Les encéphalopathies épileptiques développementales néonatales liées à KCNQ2 : caractérisation de modèles murins et cellulaires

KCNQ2-related neonatal developmental epileptic encephalopathies : characterization of murine and cellular models

• Auteur / Autrice : Lucile Brun
• Direction : Laurent Villard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie santé. Génétique
• Date : Soutenance le 24/03/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la vie et de la santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de génétique médicale de Marseille (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Milh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Peyronnet-Roux, Edor Kabashi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent El Ghouzzi, Amélie Piton

Mots clés

Mots clés contrôlés

génétique

Épilepsie pharmacorésistante

Canal potassique KCNQ2

Neurones

Cellules souches pluripotentes induites

Chez le nouveau-né

Encéphalopathies

Mots clés libres

Dee

Modèle murin

Kcnq2

Omiques

IPSc

Neurones humains

Dee

Mouse model

Kcnq2

Omics

Human neurons

IPSc

Résumé

Les Encéphalopathies Épileptiques Développementales Néonatales (NEO-DEE) sont des syndromes épileptiques rares dont l'origine peut être génétique. Elles sont caractérisées par des crises d'épilepsie pharmacorésistantes qui surviennent dès la première semaine de vie jusqu'à 3 à 6 mois, associées à un EEG intercritique anormal. Le pronostic est péjoratif avec une mortalité de 30% des patients durant l'enfance ou une évolution vers un polyhandicap sévère lié à des déficits moteurs et cognitifs. Le caractère sporadique de la pathologie et les manifestations épileptiques qui ne sont visibles qu'à la naissance, ne permettent pas de prédire cette pathologie, et le diagnostic prénatal n'est pas possible. Ne disposant d'aucun traitement efficace, les NEO-DEE sont, à ce jour, un sujet de recherche translationnelle.Le gène KCNQ2 est l'un des gènes les plus fréquemment impliqués dans les NEO-DEE. Ce gène code pour la sous-unité Kv7.2 des canaux potassiques qui contrôlent l'excitabilité neuronale via le courant M. Les analyses fonctionnelles ont révélé que les conséquences des variants pathogènes de KCNQ2 sur le courant M pouvaient être multiples. Les modèles cellulaires et murins se sont ainsi multipliés dans la littérature. Bien que tous ces modèles aient permis d'enrichir les connaissances de la fonction de KCNQ2 et du courant M, les modèles cellulaires étaient hétérologues et les modèles murins étaient porteurs de variants bénins ou s'exprimant de façon non physiologique. Des modèles reproduisant plus fidèlement la pathologie des patients étaient donc nécessaires. Mon équipe d'accueil a créé un modèle murin et trois lignées neuronales qui portent tous à l'état hétérozygote un variant pathogène retrouvé chez des patients ayant une forme sévère de KCNQ2-NEO-DEE.Bien qu'il ait été montré que les déficits cognitifs puissent être indépendants de l'état épileptique, nous ne pouvons pas dissocier clairement l'impact du variant lui-même de celui des crises d'épilepsie. La disparition de ces crises après 3 mois de vie alors que le variant est toujours présent, pose également question. Pour tenter d'apporter des éléments de réponse, nous avons voulu caractériser nos modèles de plusieurs façons : le transcriptome et le protéome du cortex préfrontal de la souris ont été analysés à plusieurs périodes de son développement. Ces analyses avaient pour but de mettre en évidence d'éventuelles dérégulations liées à la pathologie et une modulation d'expression de gènes susceptible d'être à l'origine d'une compensation moléculaire qui expliquerait la rémission des crises d'épilepsie. Ces mêmes analyses multi-omiques ont été réalisées dans un modèle de neurones corticaux de patients dérivés de cellules pluripotentes induites afin de mettre en évidence d'éventuelles modifications d'expression de gènes dans un modèle humain.La compréhension des mécanismes pathologiques de KCNQ2-NEO-DEE pourrait contribuer à améliorer la prise en charge thérapeutique. J'ai donc développé, en parallèle du travail précédent, un protocole de déclenchement à volonté de crises d'épilepsie par émission d'ultrasons chez la souris modèle. L'étude de l'évolution de la sensibilité à ces crises audiogènes et la caractérisation immunohistologique de l'hyperexcitabilité des régions du cerveau, sont désormais susceptibles d'être utilisées pour tester l'efficacité de nouvelles approches thérapeutiques dont la mise en place reste l'objectif principal de mon équipe.Dans leur ensemble, ces travaux ont pour objectif de contribuer à une meilleure compréhension des KCNQ2-NEO-DEE à travers des modèles nouveaux et pertinents et de participer au développement de nouvelles stratégies thérapeutiques pour les patients.

Neonatal Developmental Epileptic Encephalopathies (NEO-DEE) are rare epileptic syndromes that may have a genetic origin. They are characterized by drug-resistant epileptic seizures that occur from the first week of life up to 3 to 6 months, associated with an abnormal interictal EEG. The prognosis is poor with a mortality rate of 30% of patients during childhood or a progression to multiple disabilities including cognitive deficits. The sporadic nature of the disease and the epileptic manifestations that are only visible at birth, do not allow to predict its occurrence, and prenatal diagnosis is not possible. With no efficient treatment available, NEO-DEE is, to date, a subject of translational research.The KCNQ2 gene is one of the most frequently involved gene for NEO-DEE. This gene encodes the Kv7.2 subunit of potassium channels that control neuronal excitability via the M current. Functional analyses revealed that the consequences of pathogenic variants of KCNQ2 on the M current could be multiple. Cellular and mouse models have thus multiplied in the literature. Although all these models have increased the knowledge on the function of KCNQ2 and the M current, these cellular models were heterologous, and the murine models presented benign, or variants expressed in a non-physiological context. More relevant models were therefore needed. My host team has produced a mouse model and three neuronal lines that all carry heterozygous pathogenic variants found in patients with a severe form of KCNQ2-NEO-DEE.Although it has been shown that cognitive deficits can be independent of the epileptic state, we cannot clearly dissociate the impact of the variant itself from that of the epileptic seizures. The fact that seizures stop after 3 months of life while the variant is still present also asks questions. In order to provide some answers, we characterized our models in several ways: the transcriptome and the proteome of the mouse prefrontal cortex were analyzed at several periods of its development. The aim of these analyses was to identify the molecular consequences of Kcnq2 mutations. We also looked for a modulation of gene expression that could create a compensation and the remission of epileptic seizures. These same multi-omics analyses were performed in a model of patient cortical neurons derived from induced pluripotent cells to identify possible gene expression modifications in a human model.The understanding of the pathological mechanisms of KCNQ2-NEO-DEE could contribute to improve the therapeutic management. In parallel to the previous work, I have developed a protocol to trigger epileptic seizures on-demand in the mouse model by ultrasound emission. The study of the sensitivity to these audiogenic seizures and the immunohistological characterization of the hyperexcitability of the brain regions will possibly be used to test the efficacy of new therapeutic approaches whose development remains the main objective of my team.This work aims to contribute to a better understanding of KCNQ2-NEO-DEE through new and relevant models and to contribute to the development of new therapeutic strategies for patients.