Clinical and molecular characterisation of the type I interferonopathies and approaches to therapy

par Marie-Louise Frémond

Thèse de doctorat en Génétique et biologie cellulaire

Sous la direction de Yanick J. Crow.

Soutenue le 06-11-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Université Paris Descartes (1970-2019) (établissement de préparation) .

Le président du jury était Alain Fischer.

Le jury était composé de Yanick J. Crow, Alain Fischer, Pauline Soulas-Sprauel, Lucy Wedderburn, Alice Hadchouel Duvergé.

Les rapporteurs étaient Pauline Soulas-Sprauel, Lucy Wedderburn.

mots clés

• Interférons
• Interféronopathies de type I
• Sting
• Savi
• Copa
• Inhibiteurs de JAK1
• Interférons -- Aspect moléculaire
• Acides nucléiques

Titre traduit

Caractéristiques cliniques et moléculaires et approches thérapeutiques des interféronopathies de type I

Résumé

Le concept d'interféronopathie de type I émerge en 2011 et fait référence à un ensemble de pathologies Mendéliennes caractérisées par une hyperactivation des interférons (IFN) de type I. Tous les gènes associés au syndrome d'Aicardi-Goutières (SAG), la première interféronopathie de type I décrite, sont impliqués dans la détection ou le métabolisme des acides nucléiques. Les autres protéines mutées associées aux interféronopathies de type I modifient toutes la voie de signalisation des acides nucléiques, de manière directe, indirecte ou encore non définie. Les IFN de type I se fixent à un récepteur unique et activent la Janus kinase 1 (JAK1) et la tyrosine kinase 2 conduisant à l'expression de gènes stimulés par les IFN (IFN-stimulated genes, ISGs) via la phosphorylation des facteurs de transcription STAT1 et STAT2. Notre équipe a développé des outils diagnostiques des interféronopathies de type I, comprenant la signature IFN, analyse combinée de l'expression de 6 ISGs, et, plus récemment, une méthode de détection de l'IFN alpha à l'aide de la technologie «single molecule array». Les mutations monogéniques associées jusqu'à présent aux interféronopathies de type I causent des phénotypes variables. Leurs points communs sont une morbidité et une mortalité importantes, notamment en raison de leur réponse faible aux immunomodulateurs classiques. Les mutations activatrices de TMEM173 codant pour STING (Stimulator of IFN genes) sont responsables d'une inflammation sévère, connue sous le nom de STING-associated vasculopathy with onset in infancy (SAVI), et caractérisée par une vascularite cutanée et une atteinte interstitielle pulmonaire conduisant à une insuffisance respiratoire terminale. STING, une protéine du réticulum endoplasmique (RE), agit comme un adaptateur cytosolique de la détection de l'ADN, permettant la synthèse d'IFN de type I via la phosphorylation d'IRF3. Une cohorte internationale de 20 patients SAVI est décrite dans cette thèse soulignant l'hétérogénéité clinique de cette maladie. Nous avons également étudié le lien entre des mutations hétérozygotes de COPA et une activation de la voie des IFN de type I. COPA code pour la sous-unité alpha du complexe du coatomère I, impliqué dans le transport rétrograde entre le RE et le Golgi. Les mutations hétérozygotes de COPA sont à l'origine d'un phénotype proche du SAVI et entraînent une hausse du stress du RE et une réponse immunitaire de type Th17. Cependant, la physiopathologie de cette maladie reste peu connue. Nous avons étudié un groupe de 8 patients qui illustre l'hétérogénéité phénotypique de cette affection nouvellement décrite. Nous avons observé des similitudes entre l'histologie pulmonaire du syndrome COPA et du SAVI, ainsi qu'une signature IFN, des taux élevés d'IFN alpha dans le sérum et une phosphorylation de STAT1 dans les lymphocytes des patients. Dans un modèle cellulaire, la coexpression de COPA muté et de STING sauvage entraîne la phosphorylation d'IRF3 et à une induction d'ISGs, suggérant que les mutations de COPA conduisent à une activation dépendante de STING de la voie des IFN de type I. Nous avons mené avec succès le premier essai clinique d'un inhibiteur de JAK1, le ruxolitinib, dans le contexte du SAVI. L'amélioration clinique remarquable a été confirmée in vitro et ex vivo. La gravité de la maladie nous a également poussé à chercher des alternatives thérapeutiques pour contrôler la voie des IFN de type I. Nous avons montré que l'inhibition d'IKK bloquait efficacement la production et la signalisation des IFN de type I dans les cellules de patients STING in vitro. Devant les résultats prometteurs de l'inhibition de JAK1 dans le SAVI, nous avons ensuite testé le ruxolitinib dans le cadre d'autres interféronopathies de type I monogéniques (COPA, TREX1) mais aussi chez une enfant ayant une dermatomyosite sévère, une maladie pour laquelle le rôle pathogénique de l'IFN de type I a été suggéré.

mots clés

• Interferon
• Type I interferonopathies
• Sting
• Savi
• Copa
• JAK1 inhibitors

Résumé

The term 'type I interferonopathies', first coined in 2011, refers to a set of Mendelian disorders associated with constitutive up-regulation of type I interferon (IFN) signalling. All of the genes associated with Aicardi-Goutières syndrome (AGS), the first Mendelian type I interferonopathy described, have been implicated in either the processing or sensing of nucleic acids. Beyond AGS, the other mutated proteins associated with type I interferonopathies have a direct, indirect, or currently undefined action on nucleic acid signalling. Type I IFNs drive the expression of IFN-stimulated genes (ISGs) through the engagement of a common receptor and the subsequent activation of Janus kinase 1 (JAK1) and tyrosine kinase 2, and phosphorylation of STAT1 and STAT2. Our team has developed diagnostic tools to identify type I interferonopathies, comprising a so-called IFN signature, involving the assessment of mRNA expression of 6 ISGs and, more recently, a high sensitivity assay of IFN alpha protein using single molecule array technology. Monogenic mutations so far recognised as type I interferonopathies are associated with a wide spectrum of phenotype. The hallmark of these diseases is their significant morbidity and mortality, associated with an apparent absence of response to conventional immunosuppressive therapies. Activating mutations in TMEM173, encoding stimulator of IFN genes (STING), cause a severe inflammatory condition referred to as STING-associated vasculopathy with onset in infancy (SAVI), characterised by skin vasculopathy and interstitial lung disease leading to end-stage respiratory failure. The endoplasmic reticulum (ER) protein STING is a central component of DNA sensing that induces type I IFNs through phosphorylation of IRF3. An international cohort of 20 STING patients is reported in this thesis, emphasising the clinical heterogeneity of this condition. We also investigated the link between heterozygous mutations in COPA and type I IFN signalling. COPA encodes the alpha subunit of the 7 member coatomer complex I, involved in retrograde transport from the golgi to the ER. Heterozygous mutations in COPA cause a phenotype showing some overlap with SAVI, and are associated with increased ER stress and priming of a Th17 response. However, the precise pathophysiology of this disease is so far undefined. We have studied a group of 8 patients illustrating the phenotypic variability of this emerging disease. We observed commonalities in the lung pathology in COPA and SAVI, as well as an IFN signature, raised levels of IFN alpha in the serum and phosphorylation of STAT1 in patient T cells. In a cellular model, phosphorylation of IRF3 and increased ISG expression were observed in cells co-transfected with wild type STING and mutant COPA plasmids, suggesting that mutations in COPA lead to constitutive activation of type IFN signalling through STING. We reported, for the first time, the successful use of a JAK1 inhibitor, ruxolitinib, in the context of SAVI. We observed a marked clinical effect, which was mirrored by the results of in vitro and ex vivo experiments. Because of the severity of SAVI, we also aimed to evaluate alternative therapeutic approaches to block type I IFN signalling and showed that IKK inhibition efficiently abrogated in vitro constitutive activation of type I IFN production and signalling in cells from STING patients. Considering the promising results of JAK1 blockade in SAVI, we then trialled ruxolitinib in other monogenic type I interferonopathies (TREX1, COPA) and in a child with severe dermatomyositis, a disease where type I IFN has been suggested to play a key pathogenic role.