Mucopolysaccharidosis type IIIC : molecular defects and pathophysiological mechanism
Thèse ou mémoire
2021-08 (octroi du grade: 2022-11-24)
Auteur·e·s
Directeur·trice·s de recherche
Cycle d'études
DoctoratProgramme
BiochimieMots-clés
- Mucopolysaccharidose
- Maladies lysosomales
- Héparane sulfate
- Héparane sulfate acetyl-CoA: α-glucosaminide N-acetyltransferase
- Neurodégénérescence
- Modèle souris knockout
- Mitochondrie
- Variants du gène HGSNAT
- Haplotype
- Effet foundateur
- Mucopolysaccharidosis
- Lysosomal storage disorder
- Heparan sulfate
- Heparan sulfate acetyl-CoA: α-glucosaminide N-acetyltransferase
- Neurodegeneration
- Knockout mouse model
- Mitochondria
- HGSNAT variants
- Haplotype
- Founder effect
- Biochemistry / Biochimie (UMI : 0487)
Résumé·s
La mucopolysaccharidose de type IIIC (MPS IIIC), ou le syndrome de Sanfilippo type C, est une maladie pédiatrique rare et grave, provoquant une détérioration neurologique progressive, affectant initialement l'acquisition de la parole et le comportement, et conduisant finalement à la démence, aux déficits moteurs et à une mort prématurée. Des variants pathogéniques dans le gène HGSNAT sont responsables de la déficience de l’enzyme héparane sulfate acetyl-CoA: α-glucosaminide N-acetyltransferase impliquée dans le catabolisme lysosomal de l’héparane sulfate (HS).
La connaissance limitée de la pathophysiologie de la maladie jusqu'à présent a empêché le développement de thérapies efficaces. Afin de mieux comprendre les mécanismes pathogéniques à l'origine de la maladie, en particulier la neurodégénerescence progressive, nous avons caractérisé le premier modèle animal du syndrome de Sanfilippo type C, une souris Hgsnat Knockout (chapitre II). Nous avons montré que le modèle murin de MPS IIIC reproduit les étapes progressives de la maladie humaine. Les souris affectées présentent une hyperactivité et une réduction de l’anxiété comme symptômes initiaux, suivis d’une déficience de la mémoire spatiale et de l’apprentissage, d’une démarche anormale à un stade ultérieur de la maladie et une espérance de vie réduite.
À travers cette étude, nous avons démontré que le déficit en HGSNAT entraîne la surcharge de HS dans les lysosomes des microglies depuis le plus jeune âge et déclenche une réponse neuroinflammatoire chronique, caractérisée par une micro- et astrogliose et la production de cytokines. Au niveau des neurones, l’accumulation d’HS est détecté plus tard et est accompagné de l'accumulation d’organelles dysfonctionnelles, y compris des mitochondries gonflées avec une structure anormale, ce qui entraîne probablement une déficience du métabolisme énergétique mitochondriale dans le cerveau des souris MPS IIIC. En outre, des niveaux accrus d'ubiquitine, LC3-II, des protéines tau phosphorylée et amyloïde-β susceptibles à l’agrégation, et des protéines modifiées par O-GlcNAc dans les neurones suggèrent une protéolyse cellulaire déficitaire. Nos résultats suggèrent que l'accumulation de mitochondries endommagées peut largement contribuer à la perte neuronale détectée dans les souris MPS IIIC et serait la conséquence d'une neuroinflammation chronique et d'un déficit de la mitophagie.
Dans le deuxième projet de cette thèse, nous avons étudié et caractérisé les défauts génétiques d’une large cohorte de nouveaux patients Sanfilippo C de différentes origines géographiques, incluant des pays où des patients n’avait jamais encore été identifiés (chapitre III).
La caractérisation moléculaire de 27 nouveaux patients a permis, pour la première fois, l'identification de variants pathogéniques dans HGSNAT chez des patients du Brésil, d’Algérie, d’Azerbaïdjan et d’Iran et l'élargissement du spectre mutationnel au Canada, la Colombie, la Turquie et les USA. De plus, nous avons identifié six nouveaux variants causant la maladie, montrant, à travers des analyses in silico et d’études fonctionnelles in vitro, qu'ils interfèrent avec la production ou le repliement des protéines HGSNAT mutantes.
Cette étude nous a aussi permis de différencier deux groupes de patients en fonction de l'apparition et de la progression de la maladie, potentiellement associés à différents types de variants pathogéniques. Enfin, l’analyse d’haplotypes portant sur le plus grand groupe de patients étudiés à ce jour, 78 cas provenant de 22 pays différents, a révélé la même origine pour plusieurs variants pathogéniques du gène HGSNAT détectés dans différentes populations, et l'existence de plusieurs mutations fondatrices.
En conclusion, la caractérisation du premier modèle murin MPS IIIC a permis d'identifier différents mécanismes physiopathologiques sous-jacents à la maladie, qui peuvent représenter des cibles thérapeutiques clés. Ce modèle animal est également un outil utile pour l'évaluation de l'efficacité de nouvelles thérapies. En outre, cette thèse a ainsi contribué à la connaissance de la répartition géographique et de la fréquence des variants pathogéniques du gène HGSNAT et à l'identification des effets fondateurs, ce qui peut contribuer à un diagnostic précoce des patients atteints de MPS IIIC. Mucopolysaccharidosis III type C (MPS IIIC), or Sanfilippo syndrome type C, is a rare and severe pediatric disease causing progressive neurological deterioration, initially affecting speech acquisition and behavior, and ultimately leading to dementia, motor deficits and premature death. Pathogenic variants in the HGSNAT gene are responsible for the deficiency of heparan sulfate acetyl-CoA: α-glucosaminide N-acetyltransferase involved in the lysosomal catabolism of heparan sulfate (HS).
The limited knowledge of the pathophysiology of the disease has so far precluded the development of effective therapies. In order to understand the pathogenic mechanisms underlying the disease, in particular the neurodegenerative process, we have characterized the first animal model of Sanfilippo syndrome type C, an Hgsnat Knockout mouse (chapter II). We have shown that the MPS IIIC murine model recapitulates human disease progression, presenting hyperactivity and reduced anxiety as initial symptoms, followed by an impaired spatial memory and learning, abnormal gait at a later stage, and reduced lifespan.
Through this study, we have demonstrated that HGSNAT deficiency leads to the storage of HS in brain microglial lysosomes from an early age, triggering a chronic neuroinflammatory response characterized by micro- and astrogliosis and cytokine production. In neurons, the storage of HS is detected at a later stage and it is accompanied by the accumulation of dysfunctional organelles, including swollen, structurally abnormal mitochondria, likely responsible for the impaired mitochondrial energy metabolism in the brain of MPS IIIC mice. Furthermore, augmented levels of intraneuronal ubiquitin, LC3-II, the aggregate prone-proteins phosphorylated tau and amyloid-β, and O-GlcNAc-modified proteins are suggestive of a defective cellular proteolysis. Altogether, our findings suggest that accumulation of damaged mitochondria is the consequence of chronic neuroinflammation and mitophagy impairment, and may largely contribute to the neuronal loss detected in MPS IIIC mice.
In the second project of this thesis, we investigated and characterized the molecular defects in a large cohort of new Sanfilippo C patients from different geographic origins, including countries where MPS IIIC patients had not yet been reported (chapter III). The molecular characterization of the 27 new patients enabled, for the first time, the identification of HGSNAT disease‐causing variants in patients from Brazil, Algeria, Azerbaijan, and Iran and to extend their spectrum within Canada, Colombia, Turkey and the USA. Besides, we have identified six novel pathogenic variants showing, through in silico and in vitro functional studies, that they interfere with the production or folding of the resulting HGSNAT mutant proteins.
This study also allowed the differentiation of two groups of patients based on the onset and progression of the disease, potentially associated to different types of pathogenic variants. Finally, a haplotype study on the largest group of patients studied so far, 78 cases from 22 different countries, revealed the same origin for several HGSNAT pathogenic variants detected in different populations, and the existence of several founder mutations.
In conclusion, the characterization of the first MPS IIIC murine model enabled the identification of different pathophysiological mechanisms underlying the disease, which may represent key therapeutic targets. This animal model is also a useful tool for the evaluation of the effectiveness of novel therapies. Furthermore, this thesis has also contributed to the knowledge of the worldwide geographic distribution and frequency of HGSNAT disease-causing variants, and the identification of founder effects, which may contribute to an early diagnosis of MPS IIIC patients.
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