Études fonctionnelles de deux nouvelles protéines centrosomales, NPHP5 et Cep76, et leurs implications dans les maladies humaines

Les centrosomes sont de petits organites qui régulent divers processus cellulaires comme la polarité ou la mitose dans les cellules de mammifères. Ils sont composés de deux centrioles entourés par une matrice péricentriolaire. Ces centrosomes sont les principaux centres organisateurs de microtubules. De plus, ils favorisent la formation de cils, des protubérances sur la surface des cellules quiescentes qui sont critiques pour la transduction du signal. Une grande variété de maladies humaines telles que les cancers ou les ciliopathies sont liées à un mauvais fonctionnement des centrosomes et des cils. C’est pourquoi le but de mes projets de recherche est de comprendre les mécanismes nécessaires à la biogénèse et au fonctionnement des centrosomes et des cils. Tout d'abord, j’ai caractérisé une nouvelle protéine centrosomale nommée nephrocystine - 5 (NPHP5). Cette protéine est localisée dans les cellules en interphase au niveau de la région distale des centrioles. Sa déplétion inhibe la migration des centrosomes à la surface cellulaire lors de l’étape précoce de la formation des cils. NPHP5 interagit avec la protéine CEP290 via sa région C-terminale qui est essentielle pour la ciliogenèse. Elle interagit également avec la calmoduline ce qui empêche son auto-agrégation. J’ai démontré que les domaines de liaison de NHPH5 à CEP290 et à la calmoduline, ainsi que son domaine de localisation centrosomale sont séparables. De plus, j’ai démontré que les protéines NPHP5 présentant des mutations pathogènes ne peuvent plus interagir avec CEP290 et ne sont plus localisées aux centrosomes, rendant ainsi ces protéines non fonctionnelles. Enfin, en utilisant une approche pharmacologique pour moduler les événements en aval dans la voie ciliogénique, j’ai montré que la formation des cils peut être restaurée même en absence de NPHP5. D’autre part, j’ai étudié le rôle de NPHP5 dans l'assemblage et le trafic du complexe BBSome dans le cil. Le BBSome est composé de huit sous-unités différentes qui s’assemblent en un complexe fonctionnel dont on sait peu de chose sur la régulation spatiotemporelle de son processus d'assemblage. J’ai précédemment montré que NPHP5 favorisait la formation des cils et que son dysfonctionnement contribuait au développement de néphronophtise (NPHP). Bien que la NPHP et le syndrome de Bardet-Biedl (BBS) soient des ciliopathies qui partagent des caractéristiques cliniques communes, la base moléculaire de ces ressemblances phénotypiques n’est pas comprise. J’ai constaté que NPHP5, localisé à la base du cil, contient deux sites de liaison distincts pour le BBSome. De plus, j’ai démontré que NPHP5 et son partenaire CEP290 interagissent de façon dynamique avec le BBSome pendant la transition de la prolifération à la quiescence. La déplétion de NPHP5 ou CEP290 conduit à la dissociation d’au moins deux sous-unités du BBSome formant alors un sous-complexe dont la capacité de migration dans le cil n’est pas compromise. J’ai montré que le transport des cargos vers le compartiment ciliaire par ce sous-complexe n’est que partiellement altéré. Enfin, j’ai également concentré mes recherches sur une autre protéine centrosomale peu caractérisée. La protéine centrosomale de 76 kDa (Cep76) a été précédemment impliquée dans le maintien d’une duplication unique des centrioles par cycle cellulaire, et dans une interaction avec la kinase cycline-dépendante 2 (CDK2). Cep76 est préférentiellement phosphorylée par le complexe cycline A/CDK2 sur le site unique S83. Cet événement est essentiel pour supprimer l'amplification des centrioles en phase S. J’ai démontré que Cep76 inhibe cette amplification en bloquant la phosphorylation de Plk1 au niveau des centrosomes. D’autre part, Cep76 peut être acétylée au site K279 en phase G2, ce qui régule négativement son activité et sa phosphorylation sur le site S83. Ces études permettent d'améliorer notre compréhension de la biologie des centrosomes et des cils et pourraient conduire au développement de nouvelles applications diagnostiques et thérapeutiques.

Interpreting Human Genetic Variation through Genomics and In Vivo Models

Improvements in genomic technology, both in the increased speed and reduced cost of sequencing, have expanded the appreciation of the abundance of human genetic variation. However the sheer amount of variation, as well as the varying type and genomic content of variation, poses a challenge in understanding the clinical consequence of a single mutation. This work uses several methodologies to interpret the observed variation in the human genome, and presents novel strategies for the prediction of allele pathogenicity.

Using the zebrafish model system as an in vivo assay of allele function, we identified a novel driver of Bardet-Biedl Syndrome (BBS) in CEP76. A combination of targeted sequencing of 785 cilia-associated genes in a cohort of BBS patients and subsequent in vivo functional assays recapitulating the human phenotype gave strong evidence for the role of CEP76 mutations in the pathology of an affected family. This portion of the work demonstrated the necessity of functional testing in validating disease-associated mutations, and added to the catalogue of known BBS disease genes.

Further study into the role of copy-number variations (CNVs) in a cohort of BBS patients showed the significant contribution of CNVs to disease pathology. Using high-density array comparative genomic hybridization (aCGH) we were able to identify pathogenic CNVs as small as several hundred bp. Dissection of constituent gene and in vivo experiments investigating epistatic interactions between affected genes allowed for an appreciation of several paradigms by which CNVs can contribute to disease. This study revealed that the contribution of CNVs to disease in BBS patients is much higher than previously expected, and demonstrated the necessity of consideration of CNV contribution in future (and retrospective) investigations of human genetic disease.

Finally, we used a combination of comparative genomics and in vivo complementation assays to identify second-site compensatory modification of pathogenic alleles. These pathogenic alleles, which are found compensated in other species (termed compensated pathogenic deviations [CPDs]), represent a significant fraction (from 3 – 10%) of human disease-associated alleles. In silico pathogenicity prediction algorithms, a valuable method of allele prioritization, often misrepresent these alleles as benign, leading to omission of possibly informative variants in studies of human genetic disease. We created a mathematical model that was able to predict CPDs and putative compensatory sites, and functionally showed in vivo that second-site mutation can mitigate the pathogenicity of disease alleles. Additionally, we made publically available an in silico module for the prediction of CPDs and modifier sites.

These studies have advanced the ability to interpret the pathogenicity of multiple types of human variation, as well as made available tools for others to do so as well.