Heterotaxy : when Tout-De-Travers and other genes disturb heart development : from human to mouse | Hétérotaxie : quand Tout-De-Travers et autres gènes perturbent la cardiogénèse : de l'homme à la souris

English. The etiology of congenital heart defects (CHDs), amongst the most common human birth defects, is poorly understood partly because of its complex genetic architecture. CHD can also be part of laterality defects spectrum such as heterotaxy. The purpose of this work was to identify genes whose mutations are responsible for CHD, and also to better understand cardiac morphogenesis. Thanks to a whole exome sequencing strategy into cohorts or families of patients showing the same cardiac malformation, we identified several genes. Their roles were confirmed during cellular analysis and using animal models. We studied MEGF8, a single-pass transmembrane protein and MGRN1, a RING superfamily E3 ligase, that interact genetically and biochemically to regulate the strength of Hedgehog signaling in target cells. Double heterozygous mice (loss-of-function for Megf8 and Mgrn1) exhibited an incompletely penetrant syndrome of CHDs with heterotaxy related with an elevated abundance of the Sonic Hedgehog transducer Smoothened (Smo). Other studies identified a novel metalloproteinase, TOUT-DE-TRAVERS (TDT), which is specifically expressed in ciliated left-right organizers (LROs). Using CRISPR/Cas9 genome-editing in zebrafish and Xenopus, we demonstrated that TDT is solely required on the left side of the LRO to control organ laterality. Functional tests and epistasis experiments suggested that, together with another protease MMP21, they constitute a proteolytic cascade during the early laterality establishment. We could identify 21 human patients with loss-of-function TDT mutations segregating recessive situs anomalies with CHD. At the end of this project, we focused on two more frequent CHD: atrial septal defect (ASD) and bicuspid aortic valve. We showed an embryonic lethal mutation in sarcomeric actin-binding protein TPM1 can cause heritable heart defect, atrial septal defect (ASD), when buffered by mutation in TLN2, another myofilament actin-binding protein. Together they account for the digenic etiology of heart defect in 8 members of a family spanning 5 generations. Otherwise, common deletion copy number variants (delCNV) in the PCDHA gene cluster (frequency 8% in whites) are linked to left ventricular outflow tract obstructions including coarctation of the aorta and hypoplastic left heart syndrome. Our findings suggest epigenetic modifications leading to incomplete penetrance. Overall, these studies contribute to the elucidation of biological mechanisms of embryonic cardiac development and left-right determination. They open new perspectives about molecular patterning underlying CHD.

French. Les malformations cardiaques sont des anomalies congénitales fréquentes puisqu’elles concernent 1 naissance sur 100. Dans la majorité des cas, surtout lorsque la cardiopathie est isolée, l’étiologie reste inconnue. Elles peuvent aussi s’intégrer dans un contexte malformatif plus complexe, notamment dans le cadre des anomalies de latéralisation gauche-droite, ou hétérotaxies. L’objectif de ce travail était d’identifier de nouveaux gènes dont les mutations sont responsables de cardiopathies congénitales et/ou d’hétérotaxie et aussi de mieux comprendre la morphogénèse du cœur. Grâce à une stratégie de séquençage exomique au sein de cohortes de patients présentant la même anomalie cardiaque ou au sein de familles avec récurrence de cardiopathies congénitales, nous avons pu mettre en évidence plusieurs gènes qui ont ensuite été confirmés sur le plan fonctionnel lors d’analyses cellulaires et de modèles animaux. Nous avons ainsi étudié le rôle de MEGF8, une protéine transmembranaire et de MGRN1, une ligase E3 de la superfamille RING, qui interagissent à la surface de cellules cibles pour réguler la voie de signalisation Sonic Hedgehog (Shh). Les souris mutées double hétérozygotes pour les gènes Megf8 et Mgrn1 expriment des anomalies de latéralité gauche-droite avec malformations cardiaques associées en rapport avec une activité intracellulaire augmentée du signal Shh induite par l’absence de dégradation de l’un de ses substrats, Smoothened (Smo). D’autres travaux nous ont permis d’identifier la métalloprotéase « TOUT-DE-TRAVERS » (TDT) qui est spécifiquement exprimée dans le nœud embryonnaire cilié de plusieurs espèces et dont des mutations perte de fonction sont retrouvées chez plusieurs dizaines de patients avec anomalies du situs et cardiopathies congénitales. Tout comme pour la métalloprotéinase MMP21 identifiée quelques années plus tôt, des modèles de poisson-zèbres ont confirmé une randomisation de l’établissement de la latéralisation gauche-droite et du looping cardiaque en cas d’inactivation par knock-out de Tdt. Enfin, nous avons travaillé sur deux modèles plus fréquents de malformations cardiaques dans la population générale que sont la bicuspidie aortique et la communication interauriculaire (CIA). La délétion du cluster de gènes PCDHA identifiée dans 8% de la population caucasienne semble être reliée au continuum phénotypique des obstructions du cœur gauche, allant de la plus fréquente et banale qu’est la bicuspidie aortique aux plus complexes que sont les hypoplasies du ventricule gauche. Ceci suggère le rôle probable de variants modulateurs plus rares. Lors de l’analyse d’une vaste famille avec récurrence de CIA, nous avons également constaté que la mutation très conservée mais très délétère du gène TPM1 était partiellement compensée par une mutation co-héritée de TLN2 codant pour une autre protéine sarcomérique impliquée dans les filaments d’actine des myocytes. La plupart de ces travaux révèle ainsi que des interactions génétiques modulent souvent l’intensité du signal des morphogènes identifiés et que des transmissions oligogéniques sont probablement le mécanisme de nombreuses malformations cardiaques et/ou anomalies de latéralité. Ces travaux ouvrent également de nouvelles perspectives dans la compréhension des multiples voies de signalisation qui sous-tendent la mise en place de l’asymétrie gauche-droite chez les vertébrés ainsi que la formation des cardiopathies congénitales. Nous abordons également le rôle de probables mutations « protectrices » participant à la modulation des phénotypes cliniques.