京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第19966号 / 医博第4156号 / 新制||医||1017(附属図書館) / 33062 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 原田 浩, 教授 岩田 想, 教授 岩井 一宏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les motoneurones spinaux occupent la place centrale du système moteur. Ils intègrent l’ensemble des informations provenant de système nerveux central et périphérique pour élaborer une commande motrice finale adaptée aux demandes de l’organisme et aux contraintes de l’environnement. En particulier, le seuil de recrutement et la fréquence de décharge des motoneurones sont des paramètres déterminants dans l’élaboration d’un signal approprié à l’intensité de l’effort requis. Il permet de définir l’ordre dans lequel les unités motrices sont recrutées au cours d’une activité physique : des unités motrices de type lent (S) pour le maintien de la posture, aux unités motrices de type rapide pour les efforts d’intensité modérée (FR) et de forte intensité (FF). Cette étude met en évidence l’existence d’un nouvel acteur mis en jeu dans la régulation de l’excitabilité motoneuronale. Il s’agit du canal chlorure activé par le calcium TMEM16F exprimé spécifiquement dans les motoneurones α au niveau des synapses cholinergiques appelées « bouton C ». A l’instar du rôle des boutons C, TMEM16F est nécessaire pour l’exécution d’un effort de forte intensité. En effet, en adéquation avec les enregistrements électrophysiologiques montrant une élévation du seuil de recrutement des motoneurones rapides TMEM16F-/-, la perte de TMEM16F induit des défauts moteurs à l’effort.La sclérose latérale amyotrophique (SLA), est une maladie neurodégénérative conduisant à la mort sélective des motoneurones. Parmi les processus pathologiques décrits, nous savons que l’excitabilité motoneuronale et l’homéostasie calcique constituent des éléments majeurs de la progression de la SLA. Ce sont des facteurs de vulnérabilité qui participent à la dégénérescence séquentielle des motoneurones FF et suivie des motoneurones FR. Étant donné la sensibilité de TMEM16F au calcium et son implication dans la régulation de l’excitabilité motoneuronale, nous avons inhibé l’expression de ce canal dans un modèle murin de SLA SOD1G93A et réalisé une étude longitudinale. Celle-ci met en évidence un effet protecteur de la délétion de TMEM16F qui est dépendant du genre. / Spinal motoneurons have a prominent place in motor system. Motoneurons integrate all inputs from the central and peripheral nervous systems to construct a motor output adapted to the organism's demands and environmental constraints. In particular, recruitment threshold and firing frequency are key motoneuronal parameters in developing an appropriate signal regarding task-dependent demands. During muscle activity, motor units are orderly recruited beginning with slow-type (S) motor units for posture maintenance, followed by fast-type motor units for moderate intensity tasks (FR) and high intensity tasks (FF). Our study highlights a new factor involved in the regulation of motoneuron excitability. This refers to a calcium-activated chloride channel called TMEM16F, specifically expressed in α motoneurons at cholinergic C-bouton synapse. Likewise C-boutons, TMEM16F is required for the procution of high intensity effort. Indeed, in accordance with electrophysiological recordings showing an increase in recruitment threshold of fast TMEM16F-/- motoneurons, TMEM16F loss of function induces motor defects during an effort.Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease leading to the selective death of motoneurons. Among the pathological processes already described, we know that motoneuronal excitability and calcium homeostasis are major features in ALS progression. Those are vulnerability factors which contribute to sequential degeneration starting with FF motoneurons and followed by FR motoneurons. Given the TMEM16F sensitivity to calcium and its involvement in regulating motoneuron excitability, we inhibited its expression in a SOD1G93A mouse model of ALS and conducted a longitudinal study. It highlights a gender-dependent protective effect of TMEM16F loss.

Spinal Muscular Atrophy with Progressive Myoclonic Epilepsy (SMA-PME), Farber Lipogranulomatosis (FL), and a rare variant form of Neonatal Progeroid Syndrome (NPS) are three monogenetic rare disorders caused by pathogenic variation in genes encoding lipid modifying proteins. FL and SMA-PME are caused by loss of function mutations in ASAH1, encoding the acid ceramidase (aCDase) enzyme. It is not, however, known how aCDase deficiency can produce either the isolated neurological symptoms of SMA-PME or the predominantly systemic symptoms of FL. Further, a recently identified variant form of NPS has been attributed to variants in ANO6, encoding a dual function calcium-activated chloride channel and glycerophosphoserine (GPS) scramblase. Here, it is not known how ANO6 mutation causes the premature aging phenotype that defines NPS. To address these questions, I sought to elucidate pathogenic changes in lipid metabolism that associate clinical phenotype. I show here that the different patient mutations in ANO6 cause a non-physiological gain of channel function and either a loss or gain of scramblase function depending on the variant expressed. Both variants, however, alter GPS metabolic homeostasis suggesting a common mechanism of action. To provide in vivo insight, I characterized a novel mouse model based on our NPS patient genetics, showing extremely low penetrance of disease symptoms in terms of live births yet confirming that affected animals show impaired GPS metabolism in affected organs. Next, I characterized the clinical presentation of six new patients with SMA-PME and identified distinct sphingolipid metabolic fingerprints in FL and SMA-PME cells. I show that FL is defined by a hypometabolic sphingolipid phenotype with cellular and molecular features of a classic lysosomal storage disorder. By contrast, SMA-PME has a hypermetabolic sphingolipid phenotype with features of non-classic lysosomal trafficking disorders. To provide clinical insight, I assessed the potential of enzyme replacement therapy, demonstrating a rescue of sphingolipid metabolism in SMA-PME patient cells. Together, this thesis identified changes in the cellular and tissue lipid profiles of patients with ANO6-NPS, SMA-PME, or FL, elucidating some of the lipid-centric pathomechanisms of these diseases.