Étude de la pathogénicité d'un variant faux-sens du gène de susceptibilité à l'autisme CNTNAP2 chez un nouveau modèle de souris

Investigating the pathogenicity of an autism-related CNTNAP2 missense variant in a novel mouse model

• Auteur / Autrice : Taylor Manett
• Direction : Laurence Goutebroze, Marta Prieto Garcia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 21/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du Fer à Moulin (Paris ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvia Soares
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Devaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christel Depienne, Jérôme Honnorat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Myélinisation

Modèles animaux

Génétique

Troubles du spectre de l'autisme

Mots clés libres

Neurosciences

Spectre du trouble autistique

Gène CNTNAP2

Modèle murin knock-in

Développement

Myélinisation

Neuroscience

Autism spectrum disorders

CNTNAP2 gene

Knockin mouse model

Development

Myelination

Résumé

Les troubles du spectre autistique (TSA) sont des troubles neurodéveloppementaux définis par des déficits d'interaction sociale et des comportements restreints ou répétitifs. Les TSA présentent une forte héritabilité, déterminée par de rares mutations monogéniques, ainsi que par des variations dans de nombreux gènes de susceptibilité. Le gène CNTNAP2, qui code pour la protéine Caspr2, est considéré comme l'un des principaux gènes de risque pour les TSA, un grand nombre de variants hétérozygotes faux-sens ayant été identifiés chez les patients. Les souris knock-out Cntnap2 présentent des déficits comportementaux de type TSA, ce qui supporte les données de génétique humaine. Cependant, la signification clinique des variants hétérozygotes n'a pas encore été démontrée et reste débattue. Le projet de thèse visait à élucider cette question en évaluant la pathogénicité in vivo d'un variant CNTNAP2 hétérozygote faux-sens identifié chez un patient français atteint de TSA, I236S, qui a été prédit comme pathogène et pourrait être représentatif d'une large classe de variants CNTNAP2. Nous avons généré un nouveau modèle de souris knockin, les souris KI-I236S, et mené une étude comparant les souris de type sauvage et les souris hétérozygotes (HET) KI-I236S. Caspr2 est une glycoprotéine transmembranaire d'adhésion cellulaire neuronale identifiée à l'origine dans les régions juxtaparanodales des nœuds de Ranvier dans les neurones myélinisés matures. Récemment, en étudiant des souris knock-out Cntnap2, le laboratoire a montré que Caspr2 agit également comme un régulateur majeur du développement de l'axone et de la myélinisation. Dans le cerveau, Caspr2 contrôle le diamètre des axones aux premiers stades du développement postnatal, l'excitabilité intrinsèque des neurones corticaux au début de la myélinisation, ainsi que le diamètre des axones et l'épaisseur de la myéline à l'âge adulte. Caspr2 module également le diamètre des axones, l'épaisseur de la myéline et la morphologie du nœud de Ranvier dans les nerfs périphériques. Nous avons donc évalué l'impact du variant I235S sur le développement des axones, la myélinisation et l'organisation des nœuds de Ranvier dans le système nerveux central et périphérique. Nous avons également caractérisé en détail le comportement des souris HET KI-I236S, en utilisant une batterie de tests qui peuvent indiquer des déficits cognitifs, moteurs et sensorimoteurs. De façon intéressante, les souris HET KI-I236S présentent des déficits cognitifs et somatosensoriels dépendants du sexe par rapport aux souris de type sauvage (interaction sociale légèrement réduite chez les femelles ; sensibilité à la chaleur et force musculaire légèrement réduites chez les mâles). Elles présentent également des altérations sexe-dépendantes des axones myélinisés et des fibres C sensorielles non myélinisées du système nerveux périphérique. Les analyses du cerveau ne montrent pas de défauts majeurs de myélinisation chez les souris mutantes adultes, mais suggèrent que le variant pourrait perturber les fonctions de Caspr2 au début de la myélinisation, conduisant probablement à une accélération des processus de myélinisation à des stades précoces. Ainsi, nos résultats indiquent que les variants faux-sens hétérozygotes de CNTNAP2 tels que I236S peuvent affecter la fonction de Caspr2 de manière dépendante du sexe in vivo, et suggèrent que les variants de CNTNAP2 de la même classe pourraient être pathogènes et contribuer au développement des TSA chez les patients, et/ou contribuer à la variabilité interindividuelle dans les conditions physiologiques.

Autism spectrum disorders (ASD) are neurodevelopmental disorders, defined by deficits in social interaction and restricted or repetitive behavior. ASD show high heritability, shaped by rare monogenic mutations, as well as variations in numerous susceptibility genes. Intriguingly, CNTNAP2, encoding the protein Caspr2, is considered to be one of the major ASD-risk genes, with a large number of heterozygous missense variants identified in patients. Cntnap2 knockout mice display ASD-related behavioral deficits supporting human genetic data. However, the clinical significance of the heterozygous variants has not yet been demonstrated and is still debated. The PhD project aimed to unravel this question by evaluating the pathogenicity of an inherited heterozygous missense CNTNAP2 variant identified in a French ASD patient, I236S, which was predicted to be disease-causing and may be representative of a large class of CNTNAP2 variants. We generated a novel knockin mouse model, the KI-I236S mice, and conducted a study comparing wild-type and KI-I236S heterozygous (HET) mice. Caspr2 is a neuronal cell-adhesion transmembrane glycoprotein originally identified in the juxtaparanodal regions of the nodes of Ranvier in mature myelinated neurons. Recently, studying Cntnap2 knockout mice the lab showed that Caspr2 also acts as a major regulator of axon development and myelination. In the brain, Caspr2 controls axon diameter at early postnatal developmental stages, cortical neuron intrinsic excitability at the onset of myelination, and axon diameter and myelin thickness at adulthood. Caspr2 also modulates axon diameter, myelin thickness and node of Ranvier morphology in peripheral nerves. We thus assessed the impact of the variant I235S on axon development, myelination, and node of Ranvier organization in both the central and peripheral nervous system, as well as thoroughly characterizing the behavior of HET KI-I236S mice, using a battery of tests that may indicate cognitive, motor, and sensorimotor deficits. Interestingly, KI-I236S HET mice display sex-dependent cognitive and somatosensory behavioral deficits as compared to wild-type mice (social interaction slightly decreased in females; heat sensitivity and muscular strength slightly decreased in males). They also show sex-dependent alterations in myelinated axons and unmyelinated sensory C-fibers of the peripheral nervous system. Brain analyses do not show major myelination defects in adult mutant mice, but suggest that the variant could perturb the functions of Caspr2 at the onset of myelination, leading likely to an acceleration of the myelination processes at early stages. Thus, our results indicate that CNTNAP2 heterozygous missense variants such as I236S can affect Caspr2 function in a sex-dependent manner in vivo and suggest that the CNTNAP2 variants of the same class could indeed be pathogenic and contribute to the development of ASD patients, and/or contribute to inter-individual variability in physiological conditions.