Background: Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a late-onset progressive neurodegenerative disorder. ALS has been traditionally believed to be primarily a motor neuron disease. However, accumulating data indicate that loss of contact between the axons and the muscle fibres occurs early; long before the death of motor neurons and that muscle fibres may initiate motor neuron degeneration. Thus, the view of ALS is changing focus from motor neurons alone to also include the muscle fibres and the neuromuscular junctions (NMJs). While skeletal muscles are affected in ALS, oculomotor disturbances are not dominant features of this disease and extraocular muscles (EOMs) are far less affected than limb muscles. Why oculomotor neurons and EOMs are capable to be more resistant in the pathogenetic process of ALS is still unknown. The overall goal of this thesis is to explore the pathophysiology of ALS from a muscle perspective and in particular study the expression and distribution of key neurotrophic factors (NTFs) and Wnt proteins in EOMs and limb muscles from ALS donors and from SOD1G93A transgenic mice. Comparisons were made with age-matched controls to distinguish between changes related to ALS and to ageing. Results: Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF), neurotrophin-3 (NT-3) and neurotrophin-4/5 (NT-4) were present in EOMs and limb muscles at both mRNA and protein levels in control mice. The mRNA levels of BDNF, NT-3 and NT-4 were significantly lower in EOMs than in limb muscles of early and/or late control mice, indicating an intrinsic difference in NTFs expression between EOMs and limb muscles. qRT-PCR analysis showed significantly upregulated mRNA levels of NT-3 and GDNF in EOMs but significantly downregulated mRNA levels of NT-4 in limb muscles from SOD1G93A transgenic mice at early stage. The NTFs were detected immunohistochemically in NMJs, nerve axons and muscle fibres. The expression of BDNF, GDNF and NT-4 on NMJs of limb muscles, but not of EOMs, was significantly decreased in terminal stage ALS animals as compared to the limb muscles of the age-matched controls. In contrast, NTFs expression in intramuscular nerve axons did not present significant changes in either muscle group of early or late ALS mice. NTFs, especially BDNF and NT-4 were upregulated in some small-sized muscle fibres in limb muscles of late stage ALS mice. All the four Wnt isoforms, Wnt1, Wnt3a, Wnt5a and Wnt7a were detected in most axon profiles in all human EOMs with ALS, whereas significantly fewer axon profiles were positive in the human limb muscles except for Wnt5a. Similar differential patterns were found in myofibres, except for Wnt7a, where its expression was elevated within sarcolemma of limb muscle fibres. β-catenin, a marker of the canonical Wnt pathway was activated in a subset of myofibres in the EOMs and limb muscle in all ALS patients. In the SOD1G93A mouse, all four Wnt isoforms were significantly decreased in the NMJs at the terminal stage compared to age matched controls. Conclusions: There were clear differences in NTF and Wnt expression patterns between EOM and limb muscle, suggesting that they may play a role in the distinct susceptibility of these two muscle groups to ALS. In particular, the early upregulation of GDNF and NT-3 in the EOMs might play a role in the preservation of the EOMs in ALS. Further studies are needed to determine whether these proteins and the pathways they control may be have a future potential as protecting agents for other muscles.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est la maladie des neurones moteurs la plus fréquente, affectant 4-6 individus par 100,000 habitants à l’échelle mondiale. La maladie se caractérise par une faiblesse et une atrophie musculaire suite à la dégénérescence des neurones du cortex moteur, tronc cérébral et moelle épinière. Les personnes atteintes développent les premiers symptômes à l’âge adulte et la maladie progresse sur une période de trois à cinq ans. Il a été répertorié qu’environ 10% des patients ont une histoire familiale de SLA; 90% des gens affectés le sont donc de façon sporadique. La découverte il y a 19 ans de mutations dans le gène zinc/copper superoxide dismutase (SOD1), présentes dans 15-20% des cas familiaux de SLA et environ 2% du total des individus affectés, a été l’événement déclencheur pour la découverte de variations génétiques responsables de la maladie. La recherche sur la génétique de la SLA a connu une progression rapide ces quatre dernières années avec l’identification de mutations dans de nouveaux gènes. Toutefois, même si certains de ces gènes ont été démontrés comme réellement liés à la maladie, la contribution d’autres gènes demeure incertaine puisque les résultats publiés de ceux-ci n’ont pas, à ce jour, été répliqués. Une portion substantielle de cas reste cependant à être génétiquement expliquée, et aucun traitement à ce jour n’a été démontré comme étant efficace pour remédier, atténuer ou prévenir la maladie. Le but du projet de recherche de doctorat était d’identifier de nouveaux gènes mutés dans la SLA, tout en évaluant la contribution de gènes nouvellement identifiés chez une importante cohorte multiethnique de cas familiaux et sporadiques. Les résultats présentés sont organisés en trois sections différentes. Dans un premier temps, la contribution de mutations présentes dans le gène FUS est évaluée chez les patients familiaux, sporadiques et juvéniles de SLA. Précisément, de nouvelles mutations sont rapportées et la proportion de mutations retrouvées chez les cas familiaux et sporadiques de SLA est évaluée. De plus, une nouvelle mutation est rapportée dans un cas juvénile de SLA; cette étude de cas est discutée. Dans un deuxième temps, de nouvelles avenues génétiques sont explorées concernant le gène SOD1. En effet, une nouvelle mutation complexe est rapportée chez une famille française de SLA. De plus, la possibilité qu’une mutation présente dans un autre gène impliqué dans la SLA ait un impact sur l’épissage du gène SOD1 est évaluée. Finalement, la dernière section explique la contribution de nouveaux gènes candidats chez les patients atteints de SLA. Spécifiquement, le rôle des gènes OPTN, SIGMAR1 et SORT1 dans le phénotype de SLA est évalué. Il est souhaité que nos résultats combinés avec les récents développements en génétique et biologie moléculaire permettent une meilleure compréhension du mécanisme pathologique responsable de cette terrible maladie tout en guidant le déploiement de thérapies suite à l’identification des cibles appropriées. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is the most common of motor neuron diseases, affecting 4-6 individuals per 100,000 individuals worldwide. ALS is characterized by muscle weakness and atrophy caused by the degeneration of neurons located in the motor cortex, brain stem and spinal cord. This fatal disease generally has an adult onset and progresses over a three to five year period. While 10% of patients affected have a family history of the disease, 90% of cases do not and are considered sporadic. The finding of mutations in the zinc/copper superoxide dismutase gene (SOD1) gene 19 years ago in about 15-20% of familial ALS (FALS) patients and approximately 2% of overall cases developed the interest of identifying rare genetics variants causing the disease. The ALS research field experienced a rapid progression during the last four years as mutations in new genes have been identified. While mutations in some of those new genes have been clearly linked to ALS, the role of others is still questionable and so far has not been positively replicated in other populations. Importantly, a significant portion of cases still need to be genetically explained and, unfortunately, there is still no effective treatment to cure, attenuate or prevent the disease. The aim of this Ph.D research project was to identify new ALS mutated genes while analysing the causative role of other newly identified genes in a large familial and sporadic ALS cohort of different origins. The results presented here are categorized into three different sections. First, the contribution of FUS mutations to familial, sporadic and juvenile ALS is analysed. Specifically, new FUS mutations are reported in ALS cases and the proportions of variants present in the tested familial and sporadic ALS cohorts are assessed. In addition, a new mutation is reported in a juvenile ALS patient, and this interesting case is discussed. Second, new genetic avenues are explored for the SOD1 gene. Precisely, a new and complex SOD1 mutation is reported in a French ALS family. Moreover, the possibility that other ALS mutated genes influence SOD1 splicing events is evaluated. Third, the contribution of new candidate genes is evaluated. Precisely, the contribution of OPTN, SIGMAR1 and SORT1 genes to the ALS phenotype is assessed. Hopefully, our different findings combined with recent developments in genetics and molecular biology will permit a better understanding of the pathological mechanisms involved in the disease and will lead to the identification of the right targets in order to develop appropriate therapeutics for ALS patients.

Spinal neurons are important in several aspects motor control. For example, the neurons essential for locomotor movements reside in the ventral spinal cord. In this thesis, different motor control functions are being related to neuronal populations defined by their common expression of a gene. First, a targeted disruption of the gene for vesicular glutamate transporter 2 (Vglut2/ Slc17a6) is described. The mutant animals die at birth because of their inability to breathe. The neuronal network in the brainstem, responsible for inspiration, was shown to become non-functional by the targeted deletion of Vglut2. To our surprise, it was still possible to induce rhythmic activity with normal left/right alternation in spinal cords isolated from VGLUT2-null embryos. Inconsistent reports of Vglut1 expression in the spinal cord made us re-evaluate the Vglut1 and Vglut2 expressions. While Vglut2 expression was widespread in the spinal cord, Vglut1 expression was restricted to a few cells dorsal to the central canal.  Taken together, the data suggest that, glutamatergic signaling is mandatory to drive the bilateral breathing, but not needed for coordination of basal alternating spinal locomotor rhythm. Next, a screen for genes with restricted ventral expression was made. Some of the genes found could be connected to the characteristics of specific neuronal cell populations. For example, fast motor neurons were shown to express the genes Calca and Chodl. Further, we found the Chrna2 expression selectively in putative Renshaw cells. It seems likely that the gene product, the alpha2 subunit of the nicotinergic receptor, could be linked to the unique connection of motor neurons to Renshaw cells. We used the Chrna2 promoter to drive expression of Cre recombinase in a transgenic mouse. The Cre activity was present in most neurons labeled with Renshaw cell markers, which should make it a useful tool for functional studies of this population. The studies presented here show how the genes expressed in subsets of neurons can be used to target populations of neurons for functional studies of neuronal systems.

La sclérose latérale amyotrophique (SLA) est la maladie des neurones moteurs la plus fréquente, affectant 4-6 individus par 100,000 habitants à l’échelle mondiale. La maladie se caractérise par une faiblesse et une atrophie musculaire suite à la dégénérescence des neurones du cortex moteur, tronc cérébral et moelle épinière. Les personnes atteintes développent les premiers symptômes à l’âge adulte et la maladie progresse sur une période de trois à cinq ans. Il a été répertorié qu’environ 10% des patients ont une histoire familiale de SLA; 90% des gens affectés le sont donc de façon sporadique. La découverte il y a 19 ans de mutations dans le gène zinc/copper superoxide dismutase (SOD1), présentes dans 15-20% des cas familiaux de SLA et environ 2% du total des individus affectés, a été l’événement déclencheur pour la découverte de variations génétiques responsables de la maladie. La recherche sur la génétique de la SLA a connu une progression rapide ces quatre dernières années avec l’identification de mutations dans de nouveaux gènes. Toutefois, même si certains de ces gènes ont été démontrés comme réellement liés à la maladie, la contribution d’autres gènes demeure incertaine puisque les résultats publiés de ceux-ci n’ont pas, à ce jour, été répliqués. Une portion substantielle de cas reste cependant à être génétiquement expliquée, et aucun traitement à ce jour n’a été démontré comme étant efficace pour remédier, atténuer ou prévenir la maladie. Le but du projet de recherche de doctorat était d’identifier de nouveaux gènes mutés dans la SLA, tout en évaluant la contribution de gènes nouvellement identifiés chez une importante cohorte multiethnique de cas familiaux et sporadiques. Les résultats présentés sont organisés en trois sections différentes. Dans un premier temps, la contribution de mutations présentes dans le gène FUS est évaluée chez les patients familiaux, sporadiques et juvéniles de SLA. Précisément, de nouvelles mutations sont rapportées et la proportion de mutations retrouvées chez les cas familiaux et sporadiques de SLA est évaluée. De plus, une nouvelle mutation est rapportée dans un cas juvénile de SLA; cette étude de cas est discutée. Dans un deuxième temps, de nouvelles avenues génétiques sont explorées concernant le gène SOD1. En effet, une nouvelle mutation complexe est rapportée chez une famille française de SLA. De plus, la possibilité qu’une mutation présente dans un autre gène impliqué dans la SLA ait un impact sur l’épissage du gène SOD1 est évaluée. Finalement, la dernière section explique la contribution de nouveaux gènes candidats chez les patients atteints de SLA. Spécifiquement, le rôle des gènes OPTN, SIGMAR1 et SORT1 dans le phénotype de SLA est évalué. Il est souhaité que nos résultats combinés avec les récents développements en génétique et biologie moléculaire permettent une meilleure compréhension du mécanisme pathologique responsable de cette terrible maladie tout en guidant le déploiement de thérapies suite à l’identification des cibles appropriées. / Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is the most common of motor neuron diseases, affecting 4-6 individuals per 100,000 individuals worldwide. ALS is characterized by muscle weakness and atrophy caused by the degeneration of neurons located in the motor cortex, brain stem and spinal cord. This fatal disease generally has an adult onset and progresses over a three to five year period. While 10% of patients affected have a family history of the disease, 90% of cases do not and are considered sporadic. The finding of mutations in the zinc/copper superoxide dismutase gene (SOD1) gene 19 years ago in about 15-20% of familial ALS (FALS) patients and approximately 2% of overall cases developed the interest of identifying rare genetics variants causing the disease. The ALS research field experienced a rapid progression during the last four years as mutations in new genes have been identified. While mutations in some of those new genes have been clearly linked to ALS, the role of others is still questionable and so far has not been positively replicated in other populations. Importantly, a significant portion of cases still need to be genetically explained and, unfortunately, there is still no effective treatment to cure, attenuate or prevent the disease. The aim of this Ph.D research project was to identify new ALS mutated genes while analysing the causative role of other newly identified genes in a large familial and sporadic ALS cohort of different origins. The results presented here are categorized into three different sections. First, the contribution of FUS mutations to familial, sporadic and juvenile ALS is analysed. Specifically, new FUS mutations are reported in ALS cases and the proportions of variants present in the tested familial and sporadic ALS cohorts are assessed. In addition, a new mutation is reported in a juvenile ALS patient, and this interesting case is discussed. Second, new genetic avenues are explored for the SOD1 gene. Precisely, a new and complex SOD1 mutation is reported in a French ALS family. Moreover, the possibility that other ALS mutated genes influence SOD1 splicing events is evaluated. Third, the contribution of new candidate genes is evaluated. Precisely, the contribution of OPTN, SIGMAR1 and SORT1 genes to the ALS phenotype is assessed. Hopefully, our different findings combined with recent developments in genetics and molecular biology will permit a better understanding of the pathological mechanisms involved in the disease and will lead to the identification of the right targets in order to develop appropriate therapeutics for ALS patients.

No description available.

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Mutations in the SOD1 gene are the best characterized genetic cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and account for ~20% of inherited cases and 1-3% of sporadic cases. The gene-editing tool Cas9 can silence mutant genes that cause disease, but effective delivery of CRISPR-Cas9 to the central nervous system (CNS) remains challenging. Here, I developed strategies using canonical Streptococcus pyogenes Cas9 to silence SOD1. In the first strategy, I demonstrate effectiveness of systemic delivery of guide RNA targeting SOD1 to the CNS in a transgenic mouse model expressing human mutant SOD1 and Cas9. Silencing was observed in both the brain and the spinal cord. In the second strategy, I demonstrate the effectiveness of delivering both guide RNA and Cas9 via two AAVs into the ventricles of the brain of SOD1G93A mice. Silencing was observed in the brain and in motor neurons within the spinal cord. For both strategies, treated mice had prolonged survival when compared to controls. Treated mice also had improvements in grip strength and rotarod function. For ICV treated mice, we detected a benefit of SOD1 silencing using net axonal transport assays, a novel method to detect motor neuron function in mice before onset of motor symptoms. These studies demonstrate that Cas9-mediated genome editing can mediate disease gene silencing in motor neurons and warrants further development for use as a therapeutic intervention for SOD1-linked ALS patients.