Zebrafish model of Glycine Encephalopathy

Abstract

L’encéphalopathie glycinergique (EG) est une maladie génétique récessive rare causée par un clivage de la glycine défectueux et caractérisée par l’accumulation de glycine dans l’organisme. Les patients atteints de la forme sévère d’EG présentent une forte létalité durant la première semaine post-natale, de l’hypotonie, de la léthargie, et survivent avec un retard développemental et des convulsions intraitables. Les traitements disponibles sont souvent inefficaces sur l’EG sévère, et peu de recherche translationnelle s’est penchée sur cette maladie. Ici, nous avons généré un modèle de la forme sévère d’EG chez le poisson zébré en invalidant l’orthologue du gène «GLycine DeCarboxylase» (GLDC), fréquemment muté dans la maladie. Nous montrons que les larves de poisson-zèbre gldc -/- récapitulent l’EG au niveau moléculaire, avec une réduction de l’expression de gldc et une augmentation des niveaux de glycine. Les mutants ont un phénotype rappelant les symptômes des patients, comme la léthargie, l’hypotonie, et la mort prématurée. La caractérisation moléculaire des mutants gldc -/- démontre qu’ils ont d’importants troubles métaboliques, affectant d’autres acides aminés et neurotransmetteurs que la glycine, avec de l’acidose lactique précédant la mort. Le cerveau des mutants présente aussi un déséquilibre transitoire de prolifération cellulaire, sans conséquence sur les principaux réseaux nerveux. Enfin, nous confirmons que le phénotype d’hypotonie des mutants est dû à la sur-activation des récepteurs NMDA et glycinergiques, et démontrons que l’hyperglycinémie à ces synapses est exacerbée, ce qui peut être sauvé pharmacologiquement en antagonisant ces récepteurs , et génétiquement en sur-exprimant le transporteur de glycine 1 (GlyT1).

Glycine encephalopathy (GE) is a rare recessive genetic disease caused by defective glycine cleavage and characterized by increased accumulation of glycine in all tissues. In severe GE, patients have a high lethality in the first week of life, hypotonia, lethargy, and survive with variable developmental delay and intractable seizures. The treatments available are often inefficient on the severe form of the disease and little translational research has focused on the pathogenic mechanisms involved in GE. Here, we generated a zebrafish model of severe GE by knocking out the ortholog of the ‘GLycine DeCarboxylase’ gene GLDC, commonly mutated in the disease. We show that the gldc -/- zebrafish larvae recapitulate GE on a molecular level, with reduced gldc expression and increased glycine levels in the body. Gldc - /- also shows a phenotype reminiscent of severe GE symptoms, such as early lethality, hypotonia, and lethargy. A broad molecular characterization of gldc -/- mutants showed that there is a large metabolic disturbance affecting other amino acids and neurotransmitters than glycine, with lactic acidosis at stages preceding death. A transient imbalance was found in cell proliferation in the brain of gldc -/- but that does not have obvious consequences on major brain networks. Importantly, we confirmed that the gldc -/- hypotonic phenotype is due to NMDA and glycine receptor overactivation and demonstrated that there is an exacerbated hyperglycinemia at these synapses, which can be rescued pharmacologically using NMDA and/or glycine receptor antagonists, as well as genetically by overexpressing the glycine transporter GlyT1.