Thèse doctorat : Sciences du Vivant : Strasbourg 1 : 2006. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 8 p.

Thesis (Ph. D.)--University of Oklahoma. / Includes bibliographical references.

Friedreich ataxia (FRDA) is an autosomal recessive neurodegenerative disorder, caused by a GAA repeat expansion mutation within intron 1 of the FXN gene, resulting in reduced level of frataxin protein. Normal individuals have 5 to 40 GAA repeat sequences, whereas affected individuals have approximately 70 to more than 1000 GAA triplets. Frataxin is a mitochondrial protein involved in iron-sulphur cluster and heme biosynthesis. The reduction in frataxin expression leads to oxidative stress, mitochondrial iron accumulation and consequential cell death with the primary sites of neurons of the dorsal root ganglia and the dentate nucleus of the cerebellum. FRDA, which is the most common inherited ataxia, affecting 1:50,000 Caucasians, is characterised by neurodegeneration, cardiomyopathy, diabetes mellitus and skeletal deformities. To investigate FRDA molecular disease mechanisms and therapy, several human FXN YAC transgenic mouse models have been established: Y47R, containing normal-sized (GAA)9 repeats; YG8R and YG22R, which initially contained expanded GAA repeats of 90-190 units and 190 units, respectively, but which have subsequently been bred to now contain expanded GAA repeats of 120-220 units and 170-260 units, respectively, and YG8sR (YG8R with a small GAA band) that was recently generated from YG8R breeding. To determine the FXN transgene copy number in the enhanced GAA repeat expansion-based FRDA mouse lines, a TaqMan qPCR assay was developed. The results demonstrated that the YG22R and Y47R lines had a single copy of the FXN transgene while the YG8R line had two copies. The YG8s lines showed less than one copy of the target gene, suggesting potential deletion of the FXN gene. Single integration sites of all transgenes were confirmed by fluorescence in situ hybridisation (FISH) analysis of metaphase and interphase chromosomes. However, in the YG8s line, at least 25% of the YG8s cells had no signals, while the remaining cells showed one signal corresponding to the transgenic FXN gene. In addition, the analysis of FXN exons in YG8s rescue mice by PCR confirmed the presence of all FXN exons in these lines, suggesting the incidence of somatic mosaicism in these lines. Extended functional analysis was carried out on these mice from 4 to 12 months of age. Coordination ability of YG8R, YG8sR and YG22R ‘FRDA-like’ mice, together with Y47R and C57BL6/J wild-type control mice, was assessed using accelerating rotarod analysis. The results indicated a progressive decrease in the motor coordination of YG8R, YG22R and YG8sR mice compared to Y47R or C57BL6/J controls. Locomotor activity was also assessed using an open field beam-breaker apparatus followed by four additional functional analyses including beam-walk, hang wire, grip strength and foot print tests. The results indicated significant functional deficits in the FRDA mouse models. Glucose and insulin tolerance tests were also conducted in the FRDA mouse models, indicating glucose intolerance and insulin hypersensitivity in the aforementioned lines. To investigate the correlation between the FRDA-like pathological phenotype and frataxin deficiency in the FRDA mouse models, frataxin mRNA and protein levels as well as somatic GAA repeat instability were examined. The results indicated that somatic GAA repeats increased in the cerebellum and brain of YG22R, YG8R and YG8sR mice, together with significantly reduced levels of FXN mRNA and protein in the liver of YG8R and YG22R compared to Y47R. However, YG8sR lines showed a significant decrease in FXN mRNA in all of the examined tissues compared to Y47R human FXN and C57BL6/J mouse Fxn mRNA. Protein expression levels were also considerably reduced in all the tissues of YG8sR mice compared to Y47R. Subsequently, the telomere length of human and mouse FRDA and control fibroblasts was assessed using qPCR and Q-FISH. The results indicated that the FRDA cells had chromosomes with relatively longer telomeric repeats in comparison to the controls. FRDA cells were screened for expression of telomerase activity using the TRAP assay and a quantitative assay for hTERT mRNA expression using TaqMan qRT-PCR. The results indicated that telomerase activity was not present in the FRDA cells. To investigate whether FRDA cells maintained their telomeres by ALT associated PML bodies (APBs), co-localisation of PML bodies with telomeres was assessed in these cells using combined immunofluorescence to PML and Q-FISH for telomere detection. The results demonstrated that the FRDA cells had significantly higher co-localised PML foci with telomeric DNA compared to the normal cells. Moreover, telomere sister chromatid exchange (T-SCE) frequencies were analysed in the human FRDA cell lines using chromosome orientation FISH (CO-FISH). The results indicated a significant increase in T-SCE levels of the FRDA cell lines relative to the controls. Furthermore, growth curve and population doubling analysis of the human FRDA and control fibroblasts was carried out. The results showed that the FRDA fibroblast cell cultures underwent growth arrest with higher cumulative population doubling compared to the controls. Though, further analysis of telomere length at different passage numbers revealed that the FRDA cells lost telomeres faster than the controls. Finally, the telomere dysfunction-induced foci (TIF) assay was performed to detect DNA damage in the human FRDA fibroblast cells using an antibody against DNA damage marker γ-H2AX and a synthetic PNA probe for telomeres. The frequency of γ-H2AX foci was significantly higher in the FRDA cells compared to the controls. Similarly, the FRDA cells had greater frequencies of TIFs in comparison to the controls, suggesting induced telomere dysfunction in the FRDA cells.

L’Ataxie de Friedreich (AF) est une pathologie à hérédité autosomique récessive caractérisée par des troubles neurologiques progressifs (atteinte des neurones cérébelleux et des neurones sensoriels primaires (PSN, Primary Sensory Neurons), une hypertrophie cardiaque et un risque élevé de diabète. La cause la plus fréquente de cette maladie est la présence d’une hyperexpansion homozygote de triplets nucléotidiques GAA au sein du premier intron du gène de la frataxine (FXN), qui code pour une petite protéine mitochondriale, la frataxine. Cette expansion GAA induit la formation de structures secondaires de l’ADN ainsi que la formation d’hétérochromatine, provoquant une diminution de la transcription du gène FXN. Plusieurs modèles cellulaires et animaux AF ont été développés sans toutefois reproduire l’ensemble des caractéristiques génétiques, épigénétiques et biochimiques de la maladie retrouvé chez le patient AF, à savoir la présence d’une hyperexpansion GAA, au sein du premier intron du gène FXN, accompagnée de la répression du gène FXN conduisant à la diminution de l’expression de la protéine frataxine. Dans la première partie du projet, nous avons généré deux modèles cellulaires, les cellules corticales et les neurones sensoriels primaires dérivés des cellules souches pluripotentes induites (iPSC), générées à partir de biopsies de peau de patients AF. Ces deux modèles cellulaires AF présentent les caractéristiques génétiques, épigénétiques et biochimiques décrites chez les patients AF. D’un point de vue biochimique, nous avons montré que le déficit en frataxine induit une perturbation de l’homéostasie du fer avec un déficit de la biosynthèse des centres [Fe-S] et de l’expression des protéines [Fe-S], qui jouent un rôle au sein de la chaine respiratoire mitochondriale et du cycle de Krebs. De plus, le déficit en frataxine entraine la perturbation des voies antioxydantes sensibilisant les cellules AF au stress oxydatif. Nous avons aussi montré que les cellules corticales AF présentent une sensibilité à l’apoptose pouvant être prévenu par un traitement par la forskoline. Enfin, nous avons étudié l’implication éventuelle de mTOR dans la pathogénèse de l’AF au sein des cellules corticales. Les résultats obtenus n’ont pas permis d’attribuer les désordres de l’homéostasie du fer et du métabolisme lipidique observés au sein des cellules corticales AF, au seul déséquilibre de mTORC1, mais sans doute à la déficience en frataxine elle-même. Ces données font de ces deux modèles cellulaires, dérivés des iPSC, des modèles fiables et robustes dans l’étude de l’AF. Dans la seconde partie du projet, nous avons étudié le potentiel effet thérapeutique d’analogues des incrétines ([D-Ala2]-GIP et exendin-4) et de deux générations d’inhibiteurs des HDAC (iHDAC 109 et iHDAC 69, 71 et 89) sur le niveau d’expression de la frataxine, l’homéostasie du fer, le métabolisme protéique et lipidique ainsi que le stress oxydatif, au sein des cellules corticales AF, des PSN AF et de deux modèles murins de l’AF (les souris Knock-In homozygotes (KIKI) et les souris BAC transgéniques). La nouvelle génération d’iHDAC (69, 71 et 89), se distingue du composé 109 par leur capacité supérieure à traverser la barrière hématoencéphalique et leur courte durée de vie prévenant ainsi l’accumulation du composé cardio-toxique au sein de l’organisme. Nous avons observé que l’ensemble des traitements testé dans ce projet, a eu pour effet d’augmenter l’expression de la frataxine et de restaurer l’homéostasie du fer au sein des cellules corticales AF. De la même façon, l’expression de la frataxine a été augmentée suite à l’administration du composé 109 au sein des PSN AF. De plus, nous avons mis en évidence un effet thérapeutique du composé 89 sur le stress oxydatif et le métabolisme lipidique et protéique, au sein des cellules corticales AF. Néanmoins, étant donné l’absence d’un phénotype biochimique de l’AF clair, au sein des deux modèles murins de l’AF utilisés dans cette étude, nous n’avons pas pu étendre l’efficacité des nouveaux iHDAC (69, 71 et 89) au sein de ces deux modèles murins de l’AF. Néanmoins, les résultats obtenus au sein des cellules corticales AF, sur l’induction de l’expression de la frataxine par des analogues des incrétines et par la nouvelle génération des iHDAC, font de ces molécules de nouvelles approches prometteuses dans l’intervention thérapeutique chez les patients AF. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’ataxie de Friedreich (AF) est une maladie mitochondriale caractérisée par une ataxie spinocérébelleuse et sensitive, une cardiomyopathie et un diabète. L’AF est due à un déficit en frataxine (FXN), une protéine mitochondriale impliquée dans la synthèse des centres Fe-S et l’homéostasie mitochondriale. L’atteinte cardiaque, pour laquelle il n’existe aucun traitement, est la cause principale de décès. Nous avons montré que l’injection intraveineuse d’un vecteur adéno-associé (AAV) rh10 exprimant la FXN humaine prévient le développement de la cardiomyopathie d’un modèle souris de l’AF mais aussi que l’injection du vecteur à des animaux en insuffisance cardiaque permet la correction complète et rapide du phénotype cardiaque. Ces résultats démontrent la capacité des cardiomyocytes défectueux présentant un défaut bioénergétique à être rapidement corrigés. Nous avons ainsi établi la preuve de concept qu’un traitement par thérapie génique est une approche thérapeutique pertinente pour l’AF. / Friedreich ataxia (FRDA) is a mitochondrial disease with neurodegeneration, hypertrophic cardiomyopathy and diabetes. FRDA is caused by reduced level of frataxine (FXN), an essential mitochondrial protein involved in iron-sulfur cluster biogenesis and mitochondrial homeostasis. Cardiac failure is the most common cause of mortality in FRDA. To date, no treatment exists for FRDA cardiomyopathy. During my PhD, we showed that an adeno-associated vector (AAV) rh10 expressing human FXN injected intravenously not only prevented the onset of the cardiac disease in a faithful FRDA cardiac mouse model, but also, when administered in animals with cardiac failure, reversed rapidly and completely cardiac remodeling and insufficiency. Our results demonstrate the capacity of defective cardiomyocytes with severe energy failure and ultrastructure disorganization to be rapidly corrected and remodeled by gene therapy. Thus, we showed that gene therapy may be a relevant therapeutical approach for FRDA.

The objectives of my PhD were to identify the spatial and the temporal dynamics of the brain areas involved in tactile change detection as well as the neural mechanisms responsible for the processing of tactile change detection. To that aim, three specific MEG studies were performed; each of them is addressing specific research aims.The first study investigated the spatiotemporal dynamics of the multilevel cortical processing of tactile change detection in human healthy subjects. This study disclosed a hierarchical organization from unimodal early tactile change detection at secondary somatosensory cortex to multi modal complex processing at bilateral temporo-parietal junctions, posterior parietal cortex and supplementary motor areas. The second study aimed at discriminating between debated neural mechanisms responsible for the genesis of the somatosensory mismatch negativity (sMMN). To do so, we manipulated the predictability of the deviant stimuli and the response to omissions in different kind of oddballs, the response to deviant stimuli paired with standards and occurring alone. We found out that mechanisms for early tactile change detection reflected by the sMMN were better explained by the predictive coding theory compared to the adaptation and adjustment theories. Finally we sought to characterize the alterations in early cortical tactile change detection in Friedreich Ataxia (FRDA); a neurological disorder characterized by somatosensory and cerebellar pathways degeneration. The aim of this work was to study the role of the cerebellum in the genesis of sMMN and its potential selectivity for somatosensory change detection compared to auditory. This study demonstrated that, in FRDA, both tactile and auditory pathways are affected at the level of primary sensory neurons and dorsal root/spiral ganglia in a genetically determined. By contrasts, early cortical sensory change detection in FRDA was impaired only in the tactile modality in line with the sMMN impairment described in patients with acquired cerebellar lesions or during cerebellar inhibition by trans cranial magnetic stimulation. These data brought novel empirical evidence supporting the contribution of spinocerebellar tracts in sMMN genesis at cSII cortex.In conclusion, this PhD contributed to identify the network responsible for tactile change detection that involves cuneocerebellar spinocerebellar tract and cSII cortex as somatosensory specific areas and TPJ, SMA & PPC as multimodal brain areas. We further provided evidence that early change detection mechanisms at SII cortex fall under the predictive coding framework and that change detection is hierarchically organized with inputs from low level areas for genesis of an adequate generative model of our environment and conscious representation of our body. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La thérapie génique utilisant les vecteurs viraux est une des approches thérapeutiques possible pour le développement d’une thérapie pour les maladies génétiques mono-géniques dont l’ataxie de Friedreich (FRDA). Dans le but de vérifier l’efficacité des virus adéno-associés (AAV) à transférer la copie normale du transgène dans les tissus qu’ils infectent, nous avons insérer le gène codant pour la forme améliorée de la protéine fluorescente verte (eGFP) dans les AAV sérotype 9 (AAV9). Ces AAV recombinants (AAVr) ont été ensuite administrés aux souris femelles gestantes par voie intraveineuse et intra-péritonéale. Les résultats obtenus montrent que le transgène a été transféré à la fois dans les tissus des souris femelles ainsi que dans ceux des souriceaux. / Gene therapy using viral vectors is one of the therapeutic approaches possible for the development of genetic therapies for monogenic diseases including Friedriech's Ataxia (FRDA). In order to verify the effectiveness of adeno-associated virus (AAV) to transfer a transgene in the tissues they infect, we inserted the gene encoding the enhanced form of the green fluorescent protein (eGFP) in AAV Serotype 9 (AAV9). These recombinant AAV (rAAV) were then administered by intravenous and intraperitoneal to pregnant female mice. The results obtained show that the transgene was transferred in both in the female’ mouse tissues and in those of young mice.

Friedreich ataxia (FRDA) is a recessive human disease of central and peripheral nervous system that affects children and young adults. FRDA is a peripheral neuropathy characterized by a initial degeneration of the large neurons of the dorsal root ganglia (DRG) or proprioceptive neurons. Most of the patients with FRDA have a homozygous guanine-adenine-adenine (GAA) expansion within the first intron of the gen that codifies for a small mitochondrial protein, frataxin (FXN). This mutation leads to a reduction of frataxin expression in all human cells, which produces changes in both the cell and mitochondrial physiology, resulting in a dysfunction of the mitochondrial energetic metabolism linked to the increase of oxidative stress and calcium dyshomeostasis. These cellular proceses are tightly related with the regulation of the actin and microtubule cytoskeletons and with vesicle trafficking. Here, we show how the absence of frataxin in the mouse models YG8R and YG8sR affects the axonal cytoskeleton of adult sensory neurons. Changes of actin and microtubule cytoskeletons and the failure of Ca 2+ signaling induce alterations of dynamics growth cones of sensory neurons, which in turn produce a reduction of their capacity to grow and regenerate their axons. This study shows how these events can lead to the neurodegeneration in Friedreich's ataxia. / La Ataxia de Friedreich (FRDA) es una enfermedad autosómica recesiva del sistema nervioso central y periférico que afecta a niños y adultos jóvenes. Esta neuropatía sensitiva está caracterizada por una degeneración primaria de las neuronas sensitivas largas del ganglio dorsal (DRG). En la mayoría de los pacientes con FRDA, la mutación consiste en una expansión homocigota del trinucleótido guanina-adenina-adenina (GAA) en el intrón 1 del gen que codifica para una proteína mitocondrial, la frataxina (FXN). La consecuencia de la mutación es la deficiencia de la frataxina, lo cual condiciona cambios en la fisiología mitocondrial y celular, teniendo como resultado una disfunción del metabolismo energético mitocondrial asociado con el incremento del estrés oxidativo en la célula y a una alteración de la homeostasis del calcio. Estos procesos están estrechamente relacionados con la regulación del citoesqueleto de actina, microtúbulos, y con el tráfico de vesículas. En este trabajo de tesis se demuestra cómo la estabilidad del citoesqueleto axonal de las neuronas sensitivas de dos modelos murinos YG8R e YG8sR están afectados debido a la falta de frataxina. Cambios en el citoesqueleto de actina y microtúbulos, unido al fallo en la señalización por Ca 2+ provocan una alteración en la dinámica de la forma del cono de crecimiento, disminuyendo el crecimiento y la regeneración axonal y afectando a la guía axonal en las neuronas sensitivas adultas. Este estudio muestra cómo estos eventos conducen a la neurodegeneración en la ataxia de Friedreich. / L'Ataxia de Friedreich (FRDA) és una malaltia autosómica recessiva del sistema nerviós central i perifèric que afecta a xiquets i adults joves. Aquesta neuropatia sensitiva ve caracteritzada per una degeneració primaria de les neurones sensitives llargues del gangli dorsal (DRG). En la majoria dels pacientes de FRDA la mutació consisteix en una expansió homozigòtica del trinucleòtid guanina-adenina-adenina (GAA) en l'intró 1 del gen que codifica per a la proteïna mitocondrial frataxina (FXN). La conseqüència d'aquesta mutació és la deficiencia de frataxina, aquest fet condiciona canvis en la fisiologia mitocondrial i cel.lular, tenint com a resultat una disfunció del metabolisme energètic mitocondrial associat a l'increment de l'estrés oxidatiu en la cèl.lula i una alteració de la homeòstasi del calci. Aquestos processos estàn íntimament relacionats amb la regulació del citoesquelet d'actina, microtúbuls i el tràfic de vesícules. En aquest treball de tesi doctoral es mostra com l'estabilitat del citoesquelet axonal de les neurones sensitives de dos models murins YG8R i YG8sR es troben afectats a causa de la deficiencia de frataxina. Canvis en el citoesquelet d'actina i microtúbuls, juntament a la fallida en la senyalitzación per Ca2+ provoquen una alteració en la dinámica de la forma del con de creixement, disminuint-lo junt amb la regeneració axonal i afectat la guia axonal en les neurones sensitives adultes. Aquest estudi posa de manifest com aquestos events condueixen a la neurodegeneració en la ataxia de Friedreich. / Muñoz Lasso, DC. (2017). Fisiopatología de la ataxia de Friedreich: Transporte y degeneración axonal [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/92842

L’Ataxie de Friedreich est une maladie génétique récessive neurodégénérative. Elle est due à un déficit dans l’expression d’une protéine mitochondriale, la frataxine. Cette protéine est impliquée dans l’assemblage des protéines fer-soufre (FeS). Le premier axe de ma thèse a consisté à mieux caractériser le rôle de la frataxine au sein du complexe précoce de biosynthèse des clusters FeS (NFS1/ISD11/ISCU). Mes résultats m’ont permis de mettre en évidence l’importance de la frataxine dans le contrôle de l’entrée du fer au sein du complexe de biosynthèse, sur l’activité enzymatique de NFS1 et sur le transfert des clusters FeS vers les apo-protéines. Le second axe a été le développement du programme de bioinformatique (PredISC) nous permettant des candidats de protéines FeS. Ce programme a permis de générer une liste de candidat qui pourra être compilée sous la forme d’une base de données. Par la suite, des approches transversales y seront associées à afin d’affiner les listes de candidats. / Friedreich Ataxia (FA) is the most prevalent form of autosomal recessive ataxia in the Caucasian population. Frataxin is implicated in the biosynthesis of iron-sulfur (FeS). The first axis of my work was to better characterize the function of Frataxin in the “early” complex of FeS clusters biosynthesis (NFS1/ISD11/ISCU). I was able to show the crucial involvement of Frataxin in the control of iron entry in this complex, on the enzymatic activity of NFS1 and on the transfert of FeS cluster to apo-proteins. Thesecond axis was the development of a bio-informatic software (PredISC) that is able to predict potential iron-sulfur containing proteins. The software allows us to generate a list of candidates that will be compiled in a database. In the future transversal approaches have to be associated in order to reduced the number of candidates, and increase their interest.

De nombreux troubles ont un retentissement sur le contrôle de l'équilibre dynamique au cours de la marche. Qu'ils soient d'origine traumatique, neurologique, ou liés à la sénescence, ils limitent plus ou moins la stabilité, c'est-à-dire la capacité des sujets à récupérer de perturbations internes ou externes, et peuvent conduire à la chute. Chez les enfants, la stabilité est de plus liée aux étapes développementales. Son interprétation nécessite donc de différencier ce qui relève de l'instabilité développementale et de l'instabilité pathologique. Les techniques instrumentées d'analyse du mouvement permettent un enregistrement fiable et précis des paramètres de la marche. Des index ont été développés pour faciliter l'évaluation clinique de la marche des patients mais aucun d'entre eux ne quantifie l'aspect stabilité.Ce travail de thèse a conduit à la production d'un score quantifiant la stabilité au travers de la variabilité des paramètres spatiotemporels, enregistrés par une piste de marche électronique. Ce score, dénommé Gait Variability Index (GVI), a été appliqué à des populations, asymptomatiques et pathologiques, représentatives des différents âges de la vie : l'enfant, l'adulte et la personne âgée. Les résultats obtenus chez des patients affectés de paralysie cérébrale, d'ataxie de Friedreich ou cérébrolésés démontrent que le GVI est un outil cohérent pour l'évaluation de l'instabilité. Outre l'intérêt clinique qu'il représente, celui-ci ouvre différentes perspectives pour son application et invite à la réflexion quant à la nature perturbatrice ou régulatrice de la variabilité.