Etude des altérations phénotypiques induites par la modification du dosage génique de DYRK1A et développement de stragégies thérapeutiques

par Fayçal Guedj

Thèse de doctorat en Génétique humaine

Sous la direction de Jean-Maurice Delabar.

Soutenue en 2010

à Paris 7 .


  • Résumé

    Le syndrome de Down (SD) est l'anomalie génétique la plus fréquente avec une prévalence de 1/800 à la naissance. Ce syndrome est caractérisé par une série de signes phénotypiques de pénétrance variable incluant la morphogenèse du cerveau, la morphologie de la face et des membres, la brachycéphalie, des anomalies cardiaques congénitales, des malformations du tube digestif, une apparition précoce des signes histopathologiques de la maladie d'Alzheimer et un retard mental constant et d'intensité variable (QI=20-55). L'établissement des cartes de corrélation génotypes/phénotype chez des patients atteints de trisomies 21 partielles a permis d'identifier la région DCR-1 qui s'étend sur 2,5 Mb entre les gènes CBR1 et ERG et qui est associée à l'apparition de 13 signes cliniques du SD dont le retard mental suggérant un rôle important des gènes de cette région dans le SD. Le gène DYRK1A, localisé dans cette région, constitue un bon gène candidat dans l'apparition du retard mental associé au SD. Ce gène code pour une sérine/thréonine kinase à double spécificité capable de s'auto-activer par autophosphorylation et de phosphoryler un grand nombre de substrats protéiques incluant des facteurs de transcription, des facteurs d'épissage, des protéines importantes pour l'activité synaptique ainsi que d'autres protéines impliquées dans diverses fonctions biologiques et conditions pathologiques. Afin de comprendre le rôle de DYRK1A dans le développement normal et analyser l'effet de l'altération de son dosage génique sur la morphogenèse du cerveau et la plasticité synaptique, trois modèles murins présentant trois copies (hYac-TgDYRKIA, mBac-TgDyrklA) et une copie (DyrklA+/-) fonctionnelles de ce gène ont été utilisés. Dans la première partie du travail, une nouvelle lignée transgénique portant trois copies du gène DyrklA de la souris sous le contrôle de son promoteur endogène (modèle mBac-TgDyrklA) a été construite au laboratoire. L'analyse de l'expression du transcrit et de la protéine DyrklA dans les différentes parties du cerveau des souris mBac-TgDyrklA, hYac-TgDYRKIA et DyrklA+/- a révélé une expression dosage-génique dépendante de DyrklA validant ainsi l'utilisation de ces trois modèles dans les études du retard mental associé à la trisomie et à la monosomie libres ou partielles du chromosome 21. La deuxième partie était consacrée à l'étude de l'effet de la modification du dosage génique de DyrklA sur la morphogenèse du cerveau et les densités neuronale et gliale dans le cortex somatosensoriel (CSS) et le noyau thalamique VPL/VPM en combinant les techniques d'imagerie in vivo, de stéréologie et de western blotting. Les résultats obtenus montrent que la modification du dosage génique de DyrklA induit des altérations hétérogènes de la morphogenèse du cerveau (augmentation du volume chez les souris hYac-TgDYRKIA et mBac-TgDyrkla avec un effet plus important dans le thalamus/hypothalamus) et des densités neuronales (diminution de la densité neuronale dans le CSS et une augmentation dans le VPL/VPM) dans les différentes régions analysées. Ces altérations morphologiques sont associées à une altération de l'expression de la protéine MBP (marqueur de la morphologie neuronale), de la phosphorylation de FKHR (important dans la régulation du cycle cellulaire) et de la voie des MAP kinases suggérant un rôle crucial de ttyrklA dans la régulation de la balance apoptose/prolifération mais aussi de la croissance axonale et la myélinisation de ces axones. Les études comportementales effectuées dans la troisième partie de ce travail ont mis en évidence une altération de la mémoire spatiale dépendante de l'hippocampe, de la mémoire à long terme et de la fonction motrice chez les trois lignées de souris étudiées. Ces altérations comportementales sont accompagnées d'une diminution de l'activation de la CamKII dans l'hippocampe des souris hYac-TgDyrkl A adultes mais aussi d'une augmentation de la phosphorylation de AKT dans cette même région au stade postnatal P21. L'ensemble de ces résultats est en faveur d'un rôle important de DyrklA dans la régulation de la synaptogenèse et de la transmission synaptique. Enfin, une stratégie corrective des phénotypes observés chez les souris hYac-TgDYRKIA et Ts65Dn (trisomie 16 partielle de 104 gènes incluant DyrklA) a été développée en utilisant deux types de traitements à base d'EGCG auparavant identifié comme un inhibiteur spécifique de l'activité kinase de DyrklA. Les analyses morphométriques, comportementales et moléculaires ont montré que l'EGCG est capable de corriger de manière importante les différentes altérations observées chez les souris hYac-TgDYRKIA et Ts65Dn nous permettant de proposer le gène DyrklA comme cible potentielle d'une démarche correctrice : cette stratégie thérapeutique pourrait être utilisée dans le traitement du retard mental associé au SD.

  • Titre traduit

    Study of phenotypic alterations induced by the dyrk1a gene dosage modification and the development of therapeutic strategies


  • Résumé

    Down syndrome (DS) is the most common genetic disorder affecting 1/800 newborns. It is characterized by several phenotypic signs with a variable penetrance including alteration of the brain morphogenesis, morphology of the face and members, brachycephaly, congenital heart diseases, digestive tract malformations, an early onset of Alzheimer disease histopathological signs and a constant mental retardation with variable severity (IQ = 20-55). Construction of genotype/phenotype correlation maps in patients with partial trisomy 21 enabled the identification of DCR-1, a region of 2. 5 Mb between CBR1 and ERG associated with the apparition of 13 clinical signs of DS among which mental retardation suggesting an important role of the genes contained in this region for the DS phenotype. DYRK1A gene, localized in this region, is a good candidate gene for mental retardation associated with DS. It encodes a dual-specificity serine/threonine kinase activated via autophosphorylation on the tyrosine 321 residu and phosphorylates a myriad of protein substrates including transcription and splicing factors, proteins playing important roles in synaptic plasticity and others proteins implicated in a variety of biological functions and pathological conditions. To understand DYRK1A role in the normal development and analyze the effects of its gene dosage alteration on the brain morphogenesis and synaptic plasticity, two mouse models bearing three copies (hYac-TgDYRKl A, mBac-TgDyrkl A) and an haploinsufficient model with only one copy of this gene (Dyrkl A+/-) have been used in this study. In the first part of this work, a new transgenic mouse line containing three copies of the mouse DyrklA gene with its endogenous promoter (mBac-TgDyrklA model) has been constructed in our laboratory. DyrklA transcript and protein expression analysis in the different brain parts of adult mBac-TgDyrklA, hYac-TgDYRKIA and DyrklA+A mice revealed a gene-dosage dependent expression of DyrklA validating the use of these models in the studies of mental retardation associated with free or partial trisomy and monosomy of the chromosome 21. The seconds part of our study focused on the DyrklA gene dosage alteration impact on brain morphogenesis and neuronal and glial cell density in the somatosensory cortex (SSC) and the ventrobasal (VPL/VPM) thalamic nucleus by combining in vivo imaging, seterology and western blotting techniques. Results obtained showed that DyrklA gène dosage modification induces heterogeneous alterations of the brain morphogenesis (increased brain volume in hYac-TgDYRKIA and mBac-TgDyrklA with a more pronounced action on the thalamus/hypothalamus region) and neuronal densities (a decreased neuronal density in the SSC and an increased density in the VPL/VPM) in the different investigated régions. These morphological changes are associated with MBP (neuronal morphology marker) overproduction, FKHR (important for the cell cycle regulation) hyperphosphorylation and MAPKs signaling pathway dysregulation suggesting an important role of DyrklA in the apoptosis/proliferation balance regulation but also in the axonal growth and myelinization. Behavioral studies performed in the third part of our work highlighted an impairment of the hippocampus-dependent spatial memory, the long-term memory and the motor function in the three studied mouse lines. These behavioral phenotypes are linked to a decreased activation of CamKII observed in the hippocampus of hYac-TgDYRKIA mice, but also to an increased AKT phosphorylation in this region at postnatal day P21. Taken together, these results indicate clearly that DyrklA plays a major role in synaptogenesis and synaptic transmission regulation. Finally, a corrective strategy of the phenotypes observed in hYac-TgDYRKIA and Ts65Dn (Partial MM 16 trisomy with 104 triplicated genes including DyrklA) mice has been developed ,using two EGCG (identified as spécifie DyrklA inhibitor in vitro) based diets. Morphometric, behavioral and molecular analysis showed that EGCG is able to strongly correct the phenotypic alterations observed in hYac-TgDYRKIA and Ts6Dn mice allowing us to propose the DyrklA gene as a potential target for a therapeutic approach of the DS associated mental retardation.

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  • Détails : 1 vol. (302 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 362 Réf.

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  • PEB soumis à condition
  • Cote : TS (2010) 222
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  • Non disponible pour le PEB
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