La dopamine, une substance chimique et un neurotransmetteur puissant du cerveau, est un régulateur clé de nombreuses fonctions importantes telles que l’attention, l’expérience du plaisir et de la récompense et la coordination des mouvements. Le cerveau régule étroitement la production, la libération, l’inactivation et la signalisation de la dopamine via une multitude de gènes dont l’identité et le lien avec les maladies humaines ne cessent de s’élargir.
Les troubles cérébraux associés à une altération de la signalisation de la dopamine comprennent les troubles liés à la consommation de substances, le trouble déficitaire de l'attention avec hyperactivité (TDAH), l'autisme, le trouble bipolaire, la schizophrénie et la maladie de Parkinson. La complexité du cerveau humain et les troubles associés à la dopamine ont encouragé de nombreux chercheurs à rechercher des informations auprès d'organismes plus simples dont les gènes présentent des similitudes frappantes avec ceux des humains et où les possibilités d'obtenir des informations génétiques sur les maladies peuvent être exploitées de manière plus efficace et moins coûteuse.
À l’aide d’un minuscule ver transparent appelé Caenorhabditis elegans, des chercheurs de la Florida Atlantic University ont identifié de nouveaux acteurs dans la signalisation de la dopamine en tirant parti d’une puissante plateforme générée via le Million Mutation Project (MMP) pour l’identification rapide de gènes mutants en fonction de leur impact fonctionnel.
La ressource principale du MMP est une collection de 2 007 souches de vers portant des mutations génétiques induites chimiquement. Les génomes de chaque souche ont été entièrement séquencés, les informations archivées et accessibles via le Web, et toutes les souches sont disponibles pour la recherche. Au total, la collection ou « bibliothèque » du MMP contient plus de 800 000 modifications génétiques uniques. En moyenne, chaque gène du génome du ver présente environ huit mutations différentes qui modifient la protéine produite, offrant de multiples possibilités de relier la perturbation génétique à des changements de physiologie et de comportement.
Nous nous sommes tournés vers C. elegans pour élucider les bases génétiques, moléculaires et cellulaires de la signalisation neuronale plus efficacement que nous ne le ferions avec des modèles de rongeurs. Il s'avère que les protéines impliquées dans la régulation de la dopamine chez C. elegans sont hautement conservées au cours de l'évolution, ce qui suggère que les leçons apprises d'un organisme plus simple avec un « cerveau » beaucoup plus simple pourraient fournir des indices sur les troubles liés à la dopamine ou sur la façon de mieux les traiter.
Randy D. Blakely, Ph.D., auteur principal, directeur exécutif du Stiles-Nicholson Brain Institute de la FAU, professeur distingué David JS Nicholson en neurosciences et professeur de sciences biomédicales au Schmidt College of Medicine de la FAU
Il y a près de 20 ans, l'équipe de Blakely a identifié un changement comportemental profond chez les vers lorsque la signalisation de la dopamine est altérée, appelé paralysie induite par la nage (Swip).
« Nous avons découvert que l'incapacité à limiter les actions de la dopamine conduit les vers à geler en quelques minutes lorsqu'ils sont placés dans l'eau, alors que les vers normaux se débattent pendant 60 minutes ou plus », a déclaré Blakely.
Pour trouver de nouveaux gènes impliqués dans la signalisation de la dopamine, Osama Refai, Ph. D., premier auteur et ancien professeur adjoint de recherche, Peter Rodriguez, Jr., co-auteur et étudiant diplômé, et Zayna Gichi, co-auteur et assistante de recherche, tous du laboratoire Blakely, ont testé 300 lignées de la bibliothèque MMP pour trouver des vers présentant un comportement de Swip. Ils ont utilisé un bloqueur de signalisation de la dopamine pour voir si les vers pouvaient recommencer à nager, vérifiant ainsi que la signalisation excessive de la dopamine était la cause de leur Swip. À partir de ce moment, les mutations de cette souche étant déjà cartographiées sur des gènes spécifiques, le groupe a pu agir très rapidement pour identifier le gène dont le changement a provoqué la paralysie.
Les résultats de cet effort, rapportés dans le Journal de neurochimiecomprenait de nouvelles mutations dans le gène du ver codant pour le transporteur de dopamine (dat-1), qui a pour fonction d'aspirer la dopamine des synapses après sa libération, et qui avait été précédemment utilisé pour identifier le phénotype Swip.
« Bien que la découverte de mutations dans le gène dat-1, que nous connaissions déjà, n'ait pas permis d'atteindre notre objectif, cette découverte nous a donné confiance dans le fait que notre écran fonctionnait comme prévu et que des découvertes pourraient nous attendre dans le génome muté de nos autres lignées Swip », a déclaré Blakely.
En effet, des analyses plus poussées du gène Swip ont révélé un gène surprenant dont la mutation produisait le Swip chez les vers et chez les humains, conduisant à une maladie génétique rare connue sous le nom de syndrome de Bardet-Biedl (BBS). Les mutations du BBS surviennent dans plusieurs protéines qui fonctionnent ensemble comme un complexe protéique plus grand appelé BBSome. Conformément à l'existence d'un complexe protéique plus grand, l'équipe de Blakely a découvert que les mutations dans tous les homologues du BBSome des vers produisaient le Swip.
Le complexe de protéines BBSome est connu pour jouer un rôle crucial dans le transport des protéines et des lipides au sein de la cellule, et notamment dans les minuscules extensions ressemblant à des poils que possèdent de nombreuses cellules appelées cils primaires. Les neurones dopaminergiques du ver possèdent des cils primaires qui permettent au ver de ressentir par le toucher le monde qui l'entoure.
Au cours des dernières années, les scientifiques ont découvert que de nombreux neurones du cerveau des mammifères, voire tous, possèdent des cils primaires qui peuvent également réguler la signalisation cellulaire. Selon Blakely, les protéines BBSome veillent à ce que ces protubérances portent le nombre et le type appropriés de canaux et de récepteurs qui définiront les capacités de signalisation cellulaire.
« Nos résultats indiquent que la perte de BBS-1 dans les neurones dopaminergiques des vers entraîne une signalisation excessive par le neurotransmetteur, connu pour inhiber les motoneurones contrôlant le mouvement. Un mécanisme que nous étudions implique un rôle de BBS-1 et d'autres protéines BBSome dans l'escorte de la protéine codée dat-1 jusqu'à la surface cellulaire pour maintenir les niveaux de dopamine extracellulaire bas et ainsi empêcher un arrêt complet du mouvement », a déclaré Blakely. « En effet, lors d'un criblage antérieur, nous avons identifié un autre gène dont la mutation agit exactement de cette manière, et nous avons découvert que la surexpression de ce gène dans notre mutant BBS-1 permettait de sauver le comportement de nage complet. »
Dans des études antérieures, Blakely et son équipe ont utilisé la mutagenèse chimique pour muter les génomes des vers afin de trouver des mutants Swip. Cependant, dans ces efforts, il a fallu au groupe six mois ou plus pour identifier la véritable « aiguille dans la botte de foin », une chasse à une seule modification de base d'ADN parmi les millions qui composent le génome du ver.
« Par rapport à nos efforts de sélection précédents, l'approche basée sur la MMP nous a permis d'améliorer considérablement la vitesse. Plutôt que de cartographier et de séquencer pour identifier les mutations dans la souche, nous pouvions simplement rechercher les mutations connues dans cette lignée, puis affiner le gène coupable en testant des candidats spécifiques directement et presque immédiatement », a déclaré Blakely.
En utilisant la bibliothèque MMP, les chercheurs ont pu examiner plus de 23 000 mutations nucléotidiques simples dans 300 souches MMP et désigner des gènes candidats quelques jours après avoir identifié une lignée présentant un Swip dépendant de la dopamine. L'effort initial de dépistage comportemental des chercheurs a couvert environ 15 % de la bibliothèque MMP et a permis d'identifier 10 souches, dont neuf sont désormais en attente d'identification de nouveaux gènes.
« Étant donné l’impact médical significatif de la signalisation altérée de la dopamine dans de nombreux troubles neurocomportementaux, des études plus poussées sur la manière dont les protéines BBSome régulent le transporteur de la dopamine pourraient conduire à de nouvelles stratégies de traitement », a déclaré Blakely.
