Autofluorescence Findings Of A Novel Maculopathy In Patient With Spinocerebellar Ataxia Type 1 And Of A Cone - Rod Type Retinal Dysfunction In Three Generation Family With Spinocerebellar Ataxia Type 7

Purpose: To report a novel maculopathy in a patient with SCA1. To describe autofluorescence findings in family with SCA7 and associated cone-rod retinal dysfunction.Methods: 4 affected patients from two families were assessed to investigate a progressive loss of visual acuity (VA). Examinations included fundus photography, autofluorescence (AF) fundus fluorescein angiogragraphy (FFA) and optical coherence tomography. Electroretinogram (full-field) was performed in 2 affected patients. All patients had color vision testing using Ishihara pseudoisochromatic plates. Molecular analysis was performed in family 2.Results: The patient with known diagnosis of SCA1 had a visual acuity of 20/200 bilaterally and dyschromatopsia. He had saccadic pursuit. Fundus examination showed mild retinal pigment epithelium (RPE) changes at the macula. OCT showed bilateral macular serous detachment, which was not obvious at the FFA and explained his VA. AF imaging showed a central hyperfluorescence. The 45 year old proband from family 2 had a visual acuity of 200/20 and dyschromatopsia. ERG testing showed cone type dysfunction of photoreceptors. Her daughter affected at a younger age had the same ERGs findings. Fundus examination showed mild RPE changes in proband, normal findings in her daughter. AF imaging of both patients showed a ring of high density AF around the fovea. The ring was also obvious on near infrared AF. Later onset of gait imbalance led to the diagnosis of SCA7Conclusions: Within the group of spinocerebellar ataxias, only the type 7 is associated with retinal dysfunction. We present the first report of maculopathy associated with SCA1 causing severe vision loss. The ring of high density AF in SCA7 confirmed an early retinal photoreceptor dysfunction in patient with normal fundus.

The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.

ROLE OF THE GCN5 HISTONE ACETYLTRANSFERASE IN SPINOCEREBELLAR ATAXIA TYPE 7 AND IN IMMATURE NEURONS

Spinocerebellar Ataxia type 7 (SCA7) is a neurodegenerative disease caused by expansion of a CAG repeat encoding a polyglutamine tract in ATXN7, a component of the SAGA histone acetyltransferase (HAT) complex. Previous studies provided conflicting evidence regarding the effects of polyQ-ATXN7 on the activity of Gcn5, the HAT catalytic subunit of SAGA. Here I showed that reducing Gcn5 expression accelerates both cerebellar and retinal degeneration in a mouse model of SCA7. Deletion of Gcn5 in Purkinje cells in mice expressing wild type Atxn7, however, causes only mild ataxia and does not lead to the early lethality observed in SCA7 mice. Reduced Gcn5 expression strongly enhances retinopathy in SCA7 mice, but does not affect the transcriptional targets of Atxn7, as expression of these genes is not further altered by Gcn5 depletion. These findings demonstrate that loss of Gcn5 functions can contribute to the time of onset and severity of SCA7 phenotypes, but suggest that non-transcriptional functions of SAGA may play a role in neurodegeneration in this disease.

Mitochondrial impairments contribute to Spinocerebellar ataxia type 1 progression and can be ameliorated by the mitochondria-targeted antioxidant MitoQ

Spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1), due to an unstable polyglutamine expansion within the ubiquitously expressed Ataxin-1 protein, leads to the premature degeneration of Purkinje cells (PCs), decreasing motor coordination and causing death within 10-15 years of diagnosis. Currently, there are no therapies available to slow down disease progression. As secondary cellular impairments contributing to SCA1 progression are poorly understood, here, we focused on identifying those processes by performing a PC specific proteome profiling of Sca1154Q/2Q mice at a symptomatic stage. Mass spectrometry analysis revealed prominent alterations in mitochondrial proteins. Immunohistochemical and serial block-face scanning electron microscopy analyses confirmed that PCs underwent age-dependent alterations in mitochondrial morphology. Moreover, colorimetric assays demonstrated impairment of the electron transport chain complexes (ETC) and decrease in ATPase activity. Subsequently, we examined whether the mitochondria-targeted antioxidant MitoQ could restore mitochondrial dysfunction and prevent SCA1-associated pathology in Sca1154Q/2Q mice. MitoQ treatment both presymptomatically and when symptoms were evident ameliorated mitochondrial morphology and restored the activities of the ETC complexes. Notably, MitoQ slowed down the appearance of SCA1-linked neuropathology such as lack of motor coordination as well as preventing oxidative stress-induced DNA / RNA damage and PC loss. Our work identifies a central role for mitochondria in PC degeneration in SCA1 and provides evidence for the supportive use of mitochondria-targeted therapeutics in slowing down disease progression.

The role of frameshifting and transcriptional dysregulation in spinocerebellar ataxia type-3

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The role of frameshifting and transcriptional dysregulation in spinocerebellar ataxia type-3

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Biochemical characterization of Aprataxin, the protein deficient in Ataxia with Oculomotor Apraxia type 1

Neurodegenerative disorders are heterogenous in nature and include a range of ataxias with oculomotor apraxia, which are characterised by a wide variety of neurological and ophthalmological features. This family includes recessive and dominant disorders. A subfamily of autosomal recessive cerebellar ataxias are characterised by defects in the cellular response to DNA damage. These include the well characterised disorders Ataxia-Telangiectasia (A-T) and Ataxia-Telangiectasia Like Disorder (A-TLD) as well as the recently identified diseases Spinocerebellar ataxia with axonal neuropathy Type 1 (SCAN1), Ataxia with Oculomotor Apraxia Type 2 (AOA2), as well as the subject of this thesis, Ataxia with Oculomotor Apraxia Type 1 (AOA1). AOA1 is caused by mutations in the APTX gene, which is located at chromosomal locus 9p13. This gene codes for the 342 amino acid protein Aprataxin. Mutations in APTX cause destabilization of Aprataxin, thus AOA1 is a result of Aprataxin deficiency. Aprataxin has three functional domains, an N-terminal Forkhead Associated (FHA) phosphoprotein interaction domain, a central Histidine Triad (HIT) nucleotide hydrolase domain and a C-terminal C2H2 zinc finger. Aprataxins FHA domain has homology to FHA domain of the DNA repair protein 5’ polynucleotide kinase 3’ phosphatase (PNKP). PNKP interacts with a range of DNA repair proteins via its FHA domain and plays a critical role in processing damaged DNA termini. The presence of this domain with a nucleotide hydrolase domain and a DNA binding motif implicated that Aprataxin may be involved in DNA repair and that AOA1 may be caused by a DNA repair deficit. This was substantiated by the interaction of Aprataxin with proteins involved in the repair of both single and double strand DNA breaks (XRay Cross-Complementing 1, XRCC4 and Poly-ADP Ribose Polymerase-1) and the hypersensitivity of AOA1 patient cell lines to single and double strand break inducing agents. At the commencement of this study little was known about the in vitro and in vivo properties of Aprataxin. Initially this study focused on generation of recombinant Aprataxin proteins to facilitate examination of the in vitro properties of Aprataxin. Using recombinant Aprataxin proteins I found that Aprataxin binds to double stranded DNA. Consistent with a role for Aprataxin as a DNA repair enzyme, this binding is not sequence specific. I also report that the HIT domain of Aprataxin hydrolyses adenosine derivatives and interestingly found that this activity is competitively inhibited by DNA. This provided initial evidence that DNA binds to the HIT domain of Aprataxin. The interaction of DNA with the nucleotide hydrolase domain of Aprataxin provided initial evidence that Aprataxin may be a DNA-processing factor. Following these studies, Aprataxin was found to hydrolyse 5’adenylated DNA, which can be generated by unscheduled ligation at DNA breaks with non-standard termini. I found that cell extracts from AOA1 patients do not have DNA-adenylate hydrolase activity indicating that Aprataxin is the only DNA-adenylate hydrolase in mammalian cells. I further characterised this activity by examining the contribution of the zinc finger and FHA domains to DNA-adenylate hydrolysis by the HIT domain. I found that deletion of the zinc finger ablated the activity of the HIT domain against adenylated DNA, indicating that the zinc finger may be required for the formation of a stable enzyme-substrate complex. Deletion of the FHA domain stimulated DNA-adenylate hydrolysis, which indicated that the activity of the HIT domain may be regulated by the FHA domain. Given that the FHA domain is involved in protein-protein interactions I propose that the activity of Aprataxins HIT domain may be regulated by proteins which interact with its FHA domain. We examined this possibility by measuring the DNA-adenylate hydrolase activity of extracts from cells deficient for the Aprataxin-interacting DNA repair proteins XRCC1 and PARP-1. XRCC1 deficiency did not affect Aprataxin activity but I found that Aprataxin is destabilized in the absence of PARP-1, resulting in a deficiency of DNA-adenylate hydrolase activity in PARP-1 knockout cells. This implies a critical role for PARP-1 in the stabilization of Aprataxin. Conversely I found that PARP-1 is destabilized in the absence of Aprataxin. PARP-1 is a central player in a number of DNA repair mechanisms and this implies that not only do AOA1 cells lack Aprataxin, they may also have defects in PARP-1 dependant cellular functions. Based on this I identified a defect in a PARP-1 dependant DNA repair mechanism in AOA1 cells. Additionally, I identified elevated levels of oxidized DNA in AOA1 cells, which is indicative of a defect in Base Excision Repair (BER). I attribute this to the reduced level of the BER protein Apurinic Endonuclease 1 (APE1) I identified in Aprataxin deficient cells. This study has identified and characterised multiple DNA repair defects in AOA1 cells, indicating that Aprataxin deficiency has far-reaching cellular consequences. Consistent with the literature, I show that Aprataxin is a nuclear protein with nucleoplasmic and nucleolar distribution. Previous studies have shown that Aprataxin interacts with the nucleolar rRNA processing factor nucleolin and that AOA1 cells appear to have a mild defect in rRNA synthesis. Given the nucleolar localization of Aprataxin I examined the protein-protein interactions of Aprataxin and found that Aprataxin interacts with a number of rRNA transcription and processing factors. Based on this and the nucleolar localization of Aprataxin I proposed that Aprataxin may have an alternative role in the nucleolus. I therefore examined the transcriptional activity of Aprataxin deficient cells using nucleotide analogue incorporation. I found that AOA1 cells do not display a defect in basal levels of RNA synthesis, however they display defective transcriptional responses to DNA damage. In summary, this thesis demonstrates that Aprataxin is a DNA repair enzyme responsible for the repair of adenylated DNA termini and that it is required for stabilization of at least two other DNA repair proteins. Thus not only do AOA1 cells have no Aprataxin protein or activity, they have additional deficiencies in PolyADP Ribose Polymerase-1 and Apurinic Endonuclease 1 dependant DNA repair mechanisms. I additionally demonstrate DNA-damage inducible transcriptional defects in AOA1 cells, indicating that Aprataxin deficiency confers a broad range of cellular defects and highlighting the complexity of the cellular response to DNA damage and the multiple defects which result from Aprataxin deficiency. My detailed characterization of the cellular consequences of Aprataxin deficiency provides an important contribution to our understanding of interlinking DNA repair processes.

Next generation sequencing identifies novel CACNA1A gene mutations in Episodic Ataxia type 2

Episodic Ataxia type 2 (EA2) is a rare autosomal dominantly inherited neurological disorder characterized by recurrent disabling imbalance, vertigo and episodes of ataxia lasting minutes to hours. EA2 is caused most often by loss of function mutations of the calcium channel gene CACNA1A. In addition to EA2, mutations in CACNA1A are responsible for two other allelic disorders: familial hemiplegic migraine type1 (FHM1) and spinocerebellar ataxia type 6 (SCA6). Herein, we have utilised Next Generation Sequencing (NGS) to screen the coding sequence, exon-intron boundaries and UTRs of five genes where mutation is known to produce symptoms related to EA2, including CACNA1A. We performed this screening in a group of 31 unrelated patients with EA2 symptoms. Both novel and known mutations were detected through NGS technology, and confirmed through Sanger sequencing. Genetic testing showed in total 15 mutation bearing patients (48%), of which 9 were novel mutations (6 missense and 3 small frameshift deletion mutations) and six known mutations (4 missense and 2 nonsense).These results demonstrate the efficiency of our NGS-panel for detecting known and novel mutations for EA2 in the CACNA1A gene, also identifying a novel missense mutation in ATP1A2 which is not a normal target for EA2 screening.

Overexpression of mutant ataxin-3 in mouse cerebellum induces ataxia and cerebellar neuropathology.

Machado-Joseph disease (MJD), also known as spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3), is a fatal, dominant neurodegenerative disorder caused by the polyglutamine-expanded protein ataxin-3. Clinical manifestations include cerebellar ataxia and pyramidal signs culminating in severe neuronal degeneration. Currently, there is no therapy able to modify disease progression. In the present study, we aimed at investigating one of the most severely affected brain regions in the disorder-the cerebellum-and the behavioral defects associated with the neuropathology in this region. For this purpose, we injected lentiviral vectors encoding full-length human mutant ataxin-3 in the mouse cerebellum of 3-week-old C57/BL6 mice. We show that circumscribed expression of human mutant ataxin-3 in the cerebellum mediates within a short time frame-6 weeks, the development of a behavioral phenotype including reduced motor coordination, wide-based ataxic gait, and hyperactivity. Furthermore, the expression of mutant ataxin-3 resulted in the accumulation of intranuclear inclusions, neuropathological abnormalities, and neuronal death. These data show that lentiviral-based expression of mutant ataxin-3 in the mouse cerebellum induces localized neuropathology, which is sufficient to generate a behavioral ataxic phenotype. Moreover, this approach provides a physiologically relevant, cost-effective and time-effective animal model to gain further insights into the pathogenesis of MJD and for the evaluation of experimental therapeutics of MJD.

Childhood-onset mitochondrial diseases : with emphasis on molecular diagnostics of neurological disorders

Childhood-onset mitochondrial diseases comprise a heterogeneous group of disorders, which may manifest with almost any symptom and affect any tissue or organ. Due to challenging diagnostics, most children still lack a specific aetiological diagnosis. The aim of this thesis was to find molecular causes for childhood-onset mitochondrial disorders in Finland. We identified the underlying cause for 25 children, and found three new diseases, which had not been diagnosed in Finland before. These diseases caused severe progressive infantile-onset encephalomyopathies, and were due to defects in mitochondrial DNA (mtDNA) maintenance. Furthermore, the thesis provides the molecular background of Finnish patients with ‘leukoencephalopathy with brain stem and spinal cord involvement and elevated brain lactate’ (LBSL). A new phenotype was identified to be due to mutations in Twinkle, resembling ‘infantile onset spinocerebellar ataxia’ (IOSCA). These mutations caused mtDNA depletion in the liver, thus confirming the essential role of Twinkle in mtDNA maintenance, and expanding the molecular background of mtDNA depletion syndromes. The major aetiology for infantile mitochondrial myopathy in Finland was discovered to be due to mutations in thymidine kinase 2 (TK2). A novel mutation with Finnish ancestry was identified, and a genotype-phenotype correlation with mutation-specific distribution of tissue involvement was found, thus proving that deficient TK2 may cause multi-tissue depletion and impair neuronal function. This work established the molecular diagnosis and advanced the knowledge of phenotypes among paediatric patients with polymerase gamma (POLG) mutations. The patients showed severe early-onset encephalopathy with intractable epilepsy. POLG mutations are not a prevalent cause of children’s ataxias, although ataxia is a major presenting symptom among adults. Our findings indicate that POLG mutations should be investigated even if typical MRI, histochemical or biochemical abnormalities are lacking. LBSL patients showed considerable variation in phenotype despite identical mutations. A common, most likely European, ancestry, and a relative high carrier frequency of these mutations in Finland were discovered; suggesting that LBSL may be a quite common leukoencephalopathy in other populations as well. The results suggest that MRI findings are so unique that the diagnosis of LBSL is possible to make without genetic studies. This thesis work has resulted in identification of new mitochondrial disorders in Finland, enhancing the understanding of the clinical variability and the importance of tissue-specificity of these disorders. In addition to providing specific diagnosis to the patients, these findings give light to the underlying pathogenetic mechanisms of childhood-onset mitochondrial disorders.

Molecular characterization of mitochondrial ataxias : with emphasis on MIRAS and IOSCA

Uusi hermoston rappeumasairaus MIRAS: Suomessa kantajia joka 125. väestöstä Tässä väitöskirjatyössä on kuvattu uusi peittyvästi periytyvä hermoston rappeumasairaus, MIRAS (mitochondrial recessive ataxia syndrome), ja sen geenitausta. Tauti osoittautui tutkimuksessamme Suomen yleisimmäksi perinnölliseksi ataksiasairaudeksi. Tutkimuksessa on tutkittu perinnöllisiä aivosairauksia, joissa yhtenä oireena on ataksia (kävelyn epävarmuus, tasapainovaikeus ja liikkeiden haparointi), sekä lukuisia muita aivojen toimintahäiriöstä johtuvia oireita. Seuloessamme suomalaisilta ataksiapotilailta MIRAS-geenivirhettä, 27 potilasta sai diagnoosin aikaisemmin tuntemattomalle, etenevälle ataksiasairaudelleen. Tutkimuksen tuloksena kyseisen geenivirheen DNA-diagnostiikka on otettu käyttöön suomalaisissa ja eurooppalaisissa laboratorioissa, ja toista sataa potilasta ympäri maailman on saanut diagnoosin. Suomen väestössä joka 125. kantaa MIRAS geenivirhettä, mutta taudin saa vain, jos perii geenivirheen molemmilta vanhemmiltaan. MIRAS on taudinkuvaltaan vaihteleva, mutta vaikea etenevä neurologinen sairaus. Useilla potilailla esiintyvät oireet ovat ataksia, puheen puuromaisuus (dysartria), ääreishermorappeuma (neuropatia), pakkoliikkeet, psykiatriset oireet sekä vaikea epilepsia. Erityisen tärkeää MIRAS-taudin tunnistaminen on siihen liittyvän epilepsian hoitopäätöksessä: valproaatti-lääkitys voi aiheuttaa MIRAS-potilaille vaikean maksavaurion. Väitöskirjatyön tuloksena selvisi, että kaikki suomalaiset, norjalaiset, belgialaiset, englantilaiset, australialaiset ja uusi-seelantilaiset MIRAS potilaat olivat kaukaista sukua samalle, tuhansia vuosia sitten eläneelle eurooppalaiselle esivanhemmalle. Ataksiasairauksien tautimekanismeja selvitimme tutkimalla MIRAS-ataksiaa ja sitä muistuttavaa IOSCA sairautta (infantile onset spinocerebellar ataxia), jonka aiheuttaa peittyvästi periytyvä geenivirhe Twinkle-geenissä. Tutkimuksessa löydettiin myös uusi, Twinkle-geenin geenivirheestä johtuva taudinkuva: vaikea-asteinen, varhaisella iällä alkava aivosairaus, jossa on lisäksi viitteitä maksasairaudesta. Löysimme potilaiden aivoista muutoksia mitokondrioiden eli solun voimalaitosten perimän määrässä. Nämä tulokset antavat arvokasta lisätietoa ataksiasairauksien taustalla olevista muutoksista, joiden ymmärtäminen on välttämätön edellytys hoitomahdollisuuksien tutkimiselle tulevaisuudessa.

Étude clinique et génétique d’une nouvelle forme d’ataxie spinocérébelleuse pure associée à l’Érythrokératodermie

Nous présentons ici la description clinique et génétique d’un syndrome neurocutané unique. Le laboratoire du Dr Cossette a entrepris la caractérisation clinique et génétique d'une famille canadienne-française qui a été identifiée par les Drs Giroux et Barbeau en 1972 et qui comprend plus de 100 personnes sur six générations. Les membres atteints de cette famille présentent des lésions typiques d'érythrokératodermie (EK) (OMIM 133190, EKV1 et EKV2), associées à une ataxie spinocérébelleuse pure. Dans cette famille, l'ataxie est caractérisée par des troubles de la coordination et de la démarche causés par une dégénérescence du cervelet et de la moelle épinière. Cette ataxie est transmise selon un mode autosomique dominant. Une étude antérieure de cette variante d'EK avec ataxie avait suggéré une liaison sur le chromosome 1p34-p35, soit la même région que les formes EKV de type 1 et 2, causées respectivement par des mutations dans les gènes connexin-31 (GJB3; OMIM 603324) et connexin-30.3 (GJB4; OMIM 605425). Cependant, aucune mutation n'a été retrouvée dans ces gènes pour la famille canadienne-française. Nous avons récemment recontacté la famille et effectué des examens détaillés, incluant une imagerie par résonance magnétique (IRM) et un électromyogramme (EMG). Les manifestations neurologiques des individus atteints sont compatibles avec une nouvelle forme d’ataxie cérébelleuse pure à transmission autosomique dominante (ADCA de type III dans la classification de Harding) que nous avons appelée SCA34. Une cartographie complète du génome nous a permis de localiser le gène SCA34 sur le chromosome 6p12.3-q16.2. Également, en collaboration avec les Drs Alexis Brice (Hôpital Pitié-La Salpêtrière, Paris) et Alfredo Brusco (Hôpital San Giovanni Battista di Torino, Italie), nous avons confirmé que trois autres familles européennes avec SCA inexpliquée étaient également liées au locus SCA34. Notre laboratoire a récemment entrepris la recherche des mutations responsables de SCA34. Les résultats de ce criblage de gènes candidats sont présentés dans le chapitre 3 de cette thèse.

Caractérisation du décalage du cadre de lecture de la protéine ataxine-3

Les expansions du codon CAG (polyQ) sont impliquées dans neuf maladies neurodégénératives. Notre groupe a démontré que, lors de la traduction de la protéine ataxine-3 (Atx3) mutée qui est impliquée dans l’ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3), un changement du cadre de lecture vers un cadre décalé -1 (GCA) se produit. La traduction dans ce nouveau cadre de lecture entraine la production de polyalanine et ceci amplifierait la toxicité des polyQ. Le changement de cadre de lecture (ccl) ribosomique peut se produire des virus aux mammifères mais peu de choses sont connues sur son impact chez l’humain. Afin d’étudier ce phénomène dans la protéine Atx3 avec expansion de polyQ, nous avons établi un modèle de Drosophile transgénique et testé si c’était l’ARNm ou la protéine mutée qui était toxique. Nous avons aussi employé un essai de toeprinting (TP) afin d’identifier l’emplacement précis où les ribosomes changent de cadre de lecture sur l’ARNm. Nos résultats indiquent que la toxicité est due à la présence de polyalanines faisant suite au ccl et que l’ARNm en soi n’est pas la cause directe de la toxicité. De plus, nous avons observé que les ribosomes s’arrêtent au 48ième codon glutamine et que cet arrêt est spécifique aux polyQ. L’arrêt des ribosomes a d’ailleurs aussi été observé dans d’autres maladies avec expansions de polyQ. Puisque ces maladies ont des caractéristiques communes, un blocage de ce ccl pourrait atténuer les symptômes des patients SCA3 et d’autres maladies à expansions de polyQ

Exploration génomique de la déficience intellectuelle

La déficience intellectuelle (DI) définit un groupe de conditions génétiquement hétérogènes caractérisées par l’apparition de troubles cognitifs précoces chez l’enfant. Elle affecte 1-3% de la population dans les pays industrialisés. La prévalence de la DI est beaucoup plus élevée ailleurs dans le monde, en raison de facteurs sociodémographiques comme le manque de ressources dans le système de santé, la pauvreté et la consanguinité. Des facteurs non-génétiques sont mis en cause dans l’étiologie de la DI ; on estime qu’environ 25% des cas de DI sont d’origine génétique. Traditionnellement, les bases moléculaires de la DI ont été investiguées par des analyses cytogénétiques, les approches de cartographie génétique et le séquençage de gènes candidats ; ces techniques de génétiques classiques sont encore mises à rude épreuve dans l’analyse de maladies complexes comme la DI. La DI liée à l’X a été particulièrement étudiée, avec plus d’une centaine de gènes identifiés uniquement sur le chromosome X. Des mutations hétérozygotes composites sont mises en évidence dans la DI autosomique, dans le contexte d’unions non-consanguines. L’occurrence de ce type de mutations est rare, chez des individus non-apparentés, de sorte que les mutations dominantes de novo sont plus courantes. Des mutations homozygotes sont attendues dans les populations consanguines ou marquées par un effet fondateur. En fait, les bases moléculaires de la DI autosomique ont été presqu’exclusivement étudiées dans le contexte de populations avec des forts taux de consanguinité. L’origine de la DI demeure encore inconnue dans environ 60 % des cas diagnostiqués. En l’absence de facteurs environnementaux associés à la DI chez ces individus, il est possible d’envisager que des facteurs génétiques non identifiés entrent en jeu dans ces cas de DI inexpliqués. Dans ce projet de recherche, nous voulions explorer l’origine génétique de la DI, dans vingt familles, où une transmission de la maladie selon un mode autosomique récessif est suspectée. Nous avons mis de l’avant les techniques de séquençage de nouvelle génération, afin de mettre en évidence les déterminants génétiques de la DI, à l’échelle du génome humain. En fait, nous avons priorisé la capture et le séquençage de l’exome; soient la totalité des régions codantes du génome humain et leurs sites d’épissage flanquants. Dans nos analyses, nous avons ciblé les variants qui ne sont pas rapportés trop fréquemment dans différentes bases de données d’individus contrôles, ces mutations rares cadrent mieux avec une condition comme la DI. Nous avons porté une attention particulière aux mutations autosomiques récessives (homozygotes et hétérozygotes composites) ; nous avons confirmé que ces mutations ségréguent avec une transmission récessive dans la famille à l’étude. Nous avons identifié des mutations dans des gènes pouvant être à l’origine de la DI, dans certaines des familles analysées ; nous avons validé biologiquement l'impact fonctionnel des mutations dans ces gènes candidats, afin de confirmer leur implication dans la pathophysiologie de la DI. Nous avons élucidé les bases moléculaires de la DI dans huit des familles analysées. Nous avons identifié le second cas de patients avec syndrome de cassure chromosomique de Varsovie, caractérisé par des dysfonctions de l’ARN hélicase DDX11. Nous avons montré qu’une perte de l’activité de TBC1D7, une des sous-unités régulatrice du complexe TSC1-TSC2, est à l’origine de la pathologie dans une famille avec DI et mégalencéphalie. Nous avons mis en évidence des mutations pathogéniques dans le gène ASNS, codant pour l’Asparagine synthétase, chez des patients présentant une microcéphalie congénitale et une forme progressive d’encéphalopathie. Nous avons montré que des dysfonctions dans la protéine mitochondriale MAGMAS sont mises en cause dans une condition caractérisée par un retard prononcé dans le développement associé à une forme sévère de dysplasie squelettique. Nous avons identifié une mutation tronquant dans SPTBN2, codant pour la protéine spinocerebellar ataxia 5, dans une famille avec DI et ataxie cérébelleuse. Nous avons également mis en évidence une mutation dans PIGN, un gène impliqué dans la voie de biosynthèse des ancres de glycosylphosphatidylinositol , pouvant être à l’origine de la maladie chez des individus avec épilepsie et hypotonie. Par ailleurs, nous avons identifié une mutation - perte de fonction dans CLPB, codant pour une protéine chaperonne mitochondriale, dans une famille avec encéphalopathie néonatale, hyperekplexie et acidurie 3-méthylglutaconique. Le potentiel diagnostic des techniques de séquençage de nouvelle génération est indéniable ; ces technologies vont révolutionner l’univers de la génétique moléculaire, en permettant d’explorer les bases génétiques des maladies complexes comme la DI.