Soutenance de thèse de Caroline CHOQUET

La propagation rapide de l’activité électrique dans le système de conduction ventriculaire (SCV) assure la coordination des battements cardiaques. Etudier la formation du SCV est crucial pour comprendre l’origine des troubles de conduction de l’adulte. Au cours de l’embryogénèse le SCV est issu des trabécules, des projections myocardiques à la surface interne des ventricules. Les trabécules subissent une compaction avant la naissance qui est nécessaire à la maturation du myocarde. Toutefois, des défauts au cours de ces étapes embryonnaires seraient en cause dans l’apparition de la Non-Compaction du Ventricule Gauche (LVNC). Une cardiomyopathie congénitale, caractérisée par la présence de nombreuses trabécules et dont les formes pathologiques sont associées à des troubles de conduction, arythmies ou insuffisance cardiaque. Un développement incorrect des trabécules pourrait affecter la formation du SCV et induire à long terme des défauts de conduction. NKX2-5 est un facteur de transcription clé pour le développement du cœur et un des gènes les plus fréquemment muté dans les malformations congénitales cardiaques. Généralement les patients présentent des troubles de conduction et certaines mutations sont liées à la LVNC. Chez des souris hétérozygotes pour Nkx2-5, des troubles de conduction sont associés à une hypoplasie du SCV. Mon objectif de thèse consiste à décoder le rôle de Nkx2-5 au cours du développement trabéculaire afin d’étudier la formation du SCV et comprendre l’origine des défauts de conduction et principalement l’hypoplasie du SCV chez les souris Nkx2-5 hétérozygotes. Dans un première partie, un travail collaboratif a permis de générer et caractériser de nouveaux modèles murins de LVNC pour comprendre le rôle de Nkx2-5 dans l’origine et l’évolution de cette pathologie. Grâce à l’utilisation du système génétique Cre-loxP, nous avons induit la délétion du gène Nkx2-5 dans les trabécules à plusieurs étapes du développement. Ces souris présentent un spectre de signes cliniques semblables à ceux observés chez l’homme, dont la sévérité est liée à une délétion précoce dans l’embryogénèse. Un suivi longitudinal de ces souris a montré une altération progressive de la fonction cardiaque avec l’âge. Par ailleurs, la perte de Nkx2-5 dans le SCV après la naissance altère l’expression de marqueurs de conduction provoquant ainsi les troubles de conduction et permet de démontrer pour la première fois une relation directe entre un défaut de SCV et l’apparition progressive d’une insuffisance cardiaque. La deuxième partie de mon étude porte sur le développement du SCV, et grâce à des techniques de traçage génétique et d’analyse clonale en multicouleur, j’ai pu suivre le destin des trabécules et établir la fenêtre de ségrégation du lignage conducteur. L’analyse de nombreux clones indépendants montre pour la première fois une ségrégation très précoce du lignage conducteur, au début de la trabéculation des ventricules. Cette étape est indépendante du niveau d’expression de Nkx2-5 ce qui permet de former une ébauche du SCV. Puis, au cours du développement, les cellules progénitrices trabéculaires ségrégent progressivement vers un destin conducteur pour s’ajouter au SCV en formation. Chez les souris hétérozygotes pour Nkx2-5, la ségrégation des cellules progénitrices est perturbée empêchant leur différenciation en cellules conductrices et expliquant ainsi l’hypoplasie du SCV observée dans les cœurs adultes. Ainsi la restriction progressive des trabécules vers le lignage conducteur dépend du niveau d’expression de Nkx2-5. L’analyse de ces résultats a permis d’identifier les étapes clés du développement du SCV et un rôle majeur de Nkx2-5 afin de mieux appréhender les troubles de conduction. Enfin le traçage génétique des trabécules à la naissance a permis de montrer que les cellules progénitrices haploinsuffisantes pour Nkx2.5 sont toujours présentes après la naissance, offrant une cible potentielle pour des perspectives thérapeutiques.

The rapid propagation of electrical activity through the ventricular conduction system (VCS) controls the spatiotemporal contraction of the ventricles. A better understanding of VCS development is crucial to comprehend the etiology of conduction disturbances. During embryogenesis, the VCS originates from ventricular trabeculae that are myocardial protrusions in the lumen of the ventricles. Before birth, trabeculae undergo a compaction step required for maturation of the myocardial wall. Impairment of these developmental steps can lead to the apparition of Left Ventricular Non-Compaction (LVNC). LVNC is a rare cardiomyopathy characterized by prominent ventricular trabeculae in the left ventricular cavity. The degree of severity is heterogeneous, and the most severe complications are associated with conduction defects including arrhythmias or heart failure. Defects in trabecular morphogenesis may result in incorrect development of the VCS, causing conduction defects. Indeed, LVNC and conduction defects have been observed in patients and mutant mice carrying mutations in NKX2-5, encoding a key transcriptional regulator of heart development. Mutations in NKX2-5 are one of the most common genetic causes of congenital heart diseases. Moreover, Nkx2-5 heterozygous mice display conduction disturbances in association with hypoplasia of the VCS. My thesis objectives are to decipher the temporal requirement of Nkx2-5 during trabecular morphogenesis and VCS development and to understand the origin of the VCS hypoplasia observed in Nkx2-5 heterozygous mice. In the first part of my thesis, I worked in collaboration to generate and characterize new mouse models of LVNC in order to decipher the involvement of Nkx2-5 in the origin and pathological evolution of this cardiomyopathy. We used the Cre-loxP genetic system to induce the deletion of Nkx2-5 in ventricular trabeculae at different developmental time points. Trabecular-deleted mice exhibited a spectrum of clinical features similar to those observed in human patients, and severity was linked to earlier embryonic deletion. A longitudinal study of these mice showed progressive cardiac dysfunctions with age. Furthermore, for the first time we demonstrated a direct causal effect of VCS defects on progressive conduction disturbances and heart failure. The deletion of Nkx2-5 in the VCS after birth induces reduction in the expression of conduction markers resulting in conduction defects; these mice did not develop LVNC highlighting the developmental origin of this defect. The second part of my thesis concerned the role of Nkx2-5 during VCS development. Genetic lineage and multicolor clonal analysis were used to trace the fate of trabeculae and establish the temporal window of the conductive lineage segregation during development. The analysis of numerous independent clones provided the first demonstration that cardiomyocytes segregate early towards the VCS lineage at or before the onset of trabeculation. This step occurs normally in Nkx2-5 heterozygous mutant mice and results in the building of a VCS scaffold. Subsequently, trabecular progenitor cells progressively segregate to a conductive fate and are added to the developing VCS. Nkx2-5 heterozygous mice display defective segregation of trabecular cells that fail to differentiate into conductive cells resulting in VCS hypoplasia. The progressive restriction of trabeculae to the conductive lineage thus depends on the level of Nkx2-5 expression. To conclude, my results identify key steps in the VCS development, demonstrate a crucial role of Nkx2-5 and contribute to improve understanding of conduction defects. Finally, genetic tracing of trabecular cells after birth demonstrates that Nkx2-5 haploinsufficient progenitor cells persist after birth, potentially identifying new target cells for therapeutic intervention.