Bien que de nombreuses études abordent le syndrome de Rett, un trouble du développement, comme une condition unique résultant d'une perte générale de fonction du gène MECP2, une nouvelle étude menée par des neuroscientifiques de l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire du MIT montre que deux mutations différentes du gène ont provoqué de nombreuses anomalies distinctes dans les cultures de laboratoire. De plus, la correction des différences clés provoquées par chaque mutation nécessitait des traitements différents.
« Les mutations individuelles comptent« , a déclaré Mriganka Sur, auteur principal de la nouvelle étude en Communications naturelles et professeur Newton au Picower Institute et au Département des sciences du cerveau et des sciences cognitives. « Il s’agit d’une approche permettant de personnaliser le traitement, même pour une maladie monogénique.«
L'étude a utilisé des cultures 3D avancées de tissus cérébraux humains appelées « organoïdes » ou « mini-cerveaux » dérivées de cellules cutanées ou de cellules sanguines données par des patients atteints du syndrome de Rett avec chaque mutation. L'auteur principal, Tatsuya Osaki, chercheur à l'Institut Picower, a déclaré que la capacité des organoïdes à modéliser les conséquences spécifiques de chaque mutation lui a permis d'acquérir des informations spécifiques à la mutation qui n'avaient pas émergé dans des études antérieures dans lesquelles les scientifiques venaient d'éliminer globalement MECP2. Les organoïdes ont également fourni une nouvelle opportunité de comprendre comment chaque mutation affectait différents types de cellules et leurs interactions.
Des effets distincts
Plus de 800 mutations de MECP2 peuvent provoquer le syndrome de Rett, mais seulement huit représentent plus de 60 % des cas. Sur et Osaki en ont choisi un, R306C, qui implique une différence d'une seule paire de bases d'ADN (916C>T), car il représente 7 à 8 % des cas de syndrome de Rett. L'autre mutation qu'ils ont choisie, V247X, est beaucoup plus rare et grave car elle coupe la production du produit protéique du gène par une simple délétion de la base de l'ADN (705Gdel), laissant la protéine non seulement errante, mais incomplète.
Dans les organoïdes cultivés pendant trois mois, chaque mutation a produit des conséquences communes mais aussi parfois distinctes par rapport aux organoïdes témoins avec MECP2 non muté. Pour bon nombre de leurs expériences, l’équipe a utilisé des microscopes « à trois photons » capables d’une résolution au niveau cellulaire jusqu’à l’épaisseur d’environ 1 mm des organoïdes, résolvant à la fois leur structure (via l’imagerie de « troisième génération harmonique ») et les modèles d’activité en direct de leurs neurones (via la fluorescence du calcium).
Par exemple, les scientifiques ont observé que les organoïdes V247X présentaient plusieurs différences structurelles par rapport à leurs contrôles – ils étaient plus grands et avaient différentes épaisseurs de différentes couches – mais ceux du R306C ressemblaient beaucoup plus à leurs contrôles. Les organoïdes hébergeant l’une ou l’autre mutation présentaient des projections axonales moins développées de leurs neurones par rapport à leurs comparateurs témoins.
En examinant les propriétés de l'activité neuronale et de la connectivité dans les organoïdes, les scientifiques ont découvert des déficits similaires dans les deux mutations. Les deux ont montré une activité de pointe et une synchronicité réduites entre les neurones par rapport à leurs témoins.
Mais lorsque les scientifiques ont examiné d’autres propriétés, les organoïdes ont commencé à diverger les uns des autres. En particulier, une indication de l’efficacité de leur structure de réseau appelée « propension au petit monde » (SWP) a diminué dans les organoïdes R306C et a augmenté dans ceux V247X, par rapport aux témoins. Cela signifie que les deux mutations ont modifié le développement des structures de réseau typiques pour le traitement de l’information, mais dans des directions différentes.
Pour garantir que leurs résultats étaient significatifs pour les patients atteints du syndrome de Rett, l'équipe a collaboré avec Charles Nelson du Boston Children's Hospital, dont l'équipe a mesuré l'EEG chez plusieurs enfants présentant différentes mutations de Rett. Bien que l'échantillon soit petit, les chercheurs ont mesuré des indications selon lesquelles la propriété SWP dans les lectures EEG était modifiée chez les volontaires, un peu comme chez les organoïdes.
Enfin, en étiquetant les neurones excitateurs pour qu'ils clignotent dans une couleur et les neurones inhibiteurs pour qu'ils clignotent dans une couleur différente, les scientifiques ont pu voir que la connectivité entre les différents types neuronaux différait considérablement des contrôles dans les organoïdes V247X.
Tests de traitement
Tous les tests ont montré que chaque mutation provoquait plusieurs changements dans la structure, l’activité et la connectivité des organoïdes, et que les écarts étaient souvent spécifiques à la mutation spécifique.
Pour comprendre comment ces différences sont apparues et comment elles pourraient être corrigées, l'équipe de Sur et Osaki a examiné comment les cellules de chaque type d'organoïde pourraient exprimer leurs gènes différemment des témoins. Les différences dans l’expression des gènes conduisent souvent à des altérations des voies moléculaires clés des cellules, susceptibles de perturber leur activité et leur fonction. L'analyse avec une technique appelée séquençage d'ARN unicellulaire a en effet donné des centaines de différences dans chaque type d'organoïde, où certains gènes étaient plus exprimés que chez les témoins tandis que d'autres étaient sous-exprimés.
Par exemple, les analyses ont révélé que dans les organoïdes R306C, un gène appelé HDAC2 était surexprimé. Cette protéine est connue pour réprimer l’expression d’autres gènes. Pendant ce temps, dans les organoïdes V247X, les scientifiques ont découvert une expression réduite des gènes de certains récepteurs du neurotransmetteur inhibiteur GABA. Ces organoïdes ont également montré des défauts dans le fonctionnement des cellules astrocytes, qui soutiennent de nombreux aspects de la fonction neuronale.
Les organoïdes avec l'une ou l'autre mutation présentaient également des aberrations dans les voies moléculaires qui permettent le développement de connexions de circuits entre les neurones appelés synapses.
Compte tenu des défauts spécifiques observés, les scientifiques ont décidé de traiter les organoïdes avec un médicament capable d'inhiber l'activité de HDAC2 et un autre qui augmente l'efficacité du GABA. L'inhibiteur HDAC2 a restauré l'activité neuronale et le SWP à des niveaux normaux dans les organoïdes R306C et le baclofène « agoniste » du GABA a restauré le SWP aux niveaux de contrôle dans les organoïdes V247X.
Tatsuya a noté que chacun des médicaments thérapeutiques a déjà été étudié dans d'autres contextes pathologiques, ce qui signifie qu'il s'agit de médicaments bien compris qui pourraient être réutilisés.
Maintenant que les chercheurs ont développé une plate-forme organoïde pour disséquer les conséquences des mutations individuelles, en identifiant à la fois leurs racines et en testant les traitements, ils prévoient de l'appliquer à l'étude de quatre autres mutations, a déclaré Sur, en les comparant toutes à un organoïde de contrôle standardisé.
Outre Sur, Osaki et Nelson, les autres auteurs de l'article sont Chloe Delépine, Yuma Osako, Devorah Kranz, April Levin et Michela Fagiolini.
Les National Institutes of Health, une subvention MURI, la Freedom Together Foundation et la Simons Foundation ont soutenu la recherche.
