Modelling neuromuscular disorders: from the animal model to state-of-the-art stem cell cultures

Neuromuscular disorders form a large group of debilitating diseases primarily affecting motor systems. For the majority of them, the mechanisms involved in pathogenesis are poorly understood and no efficient therapies are available. In the context of neurodegeneration, patient samples are not easily accessible. Thus, research relies mostly on cellular and animal models to study these disorders. However, in most cases, new models are still required to better dissect pathological mechanisms and optimize the drug discovery process. In this thesis, the focus was given to two yet untreatable neuromuscular diseases, amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and spinal and bulbar muscular atrophy (SBMA), for which new models were generated and characterized. Both disorders share common hallmarks, including motor neuron degeneration, muscle wasting and progressive motor decline. Thus, even though they are distinguishable conditions, unravelling pathological mechanisms of one disorder might also help understand degeneration occurring in the other. A new knock-in mouse model of ALS was created, based on a mutation in the ALS-related gene Vapb. Unlike previous Vapb murine models, these knock-in mice recapitulated expected disease phenotypes, such as progressive motor decline, muscle denervation, neuromuscular junctions defects, motor neuron stress and the formation of VAPB-positive cellular inclusions. For SBMA, human induced pluripotent stem cells derived from healthy individuals and SBMA patients were differentiated into motor neurons (MNs). These MNs were shown to differentiate properly and pathological phenotypes were investigated in the patient lines. The first optimization steps to generate MN-muscle co-cultures were also undertaken. Once perfected, this tool could be used to dissect SBMA pathogenesis in a human model and for therapeutic compound screening.Les troubles neuromusculaires forment un large groupe de maladies débilitantes affectant principalement les systèmes moteurs. Dans la majorité des cas, les mécanismes impliqués dans le dévelopement de ces maladies sont peu compris et aucun traitement efficace n'est disponible. Dans le contexte de maladies neurodégénératives, il est difficile d'obtenir des échantillons de patients. Pour cette raison, la recherche repose principalement sur l'utilisation de modèles cellulaires ou animaux. Cependant, pour la plupart de ces troubles, la création de nouveaux modèles est encore nécessaire pour étudier plus efficacement les mécanismes pathologiques, et améliorer le processus de découverte de médicaments. Cette thèse est focalisée sur deux maladies neuromusculaires toujours incurables, la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et l'atrophie musculaire spinale et bulbaire (AMSB), pour lesquelles de nouveaux modèles ont été créés et caractérisés. Ces deux pathologies partagent des caractéristiques communes, incluant la dégénérescence des neurones moteurs, la fonte musculaire et le déclin moteur progressif. Ainsi, malgré les éléments distinctifs de ces deux maladies, la compréhension des mécanismes pathologiques de l'une pourraient aussi aider à la compréhension de l'autre. Un nouveau modèle murin de SLA a été créé, basé sur la mutation du gène Vapb. Contrairement aux précédents modèles souris créés pour ce gène, ces animaux expriment plusieurs phénotypes attendus, tels que le déclin moteur progressif, la dénervation musculaire, les défauts de jonctions neuromusculaires, le stress neuronal et la formation d'inclusions cellulaires contenant la protéine VAPB.Pour l'AMSB, des cellules induites pluripotentes humaines générées depuis des individus sains et des patients AMSB ont été différentiées en neurones moteurs. Ces neurones ont été caractérisés et certains phénotypes pathologiques ont été investigués dans les lignées de patients. Les premières étapes d'optimisation pour générer des co-cultures entre neurones moteurs et muscles ont aussi été réalisées. Une fois perfectionné, cet outil pourrait être utilisé pour l'étude des mécanismes de la maladie dans un modèle humain, ainsi que pour le criblage de nouveaux médicaments