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Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales très fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés sur 1000 naissances. Elles résultent d’une fermeture incomplète du tube neural lors de l’embryogenèse. L’étiologie des ATN est complexe impliquant des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. La souris représente un outil puissant afin de mieux comprendre la génétique des ATN. Particulièrement, la souris modèle a impliqué fortement la voie de la polarité cellulaire planaire (PCP) dans ces malformations. Dans cette étude, nous avons identifié et caractérisé une nouvelle souris mutante, Skam26Jus dans le but d’identifier un nouveau gène causant les ATN. Skam26Jus a été générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera. Cette souris est caractérisée par une queue en forme de boucle ou de crochet, soit un phénotype associé aux ATN. La complémentation génétique de la souris Skam26Jus avec une souris mutante d’un gène de la voie PCP Vangl2 (Looptail) a montré une interaction génétique entre le gène muté chez Skam26Jus et Vangl2, suggérant que ces deux gènes fonctionnent dans des voies de signalisation semblables ou parallèles. Un total de 50% des embryons doubles hétérozygotes avec un phénotype de la queue présentent un spina bifida. La cartographie par homozygotie du génome entier suivie par un clonage positionnel a permis d’identifier Lrp6 comme le gène muté chez Skam26Jus. Une mutation homozygote, p.Ile681Arg, a été identifiée dans Lrp6 chez les souris ayant une queue en boucle/crochet. Cette mutation était absente dans 30 souches génétiques pures indiquant que cette mutation est spécifique au phénotype observé. Une étude de phénotype-génotype évalue la pénétrance à 53 % de la mutation Ile681Arg. Lrp6 est connu pour activer la voie canonique Wnt/β-caténine et inhiber la voie non canonique Wnt/PCP. Le séquençage de la région codante et de la jonction exon-intron de LRP6 chez 268 patients a mené à l’identification de quatre nouvelles rares mutations faux sens absentes chez 272 contrôles et de toutes les bases de données publiques. Ces mutations sont p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile; p.Tyr1541Cys et leur pathogénicité prédite in silico indiquent que p.Val1386Ile est bénigne, et que p.Tyr306Hiset p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys sont i possiblement dommageables. Les mutations p.Tyr306His, p.Tyr373Cys et p.Tyr1541Cys ont affecté l’habilité de LRP6 d’activer la voie Wnt/β-caténine en utilisant le système rapporteur luciférase de pTOPflash. Nos résultats suggèrent que LRP6 joue un rôle dans le développement des ATN chez une petite fraction de patients ayant une ATN. Cette étude présente aussi Skam26Jus comme un nouveau modèle pour étudier les ATN chez l’humain et fournit un outil important pour comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine des A TN. / Neural tube defects (NTDs) are among the most common congenital malformations in humans affecting 1–2 infants per 1000 births. NTDs are caused by failure of the neural tube to close during embryogenesis. The most common forms of NTDs in humans are anencephaly and spina bifida. Their etiology is complex implicating both environmental and genetic factors. The mouse model represents a powerful tool to investigate the genetics of NTDs. Particularly, mouse mutants at genes belonging to the planar polarity pathway (PCP) developed severe forms of NTDs strongly implicating this pathway in the pathogenesis of NTDs. In this study, we identified and characterized a novel mouse mutant, Skam26Jus, as a model for NTDs. Skam26Jus was generated by N-Ethyl-N-Nitrosuera mutagenesis and displayed a characteristic kinky or loop tail that is considered as the minimal sign if NTDs. Complementation of Skam26Jus mutant with a PCP mouse mutant called Looptail (Lp) showed a genetic interaction between Skam26Jus and Vangl2, the gene mutated in Lp. This led to spina bifida in 50% of double heterozygotes with a kinky or looptail phenotype. Homozygosity mapping followed by a positional candidate gene approach led to the identification of Lrp6 as the gene mutated in Skam26Jus. We detected a homozygous mutation, p.Ile681Arg, in Lrp6 in Skam26Jus mice having loop/kinky tail phenotype. This mutation was absent in 30 inbred strains analyzed indicating that it is disease specific. Genotype-phenotype studies indicated a 52 % penetrance of the p.Ile681Arg mutation. Lrp6 is known to activate Wnt canonical β-catenin pathway and inhibit Wnt non canonical PCP pathway. Sequencing analysis of the open reading frame and exon-intron junctions of human LRP6 in 268 NTD patients led to the identification of 4 novel rare missense mutations that were absent in 272 controls analyzed and in all public databases. These mutations were p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys ; p.Val1386Ile ; p.Tyr1541Cys, and of these, p.Val1386Iso was predicted to be benign, and p.Tyr306His ; p.Tyr373Cys and p.Tyr1541Cys were predicted to be possibly pathogenic using bioinformatics tools. Functional validation of these mutations with the luciferase reporter system pTOPflash assay demonstrated that mutation p.Tyr306His, p.Tyr373Cys and iii p.Tyr1541Cys reduced the ability of LRP6 to activate the Wnt canonical β-catenin pathway. Our data suggest that LRP6 could play a role in the development of NTDs in a small fraction of NTD patients. Our study also presents Skam26Jus as a new mouse model for the study of human NTDs and provides an important tool for better understanding of the molecular pathogenic mechanisms underlying NTDs.

Plusieurs expériences et études cliniques ont démontré que l’activation du système rénine-angiotensine (RAS) peut induire l’hypertension, un facteur de risque majeur pour les maladies cardiovasculaires et rénales. L’angiotensinogène (Agt) est l’unique substrat du RAS. Cependant, il n’a pas encore été démontré si l’activation du RAS intrarénal peut à elle seule induire des dommages rénaux, indépendamment de l’hypertension systémique, et ainsi jouer un rôle prépondérant dans la progression de la néphropathie diabétique. Afin d’explorer le rôle du RAS intrarénal dans les dommages rénaux, un diabète a été induit par l’injection de streptozotocin chez des souris transgéniques (Tg) surexprimant l’Agt de rat dans les cellules des tubules proximaux du rein (RPTC). Les souris Tg diabétiques ont été traitées soit avec des inhibiteurs du RAS (perindopril et losartan), de l’insuline ou une combinaison des deux pour 4 semaines avant d’être euthanasiées. Pour une autre étude, des souris Tg non-diabétiques ont été traitées soit avec des inhibiteurs du RAS, l’hydralazine (vasodilatateur) ou l’apocynine (inhibiteur de la NADPH oxydase) pour une période de 8 semaines avant l’euthanasie. Des souris non-Tg ont été utilisées comme contrôles. Des cellules immortalisées de tubule proximal de rat (IRPTC) transfectées de manière stable avec un plasmide contenant l’Agt ou un plasmide contrôle ont été employées comme modèle in vitro. Nos résultats ont démontré que les souris Tg présentaient une augmentation significative de la pression systolique, l’albuminurie, l’apoptose des RPTC et l’expression de gènes pro-apoptotiques par rapport aux souris non-Tg. Les mêmes changements ont été observés chez les souris Tg diabétiques par rapport aux souris non-Tg diabétiques. L’insuline et/ou les inhibiteurs du RAS ont permis d’atténuer ces changements, sauf l’hypertension qui n’était réduite que par les inhibiteurs du RAS. Chez les IRPTC transfectées avec l’Agt in vitro, les hautes concentrations de glucose augmentent l’apoptose et l’activité de la caspase-3 par rapport aux cellules contrôles et l’insuline et/ou les inhibiteurs du RAS empêchent ces augmentations. En plus des changements physiologiques, les RPTC des souris Tg présentent aussi une augmentation significative de la production des espèces réactive de l’oxygène (ROS) et de l’activité de la NADPH oxydase, ainsi qu’une augmentation de l’expression du facteur de croissance transformant-beta 1 (TGF-β1), de l’inhibiteur activateur du plasminogène de type 1 (PAI-1), des protéines de la matrice extracellulaire, du collagène de type IV et de la sousunité p47 de la NADPH oxydase. Le traitement des souris Tg avec l’apocynine et le perindopril a permis d’améliorer tous ces changements, sauf l’hypertension qui n’était pas corrigée par l’apocynine. D’autre part, l’hydralazine a prévenu l’hypertension, sans modifier l’albuminurie, l’apoptose des RPTC ou l’expression des gènes pro-apoptotiques. Ces résultats montrent bien que l’activation du RAS intrarénal et l’hyperglycémie agissent de concert pour induire l’albuminurie et l’apoptose des RPTC, indépendamment de l’hypertension systémique. La génération des ROS via l’activation de la NADPH oxydase induit en partie l’action du RAS intrarénal sur l’apoptose des RPTC, la fibrose tubulo-interstitielle et l’albuminurie chez les souris Tg. D’autre part, une expérience en cours a tenté d’encore mieux délimiter les effets de l’activation du RAS intrarénal, tout en éliminant la néphrotoxicité du STZ. Pour cette étude, les souris Tg surexprimant l’Agt de rat dans leurs RPTC ont été croisées aux souris Ins2Akita, un modèle spontané de diabète de type I, afin de générer des souris Akita-rAgt-Tg. Les résultats préliminaires indiquent que le RAS intrarénal est activé dans les souris Akita et que la combinaison avec l’hyperglycémie induit du stress du réticulum endoplasmique (ER) dans les RPTC in vivo. Le stress du ER contribue à l’apoptose des RPTC observée dans le diabète, à tout le moins dans le modèle Akita. Le traitement avec des inhibiteurs du RAS permet d’atténuer certains des dommanges rénaux observés dans les souris Akita-rAgt-Tg. / Experimental and clinical studies have shown that renin-angiotensin system (RAS)activation may lead to hypertension, a major cardiovascular and renal risk factor. Angiotensinogen (Agt) is the sole substrate of the RAS. However, it is unclear whether intrarenal RAS activation alone could induce kidney injury independently of systemic hypertension and play an important role in the progression of diabetic nephropathy (DN). To explore the role of intrarenal RAS in kidney injury, transgenic (Tg) mice overexpressing rat Agt in their renal proximal tubular cells (RPTCs) were rendered diabetic by streptozotocin (STZ). Diabetic Tg mice were treated with RAS blockers (perindopril and losartan), insulin or a combination of both and then euthanized after 4 weeks of treatment. In a separate study, non-diabetic Tg mice were treated with RAS blockers or hydralazine (a vasodilator) or apocynin (an NADPH oxidase inhibitor) and then euthanized after 8 weeks of treatment. Non-Tg littermates served as controls in both studies. Immortalized rat proximal tubule cells (IRPTCs) stably transfected with Agt cDNA or control plasmid were used in the experiments as an in vitro model. Our results showed that non-diabetic Tg mice displayed a significant increase in systolic blood pressure (SBP), albuminuria, RPTC apoptosis, and proapoptotic gene expression. Diabetic Tg mice had a further increase of albuminuria, RPTC apoptosis, and proapoptotic gene expression, though the SBP of the diabetic Tg mice was similar to that of non-diabetic Tg mice. RAS blockers and/or insulin treatments markedly attenuated these changes, except that insulin had no impact on hypertension. In vitro, high-glucose melieu significantly increased apoptosis and caspase-3 activity in Agt stable transfectants compared to control cells, and these changes were attenuated by insulin and/or RAS blockers. Furthermore, non-diabetic Tg mice showed significantly elevated reactive oxygen species (ROS) production and NADPH oxidase activity, as well as enhanced expression of transforming growth factor-beta 1 (TGF-β1), plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1), extracellular matrix proteins, collagen type IV, and NADPH oxidase subunit p47 in their RPTC. Treatment with apocynin and perindopril ameliorated these changes, but apocynin had no effect on SBP. In contrast, hydralazine prevented hypertension but not albuminuria, RPTC apoptosis, or proapoptotic gene expression. These data indicate that intrarenal RAS activation and hyperglycemia act in concert to induce albuminuria and RPTC apoptosis independent of systemic hypertension. ROS generation via NADPH oxidase activation mediates, at least in part, intrarenal RAS action on RPTC apoptosis, tubulointerstitial fibrosis and albuminuria in Tg mice. On the other hand, in an on-going experiment, to avoid the nephro-toxic effects of STZ and further delineate the effects of intrarenal RAS activation, Tg mice overexpressing rat Agt in their RPTCs were crossbred with Ins2Akita mice, a spontaneous type I diabetes model, to generate Akita-rAgt-Tg mice. Preliminary data indicated that hyperglycaemia and intrarenal RAS activation induced endoplasmic reticulum (ER) stress in RPTC in vivo, and the ER stress pathway contributed to RPTC apoptosis in diabetes, at least in the Akita model. RAS blockade was effective in attenuating some parameters of renal injury in AkitarAgt-Tg mice.

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Les tumeurs des cellules de la granulosa (GCTs) sont des tumeurs avec un potentiel malin ayant tendance à récidiver, provoquant ainsi la mort dans 80% des cas de stade avancé consécutif à une rechute. Bien que les GCTs représentent 5% des tumeurs ovariennes, peu d’études ont évalué les protocoles de traitement adjuvant pour la maladie avancée ou récurrente. Notre but était d’évaluer l’efficacité de la voie de signalisation du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire A (VEGFA) comme cible pour le traitement de la GCT utilisant le modèle murin transgénique Ptentm1Hwu/tm1Hwu; Ctnnb1tm1Mmt/+; Amhr2tm3(cre)Bhr/+ (PCA) qui reproduit le stade avancé de la maladie humaine. Un anticorps anti-VEGFA a été administré une fois par semaine par voie intrapéritonéale (IP) à partir de 3 semaines d’âge. La thérapie anti-VEGFA a permis une réduction de la taille des tumeurs à 6 semaines d’âge (p<0.05) et une prolongation de la survie des animaux traités, lorsque comparé aux animaux contrôles. L’analyse des GCTs a montré une réduction significative de la prolifération cellulaire (p<0.05) et de la densité microvasculaire (p<0.01) mais aucune différence significative n’a été détectée dans l’apoptose cellulaire. p44/p42 MAPK, un effecteur de la signalisation pour le récepteur 2 de VEGFA (VEGFR2) associé à la prolifération cellulaire, était moins activé dans les tumeurs traitées (p<0.05). Par contre, l’activation d’AKT, un effecteur impliqué dans la survie cellulaire, était similaire d’un groupe à l’autre. Ces résultats suggèrent que l’anticorps anti-VEGFA réduit la prolifération cellulaire et la densité microvasculaire chez les souris PCA par inhibition de la voie de signalisation VEGFR2-MAPK, inhibant ainsi la croissance tumorale. En conclusion, l’efficacité de la thérapie anti- VEGFA mérite d’être évaluée en essais contrôlés randomisés pour le traitement des GCTs chez l’homme. / Ovarian granulosa cell tumors (GCTs) are potentially malignant tumors that have a tendency for late recurrence and cause death in 80% of women with advanced GCT due to recurrent disease. Although GCTs represent 5% of ovarian tumors in women, few studies have evaluated adjuvant treatment protocols for advanced or recurrent disease. Our goal was to determine the potential of targeting the vascular endothelial growth factor A (VEGFA) signaling pathway for the treatment of GCT. We used a genetically engineered mouse model, Ptentm1Hwu/tm1Hwu; Ctnnb1tm1Mmt/+; Amhr2tm3(cre)Bhr/+ (PCA), which imitates the advanced human disease. A monoclonal anti-VEGFA antibody was administered by intra-peritoneal injection once a week beginning at 3 weeks of age. Anti-VEGFA therapy significantly decreased tumor weights by 6 weeks of age (p<0.05) and increased survival in treated animals in comparison to controls. Significant decreases in tumor cell proliferation (p<0.05) and microvessel density (p<0.01), but no significant difference in apoptosis was found in PCA tumors. p44/p42 MAPK, a VEGFA receptor 2 (VEGFR2) signaling effector associated with cell proliferation, was significantly less activated in anti-VEGFA-treated tumors (p<0.05). In contrast, AKT activation, a VEGFR2 signaling effector associated with cell survival was similar among all groups. These results suggest that anti-VEGFA therapy effectively reduces cell proliferation and microvessel density in PCA mice by inhibition of the VEGFR2-MAPK pathway, resulting in inhibition of GCT growth. We conclude that anti-VEGFA therapy merits further investigation in the form of controlled randomized trials for the treatment of human GCT.

Heterozygous and recently identified homozygous mutations in the SPTBN2 gene, encoding b-III spectrin, are implicated in spinocerebellar ataxia type 5 (SCA5) and spectrin-associated autosomal recessive cerebellar ataxia type 1 (SPARCA1), respectively. Our mouse model, lacking b-III spectrin (KO), mimics the progressive human phenotype displaying motor deficiencies as well as reduced Purkinje cell firing frequency followed by dendritic tree degeneration and cell death. The aims of this study were to evaluate progression of Purkinje cell degeneration following loss of b-III spectrin function and determine whether the reintroduction of C-terminus (C-trm) of b-III spectrin to the cerebellum is enough to halt, alleviate or reverse the disease phenotype. Additionally, this study investigated whether the abnormal electrophysiological and morphological phenotypes of Purkinje cells from KO mice are re-capitulated in a primary cerebellar culture and if so, whether they could be rescued by modulating calcium signaling. Morphological and histological analyses revealed that Purkinje cell degeneration is not uniform throughout the cerebellum of KO mice with Purkinje cells from posterior cerebellar regions possessing significantly smaller dendritic trees when compared to anterior cerebellum (p=0.0003, N=4-6, n=11-29). Similarly, significant reduction in Purkinje cell density was observed in posterior, not anterior regions of KO mice when compared to WT animals (p=0.014, N=3) and reduced tonic firing is most significant in Purkinje cells from the posterior cerebellum compared to WT mice (p=0.0328, N=3-6, n=11-29), with posterior KO PCs appearing to have elevated input resistance. Two-week expression of C-trm b-III spectrin in 3-month old KO animals significantly reduced Purkinje cell input resistance when compared to non-transduced cells (p=0.0139, N=4-5, n=15), but no effect was seen 9 months after viral injection. In contrast, a difference in cell surface area was no longer detected between WT and KO animals at 12 months of age following 9-months of viral expression. Nevertheless, using the elevated beam test motor deterioration was still observed 5 months after surgery (p=0.0023, N=4). In contrast, earlier stereotaxic injections at 6-weeks of age had a positive effect on mice motor performance with no deterioration in performance detected 5 months after the surgery. Latency to stay on the rotarod at 3 rpm was also significantly extended 6 months after stereotaxic injections at 6-weeks of age with slower motor deterioration (p=0.0348, N=6). In primary cerebellar cultures, Purkinje cells from KO animals exhibit an abnormal morphology with significantly more dendritic branches (p < 0.0001, N=4-7, n=35-69) and a larger total dendritic length (p=0.0079). Chronic application of 2 μM mibefradil, a T-type calcium channel blocker, was observed to reduce total dendritic length and branching in KO animal cultures bringing these morphological measurements closer to WT Purkinje cell levels. Finally although after 14 days in vitro 40% of Purkinje cells were found to be spontaneously firing, no significant difference in firing frequency (p=0.9434) or input resistance (p=0.8434, N=4, n=6-10) was detectable between WT and KO cultures. In summary, Purkinje cells in posterior cerebellar regions of KO mice were found to be more susceptible to dendritic degeneration and cellular death than cells in the anterior cerebellum. Expression of C-trm b-III spectrin at 3 months of age had an immediate effect on cell input resistance and a modest effect on Purkinje cell morphology but no effect on motor decline. Viral injections at 6-weeks of age, however, significantly slowed motor decline. Although an abnormal KO cell morphology could be successfully recapitulated in primary cell culture, it was not possible to discern any differences in electrophysiological properties. Nevertheless, the abnormal cell morphology was successfully modified in vitro by manipulating calcium signaling via T-type calcium channels.

Neurodegenerative diseases are becoming increasingly prevalent due to the ageing population, and are among the major contributors to disability and disease worldwide. The identification of the gene defects responsible for many of these conditions has played a major role in our understanding of the pathogenic processes involved, and provided opportunity to develop targeted treatment strategies. Cholinergic neurotransmission supports a wide range of physiological and behavioural processes and its dysfunction of cholinergic signalling has been associated with a number of disorders, including myasthenias, cardiovascular disease(1), attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD) (2), Alzheimer’s disease (ADi), schizophrenia, addiction(3), and depression(4). SLC5A7 encodes the Na+/Cl- dependent, high-affinity choline transporter (CHT) which represents the rate limiting step in acetylcholine (Ach) synthesis and is critical for normal cholinergic signalling. The work in this thesis details two new inherited disorders, caused by distinct pathogenic disease mechanisms, associated with novel SLC5A7 mutations. Chapter three documents the discovery of two autosomal-dominantly acting SLC5A7/CHT mutations associated with adult onset motor neurone disorders. Initially we identified a frameshift mutation that results in premature truncation of the transporter protein in a large Welsh kindred affected with distal hereditary motor neuropathy type VII (dHMN-VII), in which neurodegeneration and muscle paresis is largely restricted to the distal limb muscles and vocal cords. The mutation responsible results in the dominant-negative interference of the mutant molecule with function of the wild type choline transporter, resulting in significantly reduced (although not completely abolished) transporter activity. This finding is further evidenced by the discovery of a second dHMN family associated with a distinct frameshift SLC5A7 mutation indicative of a similar dominant-negative disease mechanism. Together these findings corroborate a dominant-negative disease mechanism arising from C-terminal truncating SLC5A7 mutations associated with dHMN, and provide further insight into the role of aberrant choline transporter function in neurological disease. Chapter four describes N-terminal missense mutations located in the transmembrane spanning region of SLC5A7/CHT, associated with a severe infantile neuromuscular disorder characterised by predominantly central hypotonia and developmental delay. The phenotypic effects of these mutations are likely to result from the near abolition of CHT-mediated choline transport in homozygous individuals, and are in keeping with those observed in CHT knock-out mouse models(5). The development of a mouse model of the human motor neurone disease arising from SLC5A7 frameshift mutations should allow for further investigation of the mechanism by which truncated CHT leads to the dHMN phenotype. Chapter 5 details treatment hypotheses for dHMN, as well as the generation of a patient-specific knock-in mouse model carrying an Slc5a7 mutation orthologous to that identified in dHMN-VII families in chapter 3, and results from preliminary neurological phenotyping of the mouse model. This model will be crucially important for the exploration of treatment options in dHMN-VII motor neurone disease as a prelude to clinical trials in humans.

CDG-Ia ist eine genetisch bedingte Stoffwechselstörung, die eine fehlerhafte Synthese von Glykoproteinen zur Folge hat. Ursache sind Mutationen in der genetischen Information für das Enzym Phosphomannomutase II (PMM2). Inhalt dieser Arbeit ist die Generierung von zwei Gene-Targeting-Vektoren (GTV) und den entsprechenden transgenen embryonalen Maus-Stammzellen, welche jeweils die beiden häufigsten Mutationen R141H und F119L (R137H und F115L im Maus-Genom) tragen. Ausgangsprodukt ist ein Teil des murinen Pmm2-Gens, welcher in einen pBlueScript-Vektor subkloniert wird. Mit gezielter in-vitro-Mutagenese erfolgt das Einbringen der jeweiligen Mutation. Als Selektionsmarker für beide GTV dient ein von zwei loxP- Sequenzen flankiertes Neomycin-Resistenz-Gen (Neo). Die beiden derart konstruierten GTV, welche jeweils die Mutation F115L bzw. R137H beinhalten, werden als linearisiertes Konstrukt durch Elektroporation in embryonale Mausstammzellen transferiert. Nach Überprüfung der erfolgreichen homologen Rekombination wird je ein Stammzell-Klon mit dem Genotyp F115L/WT und R137H/WT mit einem Cre-Rekombinase-Gen transfiziert und die erfolgreiche Entfernung des Neo-Gens überprüft. Mit diesen transgenen Stammzellen sollen hypomorphe Mausmodelle für CDG-Ia generiert werden.