Utilisation des cellules souches pluripotentes humaines pour avancer dans la compréhension des mécanismes physiopathologiques associés à l’Amyotrophie Spinale Infantile - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Using human pluripotent stem cells derived motoneurons to address the pathogenesis of Spinal Muscular Atrophy

Utilisation des cellules souches pluripotentes humaines pour avancer dans la compréhension des mécanismes physiopathologiques associés à l’Amyotrophie Spinale Infantile

Résumé

Spinal muscular atrophy is one of the most common genetic forms of motoneuron diseases in childhood. Due to mutations in the SMN1 gene, SMA is characterized by an insufficient amount of SMN (survival motor neuron) protein, resulting in denervation, skeletal muscle atrophy and death. In the last decade, three treatments increasing SMN protein levels have been approved by the US Food and Drug Administration and result in significant benefits for the patients. Despite these remarkable results, it is appreciated that these SMN dependent drugs will have to be supported by additional non-SMN therapeutic interventions to provide optimal care to all SMA patients. Hence, a better comprehension of the pathogenic mechanisms should help to identify new therapeutic strategies for SMA. However, predictive and functional SMA in vitro models for drug screening are still lacking. In this context, the first aim of my project was to develop a human SMA cellular model, based on the coculture of human pluripotent stem cells derived motoneurons and micropatterned human primary skeletal muscle cells, adaptable to screening format in 384 well plates. These intercellular systems reproduced the specific death of SMA spinal motoneurons but also the pre-synaptic defects that appeared before this specific cell death. To evaluate to suitability of these intercellular systems for drug screening, we developed a target-agnostic based drug screening revealing the potential of JNK3 and GSK-3 inhibitors to normalize the cellular phenotypes associated to SMA independently of SMN expression. While spinal motoneurons are highly vulnerable, some motor neuron groups, including cranial motoneurons, which innervate the face and eye muscles, are for unknown reasons spared. In this context, the second objective of my thesis was to better understand the mechanisms underlying this selective vulnerability to determine how the loss of a ubiquitously expressed protein can induce degeneration in a select cell type and consequently to determine new therapeutic pathways. We generated homogenous populations of spinal and cranial motoneurons derived from SMA hiPSC that both harbored a decreased SMN expression. However, SMA hiPSC-derived cranial motoneurons were found to be spared whereas SMA hiPSC-derived spinal motoneurons exhibited a defective connectivity to their muscular targets as well as a decreased survival. Comparative transcriptional analysis between resistant and vulnerable SMA motoneurons revealed the potential contribution of genes involved in neurotransmission and neurite outgrowth that may aid in the maintenance of a functional neuromuscular synapse and thus contribute to the selective resistance of certain motor neurons in SMA. Altogether, our results described the possibility to capture in vitro the selective vulnerability associated with SMA and should facilitate the identification of new therapeutic targets toward preserving vulnerable motoneurons.
L'amyotrophie spinale infantile (SMA) est l'une des formes de maladie génétique les plus courantes chez l'enfant. La SMA se caractérise par une quantité insuffisante de protéine SMN (survival motor neuron), due à des mutations du gène SMN1, induisant la dégénérescence des neurones moteurs, la faiblesse et l’atrophie des muscles squelettiques. Au cours de la dernière décennie, trois traitements augmentant les niveaux de protéines SMN ont été mis sur le marché. Malgré des résultats remarquables, différentes études soulignent la nécessité de développer des stratégies thérapeutiques supplémentaires, et indépendantes de SMN, pour fournir des soins optimaux à tous les patients atteints de SMA. Ainsi, une meilleure compréhension des mécanismes physiopathologiques devrait permettre d'identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques pour la SMA. Les modèles de criblage in vitro fonctionnels sont manquant dans le domaine de la SMA. Ainsi, le premier objectif de mon projet était d'évaluer le potentiel d'un nouveau modèle humain de co-culture SMA, associant des motoneurones dérivés de cellules souches pluripotentes humaines et des cellules musculaires primaires humaines, pour l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Ce système intercellulaire reproduit la mort spécifique des motoneurones spinaux SMA, mais aussi les défauts synaptiques présents avant la mort cellulaire spécifique. Basé sur une cible agnostique, ce système nous a permis d’identifier le potentiel des inhibiteurs JNK et GSK-3 pour normaliser les phénotypes cellulaires associés à la SMA, et indépendamment de SMN. D’autres part, alors que les motoneurones spinaux sont vulnérables, d’autres groupes de motoneurones, y compris les motoneurones crâniaux, qui innervent les muscles du visage et des yeux, sont épargnés dans la SMA pour des raisons inconnues. Dans ce contexte, le second objectif de ma thèse était de mieux comprendre comment la perte d'une protéine ubiquitaire peut induire la dégénérescence d’un sous-type cellulaire spécifique, dans le but d’identifier de nouvelles stratégies thérapeutiques. Pour cela, nous avons généré des populations homogènes de motoneurones spinaux et crâniaux dérivés de hiPSC dont l’expression de SMN est diminuée. Alors que la survie des motoneurones spinaux SMA ainsi que leur connectivité avec la cible musculaire sont affectées, les motoneurones crâniaux SMA sont retrouvés épargnés. L'activation de voies de signalisation apoptotiques a été spécifiquement observée dans lesmotoneurones spinaux SMA. Par une approche transcriptomique, nous avons identifié une dérégulation spécifique dans les motoneurones spinaux SMA de gènes impliqués dans la plasticité synaptiques, pouvant affecter l’intégrité de la jonction neuromusculaire. Dans l'ensemble, nos résultats démontrent la possibilité de reproduire in vitro la vulnérabilité sélective associée à la SMA et devraient faciliter l'identification de nouvelles approches thérapeutiques.
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Dates et versions

tel-04583393 , version 1 (22-05-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04583393 , version 1

Citer

Camille Januel. Utilisation des cellules souches pluripotentes humaines pour avancer dans la compréhension des mécanismes physiopathologiques associés à l’Amyotrophie Spinale Infantile. Sciences du Vivant [q-bio]. Paris Saclay University, 2022. Français. ⟨NNT : 2020UPASA001⟩. ⟨tel-04583393⟩
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