Aspects fonctionnels et thérapeutiques de la spastine (SPG4), une protéine impliquée dans les paraplégies spastiques à caractère héréditaire

Functional and therapeutic investigations on spastin (SPG4), a protein implicated in hereditary spastic paraplegia

• Auteur / Autrice : Amélie Raby
• Direction : Andrea Burgo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 30/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Approches génétiques intégrées et nouvelles thérapies pour les maladies rares (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Fisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Piguet, Frédéric Darios, Yoan Arribat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Françoise Piguet, Frédéric Darios

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes mitochondriales

Dependovirus

Paraplégie spasmodique héréditaire

Protéines du choc thermique HSP40

Thérapie génique

Mots clés libres

Spastine

Psh

Mitochondrie

Thérapie génique

Dnajc1

Aav

Spastin

Hsp

Mitochondria

Gene therapy

Dnajc1

Aav

Résumé

Les paraplégies spastiques héréditaires (PSH) sont un groupe de maladies neurodégénératives rares caractérisées par une spasticité et une faiblesse des membres inférieurs. 40% des PSH sont causés par des mutations du gène SPG4 qui code pour la spastine, une ATPases capable de cliver les microtubules. Plusieurs partenaires moléculaires et fonctions cellulaires ont été reliées à la spastine mais à ce jour les mécanismes impliqués dans le développement de la pathologie n'ont pas encore été élucidés. Il n'existe à ce jour aucun traitement curatif pour les PSH et les thérapies proposées ciblent que les symptômes de la maladie.Dans ce projet de thèse, nous avons mis en évidence que la spastine est impliquée dans la régulation des sites de contacts entre le RE et les mitochondries (MERCs), et pour la première fois nous avons développé une approche de thérapie génique pour les PSH-Spg4.En effet, tout d'abord nous avons identifié et caractérisé Dnajc1 comme un nouveau partenaire de la spastine : Dnajc1, une protéine du RE et une co-chaperonne de Grp78 une protéine majeure dans l'activation de la réponse au stress du RE. Cependant, aucun lien n'a été mis en évidence entre ces deux protéines et une altération de la réponse au stress du RE. En revanche, notre étude de la spastine et de Dnajc1 au niveau de l'interface entre les mitochondries et le RE (MERCs) a révélé pour la première fois, que non seulement ces protéines sont enrichies dans ces compartiments mais aussi qu'elles régulent leur nombre et plusieurs fonctions mitochondriales qui sont associées à ces structures.En parallèle une approche de thérapie génique par AAV a été développée en utilisant un modèle murin Spg4-KO caractérisé précédemment. Le but était de restaurer un niveau d'expression de la spastine saine qui pourrait être suffisant pour empêcher, voir inverser l'évolution de la maladie. En effet, les PSH-Spg4 étant caractérisées par une transmission autosomale dominante, l'hypothèse prédominante du développement de cette pathologie est l'haploinsuffisance. Dans cette étude, une analyse complémentaire du modèle murin Spg4-KO a aussi permis d'identifier comme nouveau biomarqueur une activation de la réponse astrocytaire dans le cortex de ces souris. Cependant, les résultats préliminaires obtenus 3 mois après l'administration d'un transgène de la spastine présentés dans ce manuscrit ne permettent pas à ce jour d'évaluer l'efficacité de la stratégie utilisée et des études complémentaires sont encore nécessaires.

Hereditary spastic paraplegia (HSP) is a group of neurodegenerative disorders characterized by spasticity and muscle weakness of lower limbs. 40% of HSPs are due to mutations in the SPG4 gene which encodes for the protein spastin, an ATPase whose main function is to sever microtubules. Several molecular partners and cellular functions have been linked to spastin but to date the mechanisms involved in the onset and development of the disease remain to be elucidated. Moreover, the current therapies for HSP-Spg4 patients are pharmacological or physical treatment of muscle stiffness and do not target the molecular or cellular causes of the disease.In this thesis work, we presented experimental evidence for a new cellular and molecular role of spastin in the contact sites between ER and mitochondria (MERCs) and we develop for the first time a gene therapy approach for the HSP-Spg4 disease.Indeed, for the first part of this work we identified and characterized Dnajc1 as a new molecular partner of the full-length isoform of spastin that localizes at the ER. Dnajc1 is also an ER protein and a co-chaperone of Grp78 a key protein implicated in the regulation of ER-stress. However, our results did not show any correlation between these two proteins and the ER-stress. On the other hand, we show that spastin and Dnajc1 accumulate in MERCs, regulate their number and several mitochondrial functions linked to MERCs.In parallel, we developped an AAV gene therapy approach using a previously characterized Spg4-KO mouse model with the aim of restoring a healthy spastin expression level that might be sufficient to prevent or even reverse the disease progression. Indeed, HSP-Spg4 being characterized by autosomal dominant transmission the predominant hypothesis for the development of the disease is spastin haploinsufficiency. Moreover, a complementary study of our Spg4-KO mouse model identified as new biomarker an astrocytic activation in the cortex of these mice. However, the preliminary results obtained by testing the effects of spastin transgenes delivery at 3 months post administration are not sufficient to date to validate the gene therapy strategy for HSP-Spg4 and further studies are in progress.