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.

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.

Un des aspects les plus marquants de l'évolution des grands singes est l'augmentation relative du volume du cerveau, et en particulier du néocortex, qui culmine chez Homo sapiens. La microcéphalie primaire est une anomalie congénitale du développement cérébral humain caractérisée par un cerveau normalement formé mais de petit volume. Il en existe une forme isolée, non syndromique, dont la majorité des cas sont d'origine génétique et transmis sur le mode autosomique récessif (MCPH), qui constituent donc un modèle génétiquement simple qui résulte de l'altération d'un seul gène, essentiel dans le développement volumique du cerveau. Une consanguinité parentale est présente dans la majorité des cas, ce qui permet une approche puissante de localisation génomique de la mutation responsable, nommée cartographie d'homozygotie. A ce jour, huit gènes causant cette anomalie ont déjà été identifiés :BRIT1 (MCPH1), ASPM (MCPH5), CDK5RAP2 (MCPH3) et CENPJ (MCPH6), et plus récemment, STIL (MCPH7), CEP152 (MCPH9), WDR62 (MCPH2) et CEP135 (MCPH8). Tous ces gènes jouent un rôle au niveau du cycle cellulaire. Nous avons tenté, au cours de ce doctorat, d’identifier et de caractériser un nouveau gène du locus MCPH4 cartographié au laboratoire et situé sur le bras long du chromosome 15. <p>Dans trois familles MCPH4 originaires de villages voisins du Maroc rural, nous avons affiné la zone de liaison à un segment de 3,7cM, contenant un haplotype commun sur une longueur de 2,7cM suggérant un déséquilibre de liaison autour d’une mutation ancestrale. Le LOD score combiné dans les trois familles était supérieur à 6. Parmi les gènes contenus dans cette région, nous avons sélectionné des candidats que nous avons ensuite analysés par séquençage direct de l’ADN de nos patients. Parmi ces gènes, CASC5 présentait un variant, homozygote chez nos patients, hétérozygote chez leurs parents sains et absent chez 150 contrôles non apparentés. Nous avons utilisé la technologie 454 de séquençage à haut débit de Roche pour séquencer les gènes de l’intervalle de 2.7Mb en une fois. Parmi les mutations identifiées, nous n’avons trouvé qu’une seule variation exonique inconnue qui correspondait à la variation faux-sens déjà identifiée dans le gène CASC5. CASC5 est une protéine centromérique requise pour l’alignement des chromosomes à la métaphase et pour le point de contrôle métaphasique de la progression mitotique. Il était donc potentiellement un très bon candidat causal de la microcéphalie primaire. CASC5 lie directement MIS12, BUB1, BUBR1 et Zwint-1, et fait partie du réseau KMN du kinétochore. Il est nécessaire à l’ancrage des centromères chromosomiques au fuseau mitotique, et est requis pour le contrôle du cycle cellulaire au niveau du Spindle-Assembly Checkpoint.<p>Nous avons ensuite confirmé que la mutation génère un défaut d’épissage chez nos patients consistant en la perte partielle de l’exon 18 dans l’ARNm. La perte de cet exon conduit à un déphasage du cadre de lecture provoquant l’apparition d’un codon STOP prématuré dans l’exon 19. Ceci prédit donc la formation d’une protéine tronquée, ou absente après dégradation par le mécanisme cellulaire de dégradation des ARNm non-sens. Par Western-Blotting nous avons pu révéler, en lignée lymphoblastoïdes, la protéine CASC5 endogène chez tous nos patients, y compris, à notre surprise, chez les sujets atteints. <p>Il est décrit dans la littérature qu’un knockdown de CASC5 provoque un mauvais alignement des chromosomes, une entrée prématurée en mitose et la formation de micronoyaux, conséquence d’un mauvais alignement des chromosomes pendant la métaphase. Les différentes études menées sur le phénotype cellulaire de nos patients en lignées lymphoblastoïdes n’ont pu révéler ces défauts. Notre hypothèse est que l’allèle muté est hypomorphe et que le phénotype cellulaire décrit en boites de culture ne s’observerait in vivo que dans certaines cellules du cerveau en cours de développement.<p>En parallèle de ces travaux, nous avons également contribué à l’identification de la cause d’une microcéphalie primaire syndromique, associée à un diabète insulino-requérant précoce, tansmis sur le mode récessif autosomique et identifié dans une famille d’origine marocaine. Notre laboratoire avait localisé la mutation dans une région de 3 cM du chromosome 4. Parmi les 39 gènes compris dans cette région, nous en avons sélectionné et séquencé plusieurs. Aucun n’a cependant montré de mutation. Un séquençage de l'exome complet de l’un de nos patients, a permis de mettre en évidence une mutation non-sens homozygote dans un gène de l’intervalle critique de liaison. La mutation ségrège avec le phénotype autosomique récessif chez les malades, leurs parents et leurs germains asymptomatiques. L’abondance du transcrit de ce gène a été mesurée en lignées lymphoblastoïdes de patients :il est présent en quantité similaire chez les patients et chez un contrôle non apparenté. <p>En conclusion, notre travail a permis l’identification d’un nouveau gène muté chez des patients atteints de microcéphalie primaire, CASC5, avec un haut degré de preuve de causalité de cette mutation, impliquant ainsi une protéine du réseau KMN du kinétochore dans le développement volumique du cerveau humain. Nous avons par ailleurs contribué à l’identification d’un nouveau gène causant microcéphalie primaire et diabète juvénile, dont le mécanisme biologique est en cours d’investigation.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Mes études doctorales ont permis de démontrer que les souris déficientes en VIP présentent une microcéphalie ayant principalement une origine maternelle qui affecte secondairement le développement de la substance blanche. Cette production placentaire par les lymphocytes T pourrait être affectée dans des pathologies du système immunitaire. De plus, nos données indiquent qu’une déficience en VIP prédispose à l'apparition de troubles sensoriels, en particulier de la nociception. Il est donc possible que les déficits précoces de développement du cerveau murin et l'apparition de l'hypersensibilité cutanée mécanique et thermique froide soient deux facettes d'une même pathologie. Des mesures d'activité de décharge spontanée des neurones dans le thalamus sensoriel chez des mâles adultes anesthésiés ont montré que les neurones des animaux KO sont hyper-excités, ce qui suggère un traitement aberrant des informations, notamment nociceptives, ou que l'activité inhibitrice des interneurones des réseaux locaux est réduite. / The studies carried out during my PhD demonstrate that VIP-deficient mice suffer from microcephaly and as well as white matter deficits mainly due to the absence of maternal VIP during embryogenesis, Placental secretion of VIP is dependent on T lymphocytes and could be altered in pathologies of the immune system. Moreover, our data links VIP deficiency to sensory alterations, specifically, the nociceptive system. Thus, it is possible that early developmental defects and hypersensitivity to mechanical and cold stimuli are two manifestations of the same pathology. This hypothesis was reinforced following analysis of spontaneous firing patterns of neurons in the sensory thalamus of anesthetized adult males. Neurons from VIP-KO mice are hyperactive, which suggests aberrant local processing of nociceptive input or that the inhibitory inputs from local interneuron networks is reduced.