Etude fonctionnelle et structurale de variants rares des contactines et vulnérabilité à l’autisme

par Oriane Mercati

Thèse de doctorat en Neurosciences

Sous la direction de Isabelle Cloëz-Tayarani.


  • Résumé

    Les troubles du spectre autistique (TSA) affectent un individu sur 100 et sont caractérisés par des déficits de la communication et des interactions sociales, et par des comportements restreints et répétitifs. Les TSA présentent une forte composante génétique ; les premiers gènes impliqués ont été identifiés au laboratoire et codent des protéines d’adhérence ou d’échafaudage localisées à la synapse : les neuroligines (NLGN) et SHANK. Nous nous sommes intéressés à l’implication dans les TSA des contactines (CNTN), un groupe de six molécules d’adhérence neurales de la superfamille des immunoglobulines. Ces protéines sont ancrées à la membrane plasmique par un groupement glycosyl phosphatidylinositol (GPI) et peuvent être sécrétées par clivage du GPI. Elles interviennent dans des processus variés du développement neuronal comme la croissance neuritique, le guidage et la fasciculation des axones ou la myélinisation. Des études génétiques ont suggéré l’implication des contactines 4 à 6 dans les TSA, mais aucune étude fonctionnelle n’a confirmé cette hypothèse. Ce travail de thèse associe une analyse génétique, une analyse fonctionnelle sur des cultures de neurones primaires de rat et une analyse structurale par modélisation moléculaire. Nous avons identifié plusieurs "Copy-Number Variants" (CNV) dans les gènes CNTN (essentiellement des délétions affectant CNTN5 et CNTN6) et observé une tendance à l’enrichissement chez les patients par rapport aux individus témoins. Le séquençage des exons codants de CNTN5 et CNTN6 chez plus de 200 patients et 200 témoins nous a ensuite permis d’identifier des variants ponctuels non synonymes. Les variants privés (présents chez un seul individu ou dans une seule famille) sont plus fréquents chez les patients que chez les témoins. Les CNV et les variants ponctuels sont hérités, de parents pour la plupart non atteints, ce qui suggère que les altérations des contactines constituent des facteurs de vulnérabilité aux TSA plutôt que des facteurs causaux. Afin de déterminer l’effet fonctionnel des variants ponctuels rares, nous avons comparé l’effet sur la neuritogenèse des CNTN mutées à celui des CNTN sauvages. Nous avons ainsi analysé, sur plusieurs centaines de neurones par condition, la longueur et la ramification des neurites dans un système de co-culture avec des cellules HEK surexprimant la CNTN. La plupart des protéines CNTN5 et CNTN6 mutées présentent des effets différents de ceux des protéines sauvages (inhibition ou augmentation des effets positifs de celles-ci). Le dernier objectif de cette étude consistait à évaluer l’influence de certains de ces variants sur l’interaction des CNTN, via les domaines immunoglobuline (Ig) 2 et 3, avec l’un de leurs ligands, le récepteur à activité tyrosine phosphatase PTPRG. Par homologie avec la structure cristallographique déjà résolue pour les quatre premiers domaines Ig de CNTN4 de souris, nous avons modélisé cette région pour les CNTN5 et 6 humaines, sauvages et mutées. Nous avons ainsi pu prédire que certains variants étaient susceptibles de modifier les liaisons ioniques ou l’encombrement stérique dans cette région d’interaction. L’ensemble de nos résultats démontre l’existence d’effets fonctionnels délétères de plusieurs variants rares des contactines retrouvés chez les patients atteints de TSA. La présence de ces variants rares chez des apparentés non atteints indique que les altérations des CNTN s’inscrivent dans un modèle de "multiple hit", qui propose que l’autisme puisse résulter de la combinaison de plusieurs atteintes génétiques, chacune représentant un facteur de risque à effet modéré et n’entraînant pas, à elle seule, le développement du trouble. Le séquençage d’exomes et de génomes entiers, en cours au laboratoire, permettra une meilleure compréhension de ces atteintes génétiques multiples.

  • Titre traduit

    Structural and functional analysis of contactin rare variants and susceptibility to autism


  • Résumé

    Autism Spectrum Disorders (ASDs) affect one individual out of 100 and are characterised by deficits in communication and social interactions, and by restricted and repetitive behaviours. ASDs display a strong genetic component ; the first genes involved were identified in our laboratory and encode for cell-adhesion or scaffolding proteins localised at the synapse : neuroligins (NLGNs) and SHANKs. We were interested in the implication, in the ASDs, of contactins (CNTNs), a group of six neural cell-adhesion molecules of the immunoglobulin superfamily. These proteins are anchored to the plasma membrane by a glycosyl phosphatidylinositol (GPI) and can be secreted by cleavage of this anchor. They participate in various processes of neuronal development such as neurite outgrowth, axon guidance and fasciculation, and myelination. Genetic studies have suggested the involvement of contactins 4, 5 and 6 in the ASDs, but no functional study has confirmed this hypothesis. The present work combines a genetic analysis, a functional analysis on cultured primary rat cortical neurons and a structural analysis by molecular modelling. We identified several "Copy-Number Variants" (CNVs) in CNTN genes (mainly deletions affecting CNTN5 and CNTN6) and observed a trend of enrichment in patients compared to control individuals. Subsequent sequencing of CNTN5 and CNTN6 coding exons in more than 200 patients and 200 controls allowed us to identify non synonymous single-nucleotide variants (SNVs). Private variants (present only in one individual or one family) are enriched in patients compared to controls. CNVs and SNVs are inherited, mainly from unaffected parents, which suggests that impairments in contactins represent susceptibility factors for ASDs, rather than causal factors. In order to determine the functional effects of rare SNVs, we compared the effect on neuritogenesis of mutant CNTNs to that of WT CNTNs. We therefore analysed, on several hundreds of neurons per condition, the length and branching of neurites in a co-culture system with HEK cells overexpressing a CNTN protein. Most of CNTN5 and CNTN6 mutant proteins either inhibited or increased the positive effects of WT proteins. The last aim of the present study consisted in evaluating the influence of some of these variants on the interaction of CNTNs, via their immunoglobulin (Ig) domains 2 and 3, with one of their ligands, the protein tyrosine phosphatase receptor PTPRG. Using homology with the crystal structure that had already been solved for the first four Ig domains Ig of mouse CNTN4, we modelled this region for human CNTN5 and CNTN6, WT and mutated. We have thus been able to predict that some variants were likely to alter ionic bonds or steric constraints in this interaction module. Taken as a whole, our results demonstrate that several rare CNTN variants found in patients with ASD have deleterious functional effects. The presence of these rare variants in unaffected relatives indicates that CNTN impairments fit into a "multiple hit" model, according to which autism may result from the combination of several genetic defects, each being a risk factor with moderate effect but not triggering, in itself, the development of the disorder. Sequencing of exomes and whole genomes, ongoing in the laboratory, will allow better understanding of those multiple genetic impairments.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2013 par Université Paris Descartes à Paris

Etude fonctionnelle et structurale de variants rares des contactines et vulnérabilité à l'autisme


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Informations

  • Sous le titre : Etude fonctionnelle et structurale de variants rares des contactines et vulnérabilité à l'autisme
  • Détails : 1 vol. (229 p.)
  • Notes : Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Contactin 4, -5 and -6 differentially regulate neuritogenesis while they display identical PTPRG binding sites / Mercati, Oriane, Danckaert, Anne, André-Leroux, Gwénaëlle, Bellinzoni, Marco, Gouder, Laura, Watanabe, Kazutada, Shimoda, Yasushi, Grailhe, Régis, De Chaumont, Fabrice, Bourgeron, Thomas, Cloëz-Tayarani, Isabelle. - Biology Open, 2013. . Functional impacts of contactin mutations in patients with autism : predictive contribution to sensory-motor deficits / Mercati, O. , Danckaert, A. , André-Leroux, G. , Bellinzoni, M. , Huguet, G. , Gouder, L. , Konyukh, M. , Lemière, N. , Fauchereau, F. , Maruani, A. , Bourgeois, J-P. , Zélénika, D. , Delépine, M. , Lathrop, M. , Boland, A. , Régnault, B. , Lemée, L. , Shimoda, Y. , Watanabe, K. , Leboyer, M. , Gillberg, C. , Delorme, R. , Cloëz-Tayarani, I. , Bourgeron, T. - ,.
  • Annexes : Bibliogr. p. 203-227.
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