Identification of new genes in syndromic recessive ataxias : involvement of moderate metabolic disorders

Les ataxies héréditaires représentent un groupe hétérogène de maladies neurodégénératives caractérisées par des anomalies de la coordination des mouvements associées à des troubles de l’équilibre et de la marche. L’immense diversité fonctionnelle des protéines touchées dans les ataxies autosomiques récessives (AR) souligne que celles-ci ne peuvent pas être classées selon les voies physiopathologiques en cause. De ce constat résulte une classification émergente des AR en fonction de la raison expliquant la nature « modérée » de l’atteinte neurologique, à savoir : (i) les mutations avec perte de fonction partielle, (ii) la présence redondante de protéines de la même famille fonctionnelle, (iii) la présence redondante d’autres voies détoxifiantes. L’objectif de ce travail était d’identifier de nouveaux gènes responsables d’AR syndromiques grâce à une stratégie couplant la cartographie par homozygotie et l’analyse d’exomes de larges familles consanguines. L’analyse par génotypage de l’une de ces familles nous a permis d’identifier 2 régions homozygotes partagées par les 3 enfants atteints par le syndrome de Lichtenstein-Knorr (ataxie-surdité). Parmi les variants présents dans ces régions, j’ai identifié une mutation faux-sens dans le gène SLC9A1 codant pour l'échangeur Na+/H+1, NHE1. Cette mutation transforme la Glycine 305, un petit acide aminé très conservé et localisé dans le 8ème domaine transmembranaire, en Arginine, acide aminé chargé positivement. Bien que NHE1 soit une protéine exprimée de façon ubiquitaire, 2 modèles souris « knock-out » de ce gène ont montré sa fonction essentielle au niveau des noyaux profonds cérébelleux, vestibulaires et cochléaires où a été observé une dégénérescence spécifique suite à l’inactivation du gène Slc9a1. Nous avons ensuite apporté la preuve de l’effet délétère de la mutation p.Gly305Arg en montrant une réduction importante mais pas totale de l’activité de l’échangeur muté ainsi qu’une abolition de son expression à la surface cellulaire, démontrant ainsi que SLC9A1 est le gène impliqué dans le syndrome de Lichtenstein-Knorr (Guissart et al. Hum Mol Genet 2015). L’analyse de l’exome d’une famille consanguine multi-générationnelle présentant une ataxie spino-cérébelleuse, une cécité et une surdité et dont le locus avait été identifié par notre équipe en 2000 sur le chromosome 6p23-p21 (SCAR3 ; MIM #271250) m’a permis d’identifier la mutation faux-sens homozygote p.Gly306Arg dans le gène SLC52A2, pourtant située sur le chromosome 8qter et déjà décrite chez des patients atteints du syndrome de Brown-Vialetto-Van Laere type 2, indiquant que la liaison génétique initialement publiée pour cette famille était due au hazard. Le séquençage d’exome d'une autre famille avec 2 enfants atteints d’une AR progressive et d’une rétinite pigmentaire et présentant une région homozygote partagée en 6p23-p21 m’a permis d’identifier la mutation faux-sens p.Ala912Val dans le gène PEX6. L'analyse rétrospective des marqueurs du peroxysome a montré un taux d’acide phytanique sérique très modérément augmenté, alors que les fibroblastes m’ont permis de confirmer le caractère pathogène de la mutation p.Ala912Val par l'absence de marquage à la catalase, la présence de structures peroxysomales anormales et une nette augmentation des AGTLC, indiquant une perte de fonction partielle de la protéine PEX6. Par conséquent, en dépit d’une liaison génétique initiale erronée, l’entité SCAR3 est confirmée et est causée par certaines mutations du gène PEX6 (Guissart et al. Eur J Hum Genet 2016). En conclusion, la présence des mutations faux-sens hypomorphes dans ces familles et les données de la littérature démontrent le concept selon lequel de nombreuses AR sont causées par des mutations de type « perte de fonction partielle » touchant une grande variété de voies physiopathologiques, ceci en raison de l’extrême sensibilité des neurones cérébelleux, spino-cérébelleux et sensitifs profonds, à des désordres métaboliques même légers.Inherited ataxias are a heterogeneous group of neurodegerative diseases that are characterized by incoordination of movement and unsteadiness. The huge functional diversity of affected proteins in autosomal recessive ataxia highlights that these disorders cannot be classified according to relevant physiopathological pathways. Rather, current knowledge shows that no specific physiopathological pathway explains directly the appearance of the symptoms. This gives rise to an emerging recessive ataxia classification based on the reason explaining the “moderate” nature of neurological involvement, namely: (i) partial loss of function mutation, (ii) the presence of redundant functional family member proteins, (iii) the presence of redundant detoxifying pathways. The purpose of this work was to identify new causative genes for syndromic recessive ataxia using a strategy combining homozygosity mapping and exome analysis in large consanguineous families. Genotyping analysis of one of those families has enabled us to identify 2 significant regions of homozygosity shared by the 3 siblings affected by Lichtenstein-Knorr syndrome (ataxia-deafness): one of 23.6 Mb on chromosome 1 and the other of 5.5 Mb on chromosome 7. Among the variants located in the shared homozygous regions, I rapidly identified a missense mutation located in the SLC9A1 gene encoding for NHE1, the Na+/H+ exchanger family member 1. This mutation replaces Glycine 305, a small neutral highly conserved amino-acid, located in the 8th transmembrane segment and conserved in all investigated metazoans by Arginine, a positively charged amino acid. Despite NHE1 is ubiquitously expressed, extensive analysis of 2 Slc9a1 knock-out mice models revealed its crucial role in 3 regions of the central nervous system: vestibular nuclei, cochlear nuclei, and most prominently deep cerebellar nuclei. We then demonstrated the deleterious effect of the p.Gly305Arg mutation showing a significant but not complete reduction of the proton pump activity of NHE1 as well as absence of expression at the cell surface, thus demonstrating that SLC9A1 is the causative gene in Lichtenstein-Knorr syndrome (Guissart et al. Hum Mol Genet 2015). Exome analysis of a multigenerational consanguineous family with spinocerebellar ataxia, blindness and deafness for which we identified linkage to chromosome 6p23-p21 in 2000 (SCAR3; MIM #271250) allowed me to identify in all patients the homozygous p.Gly306Arg missense mutation in SLC52A2, yet located on chromosome 8qter and previously found mutated in patients with Brown-Vialetto-Van Laere type 2, indicating that the genetic linkage published for the SCAR3 family was a false positive result. High recombination rate in the telomeric region and use of widely spaced microsatellite markers explain why correct linkage was initially missed. Exome sequencing of another family with 2 children affected with progressive ataxia and retinitis pigmentosa and with linkage to 6p23-p21 revealed the p.Ala912Val mutation in PEX6. Retrospective analysis of peroxisomal markers showed very moderate increase of serum phytanic acid levels, but fibroblasts allowed me to confirm the pathogenicity of the p.Ala912Val mutation by absent peroxisomal catalase immunostaining, presence of peroxisomal ghosts with abnormal structure and markedly increased very long-chain fatty acids, indicating a partial loss of function of the PEX6 protein. Therefore, despite initial false genetic linkage, the SCAR3 locus is confirmed and is caused by some PEX6 mutation (Guissart et al. Eur J Hum Genet 2016). In conclusion, the identification of these hypomorphic missense mutations in ataxia families as well as literature data lend credence to the concept that numerous recessive ataxias are caused by partial loss of function mutations in a large variety of pathophysiological pathways, as a consequence of an exquisite sensitivity of cerebellar, spinocerebellar and deep sensory neurons to even mild metabolic insults