a precise control of the repair outcome through HDR-mediated gene targeting is required. To address this issue, we also developed an MS2-based reporter platform to measure the frequency of HDR events and evaluate novel HDR-modulating factors. The platform was validated and could allow the screening of libraries of proteins to assess their influence on the HDR pathway.

付記する学位プログラム名: 京都大学卓越大学院プログラム「メディカルイノベーション大学院プログラム」 / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第25007号 / 医科博第154号 / 新制||医科||10(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 遊佐 宏介, 教授 萩原 正敏, 教授 齋藤 潤 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第23246号 / 農博第2453号 / 新制||農||1084(附属図書館) / 学位論文||R3||N5336(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 植田 充美, 教授 白井 理, 教授 栗原 達夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

La dystrophie musculaire de Duchenne est une maladie génétique qui résulte de diverses mutations dans le gène DMD, codant pour la protéine dystrophine. 70% des patients ont une délétion d'exons ou de parties d'exons provoquant un changement dans le cadre de lecture, résultant en l'apparition d'un codon stop et en l'absence de la protéine dystrophine. Plusieurs traitements potentiels ont été explorés dans les dernières années pour cette maladie, dont le système CRISPR-Cas9, un outil génétique permettant d'éliminer un segment d'ADN à l'aide de la protéine nucléase Cas9 et de deux guides d'ARN ciblant des séquences précises d'ADN. Le plus grand défi avec l'utilisation de cette technologie est sa livraison in vivo. Les vésicules extracellulaires sont des particules membranaires lipidiques qui jouent un rôle dans la communication intercellulaire et sont retrouvées dans tous les biofluides chez les mammifères. Elles pourraient donc être une alternative intéressante pour la livraison du système CRISPR-Cas9. J'ai participé à des travaux de purification de vésicules extracellulaires de sérum par chromatographie par exclusion de taille. Ces vésicules extracellulaires ont été chargées avec la protéine Cas9 et des guides ARN, puis, des injections intramusculaires ont été effectuées dans le Tibialis anterior de trois lignées de souris (Ai9, RAG-mdx et mdx/hDMD) pour établir l'efficacité du traitement. Les résultats ont montré que les vésicules extracellulaires chargées avec la Cas9 et des guides d'ARN provoquent une édition de l'ADN efficace dans le Tibialis anterior des trois lignées de souris utilisées et la restauration de l'expression de la protéine dystrophine dans les fibres musculaires du Tibialis anterior des souris RAG-mdx, modèle pour la dystrophie musculaire de Duchenne. Le traitement a ensuite été modifié pour permettre le ciblage des vésicules extracellulaires aux organes affectés par la dystrophie musculaire de Duchenne, soit le cœur et les muscles squelettiques. Des peptides de ciblage ont été sélectionnés dans la littérature et insérés dans la membrane des vésicules extracellulaires marquées de façon fluorescente à l'aide d'un segment lipidique stéaryl. Les résultats de l'expérience effectuée avec les vésicules extracellulaires ciblées n'ont pas été concluants en raison d'un marquage mal adapté des vésicules injectées, mais de futures expériences permettront d'élucider leur efficacité. L'ajustement du traitement pour permettre une injection systémique rejoignant le cœur et les muscles squelettiques est indispensable à l'application de celui-ci à la clinique. / Duchenne muscular dystrophy is a genetic disease that affects one in 3500 boys and results from mutations in the DMD gene, which codes for dystrophin protein. 70% of patients have an exon deletion, which results in a shift in the reading frame, the apparition of a stop codon, and the absence of the dystrophin protein. Many different potential treatments have been explored for Duchenne muscular dystrophy, including the CRISPRCas9 system. This technology allows for the modification of genomic DNA through a Cas9 nuclease and two guide RNAs designed to target a specific DNA sequence. The biggest challenge with using the CRISPR system is delivery. The classic vectors for CRISPR, such as AAV, can cause many adverse effects like immunological responses. Extracellular vesicles are membranous particles that play a role in intercellular communication and are found in all mammalian biofluids. They are thus an interesting alternative for the delivery of the Cas9 protein and its guide RNAs. I have participated in a research project aiming to purify serum extracellular vesicles by size-exclusion chromatography and to load them with Cas9 and two guide RNAs. These extracellular vesicles were then injected intramuscularly into the Tibialis anterior muscles of three mouse strains (Ai9, RAG-mdx and mdx/hDMD) to assess treatment efficiency. The injection of Cas9 and guide RNA-loaded extracellular vesicles produced efficient gene editing as well as dystrophin expression restauration. To modify the treatment for systemic injection, targeting peptides were added to EV membrane through a lipid stearyl segment. This was done to target the extracellular vesicles to Duchenne muscular dystrophy-affected organs: heart and skeletal muscles. Results of the targeted-extracellular vesicle experiment were inconclusive, however, with more experiments, the efficacy of the targeting peptides should be determinable. It is essential to adjust this treatment to allow for targeted systemic delivery for it to be applicable to the clinic.

Las CRISPR son unas repeticiones agrupadas regularmente espaciadas presentes en numerosos y diversos grupos de procariotas. Junto con unos genes asociados a las repeticiones (genes cas) forman los sistemas CRISPR-Cas. En trabajos incluidos en esta tesis se predijo que los sistemas CRISPR-Cas podrían proporcionar inmunidad adaptativa específica guiada por las secuencias espaciadoras, lo que tras comprobarse ha conllevado una revolución en aplicaciones biotecnológicas y en el modo de entender la microbiología. Se analizan en mayor detalle la funcionalidad del sistema CRISPR-Cas I-E de Escherichia coli, su diversidad, evolución y posible uso para el tipado de cepas. En relación con la adquisición de espaciadores se incluye un método patentado para detectarlas y la propuesta de un mecanismo de acción. Dado que el sistema CRISPR-Cas I-E se encuentra presente pero reprimido en la mayoría de cepas silvestres de E. coli, se discute qué papel ha podido desarrollar en la especie.

In many organisms, the most fundamental event during embryogenesis is differentiating between germline cells and specialized somatic cells. In C. elegans, PIE-1 functions to protect the germline from somatic differentiation and appears to do so by blocking transcription and by preventing chromatin remodeling in the germline during early embryogenesis. Yet the molecular mechanisms by which PIE-1 specifies germline remain poorly understood. Our work shows that SUMOylation facilitates PIE-1-dependent germline maintenance and specification. In vivo SUMO purification in various CRISPR strains revealed that PIE-1 is SUMOylated at lysine 68 in the germline and that this SUMOylation is essential for forming NuRD complex and preserving HDA-1 activity. Moreover, HDA-1 SUMOylation is dependent on PIE-1 and enhanced by PIE-1 SUMOylation, which is required for protecting germline integrity. Our results suggest the importance of SUMOylation in the germline maintenance and exemplify simultaneous SUMOylation of proteins in the same functional pathway.

With the discovery and development of CRISPR, the technology that might allow us to modify the human germline is at our fingertips, and, consequently, serious practical and ethical consideration is warranted. In the following paper, I examine the ethics of using CRISPR in this way and argue that modifying the human germline for the purpose of preventing serious genetic disease is, in principle, ethically acceptable and ought to be allowed. I present several arguments to this effect including arguments that rely on the principles of beneficence and autonomy. I also examine the larger societal implications of human germline modification. I then respond to six of the most prominent objections that have been raised against CRISPR and germline gene modification before concluding with a brief discussion of the biggest challenge that we face as we move forward with CRISPR, that of limiting the use of this promising and incredibly versatile technology.