Modélisation de la dysfonction des neurones dopaminergiques associée à la maladie de Lesch-Nyhan à l'aide des cellules souches induites à la pluripotence

Modelization of dopaminergic neurons dysfunction associated with Lesch-Nyhan syndrome using induced pluripotent stem cells

• Auteur / Autrice : Emeline Julita
• Direction : Marc Peschanski, Alexandra Benchoua
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 28/11/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Cellules Souches pour le Traitement et l’Etude des maladies Monogéniques (Evry, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Brouillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Coulpier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Bohl, Richard Delorme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mésencéphale

Neurones dopaminergiques

Troubles du métabolisme

Purines

Lesch-Nyhan, Syndrome de

Mots clés libres

HGPRT

Résumé

La maladie de Lesch-Nyhan (MLN) est une maladie rare dont la prévalence est estimée à une naissance sur 380 000. Il s’agit d’une maladie métabolique d’origine génétique liée au chromosome X, impliquant le gène de la HGPRT (hypoxanthine-guanine-phosphoribosyl-transférase). Les mutations dans ce gène entrainent un déficit d’activité de l’enzyme qui joue un rôle central dans le métabolisme des purines. Cette baisse d’activité provoque un défaut de fonctionnement de la voie de recyclage des purines induisant l’accumulation d’acide urique dans les articulations (goutte) et les reins (lithiase) qui peut être contrôlée par la prise d’allopurinol. En revanche, ces symptômes sont généralement accompagnés de troubles neurologiques quant à eux encore totalement inexpliqués et non traités. Ces derniers se traduisent par un handicap moteur important avec des mouvements anormaux (dystonie) et des troubles du tonus (hypotonie axiale). Dans les cas les plus graves des troubles du comportement peuvent également survenir se manifestant par des évènements importants d'automutilation (morsure des lèvres et des doigts). Des études menées en imagerie cérébrale, ont permis d’identifier chez les malades une diminution de la concentration cérébrale en dopamine mais aucune étude n’a encore pu lier de façon évidente le déficit en dopamine et la HGPRT, rendant difficile le développement de thérapies efficaces. L’objectif de ce travail a été de tirer avantage des propriétés d’auto renouvellement et de pluripotence des cellules souches induites à la pluripotence humaines (iPSC) pour produire d'authentiques neurones dopaminergiques (nDA) puis de les utiliser afin de déterminer dans quelle mesure la HGPRT est essentielle au développement et à l’homéostasie des nDA. Pour cela nous avons sélectionnés des fibroblastes obtenus à partir de biopsie de peau d’enfants atteints par la MLN que nous avons reprogrammé en iPSC. Ces iPSC ont été caractérisées et en particulier, l’expression protéique et l’activité enzymatique de la HGPRT a été contrôlée afin de valider notre modèle pathologique. Un protocole de différenciation de neurones dopaminergiques à partir d’iPSC a ensuite été mis au point pour permettre l’étude des différents stades de développement des neurones DA. Celui-ci permet d’obtenir des précurseurs exprimant pour 60% des cellules les marqueurs caractéristiques des précurseurs du mésencéphale ventral (MV), tout en respectant les différentes étapes clés du développement des nDA. Après l’induction de la différenciation des précurseurs en neurones, la population neuronale est composée d’au moins 20% de nDA exprimant les deux enzymes de la voie de synthèse de la dopamine TH et AADC. Ces différentes étapes du développement des nDA ont ensuite été analysées en comparant des cellules porteuses de mutations associées à la MLN et des cellules contrôles. Une anomalie neuro-développementale survenant à un stade précoce de la formation des nDA a été identifiée. Lors de l’étape ultime de différenciation, la proportion de précurseurs du MV capables de sortir du cycle cellulaire et donnant des neurones matures est plus faible dans les cultures de cellules porteuses des mutations MLN. Cette étude a permis dans un premier temps de démontrer qu’il était possible de modéliser une maladie impactant un gène essentiel dans le métabolisme à l’aide des iPSC. De plus, nous avons montré qu’il est possible d’identifier l’étape critique dans la genèse des nDA en utilisant des neurones humains dérivés d’iPSC issus d’enfants atteints de MLN. Cette approche apporte ainsi une meilleure compréhension sur les mécanismes responsables de la pathologie, et de nouveaux axes de recherche pour des approches thérapeutiques.

Lesch-Nyhan disease (LND) is a rare genetic disease with a prevalence estimated to 1:380,000. LND is a metabolic Xchromosome linked disorder that essentially affects boys and involves HGPRT gene (hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase). Mutations in this gene result in a deficit of enzyme activity that plays a central role in the metabolism of purines. This activity deficiency induces a dysfunction on purine recycling pathway and promotes accumulation of uric acid in the joints (gout) and kidneys (stones) controlled using allopurinol. Next to these metabolic symptoms are neurological disorders which are not understood and efficiently controlled. These involve abnormal movements (dystonia) and low tonus (axial hypotonia). A unique feature of LND is the occurrence of self-injurious behaviors known as SIB (biting of lips and fingers). Brain imaging studies have revealed in LND patient a decrease of cerebral dopamine concentration but no study has yet been able to clearly link dopamine defect and HGPRT loss of activity, making it difficult to develop effective therapies. The aim of my study was to take advantage of the self-renewal and pluripotency properties of human induced pluripotent stem cells (iPSC) to produce dopaminergic neurons (nDA), then to use them to determine in which extend HGPRT is essential to the development and homeostasis of nDA. To that purpose, we selected fibroblasts obtained from skin biopsies of LND children that we have reprogrammed into iPSC. These iPSC were characterized and in particular, protein expression and enzymatic activity of HGPRT was assessed to validate our pathological model. We developed a protocol to differentiate dopaminergic neurons from iPSC to allow the study of different stages of nDA development. It provides mature precursors of nDA, expressing the typical marker of ventral midbrain (VM), while respecting the different key stages of nDA development. Upon terminal differentiation, these precursors produce at least 20% of nDA that express the two main enzymes of the dopamine synthesis pathway, namely TH and AADC. These different stages of nDA development were analyzed comparing LND and control IPSC. Neurodevelopmental abnormality occurring at an early stage of nDA formation was identified. At the final stage of differentiation, the proportion of MV precursors able to exit the cell cycle and differentiate as mature neurons is lower in LND culture compared to controls. This study provided evidences that it is possible to model a metabolic disease with iPSC and that they are essential tools to study neurodevelopmental disorders. This approach provides a better understanding of mechanisms responsible for the disease, and new research directions for therapeutic approaches.