Identification and characterization of modifiers factors in Alpha 1-Antitrypsin deficiency-mediated severe liver damages

L’homéostasie protéique ou protéostasie est maintenue au sein de la cellule grâce à un équilibre, contrôlé par le réseau de la protéostasie, entre la biogenèse, le repliement, et la dégradation des protéines. L’ensemble des facteurs constituant ce réseau agit de façon concertée pour garantir l’intégrité de la protéostasie et donc assurer le bon fonctionnement cellulaire. A l’inverse, un déséquilibre de la protéostasie peut conduire à de nombreuses pathologies telles que les maladies d’Alzheimer et Parkinson, le Cancer ou encore les dommages au foie associés au déficit en Alpha 1-Antitrypsine (AAT).Plus précisément, le déficit en AAT est dû à des mutations sur le gène SERPINA1 entraînant un mauvais repliement de la protéine AAT conduisant ainsi à sa rétention dans le réticulum endoplasmique (RE) des hépatocytes, cellules productrices d’AAT, et à un défaut de trafic et de sécrétion de la protéine mutée dans le milieu extracellulaire. La rétention et l’accumulation des formes mutées d’AAT au sein du RE peuvent induire une protéotoxicité hépatique et des dommages sévères au foie (cirrhose et cancers du foie).Il existe une variabilité considérable dans l'âge de survenue ainsi que dans la gravité des anomalies du foie chez les patients atteints de déficit en AAT. Seulement 10% des patients déficitaires développent des dommages sévères au foie nécessitant une transplantation, seul traitement curatif disponible. Cette faible proportion de patients suggère que des facteurs modificateurs (génétiques, environnementaux) sont impliqués dans l’apparition et la sévérité des hépatopathies associées au déficit.Ainsi, l’objectif de ma thèse a été d’identifier ces facteurs modificateurs dans le but de mettre en évidence de nouvelles cibles thérapeutiques et biomarqueurs potentiels.Pour répondre à cet objectif, j’ai tout d’abord identifié que certains membres de la famille des protéines disulfides isomérases (PDI), et en particulier PDIA4, sont surexprimés et impliqués dans les hépatopathies liées au déficit spécifiquement chez l’adulte. L'inhibition des PDI via un traitement à la cystéamine ou via l’utilisation d’ARN interférents conduit à une amélioration des caractéristiques du déficit (protéotoxicité...) et représente donc une approche thérapeutique pour le traitement des maladies hépatiques liées au déficit.En parallèle, j’ai participé à une étude « gène candidat » ciblant le gène SORL1, dont certains variants ont été identifiés comme facteur de risque dans l’apparition précoce de la maladie d’Alzheimer. Au moyen d’un séquençage Sanger, le gène SORL1 a été génotypé sur 86 enfants déficitaires ce qui a permis d’identifier un micro-haplotype particulier constitué de 3 SNPs dont les formes mutées sont associées à une plus faible fréquence des dommages hépatiques. De plus, j’ai démontré in cellulo que l’extinction de SORL1 induisait, entre autres, une toxicité cellulaire. Ainsi, nos données démontrent que la présence du micro-haplotype muté SORL1 peut en partie prévenir une maladie hépatique sévère chez les enfants déficitaires et représente un marqueur potentiel de l’apparition d’hépatopathies chez l’enfant déficitaire.Enfin, une dernière partie de mes travaux de thèse a été de caractériser le rôle du protéasome dans la protéotoxicité associée au déficit en AAT. Mes données préliminaires suggèrent que le protéasome serait altéré lors d’un déficit mais que ce dommage serait compensé par l’induction d’une voie spécifique de cette machinerie.Mes travaux de thèse ont donc permis d’améliorer notre compréhension sur les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans les hépatopathies liées au déficit en AAT et d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques et perspectives de traitements.Protein homeostasis, or proteostasis, is maintained within the cell thanks to the balance, controlled by a proteostasis network (PN), between protein synthesis, folding and degradation. All factors that constitute this PN act in a coordinated manner to ensure proteostasis integrity and consequently cell function. Conversely, a proteostasis unbalance may lead to some diseases such as Alzheimer's, Parkinson's, Cancers or Alpha 1-Antitrypsin deficiency (AATD).More precisely, AATD is due to mutations in the SERPINA1 gene resulting in misfolding AAT protein leading to its retention in the endoplasmic reticulum (ER) of hepatocytes and to a defect in trafficking and secretion of the AAT mutated forms in the extracellular space. The retention and accumulation of these variants triggers intracellular injury cascade, cell death and chronic liver damage (cirrhosis, cancer).The severity of the liver disease ranges from transient neonatal cholestasis to cirrhosis and cancers. About 10% of AATD patients have a severe liver outcome (portal hypertension, liver failure, liver transplantation or death) leading to liver transplantation, unique therapeutic strategy available in AATD-mediated liver disease. Given, this low pourcentage and since all the patients share the same genotype, the presence of modifiers (genetic, environnement) in the onset of severe AATD liver disease is now well recognized despite they still remain to be identified.Thus, the goal of my thesis project was to identify these modifiers to develop new therapeutic approaches and early non-invasive diagnostic methods (biomarkers).To achieve this goal, firstly, I identified protein disulfide isomerase (PDI) family members, and particularly PDIA4, are upregulated and involved in AATD-mediated liver disease in adults. PDI inhibition upon cysteamine or siRNA treatments leads to improvements in features of AATD and hence represents a therapeutic approach for treatment of AATD-mediated liver disease.Concurrently, I participated in a candidate gene study with the SORL1 gene, already identified as risk factor in early-onset Alzheimer's disease. A particular SORL1 micro-haplotype constituted with 3 SNP was genotyped on 86 AATD children. Interestingly, the mutated form of this micro-haplotype was associated with lower occurrence of severe liver disease. In agreement, in cellulo studies showed that SORL1 influences AATD features. These data suggest that the mutated form of SORL1 micro-haplotype may partly prevent from severe liver disease in AATD children and represents a potentiel marker in the onset of liver disease in AATD children.Finally, the last part of my thesis project focused on the characterization of the role of the proteasome in the proteotoxicity associated with AATD liver damage. My preliminary data suggest an alteration of proteasome in AATD-mediated liver disease compensated by the specific pathway induction of this machinery.Altogether, my thesis results have improved our understanding on the cellular and molecular mechanisms involved in AATD liver disease and have pinpointed new therapeutic targets and treatments