Heterozygous mutations in the glucocerebrosidase (GBA) gene represent the most common risk factor for Parkinson’s disease (PD), a disease in which midbrain dopaminergic neurons are preferentially vulnerable. However, the mechanisms underlying this association are still unknown, mostly due to the lack of an appropriate model of study. In this thesis, we aimed at elucidating the role of heterozygous GBA mutations in PD using a specific human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-based model of disease. First we developed a protocol for the efficient differentiation of hiPSCs into dopaminergic cultures, and extensively characterized the derived dopaminergic neurons which expressed multiple midbrain relevant markers and produced dopamine. Next we screened a clinical cohort of PD patients to identify carriers of GBA mutations of interest. Using for the first time hiPSCs generated from PD patients heterozygous for a GBA mutation (together with idiopathic cases and control individuals) we were able to efficiently derive dopaminergic cultures and identify relevant disease mechanisms. Upon differentiation into dopaminergic neuronal cultures, we observed retention of mutant glucocerebrosidase (GCase) protein in the endoplasmic reticulum (ER) with no change in protein levels, leading to upregulation of ER stress machinery and resulting in increased autophagic demand. At the lysosomal level, we found a reduction of GCase activity in dopaminergic neuronal cultures, and the enlargement of the lysosomal compartment in identified dopaminergic neurons suggesting a decreased capacity for protein clearance. Together, these perturbations of cellular homeostasis resulted in increased release of α-synuclein and could likely represent critical early cellular phenotypes of Parkinson's disease and explain the high risk of heterozygous GBA mutations for PD.

Lors de la fécondation, le génome subit des transformations épigénétiques qui vont guider le développement et le phénotype de l’embryon. L'avènement des techniques de reprogrammation cellulaire, permettant la dédifférenciation d'une cellule somatique adulte, ouvre la porte à de nouvelles thérapies régénératives. Par exemple, les procédures de transfert nucléaire de cellules somatique (SCNT) ainsi que la pluripotence par induction (IP) visent à reprogrammer une cellule somatique adulte différentiée à un état pluripotent similaire à celui trouvé durant la fécondation chez l'embryon sans en impacter l'expression génique vitale au fonctionnement cellulaire. Cependant, la reprogrammation partielle est souvent associée à une mauvaise méthylation de séquences géniques responsables de la régulation des empreintes géniques. Ces gènes, étudiés chez la souris, le bovin et l'humain, sont exprimés de manière monoallélique, parent spécifique et sont vitaux pour le développement embryonnaire. Ainsi, nous avons voulu définir le statut épigénétique du gène empreinté H19 chez l'équin, autant chez le gamètes que les embryons dérivés de manière in vivo, SCNT ainsi que les cellules pluripotentes induites (iPSC). Une région contrôle empreinté (ICR) riche en îlots CpG a été observée en amont du promoteur. Couplé avec une analyse de transcrit parent spécifique du gène H19, nous avons confirmé que l'empreinte du gène H19 suit le modèle insulaire décrit chez les autres mammifères étudiés et résiste à la reprogrammation induite par SCNT ou IP. La déméthylation partielle de l'ICR observée chez certains échantillons reprogrammés n'était pas suffisante pour induire une expression biallélique, suggérant un contrôle des empreintes chez les équins durant la reprogrammation. / After fertilization, the animal genome undergoes a complex epigenetic remodeling that dictates the growth and phenotypic signature of the animal. The development of reprogramming methods using adult differentiated cells as the primordial genetic source has opened the door to new regenerative therapies for animals. Somatic cell nuclear transfer (SCNT) and induced pluripotency are two techniques which aim to reprogram a cell from its adult differentiated state to an embryonic-like pluripotency level, without impairing the expression of genes vital for the cellular function. Albeit promising, the mechanisms involved in these techniques remain only moderately understood. Partial reprogramming is frequently associated with irregular methylation of DNA sequences responsible for imprint regulation. These imprinted genes, mostly studied in rodents, cattle and humans, are expressed in a monoallelic parent-specific fashion and are vital for embryo growth. Hence, we aim to define the equine H19 imprinting control region (ICR) in gametes, in vivo and in SCNT derived embryos, as well as in induced pluripotent stem cells (iPSC). A CpG rich ICR was characterized upstream of the promotor using bisulfite treated DNA sequencing. Coupled with parent-specific gene expression analysis, we confirmed that the imprinted gene H19 is resistant to cellular reprogramming, and that partial demethylation of its ICR does not result in biallelic expression, suggesting that equine species have rigorous imprint maintenance during cellular reprogramming.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13031号 / 論医博第2113号 / 新制||医||1016(附属図書館) / 32989 / (主査)教授 妻木 範行, 教授 安達 泰治, 教授 開 祐司 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23770号 / 医博第4816号 / 新制||医||1056(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 長船 健二, 教授 安達 泰治, 教授 遊佐 宏介 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

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La mesure de l’index de pression systolique de cheville (IPSC) constitue un outil simple et non invasif pour détecter les atteintes artérielles des membres inférieurs. Si la méthodologie et l’interprétation de cet index ont été standardisées, il demeure des divergences quant à certains aspects de sa mesure. Ainsi, les travaux de recherche menés ont investigué trois de ces aspects. Dans un premier temps, l’objectif était d’étudier l’évolution physiologique de l’IPSC avec l’avancée en âge au sein d’une population saine et physiquement active. Cette analyse a rapporté une relation positive entre l’IPSC et l’âge, tendance « logique » au regard des modifications structurales de l’artère avec la sénescence. Dans un deuxième temps, les investigations se sont orientées vers l’utilisation d’outils de mesures automatiques de la pression artérielle pour le calcul de l’IPSC en récupération d’un exercice physique. Nous avons mis en évidence que l’outil oscillométrique permettait d’obtenir une valeur d’IPSC post-effort plus rapide mais aussi de diminuer l’erreur standard de mesure. Dans un troisième temps, nous avons abordé les stratégies d’apprentissage de cette mesure vasculaire. La mesure de pression systolique de cheville (PASC) apparaît largement sous-enseignée comparativement à la mesure brachiale. L’objectif était d’étudier objectivement, via simulateur, l’effet d’une intervention pédagogique pratique supplémentaire sur la compétence d’étudiants novices à mesurer cette PASC. Un apprentissage pratique d’une heure permettait de diminuer l’erreur de mesure mais n’était pas suffisante pour harmoniser l’ensemble des paramètres de la mesure selon les standards de mesure existants. / The measurement of ankle to brachial pressure index (ABPI) is a simple and non-invasive diagnostic tool for detecting arterial involvement of the lower limbs. If the methodology and interpretation of this index have been standardized, there remain some discrepancies about some aspects of its measurement. Thus, the present thesis reports the investigations of three of these aspects. First, the objective was to study the physiological relationship between ABPI and age among healthy and physically active subjects. The results show a positive relationship. This trend is consistent with structural modifications of arterial wall with ageing. Second, our aim was to investigate the use of automatic blood pressure measurement tools for the calculation of ABPI during the recovery of a maximal physical exercise. We found that the use of anoscillometric blood pressure device allowed to obtain a faster postexercise ABPI faster than a manual recording and also to reduce the standard error of the measurement. Finally, we discussed the learning strategies of this peripheral vascular measurement. Indeed, it appears that the measurement of arterial systolic blood pressure at the ankle (ASBPa) is largely under-taught compared to the humeral measurement. The purpose was to objectively assess, by a simulator, the effect of an additional practical and pedagogical intervention on the ability of novice students to perform ASBP a measurement. The results suggest that a one-hour practical learning allows to significantly reduce the measurement error but is not sufficient to harmonize all of the measurement parameters according to the measurement standards.

La vision est considérée comme un des sens les plus importants, prenant en charge environ 80% des perceptions que nous recevons dans notre vie quotidienne. Les photorécepteurs de type cônes sont responsables de la vision centrale de haute résolution et en couleurs, et leur dégénérescence est souvent la cause de la perte de vision dans les maladies dégénératives rétiniennes (RDs). Les RDs sont un groupe hétérogène de maladies affectant des millions de personnes dans le monde, qui pour le moment sont pour la plupart sans aucune option thérapeutique. Les modèles animaux sont extrêmement utiles pour étudier le développement ou la dégénérescence de la rétine, ainsi que pour comprendre les mécanismes moléculaires des maladies génétiques héréditaires affectant les photorécepteurs. La modélisation des maladies dégénératives et du développement peut être particulièrement difficile, spécialement dans le cas de maladies humaines rares et complexes pour lesquelles aucun modèle animal exhaustif n'est disponible. De nos jours, la génération et le maintien de modèles de maladies humaines permettant une analyse approfondie du mécanisme moléculaire représente un grand défis . La technologie des cellules souches possède un grand potentiel dans la modélisation des maladies et représente un outil puissant pour générer des modèles évolutifs, sans l’utilisation d’animaux qui peuvent illustrer plus précisément les phénotypes cliniques de maladies humaines complexes. Nous avons développé un protocole pour différencier les cellules souches pluripotentes (PSCs) en feuillets rétiniens (RSs), qui sont des tissus polarisés et multicouches contenant des photorécepteurs cône et exprimant les marqueurs spécifiques du segment externe (OS), du cilium connecteur (CC) et du noyau. En utilisant à la fois des modèles de souris et des modèles humanisés à base de cellules souches, nous avons étudié le rôle de BMI1 dans les photorécepteurs matures. La protéine du groupe Polycomb Bmi1 est connue pour ses fonctions neuroprotectrices en contrôlant la sénescence et l'apoptose, et est exprimée à la fois dans le progéniteur rétinien et les neurones, mais on en sait peu sur son rôle spécifique dans la rétine adulte. Elle a été récemment associée à des troubles neurodégénératifs d'apparition tardive, et elle pourrait avoir un rôle dans la pathologie des RDs d'apparition tardive, comme la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA). Nous avons montré que les photorécepteurs cône et les neurones bipolaires sont générés normalement mais subissent ensuite une dégénérescence rapide chez les souris Bmi1-/- par nécroptose associée à Rip3. La dégénérescence était associée à des anomalies de compactage de la chromatine, à l'activation des répétitions en tandem et au stress oxydatif. De plus, nous montrons que BMI1 est préférentiellement exprimé dans les cônes au niveau des foyers hétérochromatiques dans la rétine humaine. Son inactivation dans les cellules souches embryonnaires humaines (hESCs) a altéré la différenciation terminale du cône et a entraîné des anomalies de compactage de la chromatine, l'activation des répétitions en tandem et l'induction de P53. Ces résultats fournissent un mécanisme expliquant comment une carence en Bmi1 conduit à la dégénérescence des cônes et révèlent des fonctions biologiques conservées et des différences pour Bmi1 dans la biologie des photorécepteurs entre la souris et l'homme. En utilisant un modèle humain basé sur les cellules souches pluripotentes induites (iPSCs), nous avons ensuite étudié le processus dégénératif chez les patients atteints de ciliopathies, un groupe de maladies génétiques hétérogènes affectant les protéines impliquées dans la structure et la fonction du cil primaire, qui sont fréquemment accompagnée d'une dégénérescence rétinienne. Nous générons des feuillets rétiniens dérivés d'iPSCs à partir de patients atteints de deux ciliopathies, les syndromes de Meckel-Gruber (MKS) et de Bardet-Biedl (BBS). Les photorécepteurs ciliopathiques présentaient des altérations communes significatives dans l'expression de centaines de gènes de développement. De plus, ils ont montré plusieurs anomalies dans la formation et le maintien du cilium interne, le positionnement du centriole mère, l'activation d'une réponse au stress aux protéines mal repliées, instabilités génomiques et l'accumulation de dommages à l'ADN. Cette étude révèle comment la combinaison des technologies de reprogrammation cellulaire et d'organogenèse avec le séquençage de nouvelle génération permet d'élucider les mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans les troubles dégénératifs et développementaux de la rétine humaine. La même approche, combinant la différenciation en RSs avec des techniques de séquençage du génome à large spectre, pourrait être appliquée pour modéliser de nombreuses maladies génétiques, développementales et dégénératives affectant les photorécepteurs. Il peut également aider à élucider les mécanismes moléculaires sous-jacents à ces maladies, au criblage de médicaments de composés ayant des effets thérapeutiques potentiels et à prédire les effets secondaires des médicaments. / Vision is considered the most important sense, taking on about 80% of the perceptions we receive in our everyday life. Cone-photoreceptors are responsible for high-resolution central vision and color discrimination, and their degeneration is frequently the cause of vision loss in retinal degenerative diseases (RDs). RDs are a heterogeneous group of diseases affecting millions of people worldwide, which at the moment are mostly without any therapeutic option. Animal models are extremely useful in studying the retina's development or degeneration and understanding the molecular mechanisms in inherited genetic disease affecting photoreceptors. Modeling human developmental and degenerative diseases can be particularly challenging, especially in the case of rare and complex diseases where no exhaustive animal models are available. Generation of sustainable human disease models that allow in-depth analysis of the molecular mechanism is one of the big challenges nowadays. Stem cell technology holds great potential in disease modeling and represents a new powerful tool for generating scalable and animal-free models that can more accurately illustrate clinical phenotypes of complex human diseases. We developed a protocol to differentiate pluripotent stem cells (PSCs) into retinal sheets (RSs), which are polarized, multi-layered tissues containing cone photoreceptors and expressing outer segment (OS), connecting cilium (CC), and nuclear specific markers. Using both mouse and stem cells-based humanized models, we first investigate the role of BMI1 in mature photoreceptors. The Polycomb group protein Bmi1 is known for its neuroprotective functions by controlling senescence and apoptosis and is expressed in both retinal progenitor and neurons, but little is known about its specific role in the adult retina. It has been recently linked to late-onset neurodegenerative disorders, and it could have a role in the pathology of late-onset RDs, such as Age-related Macular Degeneration (AMD). We showed that cone photoreceptors and bipolar neurons are generated normally but then undergo rapid degeneration in Bmi1-/- mice through Rip3-associated necroptosis. Degeneration was associated with chromatin compaction anomalies, activation of tandem-repeats, and oxidative stress. Furthermore, we show that BMI1 is preferentially expressed in cones at heterochromatic foci in the human retina. Its inactivation in human embryonic stem cells (hESCs) impaired cone terminal differentiation and resulted in chromatin compaction anomalies, activation of tandem-repeats, and P53 induction. These findings provide a mechanism explaining how Bmi1 deficiency leads to cone degeneration and reveal conserved biological functions and differences for Bmi1 in photoreceptor biology between mouse and man. Using an induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) based human model, we then investigate the degenerative process in patients with ciliopathies, a group of heterogeneous genetic diseases affecting proteins involved in primary cilium structure and function frequently accompanied by retinal degeneration. We generate iPSC-derived retinal sheets from patients affected by two ciliopathies, Meckel-Gruber (MKS) and Bardet-Biedl syndromes (BBS). Ciliopathic photoreceptors displayed significant common alterations in the expression of hundreds of developmental genes. Moreover, they showed several anomalies in the formation and maintenance of cilia, the mother centriole's positioning, the activation of a stress response to misfolded proteins, genomic instabilities, and DNA damage accumulation. This study reveals how combining cell reprogramming and organogenesis technologies with next-generation sequencing enables the elucidation of molecular and cellular mechanisms involved in human retinal degenerative and developmental disorders. The same approach, combining photoreceptor sheet differentiation and wide-genome expression profile, could be applied to model many genetic, developmental, and degenerative diseases affecting photoreceptors. It may help elucidate the molecular mechanisms underlining these diseases, drug screening of compounds with potential therapeutic effects, and predict drug side effects.

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(医学) / 乙第13159号 / 論医博第2146号 / 新制||医||1029(附属図書館) / (主査)教授 河本 宏, 教授 前川 平, 教授 髙折 晃史 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

The rubella virus (RV) was the first virus shown to be teratogenic in humans. The wealth of data on the clinical symptoms associated with congenital rubella syndrome is in stark contrast to an incomplete understanding of the forces leading to the teratogenic alterations in humans. This applies not only to RV, but also to congenital viral infections in general and includes (1) the mode of vertical transmission, even at early gestation, (2) the possible involvement of inflammation as a consequence of an activated innate immune response, and (3) the underlying molecular and cellular alterations. With the progress made in the development of pluripotent stem cell-based models including organoids and embryoids, it is now possible to assess congenital virus infections on a mechanistic level. Moreover, antiviral treatment options can be validated, and newly emerging viruses with a potential impact on human embryonal development, such as that recently reflected by the Zika virus (ZIKV), can be characterized. Here, we discuss human cytomegalovirus (HCMV) and ZIKV in comparison to RV as viruses with well-known congenital pathologies and highlight their analysis on current models for the early phase of human development. This includes the implications of their genetic variability and, as such, virus strain-specific properties for their use as archetype models for congenital virus infections. In this review, we will discuss the use of induced pluripotent stem cells (iPSC) and derived organoid systems for the study of congenital virus infections with a focus on their prominent aetiologies, HCMV, ZIKV, and RV. Their assessment on these models will provide valuable information on how human development is impaired by virus infections; it will also add new insights into the normal progression of human development through the analysis of developmental pathways in the context of virus-induced alterations. These are exciting perspectives for both developmental biology and congenital virology.