Maladie de Huntington : huntingtine, connectivité neuronale et métabolisme oxydatif

Huntington Disease : huntingtin, neuronal connectivity and oxidative metabolism

• Auteur / Autrice : Laetitia Capellano
• Direction : Frédéric Saudou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences neurobiologie
• Date : Soutenance le 14/02/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Grenoble (Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Dubouchaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fanny Mann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carine Bossenmeyer-Pourié, Gilles Bonvento

Mots clés

Mots clés contrôlés

Système nerveux

Stress oxydatif

Développement neurologique

Pentoses

Microfluidique

Expériences

Murins

Croissance

Cortex cérébral

Gène de la huntingtine

Mots clés libres

Huntingtine

Développement cortical

Modèles murins

Microfluidiques

Pentoses phosphates

Huntingtin

Cortical development

Mouse models

Microfluidics

Pentose phosphate pathway

Résumé

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurologique caractérisée par un dysfonctionnement et une perte des neurones au niveau du striatum et du cortex. Elle est due à une expansion anormale de triplets CAG au niveau du premier exon du gène codant pour la huntingtine (HTT), ce qui cause une expansion poly-glutamine dans la partie N-terminale de la protéine (Saudou and Humbert, 2016). Bien que les symptômes principaux de la MH se développent chez l’adulte, de plus en plus d’études mettent en lumière une contribution développementale à la MH. La HTT est notamment impliquée lors de la croissance axonale des neurones corticaux, qui est délétère dans le cas de la MH (Capizzi et al., 2022). Le but de notre première étude était d’étudier les altérations de connectivité neuronale dans le contexte de la MH lors du développement. En effet, celle-ci est également altérée à l’âge adulte mais de récentes découvertes ont montré des altérations de cette connectivité chez des enfants porteurs de la mutation (Lee et al., 2012).Nous avons utilisé des techniques de transparisation afin de visualiser les tracts neuronaux et de déterminer si les défauts de connectivité sont établis lors du développement dans le modèle knock-in CAG140 de la MH. Nos observations suggèrent qu’il pourrait y avoir des anomalies dans le développement de tracts, mais celles-ci ne sont pas suffisamment marquées pour pouvoir conclure avec certitude. Cependant, à trois mois, nous avons observé des différences structurelles chez les femelles HdhQ7/Q140 par rapport aux contrôles au niveau du volume total du cerveau. Ces différences ne sont pas retrouvées chez les mâles et il reste à en déterminer les causes dans le cadre d’une étude ultérieure.Une des causes des altérations de connectivité neuronale entre le cortex et le striatum est le transport défectueux d’un facteur trophique, le brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Le BDNF est essentiel pour la survie du striatum, qui n’est pas capable d’en produire. Le BDNF est produit dans le corps cellulaire où il est ensuite transporté le long de l’axone pour rejoindre la synapse cortico-striatale. La HTT est impliquée dans la machinerie de transport axonal en tant que protéine d’échafaudage en interagissant avec les moteurs moléculaires (Saudou and Humbert, 2016). Les études du laboratoire ont montré que ce transport vésiculaire est également autonome en énergie grâce à la présence des enzymes de la glycolyse sur les vésicules (Hinckelmann et al., 2016; Zala et al., 2013). D’autres enzymes sont également à la surface des vésicules comme celles de la voie des pentoses phosphates. Cette voie des pentoses phosphates est une voie métabolique majeure qui a lieu en parallèle de la glycolyse, et qui a un rôle majeur dans la prévention du stress oxydatif par production de NADPH (Stincone et al., 2015). Le stress oxydatif est un témoin important dans la plupart des maladies neurodégénératives dont la MH. Ainsi le but de notre deuxième étude était de comprendre l’implication de la voie des pentoses phosphates lors d’un stress dans la maladie de Huntington.Au travers d’approches biochimiques, cellulaires et comportementales, nous avons observé que la stœchiométrie de la glucose-6-phosphate déshydrogénase, l’enzyme limitante de la voie des pentoses phosphates, est augmentée lors d’un stress oxydatif et cette augmentation n’est pas observée dans le contexte de la MH. En effet, dans la MH, le niveau de G6PD est diminué à la surface des vésicules, ce qui a pour conséquence une vulnérabilité intrinsèque des neurones impactant leur survie. Cette survie étant restaurée lorsque G6PD est surexprimé spécifiquement à la surface des vésicules, notre étude démontrerait ainsi un rôle des enzymes de la voie des pentoses phosphates dans la MH et potentiellement une nouvelle stratégie thérapeutique de la MH.

Huntington's disease (HD) is a neurological disorder characterised by dysfunction and loss of neurons in the striatum and cortex. It is caused by an abnormal expansion of CAG triplets in the first exon of the gene encoding huntingtin (HTT), which causes a poly-glutamine expansion in the N-terminal part of the protein (Saudou and Humbert, 2016). Although the main symptoms of HD develop in adults, more and more studies are highlighting a developmental contribution to HD. In particular, HTT is involved during axonal growth of cortical neurons, which is deleterious in HD (Capizzi et al., 2022). The aim of our first study was to investigate alterations in neuronal connectivity in the context of developmental HD. In fact, neuronal connectivity is also altered in adulthood, but recent findings have shown altered connectivity in children carrying the mutation (Lee et al., 2012).We used brain clearing techniques to visualize neuronal tracts and determine whether connectivity defects are established during development in the CAG140 knock-in model of HD. Our observations suggest that there may be abnormalities in tract development, but these are not sufficiently marked to conclude with certainty. However, at three months, we observed structural differences in total brain volume in HdhQ7/Q140 females compared with controls. These differences were not found in the males, and the causes remain to be determined in a subsequent study.One of the causes of altered neuronal connectivity between the cortex and striatum is defective transport of a trophic factor, brain-derived neurotrophic factor (BDNF). BDNF is essential for the survival of the striatum, which is unable to produce it. BDNF is produced in the cortical neuron cell body where it is then transported along the axon to the cortico-striatal synapse. HTT is involved in the axonal transport machinery as a scaffolding protein by interacting with molecular motors (Saudou and Humbert, 2016). Studies in the laboratory have shown that this vesicular transport is also energy self-sufficient thanks to the presence of glycolysis enzymes on the vesicles (Hinckelmann et al., 2016; Zala et al., 2013). Other enzymes are also present on the surface of vesicles, such as those of the pentose phosphate pathway. The pentose phosphate pathway is a major metabolic pathway that occurs in parallel with glycolysis and plays a major role in preventing oxidative stress by producing NADPH (Stincone et al., 2015). Oxidative stress is an important aspect in most neurodegenerative diseases including HD. Thus the aim of our second study was to understand the involvement of the pentose phosphate pathway during stress in Huntington's disease.Using biochemical, cellular and behavioural approaches, we observed that the stoichiometry of glucose-6-phosphate dehydrogenase, the limiting enzyme in the pentose phosphate pathway, is increased during oxidative stress, but this increase is not observed in the context of HD. In fact, in HD, G6PD protein levels is reduced at the surface of vesicles, which results in an intrinsic vulnerability of neurons affecting their survival. As this survival is restored when G6PD is specifically over-expressed on the surface of vesicles, our study would demonstrate a role for pentose phosphate pathway enzymes in HD and potentially a new therapeutic strategy for HD.