Identification et validation de cibles thérapeutiques pour traiter le syndrome de Wolfram

Identification and validation of therapeutic targets to treat Wolfram syndrome

• Auteur / Autrice : Lucie Crouzier
• Direction : Benjamin Delprat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 24/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mécanismes moléculaires dans les démences neurodégénératives (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : John De Vos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Delprat, John De Vos, Patrick Yu-Wai-Man, Laurent Combettes, Adèle Faucherre, Laetitia Aubry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Yu-Wai-Man, Laurent Combettes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maladies neurodégénératives

Danio rerio

Wolfram, Syndrome de

Mots clés libres

Syndrome de Wolfram

Wfs1

Poisson zèbre

Récepteur sigma-1

Ncs1

Criblage

Wolfram syndrome

Wfs1

Zebrafish

Sigma-1 receptor

Ncs1

Screening

Résumé

Le syndrome de Wolfram (SW) est une maladie neurodégénérative qui associe un diabète sucré, un diabète insipide, une atrophie optique, une perte auditive neurosensorielle et divers symptômes neurologiques. Les patients décèdent précocement le plus souvent d’une détresse respiratoire ou de fausse route et à ce jour aucun traitement efficace n’est disponible. Le SW est causé par des mutations du gène WFS1 qui code une protéine transmembranaire du réticulum endoplasmique (RE), la Wolframine. Les mutations réduisent généralement la stabilité de la protéine, modifiant son homéostasie, diminuant le transfert calcique, augmentant l’activation de la réponse aux protéines mal repliées (Unfolded Protein Response, UPR) et conduisant à un dysfonctionnement mitochondrial et à la mort cellulaire. L’objectif de ma thèse a été d'explorer des voies thérapeutiques originales dans cette indication. Pour cela, plusieurs modèles d’étude ont été utilisés et caractérisés : des fibroblastes de patients in vitro, et in vivo, des lignées de poissons zèbres mutantes wfs1aC825X, wfs1bW493X et wfs1abKO, et des souris Wfs1∆Exon8. Nous avons montré que : (1) Ces différents modèles développent des altérations cellulaires, telles que des déficits mitochondriaux, l’altération du transfert calcique mitochondrial, l’activation des voies UPR et l’autophagie, associés à des déficits comportementaux, tels que des troubles visuels, locomoteurs, de l’anxiété et des altérations cognitives. (2) La surexpression de NCS1, partenaire de la wolframine, in vivo a permis de restaurer les déficits comportementaux et cellulaires développés par la lignée poisson zèbre wfs1abKO confirmant l’étude in vitro précédemment menée sur des fibroblastes de patients. (3) La protéine chaperonne sigma-1 (S1R) était une cible pertinente pour rétablir une communication RE-mitochondrie fonctionnelle dans le SW. Nos études in vitro et in vivo ont montré que l’activation de S1R par un agoniste ou par surexpression de son ARNm permettait de renverser les altérations comportementales et cellulaires. (4) À partir de la réponse motrice des larves de poisson zèbre wfs1abKO, nous avons mené un criblage phénotypique de 371 molécules potentiellement affines pour S1R qui a mené à identifier 8 hits permettant de restaurer totalement le déficit locomoteur des larves mutantes. Certaines seront valorisées par une démarche d'optimisation, mais parmi les molécules dites repositionnables, nous avons identifié le MED0092 qui agit comme un modulateur positif de S1R et dont les effets bénéfiques ont été montrés sur les déficits comportementaux de deux modèles murins de maladies neurodégénératives, le SW et la maladie d’Alzheimer. Pour conclure, ce travail de thèse a permis non seulement de phénotyper de nouveaux modèles murins et poissons-zèbres du SW, mais également de valider deux cibles thérapeutiques permettant une récupération fonctionnelle des MAM : NCS1, qui peut être directement surexprimé par thérapie génique, et S1R, qui peut être ciblé par de petites molécules et pour lequel de nouvelles séries chimiques très prometteuses d’origine synthétique ou naturelle ont été mises en évidence.

Wolfram Syndrome (WS) is a neurodegenerative disease that combines diabetes mellitus, diabetes insipidus, optic atrophy, sensorineural hearing loss and various neurological symptoms. Patients die early, most often from respiratory distress or miscarriage, and to date no effective treatment is available. WS is caused by mutations in the WFS1 gene that encodes an endoplasmic reticulum (ER) transmembrane protein, Wolframine. Mutations generally reduce the stability of the protein, altering its homeostasis, decreasing calcium transfer, increasing the activation of the Unfolded Protein Response (UPR) and leading to mitochondrial dysfunction and cell death. The objective of my thesis was to explore original therapeutic approaches in this indication. For this purpose, several models were used and characterized: patient fibroblasts in vitro, and in vivo, wfs1aC825X, wfs1bW493X and wfs1abKO mutant zebrafish lines, and Wfs1∆Exon8 mice. We showed that: (1) These different models develop cellular alterations, such as mitochondrial deficits, impaired mitochondrial calcium transfer, activation of UPR pathways, and autophagy, associated with behavioral deficits, such as visual, locomotor, anxiety, and cognitive impairments. (2) Overexpression of NCS1, a partner of wolframine, in vivo restored the behavioral and cellular deficits developed by the zebrafish line wfs1abKO confirming the in vitro study previously conducted on patient fibroblasts. (3) The chaperone protein sigma-1 (S1R) was a relevant target to restore functional ER-mitochondria communication in WS. Our in vitro and in vivo studies showed that activation of S1R by an agonist or by overexpression of its mRNA reversed behavioral and cellular alterations. (4) Based on the motor response of wfs1abKO zebrafish larvae, we conducted a phenotypic screening of 371 molecules potentially affine to S1R which led to the identification of 8 hits allowing to fully restore the locomotor deficit of mutant larvae. Some of them will be valorised by an optimization approach, but among the repositionable molecules, we have identified MED0092 which acts as a positive modulator of S1R and whose beneficial effects have been shown on behavioral deficits in two mouse models of neurodegenerative diseases, SW and Alzheimer's disease. To conclude, this thesis work has not only allowed the phenotyping of new mouse and zebrafish models of WS, but also the validation of two therapeutic targets allowing a functional recovery of MAM: NCS1, which can be directly overexpressed by gene therapy, and S1R, which can be targeted by small molecules and for which new very promising chemical series of synthetic or natural origin have been highlighted.