Characterization of IKAP/hELP1-dependent pathways. Abstract An extensive characterization of the signal transduction pathways is required to better understand how cells respond to various stimuli. While the human genome is completely sequenced, it is still necessary to combine those informations with a full knowledge of the biological roles played by the proteins. Importantly, a deregulation of the signal transduction pathways underlie a variety of human diseases such as cancer or neurodegenerative disorders. IKAP/hELP1 is the largest subunit of Elongator and is required for the functional integrity of this complex. The histone acetyltransferase activity of Elongator helps the transcriptional machinery to move on the template of still poorly characterized genes to transcribe. In yeast, Elongator has also been involved in tRNA modifications as well as in exocytosis. In humans, Familial dysautonomia, an autosomal recessive disease characterized by defects in the development and maintenance of neurons of the autonomic and sensory systems, results from a loss-of-function of IKAP/hELP1. Recent work in our laboratory linked this disease to a cell migration defect of IKAP/hELP1 depleted cells. The aim of this work is to investigate the role of Elongator in signal transduction. In the first part, we wanted to know whether Elongator was required for the regulation of gene expression in response to DNA damage. We demonstrated that some p53-dependent genes were aberrantly expressed upon Elongator deficiency in colon cancer-derived cells. Moreover, we showed that these IKAP/hELP1 depleted cells were not more sensitive to apoptosis in response to persistent DNAdamage. In the second part of this work, to better characterize IKAP/hELP1, we tried to validate its potential interaction with the RanBP2 nucleoporin which is a component of the nuclear pore complex. Given its mainly cytoplasmic localization and its role in the nucleus, we studied the translocation of IKAP/hELP1 between both of these cellular compartments. We determined a potential nuclear export signal on the C-terminal part of IKAP/hELP1. This might allow us to further explore the link between the distinct roles and the localization of the Elongator complex. / Caractérisation des mécanismes moléculaires impliquant la protéine IKAP/hELP1 et le complexe Elongator. Résumé Létude des voies de signalisation permet de mieux comprendre comment une cellule réagit face à divers stimuli. Alors que le génome humain est complètement séquencé, la caractérisation des différentes voies de signalisation cellulaire est à ce jour toujours incomplète et nécessite une meilleure connaissance de leurs principaux acteurs, les protéines. Ceci est dautant plus important quun dérèglement de lactivation de ces voies de signalisation peut conduire à des pathologies aussi diverses que le cancer ou des maladies neurodégénératives. IKAP/hELP1 est la plus grande sous-unité du complexe Elongator et est essentielle pour lassemblage fonctionnel de celui-ci. Le complexe Elongator grâce à son activité dacétylation des histones qui permet laccès à la chromatine, participe à lélongation de la transcription de gènes, ceux-ci restant à ce jour peu caractérisés. Récemment chez la levure, Elongator a été décrit comme prenant part à dautres évènements cellulaires aussi divers que la modification des ARNs de transfert qui permet une traduction fidèle des protéines, ou que lexocytose. Chez lhomme, une neuropathologie génétique, la dysautonomie familiale, est la conséquence directe dune perte de fonction de la protéine IKAP/hELP1. Notre laboratoire a récemment fait le lien entre cette maladie qui affecte le développement et la survie du système nerveux autonome et sensoriel, et un déficit des capacités migratoires de cellules exprimant trop faiblement la protéine IKAP/hELP1. Le but de ce travail est de poursuivre la caractérisation des rôles biologiques du complexe Elongator. Dans la première partie de ce travail, nous avons examiné le rôle dElongator dans la modulation de lexpression de gènes suite à un dommage à lADN. Nous avons pu mettre en évidence une altération du profil dexpression de plusieurs gènes connus pour être sous la dépendance de p53, une protéine activée en réponse à divers signaux de stress, dans des cellules dérivées de cancers du colon et déficientes pour Elongator. De plus, nous avons déterminé que ces cellules déplétées pour IKAP/hELP1 nétaient pas plus sensibles à lapoptose, en réponse ou non à des dommages persistants à lADN. Dans la deuxième partie, nous avons tenté de valider, sur base de résultats obtenus chez la levure, son interaction potentielle avec une protéine du pore nucléaire, RanBP2. Etant donné sa localisation majoritairement cytoplasmique et sa fonction dans le compartiment nucléaire, nous avons étudié le transport dIKAP/hELP1 entre le noyau et le cytoplasme. Nous avons pu déterminer un site dexport nucléaire potentiel sur lextrémité C-terminale dIKAP/hELP1 qui nous permettra dexplorer le lien entre les différentes fonctions et la localisation du complexe Elongator.

La dysautonomie familiale (FD) est une neuropathie causée par une mutation du gène IKBKAP induisant un épissage alternatif du pré-ARNm et une déficience de la protéine IKAP/hELP1. La compréhension des mécanismes moléculaires à l'origine de la spécificité tissulaire et le développement de thérapies curatives nous ont amené à identifier une signature des microARN caractéristique de la FD reliée au facteur d'épissage neurone-spécifique NOVA1, à partir de cellules souches olfactives humaines ecto-mésenchymateuses d'individus sains ou de patients FD. De plus, nous avons identifié le protéasome 26S comme étant suractivé chez les patients et dont le blocage corrige l'épissage aberrant du pré-ARNm d'IKBKAP tout en augmentant l’expression d’IKAP/hELP1. Ainsi, l'ensemble de ce travail apporte des perspectives de recherche novatrices pour de nombreuses pathologies neurodégénératives.Nous avons mené un projet de recherche secondaire concernant l’identification de biomarqueurs sanguins pour une maladie très fréquente, la dépression. Nous avons conduit une étude translationnelle à l'aide d'un modèle animal de stress chronique (UCMS) et identifié des signatures transcriptionnelles communes entre le sang et deux régions cérébrales, le gyrus cingulaire et le gyrus dentelé. Plusieurs biomarqueurs candidats ont été validés sur des échantillons sanguins chez la Souris et l'Homme, avec une corrélation entre la variation d'expression d'ACSL1, RALGPS1 et MPP1 et l'évolution du score clinique des patients. En conclusion, ce travail identifie de nouveaux biomarqueurs potentiels de la dépression et renforce la légitimité d'analyser des tissus périphériques dans le cadre d'une pathologie mentale. / Familial dysautonomia (FD) is a neuropathy caused by a mutation in the IKBKAP gene inducing an alternative pre-mRNA splicing and a deficiency of the protein IKAP/hELP1. The understanding of molecular mechanisms underlying tissue specificity and the development of curative therapies led us to identify a particular microRNA signature in FD associated to the neuron-spécific splicing factor NOVA1, from human olfactory ecto-mesenchymal stem cells of control individuals and FD patients. Moreover, we identified the 26S proteasome as being overactived in patients and whose inhibition corrects aberrant IKBKAP pre-mRNA splicing concomitantly to an increase of IKAP/hELP1 expression level. Taken together, these results bring innovative research perspectives for many neurodegenerative diseases.We conducted a secondary project concerning the identification of blood biomarker for a very prevalent disease, major depression. We conducted a translational study using animal model of chronic stress (UCMS) and identified common transcriptional signatures between blood and two brain regions, cingulate gyrus and dentate gyrus. Several candidate biomarkers were validated as similarly dysregulated in blood of mice and men, with correlation of expression variation of ACSL1, RALGPS1 and MPP1 in relation to clinical score evolution. In conclusion, this work identifies new potential biomarkers for depression and reinforces the legitimacy to analyze peripheral tissues in the context of mental disorders.

Les fonctions cardiovasculaires doivent répondre à des stimulations physiologiques importantes et différentes lors de l'exercice physique, de l'exposition à la haute altitude ou de tests de stimulation spécifiques du système nerveux autonome. Nous avons dans ce travail de thèse, étudié les modulations autonomiques consécutives à l'exercice (entraînements / compétition ou réentraînement), à l'hypoxie ou à des tests de stimulation adrénergiques afin de faire le lien avec la fatigue et/ou la limitation à l'effort. Le suivi de coureurs à pieds séniors nous a permis d'observer une majoration de l'activité sympathique ainsi qu'une diminution du tonus parasympathique sous l'effet de l'entraînement, et plus encore de la compétition. Dans un second temps, nous avons analysé les réponses adaptatives de sujets exposés à une hypoxie brutale par le biais de tests d'orthostatisme, et mis en évidence une dysautonomie transitoire les deux premiers jours d'exposition à l'altitude, suivie d'un retour vers des valeurs basales le quatrième jour. Notre troisième protocole a montré que les fibromyalgiques présentent une qualité de vie et une capacité d'exercice altérées ainsi que des réponses autonomiques à l'orthostatisme émoussées comparées à des sujets témoins. Cependant, un entraînement en endurance de 12 semaines à intensité modérée, semble bénéfique sur la qualité de vie des patientes, et améliore les paramètres d'exercice et de modulation de l'activité du système nerveux. Enfin, nous avons confirmé que les sujets trisomiques présentaient une capacité d'exercice ainsi qu'une fonction cardio-respiratoire altérées par rapport à des sujets contrôles appariés en âge. Les tests de stimulations du système nerveux autonome montrent aussi une dysautonomie marquée, avec des réponses autonomiques émoussées qui peuvent être mises en lien avec une capacité d'effort limitée et/ou l'apparition d'une fatigue précoce à l'effort chez les trisomiques 21. Notre travail, par l'analyse de la variabilité cardiaque, a donc permis de mettre en évidence des altérations de l'activité autonomique qui peuvent être durables ou transitoires, selon l'environnement, selon le niveau d'activité ou l'existence de pathologies. / Cardiovascular functions have to answer to important physiological stimulations during physical activity, high altitude exposure, or specific stimulation tests of the autonomic nervous system. In this thesis work, we studied autonomic modulations after exercise (training/competition or retraining), hypoxia or adrenergic stimulation tests in order to link them with fatigue and/or effort limitation. Senior runners' follow-up allowed us to observe an increase in sympathetic activity and also a decrease in parasympathetic tone with training and particularly competition. In a second time, we analyzed the adaptive responses of subjects exposed to rough hypoxia through orthostatic tests and we highlighted a transitional dysautonomia during the first two days of altitude exposure followed by a return to basal values on the fourth day. Our third protocol has demonstrated that fibromyalgic patients show altered life quality and exercise capacity and also blunted autonomic responses to orthostatism compared to control subjects. However, twelve weeks of endurance training in moderate intensity seems to be beneficial on patients' life quality and improves exercise parameters and modulation of the activity of the nervous system. Finally, we have confirmed that subjects with Down syndrome showed altered exercise capacity and cardio-respiratory function in comparison to aged matched control subjects. Stimulation tests of the autonomic nervous system also show a marked dysautonomia with blunted autonomic responses, which can be linked to a limited effort capacity and/or to the appearance of an early fatigue to exercise in subjects with Down syndrome. Our work, thanks to cardiac variability analysis highlighted alterations in autonomic activity, which could be lasting or transient, depending on the environment, the activity level or the existence of pathologies.

Les neuropathies des petites fibres (NPF), ou neuropathies douloureuses, se caractérisent par des douleurs neuropathiques et une dysautonomie, symptômes particulièrement invalidant et dont la prise en charge thérapeutique actuelle n’est pas satisfaisante. La biopsie cutanée, actuel examen « gold standard » dans le diagnostic des NPF, est un outil intéressant du fait de sa simplicité de réalisation sans séquelle, et de son accessibilité. Cependant, son interprétation actuelle est limitée, n’apportant qu’une information quantitative sur l’existence ou non d’une perte en fibres intra-épidermiques, résultante des NPF plus qu’une explication de la symptomatologie. Dans une première étude nous avons comparé la quantification des fibres de la biopsie cutanée à leur analyse fonctionnelle explorée par le SUDOSCAN®, ne retrouvant qu’une faible corrélation entre les deux outils et confirmant le mauvais reflet de la fonctionnalité des fibres dans la biopsie cutanée. De plus, dans une deuxième étude sur les patients Charcot-Marie-Tooth 1A, nous n’avons pas mis en évidence de corrélation entre la biopsie cutanée et les symptômes (sauf la sensibilité à la piqûre), soulignant une nouvelle faiblesse de cet examen. Concernant les biomarqueurs cutanées, l’analyse des cellules de Langherans dans différentes neuropathies a retrouvé une augmentation de celles-ci chez les patients diabétiques et une densité plus faible chez les sujets sains, mais également une diminution chez le patient CMT1A, sans jamais aucune corrélation avec la densité des petites fibres. Enfin, dans une troisième partie étudiant le syndrome POEMS, nous avons mise en évidence que la vascularisation cutanée, significativement plus élevée dans le POEMS, serait un biomarqueur candidat intéressant à visée diagnostique étiologique. La recherche de biomarqueurs cutanés, afin d’augmenter la puissance diagnostique, de mieux comprendre la physiopathologie de la perte en fibres pour de trouver des cibles thérapeutiques et améliorer la prise en charge de ces patients, parait essentielle. Des études supplémentaires sont nécessaires, et certaines sont en cours dans la continuité de ce travail. / Small-fiber neuropathies (SFN), or painful neuropathies, are characterized by neuropathic pain and autonomic dysfunction, which are particularly disabling symptoms and whose current therapeutic management is not satisfactory. The skin biopsy, which is the "gold standard" in the SFN diagnosis, is an interesting easy to do and accessible. However, its current interpretation is limited, bringing only a quantitative information: there is a loss of intraepidermic nerve fibers, resulting from SFN more than an explanation of the symptomatology. In a first study, we compared the quantification of skin biopsy fibers with their functional analysis explored by SUDOSCAN®. We found a weak correlation between the two tools, confirming that skin biopsy is not a good reflet of fibers function. Nevertheless, in a second study on Charcot-Marie-Tooth 1A patients, we found a correlation between cutaneous biopsy and sensitivity to sting, sensitivity transmitted by small fibers. Regarding cutaneous biomarkers, analysis of Langherans cells in different neuropathies found an increase in these in diabetic patients and a lower density in healthy subjects, but also a decrease in patients affected with CMT1A, without ever having any correlation with small nerve fibers density. Finally, in a third part studying the POEMS syndrome, we found that the dermal vascularization, which is significantly higher in POEMS, would be an interesting candidate biomarker for etiological diagnostic purposes. The search for skin biomarkers to improve the diagnosis and to better understand the pathophysiology of fiber loss in order to find therapeutic targets to improve the management of these patients seems essential. Additional studies are needed, and some are ongoing as a continuation of this work.

Abstract: Molecular and cellular insights into IKAP and Elongator functions As the first step in the complex process of gene expression, the transcription of genes from DNA to RNA by RNA polymerase II is subject to a multiplicity of controls and is thereby the endpoint of multiple cell regulatory pathways. We focused here on the molecular and cellular functions of IKAP and by extension of Elongator complex, initially found associated with the hyperphosphorylated RNA polymerase II during the elongation stage of transcription. IKAP is required for the assembly of Elongator subunits into a functional complex. Elongator has a histone acetyltransferase (HAT) activity associated with one of its subunits, named hELP3. In agreement with a potential role in transcript elongation, Elongator is associated with nascent RNA emanating from the elongating RNA polymerase II along the transcribed region of several yeast genes and chromatin immunoprecipitation experiments have also demonstrated an association of Elongator with genes in human cells. Different mutations in the human IKBKAP gene, encoding IKAP/hELP1, cause familial dysautonomia, a severe neurodevelopmental disease with complex clinical characteristics. Affected individuals are born with the disease and abnormally low numbers of neurons in peripheral nervous ganglions. To gain insight into the role played by IKAP and the Elongator complex in the transcription of genes and concomitantly learn about the molecular defects underlying the FD, an RNA interference approach was used to deplete the IKAP protein in human cells. In yeast, disruption of ELP1 (yeast homolog of human IKAP) is known to destabilize the ELP3 catalytic subunit, which leads to loss of Elongator integrity. Our experiments performed in human cells revealed that the levels of hELP3 protein is also affected by IKAP depletion after RNAi. We took advantage of this cellular loss-of-function model to identify genes whose transcription requires IKAP, by microarray experiments. Among the identified candidates, several were previously described to be involved in cell motility, or actin cytoskeleton remodelling. Because cell motility is of crucial importance for the developing nervous system, and therefore of obvious relevance to FD, the potential role of IKAP in cell motility was characterized at the cellular level. Several cell motility/migration assays demonstrated that the IKAP depletion has functional consequences so that IKAP-depleted cells showed defects in migration. Particularly, the reduced cell motility of neuronal-derived cell lines may be highly relevant to the neurodevelopmental disorder that affects FD patients. Whether or not the defects in cell migration resulted of impaired transcriptional elongation of the IKAP-dependent genes was investigated by chromatin immuno-precipitation technique. These experiments indicated that IKAP depletion leads to a decreased histone H3 acetylation in the transcribed region of its target genes in the context of Elongator complex. These acetylation defects are correlated with a decrease of the RNA polymerase II recruitment through the transcribed region of target genes, whereas the recruitment on the promoter is mostly unaffected. These results indicate that Elongator affects transcript elongation in vivo, but not the recruitment of the RNA polymerase II to the promoter. These very specific effects of IKAP/hELP1 depletion on histone acetylation and RNA polymerase II density across target genes are consistent with a direct effect of Elongator on transcriptional elongation in vivo and point to a function for Elongator in histone acetylation during transcript elongation. Résumé: Caractérisation des rôles biologiques de la protéine IKAP et du complexe Elongator La transcription des gènes de lADN en ARN est fondamentale pour lexpression des protéines et la capacité de nos cellules à sadapter à leur environnement. Ce processus finement régulé est catalysé par un enzyme, lARN polymérase II, vers lequel convergent une multitude de voies de signalisation. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés aux fonctions moléculaires et cellulaires de la protéine IKAP et du complexe Elongator. IKAP est la protéine qui assemble les sous unités dElongator en un complexe fonctionnel. Le complexe Elongator est associé à lARN polymérase II hyper-phosphorylée pendant létape délongation de la transcription et possède une activité histone acétyltransferase associée à une de ses sous unités, appelée ELP3. Chez la levure, Elongator est recruté an niveau des ARNs naissants, qui émanent directement de lARN polymérase II au niveau de la région transcrite des gènes étudiés. De plus, des expériences dimmunoprécipitation de la chromatine ont mis en évidence la présence du complexe Elongator au niveau de plusieurs gènes humains. Différentes mutations au niveau du gène IKBKAP, codant pour la protéine IKAP, sont responsables de la dysautonomie familiale, une maladie génétique qui affecte le développement du système nerveux périphérique. En effet, les individus affectés présentent une diminution de la densité de neurones au niveau des ganglions nerveux périphériques. Lobjectif de nos travaux est de comprendre davantage le rôle de la protéine IKAP et du complexe Elongator dans la transcription des gènes et ainsi, dinvestiguer les mécanismes moléculaires responsables dans la physiopathologie de la dysautonomie familiale. Un modèle de perte de fonction pour la protéine IKAP a dabord été généré par interférence dARN. Des travaux réalisés chez la levure indiquent que la protéine ELP1 (homologue de IKAP chez la levure) est essentielle pour la stabilité de la sous unité catalytique du complexe, la protéine ELP3. Les expériences réalisées sur notre modèle humain démontrent que le taux de la protéine ELP3 est également affecté par la déplétion dIKAP causée par linterférence dARN. Ce modèle de perte de fonction a été utilisé afin détablir la liste des gènes dont lexpression est contrôlée par la protéine IKAP, par des expériences de microarrays. Parmi les candidats identifiés, plusieurs ont été décrits comme impliqués dans la migration cellulaire et le remodelage du cytosquelette dactine. Le processus de migration des cellules est fondamental au cours du développement du système nerveux et par conséquent particulièrement relevant dans le contexte de la dysautonomie familiale. Limplication dIKAP dans la migration cellulaire a été investigué par différents tests de fonction qui montrent que la diminution dIKAP dans différentes lignées cellulaires entraîne une réduction significative de leur capacité migratoire. Ces résultats suggèrent que la diminution du nombre de neurones observée dans les ganglions périphériques des patients atteints de la dysautonomie familiale pourrait résulter dune altération de leur capacité à migrer au cours du développement. Enfin, des expériences dimmunoprécipitation de la chromatine ont été menées en utilisant notre modèle afin de déterminer dans quelle mesure le déficit de migration observé en labsence dIKAP serait la conséquence dun défaut de la fonction dElongator au niveau de lélongation de la transcription des gènes. Les résultats nous ont montré que la diminution dexpression dIKAP entraîne une réduction de lacétylation des histones H3 dans la région transcrite de ses gènes cibles. De plus, ce déficit dacétylation est directement corrélé avec un désengagement progressif de lARN polymérase II le long de la région transcrite de ces gènes. Par conséquent, ces résultats démontrent que le complexe Elongator affecte lélongation des transcrits in vivo, mais pas le recrutement de lARN polymérase II au niveau du promoteur. Ces effets très spécifiques de labsence dIKAP sur lacétylation des histones et lengagement de la polymérase II dans la transcription des gènes cibles montrent quElongator exerce un rôle direct au niveau de lélongation de la transcription de ces gènes. De plus, ces résultats suggèrent que la fonction dElongator serait dacétyler les histones au cours de lélongation transcriptionnelle in vivo.

Les fonctions cardiovasculaires doivent répondre à des stimulations physiologiques importantes et différentes lors de l'exercice physique, de l'exposition à la haute altitude ou de tests de stimulation spécifiques du système nerveux autonome. Nous avons dans ce travail de thèse, étudié les modulations autonomiques consécutives à l'exercice (entraînements / compétition ou réentraînement), à l'hypoxie ou à des tests de stimulation adrénergiques afin de faire le lien avec la fatigue et/ou la limitation à l'effort. Le suivi de coureurs à pieds séniors nous a permis d'observer une majoration de l'activité sympathique ainsi qu'une diminution du tonus parasympathique sous l'effet de l'entraînement, et plus encore de la compétition. Dans un second temps, nous avons analysé les réponses adaptatives de sujets exposés à une hypoxie brutale par le biais de tests d'orthostatisme, et mis en évidence une dysautonomie transitoire les deux premiers jours d'exposition à l'altitude, suivie d'un retour vers des valeurs basales le quatrième jour. Notre troisième protocole a montré que les fibromyalgiques présentent une qualité de vie et une capacité d'exercice altérées ainsi que des réponses autonomiques à l'orthostatisme émoussées comparées à des sujets témoins. Cependant, un entraînement en endurance de 12 semaines à intensité modérée, semble bénéfique sur la qualité de vie des patientes, et améliore les paramètres d'exercice et de modulation de l'activité du système nerveux. Enfin, nous avons confirmé que les sujets trisomiques présentaient une capacité d'exercice ainsi qu'une fonction cardio-respiratoire altérées par rapport à des sujets contrôles appariés en âge. Les tests de stimulations du système nerveux autonome montrent aussi une dysautonomie marquée, avec des réponses autonomiques émoussées qui peuvent être mises en lien avec une capacité d'effort limitée et/ou l'apparition d'une fatigue précoce à l'effort chez les trisomiques 21. Notre travail, par l'analyse de la variabilité cardiaque, a donc permis de mettre en évidence des altérations de l'activité autonomique qui peuvent être durables ou transitoires, selon l'environnement, selon le niveau d'activité ou l'existence de pathologies.