Exploring the role of CHRFAM7A in the early stages of Alzheimer's disease : in vitro studies and development of a novel humanized mouse model
Implication du gène CHRFAM7A dans la phase précoce de la maladie d'Alzheimer : études in vitro et développement d'un nouveau modèle de souris humanisée
Résumé
CHRFAM7A is a human-specific gene that encodes the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) subunit dupα7. This gene originated after a fusion between a partial duplication of the CHRNA7 α7-nAChR gene and ULK4 200.000 years ago. The ancestral CHRNA7 gene has been linked to several neurological disorders such as Alzheimer's disease (AD). In particular, α7-nAChR can directly bind to the Amyloid ß peptide (Aβ), one of the primary molecular hallmarks of the disease, and facilitate its intracellular toxic accumulation. Although extensive research has been carried out to dissect the role of α7-nAChR in AD, no clinical trials have been successful. This translational gap could be attributed to the lack of dupα7 subunit in classical pre-clinical models. Importantly, dupα7 can incorporate into pentamers of α7-nAChRs and negatively regulate its function by reducing its number of ligand binding domains and retaining the receptor in the endoplasmic reticulum (ER). In the context of AD, dupα7 reduces Aß uptake when expressed in neuronal cultures and is associated to the activation of Aβ-induced pro-inflammatory responses. In the first part of the thesis, the role of the human subunit in mediating Aβ-induced toxicity in human induced pluripotent stem cells (hiPSC)-derived interneurons was studied in-vitro. Prior to neuronal differentiation, hiPSC carrying 0 copies of the gene were transduced with a CHRFAM7A lentiviral construction. To assess Aβ-induced toxicity, oxidative stress levels of neurons were evaluated after exposure to different concentrations of Aß. In accordance to the protective role of the subunit described in the literature, dupα7-expressing Interneurons showed lower levels of baseline oxidative stress. Aß exposure did not regulate mRNA expression levels of CHRNA7 or CHRFAM7A. However, dupα7-expressing interneurons showed a significant reduction of NACHO and RIC3 chaperone, indicating a possible mechanism for α7-nAChR ER retention. Interestingly, short exposure to nicotine induced a significant increase in α7-nAChR membrane expression in INs expressing the dupα7 subunit. In-vivo, interneurons can be xenografted and studied at longer time-periods when compared to in- vitro cultures. In this direction, a technique to transplant human neurons into the mouse brain at embryonic stages was developed. Human neuronal progenitors transplanted in-utero were shown to populate and integrate different brain areas. In this model, local environment had a significant effect on neuronal maturation and spinogenesis, after transplantation. The implications of the findings described in this dissertation highlight the importance of considering the human-specific CHRFAM7A in the complex interplay between Aβ and α7-nAChR and paves the way for future development of α7-nAChR-targeted therapies for AD.
CHRFAM7A est un gène spécifique à l'homme qui code pour la sous-unité dupα7 du récepteur nicotinique à l'acétylcholine (nAChR). Ce gène résulte d’une fusion entre une duplication partielle du gène CHRNA7 (codant pour la sous-unité α7) et du gène ULK4, il y a 200.000 ans. Le gène ancestral CHRNA7 a été associé à plusieurs troubles neurologiques dont la maladie d'Alzheimer (MA). En particulier, le récepteur α7-nAChR représente une cible directe pour le peptide amyloïde β (Aβ), l'une des principaux marqueurs moléculaires de la maladie, et facilite son accumulation intracellulaire toxique. Bien que des recherches approfondies aient été menées sur le rôle du α7-nAChR dans la MA, aucun essai clinique n'a permis d’obtenir des résultats satisfaisants. Ceci pourrait s’expliquer par une absence d’expression de la sous-unité dupα7 dans les modèles précliniques classiques. Il est important de noter que la sous-unité dupα7 peut s'incorporer aux pentamères α7-nAChR et réguler négativement leur fonction en réduisant le nombre de sites de liaison par rétention au sein du réticulum endoplasmique (RE). Dans le contexte de la MA, il a été montré que la sous-unité dupα7 réduit la capture de Aβ lorsqu’elle est exprimée dans des cultures neuronales et est associée à l'activation des réponses pro-inflammatoires induites par Aβ. Dans la première partie de la thèse, l’implication de la sous-unité humaine dans la toxicité induite par l'Aβ a été étudié in-vitro, à partir d’interneurones (INs) dérivés de cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSC). Avant la différenciation neuronale, les hiPSC portant 0 copie du gène ont été transduites avec une construction lentivirale CHRFAM7A. Pour évaluer la toxicité induite par l'Aβ, les niveaux de stress oxydatif des INs ont été évalués après exposition à différentes concentrations d'Aβ. Conformément au rôle protecteur de la sous-unité dupα7 décrit dans la littérature, les neurones exprimant cette sous-unité ont présenté un niveau de stress oxydatif de base plus faible. L'exposition à l'Aβ n'a pas modifié les niveaux d'expression de l'ARNm de CHRNA7 ou CHRFAM7A. Cependant, les INs exprimant la sous-unité dupα7 ont présenté une réduction significative des protéines chaperonnes NACHO et RIC3, indiquant l’existence possible d’un mécanisme de rétention du α7-nAChR dans le RE. Il est intéressant de noter qu'une courte exposition à la nicotine a induit une augmentation significative de l'expression membranaire du α7-nAChR dans les INs exprimant la sous-unité dupα7. In-vivo, les INs humains peuvent être xénogreffés et étudiés sur des périodes plus longues que lorsque maintenus en culture. Dans cette optique, une technique de transplantation de neurones dérivés d’hiPSC dans le cerveau de souris à des stades embryonnaires a été mise au point. Il a été démontré que les progéniteurs neuronaux humains transplantés in-utero intègrent et migrent vers différentes zones du cerveau. Dans ce modèle, nous montrons que l'environnement local au sein cerveau hôte influence significativement la maturation neuronale et la spinogénèse, à différents stades après la transplantation. Les résultats décrits dans cette thèse soulignent l'importance de considérer le CHRFAM7A spécifique à l'homme dans l'interaction complexe entre Aβ et α7-nAChR et ouvrent la voie au développement futur de thérapies ciblant α7-nAChR pour la maladie d'Alzheimer.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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