Nouvelles connaissances sur le développement du cerveau : une étude cartographie les modifications de la chromatine liées aux troubles psychiatriques aux stades prénatals et infantiles.
Étude: Dynamique multi-omique 3D temporellement distincte dans le cerveau humain en développement. Crédit d’image : Shutterstock AI/Shutterstock.com
Dans une étude récente publiée dans Nature, les chercheurs étudient la réorganisation conformationnelle et épigénomique de la chromatine au cours du développement du cortex préfrontal (PFC) et de l'hippocampe (HPC).
Sommaire
Développement précoce du cerveau humain
Le cerveau humain est constitué de centaines de types de cellules présentant diverses caractéristiques morphologiques, moléculaires, fonctionnelles et anatomiques. La plupart des neurones corticaux se forment au cours des premier et deuxième trimestres de la grossesse ; cependant, les signatures moléculaires distinctes de ces cellules émergent entre le troisième trimestre et l'adolescence.
Des études récentes ont rapporté un remodelage de la chromatine au début du développement postnatal. Néanmoins, les trajectoires de méthylation de l’ADN et les changements conformationnels de la chromatine dans les tissus cérébraux prénatals n’ont pas été caractérisés à une résolution unicellulaire.
Enquête sur le développement des PFC et HPC
Dans la présente étude, les chercheurs étudient la dynamique du développement des PFC et HPC humains à l’aide du séquençage par capture de conformation de méthyl-chromatine à noyau unique (3C) (snm3C-seq3). Environ 29 700 profils snm3C-seq3 ont été générés à partir d’échantillons de cortex frontal humain adultes et en développement, tandis que plus de 23 300 profils snm3C-seq3 ont été isolés à partir d’échantillons HPC.
Les chercheurs ont quantifié les informations 3C, ainsi que les données de méthylation non-cytosine-guanine (non-CG) et CG, dans des cellules individuelles à une résolution de 100 kilobases (kb). Au total, 139 populations cellulaires ont été identifiées à travers les stades de développement. Les neurones excitateurs présentaient des types épigénomiques distincts dans le HPC et le PFC, alors que les neurones non neuronaux et inhibiteurs étaient partagés entre les deux régions.
La méthylation non-CG commence plus tôt dans les neurones inhibiteurs et excitateurs du HPC que dans les neurones PFC, avec une méthylation non-CG significative observée dans le HPC par le 39ème semaine de gestation (GW). En revanche, les neurones PFC ne présentent pas de niveaux comparables de méthylation non-CG jusqu'à la petite enfance.
Interactions chromatiniennes et validation
Les profils 3C unicellulaires ont ensuite été regroupés en fonction de la distribution de distance entre les locus en interaction. À cette fin, les types de cellules neuronales étaient fortement enrichis en grappes dominées par des interactions à courte portée, tandis que les cellules non neuronales et gliales étaient enrichies en grappes dominées par des interactions à longue portée.
Un ensemble de données publiques et massives Hi-C sur les tissus humains primaires a également été analysé. Cette analyse a indiqué que les profils de conformation de la chromatine de tous les tissus portaient la signature LE, suggérant ainsi que la chromatine sexuelle (SE) était spécifique aux cellules neuronales.
Traçage de la chromatine et fluorescence multiplexée résistante aux erreurs de l'acide ribonucléique (ARN) sur place des hybridations (MERFISH) ont également été réalisées pour valider la conformation de la chromatine SE spécifique aux neurones dans les neurones nouvellement différenciés en milieu de gestation (GW 23).
Le chromosome 14 a été imagé à une résolution de 250 kb en marquant 354 loci génomiques, permettant la reconstruction de la conformation de 46 023 homologues du chromosome dans 24 099 cellules du plexus choroïde, du fimbria et du HPC.
L'ARN MERFISH a été réalisé sur les mêmes coupes de tissus. Dans les types de cellules neuronales, les régions génomiques séparées par de courtes distances allant jusqu'à cinq Mo avaient une distance spatiale compacte, indiquant ainsi une fréquence d'interaction élevée.
Les régions génomiques distales présentaient des distances physiques plus grandes, suggérant ainsi une faible fréquence d'interaction. Les cellules non neuronales et les progéniteurs présentaient des schémas opposés, car les locus avec de courtes distances génomiques avaient des distances physiques plus grandes, tandis que les loci génomiques distaux avaient des distances spatiales plus faibles. Les résultats d’imagerie ont également validé l’émergence de la conformation SE lors de la différenciation des cellules gliales radiales (RG) en neurones excitateurs.
Modifications développementales de la structure de la chromatine
Les scores de force de compartimentation de la chromatine sont inversement corrélés au rapport d'interaction à courte et à longue portée. En conséquence, les types de cellules de conformation LE étaient associés à des forces de compartiment plus fortes. La force du compartiment était également régulée au cours du développement, avec une perte de force observée entre le milieu et la fin de la gestation, suivie d'un gain au cours du développement ultérieur.
Une analyse de l'approche basée sur la variance a été utilisée pour identifier les boucles différentielles de chromatine à travers les trajectoires de différenciation des types cellulaires. Les boucles de chromatine acquises au cours du développement étaient nettement plus nombreuses que les boucles perdues au cours du développement dans toutes les trajectoires neuronales. Dans les astrocytes, qui présentent la conformation LE, un nombre similaire de boucles ont été gagnées et perdues au cours de la différenciation.
Héritabilité des troubles neuropsychiatriques
Plus de 2,5 millions de régions différentiellement méthylées (DMR) ont été identifiées à travers les stades de développement et les types de cellules. L'analyse du motif de liaison au facteur de transcription (TF) a révélé que l'action séquentielle des TF spécifiques à la lignée et dépendant de l'activité façonne le paysage régulateur des neurones inhibiteurs et excitateurs.
Les éléments régulateurs qui s'activent au milieu de la gestation s'enrichissent en motifs de liaison de TF spécifiques à la lignée. Après la spécification de la lignée, les motifs de liaison des TF dépendants de l'activité s'enrichissent en éléments régulateurs activés à la fin de la gestation et aux stades infantiles.
Les chercheurs ont également quantifié l'enrichissement de l'héritabilité polygénique des annotations définies par des boucles de chromatine ou DMR pour chaque type de cellule. Les DMR connectés à des boucles présentaient un enrichissement en héritabilité significativement plus élevé que tous les DMR, soutenant ainsi l'utilisation de boucles pour localiser les variantes causales.
Au total, 190 locus causals putatifs de la schizophrénie finement cartographiés ont été superposés aux DMR et aux DMR connectés en boucle. Une corrélation robuste a été observée entre le rapport de cotes de chevauchement avec un variant causal putatif et l'enrichissement de l'héritabilité entre les types de cellules.
La dynamique développementale de l’enrichissement de l’héritabilité des troubles neuropsychiatriques dans les populations neuronales a également été évaluée. Cela a révélé des tendances similaires pour les DMR et les DMR connectés en boucle au cours des trajectoires de développement ; cependant, les DMR connectés en boucle présentaient un enrichissement global en héritabilité plus élevé.
L'enrichissement de l'héritabilité polygénique pour le trouble bipolaire et la schizophrénie a augmenté des neuro-progéniteurs aux neurones post-mitotiques précoces et ensuite aux neurones post-mitotiques en fin de gestation. Dans l'ensemble, il y a eu une augmentation constante du développement de l'enrichissement de l'héritabilité pour ces troubles neuropsychiatriques entre les neuroprogéniteurs et les neurones chez les nourrissons, qui a diminué dans le cerveau adulte.
Conclusions
Les résultats de l'étude mettent en évidence les transitions dynamiques des progéniteurs vers les populations gliales et neuronales des deuxième et troisième trimestres jusqu'à la période néonatale. Le remodelage de la conformation neuronale de la chromatine et du méthylome au cours du développement périnatal indique que le cerveau humain est sensible aux perturbations environnementales et génétiques.
Le risque génétique de trouble bipolaire et de schizophrénie semble également culminer au cours du troisième trimestre et de la petite enfance. Dans l’ensemble, les données fournissent des ressources multimodales pour étudier la dynamique de régulation des gènes dans le cerveau en développement et illustrent que le multiomique unicellulaire est un outil puissant pour délimiter les loci de risque neuropsychiatrique.