Caractérisation fonctionnelle chez le poisson zèbre de l'isoforme protéique WNK1/HSN2 mutée dans la neuropathie héréditaire sensitive et autonome de type 2

Abstract

La neuropathie humaine sensitive et autonome de type 2 (NHSA 2) est une pathologie héréditaire rare caractérisée par une apparition précoce des symptômes et une absence d’affectation motrice. Cette pathologie entraîne la perte de perception de la douleur, de la chaleur et du froid ainsi que de la pression (toucher) dans les membres supérieurs et inférieurs et est due à des mutations autosomales récessives confinées à l’exon HSN2 de la protéine kinase à sérine/thréonine WNK1 (with-no-lysine protein kinase 1). Cet exon spécifique permettrait de conférer une spécificité au système nerveux à l’isoforme protéique WNK1/HSN2. La kinase WNK1 est étudiée en détails, en particulier au niveau du rein, mais son rôle au sein du système nerveux demeure inconnu. Considérant le début précoce de la neuropathie et le manque d’innervation sensorielle révélé par des biopsies chez les patients NHSA2, notre hypothèse de recherche est que les mutations tronquantes menant à la NHSA de type 2 causent une perte de fonction de l’isoforme WNK1/HSN2 spécifique au système nerveux entraînant un défaut dans le développement du système nerveux sensoriel périphérique. Chez l’embryon du poisson zèbre, WNK1/HSN2 est exprimé au niveau des neuromastes de la ligne latérale postérieure, un système mécanosensoriel périphérique. Nous avons obtenu des embryons knockdown pour WNK1/HSN2 par usage d’oligonucléotides morpholino antisens (AMO). Nos trois approches AMO ont révélé des embryons présentant des défauts d’établissement au niveau de la ligne latérale postérieure. Afin de déterminer la voie pathogène impliquant l’isoforme WNK1/HSN2, nous nous sommes intéressés à l’interaction rapportée entre la kinase WNK1 et le co-transporteur neuronal KCC2. Ce dernier est une cible de phosphorylation de WNK1 et son rôle dans la promotion de la neurogenèse est bien connu. Nous avons détecté l’expression de KCC2 au niveau de neuromastes de la ligne latérale postérieure et observé une expression accrue de KCC2 chez les embryons knockdown pour WNK1/HSN2 à l’aide de RT-PCR semi-quantitative. De plus, une sur-expression d’ARN humain de KCC2 chez des embryons a produit des défauts dans la ligne latérale postérieure, phénocopiant le knockdown de WNK1/HSN2. Ces résultats furent validés par un double knockdown, produisant des embryons n’exprimant ni KCC2, ni WNK1/HSN2, dont le phénotype fut atténué. Ces résultats nous mènent à suggérer une voie de signalisation où WNK1/HSN2 est en amont de KCC2, régulant son activation, et possiblement son expression. Nous proposons donc que la perte de fonction de l’isoforme spécifique cause un débalancement dans les niveaux de KCC2 activée, menant à une prolifération et une différenciation réduites des progéniteurs neuronaux du système nerveux périphérique. Les défauts associés à la NHSA de type 2 seraient donc de nature développementale et non neurodégénérative.

Human sensory and autonomic neuropathy type 2 (HSNA2) is a rare human hereditary pathology characterized by an early onset severe sensory loss (for all modalities) in the distal limbs. It is due to autosomal recessive mutations confined to exon HSN2 of the WNK1 (with-no-lysine protein kinase 1) serine-threonine kinase; the specific exon confers nervous system specificity to target isoform WNK1/HSN2. While this kinase is widely studied in the kidneys, little is known about its role in the nervous system. Due to its role in HSAN type 2, we hypothesized that the truncating mutations present in the HSN2 exon lead to a loss-of-function of the WNK1 kinase, impairing development of the peripheral sensory system. In order to investigate the mechanisms by which the lack of the WNK1/HSN2 isoform acts to cause HSAN type 2, we examined its expression pattern in our zebrafish model and observed strong expression in neuromasts of the peripheral sensory lateral line system. We then knocked down the HSN2 exon in zebrafish embryos using antisense morpholino oligonucleotides. Our three approaches to knockdown the WNK1/HSN2 isoform led to embryos with a defective lateral line. In order to establish a pathogenic pathway involving the WNK1/HSN2 isoform, we investigated the reported interaction between the WNK1 kinase and neuronal potassium chloride co-transporter KCC2. This transporter is a target of WNK1 phosphorylation and also has a known role in promoting neurogenesis. We have also showed its expression in mature neuromasts of the posterior lateral line, and observed an increased expression of KCC2 in WNK1/HSN2 knockdown embryos by semi-quantitative RT-PCR, lending credence to our interaction hypothesis. Furthermore, overexpression of human KCC2 RNA in embryos led to an impaired mechanosensory lateral line system, phenocopying the WNK1/HSN2 knockdown. We then validated these results by obtaining double knockdown embryos, both for WNK1/HSN2 and KCC2, which alleviated the lateral line defect phenotype. These results led us to suggest a pathway in which WNK1/HSN2 is upstream of the KCC2 co-transporter. WNK1 is believed to regulate the level of activation, and possibly level of expression, of KCC2 and we therefore hypothesize that the loss-of-function of the specific isoform causes an imbalance in the levels of activated KCC2. This would then lead to decreased progenitor proliferation and hindered differentiation of neurons, causing the defects associated with HSAN type 2.