Clinical and molecular characterisation of type I interferonopathies

par Isabelle Melki

Thèse de doctorat en Génétique

Sous la direction de Yanick J. Crow.

Soutenue le 29-11-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Zahir Amoura.

Le jury était composé de Yanick J. Crow, Zahir Amoura, Thierry Walzer, Carine Wouters, Brigitte Bader-Meunier, Alexandre Belot.

Les rapporteurs étaient Zahir Amoura, Thierry Walzer.

  • Titre traduit

    Caractérisation clinique et moléculaire des interféronopathies de type I


  • Résumé

    Les interférons de type I (IFN I) sont des cytokines antivirales aux propriétés puissantes. L’induction, la transmission et la résolution de la réponse immunitaire engendrée par les IFN I est minutieusement régulée. Le concept d’interféronopathie de type I, récemment individualisé par notre équipe, repose sur l’hypothèse que certaines pathologies seraient secondaires au déséquilibre de ces voies de signalisation complexes et à la sécrétion excessive et inappropriée d’IFN I. L’inhibition de celle-ci par des thérapeutiques ciblées permettrait de valider cette hypothèse, si les symptômes allégués s’amélioraient, voire disparaissaient. Ce travail de thèse s’est initialement concentré sur la caractérisation clinique et biologique des interféronopathies monogéniques et polygéniques, et secondairement sur l’identification moléculaire de nouvelles mutations du gène TMEM173 à l’origine de l’interféronopathie liée à STING, également appelée SAVI (STING associated vasculopathy with onset in infancy), syndrome auto-inflammatoire associant une atteinte sévère cutanée et pulmonaire. De nouvelles techniques ont permis la sélection de patients présentant une augmentation de l’IFN I en comparaison à des contrôles sains : la signature IFN I, qPCR de 6 gènes stimulés par l’IFN (IFN stimulated genes – ISGs) et le dosage d’IFN alpha sérique ou plasmatique par méthode du SIMOA (single molecule array) permettant la détection de molécules d’IFN de l’ordre du femtogramme (10-18g). Ces méthodes nous ont ainsi permis d’élargir le spectre clinique phénotypique des interféronopathies de type I, initialement considéré comme essentiellement neurologique. Les patients atteints du syndrome d’Aicardi-Goutières, première interféronopathie monogénique décrite, présentaient les signes suivants : dystonie, spasticité, décalage des acquisitions, calcifications intra-cérébrales et anomalies de la substance blanche. Cependant, l’utilisation systématique de nos méthodes de criblage associée à l’avènement des technologies de séquençage à haut débit (next generation sequencing – NGS) a permis de révéler un phénotype plus large, caractéristique des interféronopathies de type I : sur le plan cutané (engelures, vascularite nécrosante des extrémités, sclérodermie), pulmonaire (pneumopathie interstitielle isolée ou non), musculo-squelettique (arthralgies, arthrites, arthropathie de Jaccoud, myalgies et myosites), ophtalmologique (glaucome), néphrologique (néphropathies lupiques), gastro-entérologique (maladies inflammatoires chroniques intestinales précoces), associées à de l’auto-immunité ou un déficit immunitaire inconstants. Notre méthode de sélection nous a notamment permis d’identifier des patients présentant de manière variable des signes cardinaux de SAVI et une de trois nouvelles mutations activatrices dans une région spécifique du gène TMEM173 (codant pour STING). Ces mutations circonscrivent une région de la protéine à ce jour encore jamais impliquée dans le contrôle de la voie de l’IFN I. STING est une protéine du réticulum endoplasmique qui agit comme adaptateur cytosolique de senseurs intracellulaires d’ADN viral dans une voie de signalisation de l’IFN I. STING active TBK1 (TANK-binding kinase) et permet la transcription des IFN I par la phosphorylation d’IRF3. La Janus Kinase 1 (JAK1) et la tyrosine kinase 2 (TYK2) sont activées suite à la stimulation des récepteurs de l’IFN I et phosphorylent les facteurs de transcription STAT1 et STAT2, conduisant à l’expression de nombreux ISGs. Les analyses génétiques, de conformation tridimensionnelle, sur un modèle cellulaire in vitro (HEK293T) et ex vivo sur cellules mononuclées périphériques des patients nous ont ainsi permis de mettre en évidence pour ces mutations un caractère constitutionnellement activé, indépendant de la liaison au ligand cGAMP, mais transmettant ce signal à travers la voie d’aval par TBK1. (...)


  • Résumé

    Type I interferons (IFN I) are antiviral cytokines with potent properties. Hence, the induction, transmission and resolution of the immune response generated by IFN I is tightly regulated. The concept of the type I interferonopathies, recently formulated by our team, rests on the assumption that some diseases arise from a disturbance of this complex signalling pathway, leading to excessive and inappropriate IFN I secretion. On this basis, targeted therapeutics should improve or cure features of such type I interferonopathies, thereby providing a validation of the underlying hypothesis. This PhD project initially focused on the clinical and biological characterisation of monogenic and polygenic interferonopathies, and secondarily on the molecular identification of novel mutations in the gene TMEM173 causing the interferonopathy called STING associated vasculopathy with onset in infancy (SAVI), an auto-inflammatory syndrome with severe cutaneous and pulmonary features. Our selection of patients in comparison to healthy controls was made possible through the use of novel screening tools: IFN signature (qPCR of 6 IFN stimulated genes – ISGs), and measurement of IFN alpha protein levels in serum or plasma (SIMOA-single molecule array - enabling the detection of molecules of IFN in the femtogram [10-18g]) range. In this way, we have been able to expand the phenotypic spectrum of the interferonopathies, which was initially considered as primarily neurological. Patients with Aicardi-Goutières syndrome (AGS), the first described of the monogenic interferonopathies, exhibit dystonia, spasticity, developmental delay, intra-cranial calcifications and white matter abnormalities. However, the systematic use of our interferon screening assays, plus the advent of next-generation sequencing technology, has revealed a much broader set of features relevant to this novel disease grouping – involving the skin (chilblains, necrotising vasculitis, scleroderma), lungs (isolated lung interstitial disease or associated with other signs), musculoskeletal system (joint pain, arthritis, Jaccoud’s arthropathy, muscle pain and myositis), eyes (glaucoma), kidneys (lupus nephritis) and gastro-intestinal tract (early inflammatory bowel disease), as well features of autoimmunity and immunodeficiency. Using our screening assays enabled us to identify three patients variably exhibiting the core features of SAVI, all of whom were found to harbour distinct novel activating mutations in STING. These mutations highlight a protein domain not previously implicated in the control of IFN I signalling. STING is an endoplasmic reticulum protein, acting as a cytosolic adaptor of intracellular sensors of viral DNA in the type I IFN signalling pathway. STING activates TANK-binding kinase (TBK1), allowing transcription of IFN I through phosphorylation of IRF3. Janus kinase 1 (JAK1) and tyrosine kinase 2 (TYK2) are activated following stimulation of the IFN I receptor, leading to phosphorylation of the transcription factors STAT1 and STAT2 and the subsequent induction of a large number of ISGs. Genetic analysis, conformational studies, an in vitro cellular model (HEK293T) and ex vivo experimental data (using patient peripheral blood mononuclear cells - PBMCs) enabled us to confirm the constitutive activating nature of these variants, and show that this activation did not require binding with cGAMP, but was dependent on signalling through TBK1. Ruxolitinib, a JAK1/2 inhibitor, could antagonise this constitutive activation ex vivo. These results indicate a promising therapeutic approach in such patients, and more widely in the monogenic, and perhaps even, polygenic, interferonopathy context.

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