Thérapie génique pour l'amyotrophie spinale à l'aide de vecteur AAV

par Aurore Besse

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire et moléculaire

Sous la direction de Frederic Relaix.


  • Résumé

    L'amyotrophie spinale (SMA) est une maladie neuromusculaire caractérisée par une dégénérescence des neurones moteurs et une faiblesse musculaire progressive conduisant à la paralysie et la mort prématurée dans les cas les plus graves. Avec une incidence estimée à 1 naissance sur 6000-10000, la SMA est considérée comme la principale cause génétique de mortalité chez les enfants de moins de 2 ans. La SMA est causée par des mutations ou délétions homozygotes dans la copie télomérique du gène 'Survival of Motor Neuron' (SMN1). De faibles niveaux de protéine SMN « pleine longueur » (5-10%) sont néanmoins produits par la copie centromérique du gène SMN, SMN2, qui conduit principalement à la production d'une forme tronquée et instable de SMN (SMNΔ7) (90-95%). En l'absence du gène fonctionnel SMN1, la sévérité de la maladie dépend du nombre de copies du gène SMN2. Les principales approches thérapeutiques consistent à augmenter le niveau de protéine SMN, notamment par thérapie génique utilisant des vecteurs viraux. Une avancée thérapeutique importante pour la SMA a été réalisée suite à notre découverte de l'efficacité du vecteur adéno-associé double brin de sérotype 9 (scAAV9) pour le transfert de gènes dans le système nerveux central (SNC) après injection systémique (Barkats M., brevet 2007). Cette stratégie a été utilisée avec succès dans un modèle de SMA, une seule injection intraveineuse (IV) de scAAV9 codant pour le gène SMN1 chez des souris nouveaux nés SMNΔ7 induisant une augmentation spectaculaire de leur durée de vie. Une restauration supérieure à celle obtenue après une administration systémique a également été observée suite à une injection intra-cérébro-ventriculaire (ICV) du vecteur scAAV9-SMN (Besse et al. en préparation). Toutefois, l'injection ICV de vecteurs AAV9 exprimant SMN sous le contrôle du promoteur de la synapsine, un promoteur neurospécifique, n'a pas permis de restauration significative des animaux, ceci démontrant la nécessité d'exprimer SMN dans les tissus périphériques pour une thérapie génique efficace des souris SMA (Barkats M. and Voit T., brevet 2012) (Besse et al., en préparation). Bien que ces approches de transfert du gène SMN sont très efficaces dans les modèles de souris SMA, elles ne permettent pas une restauration complète des animaux (médiane de survie ~200jours). De plus, il existe une «fenêtre thérapeutique» critique pour l'administration des vecteurs exprimant SMN (ou pour d'autres thérapies liées à SMN chez la souris), puisque l'augmentation de SMN au-delà de 8 jours ne permet pas d'améliorer les symptômes de la maladie, ce qui soulève la question de l'efficacité des thérapies liées à SMN chez les patients post-symptomatiques. Ce point est particulièrement important car il n'y a actuellement pas de dépistage génétique de routine pour la SMA, cette maladie étant généralement détectée après l'apparition des premiers signes cliniques. L'objectif de cette thèse est d'augmenter l'efficacité des thérapies liées à SMN et d'élargir la «fenêtre thérapeutique», en analysant le potentiel thérapeutique de vecteurs AAV9 permettant de surexprimer ou d'éteindre l'expression de nouvelles cibles agissant soit indépendamment ou en aval de SMN. Ces cibles ont été sélectionnées grâce à de récents travaux menés dans notre équipe ou rapportés dans la littérature. Nous nous concentrerons en particulier sur les voies en aval de SMN qui moduleraient la pathogénicité, tels que la voie bêta-caténine et la voie Rho-kinase. Nous prévoyons également d'étudier le potentiel thérapeutique d'un gène modificateur de la SMA (MOD2 pour modificateur 2) dont la régulation négative a récemment été identifiée chez des individus asymptomatiques ne possédant pas le gène SMN1 (par l'équipe de B. Wirth, Cologne). L'action de thérapies liées à SMN et des traitements basés sur ces nouvelles cibles, par une approche de thérapie génique AAV combinée, pourrait ainsi permettre d'améliorer l'efficacité des premières thérapies pour la SMA. Ce travail pourrait avoir une incidence importante, tant pour accroître les connaissances scientifiques sur la SMA, que pour développer de nouvelles approches plus efficaces pour combattre cette maladie.

  • Titre traduit

    AAV gene therapy for Spinal Muscular Atrophy


  • Résumé

    Spinal Muscular Atrophy (SMA) is a neuromuscular disorder characterized by progressive degeneration of the lower motor neurons and progressive muscle weakness leading to paralysis and premature death in the most severe cases. With an estimated incidence of 1 in 6,000-10,000 live born children, SMA is considered as the leading genetic cause of infant death in children less than 2 years. SMA is caused by homozygous mutations or deletions in the telomeric copy of the “Survival of Motor Neuron” gene (SMN1), inducing loss of the SMN protein. Residual levels of full-length SMN protein (5-10%) are nevertheless produced by the centromeric SMN copy (SMN2) which mostly leads to the production of an unstable truncated form of SMN (SMNΔ7). In the absence of a functional SMN1 gene, the severity of the disease depends on the number of copies of the SMN2 gene. Main therapeutic approaches consist in increasing SMN protein levels, in particular by gene replacement using viral vectors. A significant breakthrough has been done in SMA therapy with our discovery of the efficiency of self-complementary adeno-associated-virus vectors of serotype 9 (scAAV9) for central nervous system (CNS) gene transfer after systemic injection (Barkats M., patent 2007) and the demonstration that a single IV injection of SMN1-encoding scAAV9 in neonatal SMNΔ7 mice (a mouse model of human SMA) dramatically rescued the animals. A remarkable rescue of SMNΔ7 mice was further induced following intracerebroventricular (ICV) delivery of SMN-encoding scAAV9, with even better results than those obtained following systemic injection (Besse et al. in preparation). However, ICV injections of AAV9 vectors expressing SMN under control of the neurospecific Synapsin promoter did not significantly rescue the SMA mice, which demonstrated the need of peripheral SMN for SMA mouse gene therapy (Barkats M. and Voit T., patent 2012) (Besse et al., in preparation). Although SMN-based scAAV9 gene therapy proved particularly high efficacy in SMA mouse models, the rescue was not complete (average median survival ~200 days). Moreover, there is a critical ‘therapeutic window' for administration of SMN-expressing vectors (or any other SMN-specific therapies in mice), since increasing SMN beyond 8 days of age does not ameliorate the disease symptoms, raising the issue of the efficacy of SMN-based therapies in post-symptomatic patients. This is of particular concern since there is currently no routine genetic screening for this disease, SMA being usually detected after the appearance of the first clinical signs. The objective of my PhD thesis is to increase the efficacy and expand the “therapeutic window” of SMN-based therapies, by investigating the therapeutic potential of AAV9 vectors designed to overexpress or to silence newfound targets for SMA, acting either independently or downstream from SMN. These targets have been selected according to the recent research made in our team or reported in the literature. In particular, we will focus on pathways acting downstream from SMN to mediate disease pathogenesis, such as beta-catenin signaling and Rho-kinase pathway. We will also investigate the therapeutic potential of a SMA genetic modifier (MOD2, for Modifier 2) whose downregulation has been recently identified in asymptomatic SMN1-deleted individuals (by the team of B. Wirth, Cologne). Furthermore, both SMN-dependent therapy and treatment based on these newfound targets could be used together using AAV-gene transfer to boost the efficacy of SMA therapy. This work could have important implications both for increasing scientific knowledge of SMA and for developing new more efficient therapeutic approaches.