Impact de la surexpression de CYP46A1 dans les astrocytes: son implication dans la maladie d'Huntington

Impact of CYP46A1 overexpression in astrocytes: its implication in Huntington's disease

• Auteur / Autrice : Louis-Habib Parsai
• Direction : Nathalie Cartier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physiologie, physiopathologie
• Date : Soutenance en 2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué (Châtenay-Malabry, Hauts-de-Seine ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut du cerveau (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté de pharmacie (Orsay, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Brouillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Cartier, Sandro Alves, Sandrine Betuing, Sandrine Humbert, Christian Lobsiger, Gilles Bonvento, Alexandra Durr
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Humbert, Christian Lobsiger

Mots clés

Mots clés libres

Aav

Cholestérol

Astrocytes

Thérapie génique

Huntington

Aav

Cholesterol

Astrocytes

Gene therapy

Huntington

Résumé

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative évolutive à issu fatale et héréditaire à transmission autosomique dominante, causée par une expansion anormale du nombre de triplets CAG dans le gène codant pour la protéine Huntingtine (HTT). La protéine Huntingtine mutée (HTTm) s'accumule principalement dans les neurones, entraînant une perte préférentielle des neurones du striatum (MSN). Elle est également exprimée dans les cellules gliales où elle contribue au dysfonctionnement et à la perte des neurones striataux dans la MH. À ce jour, il n’existe aucun traitement curatif. Le métabolisme cérébral du cholestérol est altéré dans la MH et joue un rôle important dans la plupart des dysfonctionnements cellulaires associés à la maladie. Nous avons précédemment montré que l'enzyme clé, la cholestérol 24-hydroxylase (appelée CYP46A1) est déficitaire dans le cerveau des patients atteints de MH ; la restauration de son expression par l'administration intracérébrale d'un vecteur AAV sous le contrôle du promoteur hybride CMV/béta-actine (CAG) a un effet neuroprotecteur dans deux modèles murins de MH. Compte tenu du rôle des astrocytes dans la physiopathologie de la MH, de leur rôle clé dans le métabolisme du cholestérol cérébral et de la contribution de l'interaction neurones/astrocytes, nous avons émis l'hypothèse que la restauration du métabolisme du cholestérol spécifiquement dans les astrocytes pourrait être essentiel pour une intervention thérapeutique. En accord avec cette hypothèse, nous avons démontré que la diminution de l'expression de CYP46A1 dans les neurones du striatum de patients atteints de la MH est partiellement compensée par son expression dans les astrocytes. Pour évaluer la contribution spécifique du métabolisme du cholestérol dans les astrocytes, nous avons comparer l'expression ciblée de CYP46A1 chez les souris R6/2, spécifiquement dans les neurones ou les astrocytes seuls ou en combinaison. Nous démontrons que le ciblage de l'enzyme CYP46A1 dans les astrocytes est nécessaire à l'amélioration du phénotype moteur, à la réduction des agrégats de la mHTT dans les astrocytes et les neurones, à l'atténuation de l'atrophie des MSN, à l'amélioration de la densité en épines synaptiques des MSN et à l'augmentation des niveaux de certains précurseurs du cholestérol altérés dans la MH. Grâce à des études transcriptomiques, nous avons caractérisons le rôle de CYP46A1 sur les voies de la synaptogenèse et de l'inflammation. Le double ciblage favorise la restauration de la voie de synthèse du cholestérol, améliore les performances motrices, diminue les signes neuropathologiques et rétablit la densité en épines synaptiques. Ces données peuvent suggérer que l'augmentation de la réactivité des astrocytes et du profil de sécrétion d'interleukine associée à l'amélioration du phénotype de la MH peut être associée non seulement à la contribution thérapeutique des astrocytes mais aussi à une expression plus élevée de CYP46A1. En résumé, ces résultats permettent de mieux comprendre les conséquences cellulaires autonomes et non autonomes de l'expression de CYP46A1 dans les astrocytes et suggèrent que la combinaison du ciblage des neurones et des astrocytes est essentielle pour obtenir un bénéfice thérapeutique. Ainsi, nos résultats confirment que l'utilisation du promoteur CAG, qui conduit l'expression de l'ADNc du CYP46A1 humain dans les neurones mais aussi dans certains astrocytes, est une approche pertinente pour une stratégie optimisée de thérapie optimisée.

Huntington’s disease (HD) is a progressive, fatal and dominantly inherited neurodegenerative disease, caused by an atypical CAG repeat expansion in the Huntingtin gene (HTT). The mutated Huntingtin protein (mHTT) mostly accumulates in neurons leading to a privileged loss of striatal medium-spiny neurons (MSNs). It is also expressed in glial cells where it contributes to striatal neuron dysfunction and loss in HD. To date, no curative therapy is available. Brain cholesterol metabolism is impaired in HD and plays critical role in most cellular dysfunctions that are associated with the disease. We previously showed that the cholesterol 24-hydroxylase key enzyme (named CYP46A1) is deficient in the brain of HD patients; restoring its expression by intracerebral delivery of an AAV vector using CMV/béta-actin hybrid promoter (CAG) promotes neuroprotective effects in two mouse models of HD. Given the role of astrocytes in the physiopathology of HD, together with their key role in brain cholesterol metabolism, and the contribution of neuron/astrocytes interplay, we hypothesized that restoring cholesterol metabolism specifically in astrocytes could be critical for therapeutic intervention. In line with this hypothesis, we demonstrated that decreased expression of CYP46A1 in neurons from HD patient’s striatum, was partly compensated by expression in astrocytes. To evaluate the specific contribution of cholesterol metabolism in astrocytes, we compared targeted CYP46A1 expression in R6/2 mice, specifically in neurons, in astrocytes or in combination. Altogether, we demonstrate that targeting CYP46A1 enzyme in astrocytes is required for improvement of motor phenotype, reduction of mHTT aggregates in both astrocytes and neurons, mitigation of MSN atrophy, improvement of MSN spine density and increase of some cholesterol precursors levels impaired in HD. Using transcriptomic studies, we characterized CYP46A1 role on synaptogenesis and inflammation pathways. Dual targeting promotes restoration of the cholesterol synthesis pathway, improves motor performance, decreases neuropathological hallmarks and rescues spine density. These data may suggest that increased astrocyte reactivity and interleukin secretion profile associated with improved HD phenotype may be associated not only with astrocyte therapeutic contribution and but also with higher expression of CYP46A1. Altogether, these results allow better understanding of both cell autonomous and non-cell autonomous the consequences of CYP46A1 expression in astrocytes and suggest that combining neuronal and astrocyte targeting is critical towards therapeutic benefit. Thus, our results confirm that the use of the CAG promoter, which drives expression of human CYP46A1 cDNA in neurons but also in some astrocytes is a relevant approach for optimized therapeutic gene therapy strategy.