Étude multi-échelle de modèles murins de déficience intellectuelle associée à PAK3

Multiscale analysis of mouse models of PAK3- associated intellectual disability

• Auteur / Autrice : Manon Dobrigna
• Direction : Jean-Vianney Barnier, Sandrine Poëa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Signalisations et réseaux intégratifs en biologie (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Institut des Neurosciences Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté de médecine (Le Kremlin-Bicêtre, Val-de-Marne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Herman Van Tilbeurgh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Barbara Bardoni, Frédéric Causeret, Élise Morice, Evelyne Bloch-Gallego
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Barbara Bardoni, Frédéric Causeret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Troubles du développement neurologique

Tests d'apprentissage et de mémoire

Modèles animaux de maladie humaine

Biochimie

Électrophysiologie

Modèles animaux

Neurosciences

Protéines kinases

Analyse multiéchelle

Déficience intellectuelle

Mots clés libres

Déficience intellectuelle

Pak3

Multi-échelle

Relation génotype/phénotype

Intellectual disability

Pak3

Multi-échelle

Relation génotype/phénotype

Résumé

Les kinases activées par p21 (PAKs) sont des kinases sérine/thréonine essentielles au développement cérébral, agissant en aval des petites GTPases Rac1 et Cdc42 pour réguler la dynamique du cytosquelette via la phosphorylation de la cofiline. Cette régulation est cruciale pour des processus clés, tels que la migration, la croissance des neurites, l'orientation des axones, la formation des synapses et la plasticité.Cette thèse présente une revue des connaissances actuelles sur les PAKs du groupe I (PAK1, PAK2 et PAK3) et leur implication dans les troubles neurodéveloppementaux. Les mutations des gènes du groupe I PAK se traduisent par des effets distincts, en partie en raison de différences dans leurs fonctions spécifiques, leurs mécanismes de régulation, leurs schémas d'expression spatio-temporels et leurs localisations chromosomiques. Les mutations de PAK1 sont associées à la déficience intellectuelle (DI), aux troubles du spectre autistique (TSA), à l'épilepsie et à la macrocéphalie, tandis que les mutations de PAK2 sont principalement liées au TSA et au syndrome de Knobloch de type 2. Les mutations pathogènes de PAK3 provoquent une DI, souvent accompagnée de TSA, d'épilepsie, de variations de la taille du cerveau (microcéphalie ou macrocéphalie), ainsi que d'autres traits psychiatriques. Le large éventail de symptômes associés aux mutations de PAK3, allant de la DI légère à des troubles neurologiques sévères, suggère que plusieurs mécanismes pathogéniques pourraient être impliqués dans ces conditions cliniques. Le vaste spectre clinique et l'absence de hot-spots mutationnels compliquent la caractérisation complète des troubles liés à PAK3 (Dobrigna et al., 2023). Parmi les PAKs du groupe I, le gène PAK3 est le seul situé sur le chromosome X, ce qui signifie que ses mutations affectent principalement les hommes. Certaines mutations de PAK3 entraînent une perte complète de la protéine, tandis que des mutations faux-sens peuvent altérer l'activité kinase ou les interactions protéiques. Notamment, les mutations non-sens de PAK3 sont associées à une DI moins sévère par rapport aux mutations entraînant une protéine PAK3 stable mais dépourvue d'activité kinase.Afin de mieux comprendre la pathogénicité des mutations faux-sens de PAK3, les recherches se sont concentrées sur deux variants : PAK3-R67C, qui altère les interactions avec Rac1 et Cdc42 et conduit à une DI modérée à sévère, et PAK3-G424R, qui provoque une perte d'activité kinase et est associée à des troubles cognitifs plus graves, au TSA, à l'épilepsie et à la microcéphalie.L'analyse multi-échelle de modèles murins portant ces mutations a révélé des différences significatives. Les souris Pak3-R67C ont montré des changements neuroanatomiques mineurs, une microcéphalie modérée, une transmission synaptique réduite et des déficits cognitifs légers, en cohérence avec les observations cliniques. Les études in vitro ont suggéré des défauts dans la signalisation PAK3/PIX et indiqué une dysrégulation de la paxilline, ce qui pourrait contribuer à la microcéphalie observée in vivo. En revanche, les souris Pak3-G424R présentaient des défauts neurodéveloppementaux plus marqués, y compris des déficits cognitifs et comportementaux sévères. Il est intéressant de noter que les résultats obtenus avec le modèle Pak3-G424R ne reflétaient pas ceux observés chez les souris Pak3-KO, qui ne montraient que des déficits de mémoire aversive et de la potentialisation à long terme tardive. Le modèle Pak3-G424R ressemblait davantage au modèle Pak1/Pak3-KO, suggérant que la présence d'une variante PAK3 inactive soit plus nuisible que l'absence complète de PAK3, car la protéine PAK3-G424R pourrait interférer avec la signalisation, affectant particulièrement l'activité de PAK1. Ces résultats soulignent la nécessité de poursuivre les recherches pour clarifier les relations génotype-phénotype dans les cas de DI associée à PAK3 et pour développer des interventions thérapeutiques ciblées.

P21-Activated Kinases (PAKs) are serine/threonine kinases essential for brain development, acting downstream of the small GTPases Rac1 and Cdc42 to regulate cytoskeletal dynamics through cofilin phosphorylation. This regulation is crucial for key neuronal processes, including migration, neurite outgrowth, axon guidance, synapse formation, and plasticity.In this thesis, I reviewed current knowledge on Group I PAKs (PAK1, PAK2, and PAK3) and their roles in neurodevelopmental disorders. Mutations in Group I PAK genes have distinct effects, partly due to differences in their specific functions, regulatory mechanisms, spatio-temporal expression patterns, and chromosomal locations. PAK1 mutations are associated with intellectual disability (ID), autism spectrum disorder (ASD), epilepsy, and macrocephaly, while PAK2 mutations are primarily linked to ASD and Knobloch syndrome type 2. PAK3 pathogenic mutations cause ID, often accompanied by ASD, epilepsy, variations in brain size (microcephaly or macrocephaly), and other psychiatric traits. The broad spectrum of symptoms linked to PAK3 mutations, ranging from mild ID to severe neurological disorders, suggests that multiple pathogenic mechanisms may be involved in these clinical conditions. The wide clinical spectrum and lack of mutation hotspots complicate the full characterization of PAK3-related disorders (Dobrigna et al., 2023). Among Group I PAKs, the PAK3 gene is the only one located on the X chromosome, meaning that its mutations predominantly affect males. Some PAK3 mutations lead to complete protein loss, while missense mutations may alter kinase activity or protein interactions. Notably, nonsense PAK3 mutations are associated with less severe ID compared to mutations resulting in a stable PAK3 protein devoid of kinase activity.To better understand the pathogenicity of PAK3 missense mutations, we focused on two variants: PAK3-R67C, which alters Rac1 and Cdc42 interactions and leads to moderate-to-severe ID, and PAK3-G424R, which causes a loss of kinase activity and is associated with more severe cognitive impairments, ASD, epilepsy, and microcephaly.Our multi-scale analysis of mouse models carrying these mutations revealed significant differences. Pak3-R67C mice showed minor neuroanatomical changes, moderate microcephaly, reduced synaptic transmission, and mild cognitive impairments, closely aligning with clinical observations. In vitro studies suggest defects in PAK3/PIX signaling and indicate Paxillin dysregulation. These changes may contribute to the observed microcephaly in vivo. In contrast, Pak3-G424R mice displayed more profound neurodevelopmental defects, including severe cognitive and behavioral deficits. Interestingly, the results in the Pak3-G424R model did not mirror those found in Pak3-KO mice, which only exhibited aversive memory deficits and late long-term potentiation deficits. Instead, the Pak3-G424R model more closely resembled the Pak1/Pak3-KO. Therefore, we propose that the presence of a kinase-dead PAK3 variant is more detrimental than the complete absence of PAK3, as the PAK3-G424R protein may interfere with signaling, particularly affecting PAK1 activity. These findings underscore the need for further research to clarify genotype-phenotype relationships in PAK3-related ID and to develop targeted therapeutic interventions.