Les troubles du spectre autistique ont été associés à des centaines de gènes différents, mais la manière dont ces mutations génétiques distinctes convergent vers une pathologie similaire chez les patients reste un mystère. Maintenant, des chercheurs de l’Université de Harvard et du Broad Institute du MIT et de Harvard ont découvert que trois gènes de risque d’autisme différents affectent en fait des aspects similaires de la formation neuronale et les mêmes types de neurones dans le cerveau humain en développement. En testant les mutations génétiques dans des modèles 3D miniatures du cerveau humain appelés «organoïdes du cerveau», les chercheurs ont identifié des défauts globaux similaires pour chaque gène à risque, bien que chacun agisse par le biais de mécanismes moléculaires sous-jacents uniques.
Les résultats, publiés dans la revue La nature, donnent aux chercheurs une meilleure compréhension des troubles du spectre autistique et constituent une première étape vers la recherche de traitements pour la maladie.
Beaucoup d’efforts dans le domaine sont consacrés à comprendre s’il existe des points communs entre les nombreux gènes à risque associés à l’autisme. La découverte de ces caractéristiques partagées peut mettre en évidence des cibles communes pour une large intervention thérapeutique, indépendamment de l’origine génétique de la maladie. Nos données montrent que plusieurs mutations pathologiques convergent en effet pour affecter les mêmes cellules et processus de développement, mais par le biais de mécanismes distincts. Ces résultats encouragent l’investigation future d’approches thérapeutiques visant à moduler les propriétés cérébrales dysfonctionnelles partagées. »
Paola Arlotta, auteur principal de l’étude, professeur de la famille Golub en cellules souches et biologie régénérative à l’Université de Harvard et membre de l’institut du Stanley Center for Psychiatric Research au Broad Institute
Le laboratoire Arlotta se concentre sur les modèles organoïdes du cortex cérébral humain, la partie du cerveau responsable de la cognition, de la perception et du langage. Les modèles commencent comme des cellules souches, puis se transforment en un tissu 3D qui contient de nombreux types de cellules du cortex, y compris des neurones capables de se déclencher et de se connecter à des circuits. « En 2019, nous avons publié une méthode permettant la production d’organoïdes dotés de la capacité unique de se développer de manière reproductible. Ils forment systématiquement les mêmes types de cellules, dans le même ordre, que le cortex cérébral humain en développement », a déclaré Silvia Velasco, une senior boursier postdoctoral au laboratoire Arlotta et co-auteur principal de la nouvelle étude. « C’est un rêve devenu réalité de voir maintenant que les organoïdes peuvent être utilisés pour découvrir quelque chose d’inattendu et de très nouveau sur une maladie aussi complexe que l’autisme. »
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont généré des organoïdes avec une mutation dans l’un des trois gènes de risque d’autisme, qui sont nommés SUV420H1, ARID1Bet CHD8. « Nous avons décidé de commencer avec trois gènes qui ont une fonction hypothétique très large. Ils n’ont pas de fonction claire qui pourrait facilement expliquer ce qui se passe dans les troubles du spectre autistique, nous étions donc intéressés à voir si ces gènes faisaient en quelque sorte des choses similaires. « , a déclaré Bruna Paulsen, boursière postdoctorale au laboratoire Arlotta et co-auteure principale.
Les chercheurs ont développé les organoïdes au cours de plusieurs mois, modélisant étroitement les étapes progressives de la formation du cortex cérébral humain. Ils ont ensuite analysé les organoïdes à l’aide de plusieurs technologies : séquençage d’ARN unicellulaire et séquençage ATAC unicellulaire pour mesurer les changements et la régulation de l’expression génique causés par chaque mutation de la maladie ; la protéomique pour mesurer les réponses dans les protéines ; et l’imagerie calcique pour vérifier si les modifications moléculaires se traduisaient par une activité anormale des neurones et de leurs réseaux.
« Cette étude n’a été possible que grâce à la collaboration de plusieurs laboratoires qui se sont réunis, chacun avec sa propre expertise, pour attaquer un problème complexe sous plusieurs angles », a déclaré le co-auteur Joshua Levin, scientifique de l’institut au Stanley Center et à la Klarman Cell. Observatoire au Broad Institute.
Les chercheurs ont découvert que les gènes à risque affectaient tous les neurones de la même manière, accélérant ou ralentissant le développement neuronal. En d’autres termes, les neurones se sont développés au mauvais moment. De plus, toutes les cellules n’étaient pas touchées – ; au lieu de cela, les gènes à risque ont tous eu un impact sur les deux mêmes populations de neurones, un type inhibiteur appelé neurones GABAergiques et un type excitateur appelé neurones à projection excitatrice de couche profonde. Cela indiquait des cellules sélectionnées qui pourraient être des cibles particulières dans l’autisme.
« Le cortex est fabriqué de manière très orchestrée : chaque type de neurone apparaît à un moment précis, et ils commencent à se connecter très tôt. Si vous avez des cellules qui se forment trop tôt ou trop tard par rapport au moment où elles sont censées le faire, vous pourriez changer la façon dont les circuits sont finalement câblés », a déclaré Martina Pigoni, ancienne boursière postdoctorale au laboratoire Arlotta et co-auteure principale.
En plus de tester différents gènes à risque, les chercheurs ont également produit des organoïdes à l’aide de cellules souches provenant de différents donneurs. « Notre objectif était de voir comment les changements dans les organoïdes pourraient être affectés par le patrimoine génétique unique d’un individu », a déclaré Amanda Kedaigle, biologiste informatique du laboratoire Arlotta et co-auteure principale.
En examinant les organoïdes fabriqués à partir de différents donneurs, les changements globaux dans le développement neuronal étaient similaires, mais le niveau de gravité variait d’un individu à l’autre. Les effets des gènes à risque ont été affinés par le reste du génome du donneur.
« Il est déconcertant de voir comment les mêmes mutations du gène de risque d’autisme montrent souvent des manifestations cliniques variables chez les patients. Nous avons constaté que différents contextes génomiques humains peuvent moduler la manifestation des phénotypes de la maladie dans les organoïdes, suggérant que nous pourrions être en mesure d’utiliser des organoïdes à l’avenir pour démêler ces contributions génétiques distinctes et se rapprocher d’une compréhension plus complète de cette pathologie complexe », a déclaré Arlotta.
« Les études génétiques ont été extrêmement efficaces pour identifier les altérations du génome associées aux troubles du spectre autistique et à d’autres troubles du développement neurologique. La prochaine étape difficile sur la voie de la découverte de nouveaux traitements consiste à comprendre exactement ce que ces mutations font au cerveau en développement », a déclaré Steven. Hyman, qui est professeur de service émérite de l’Université de Harvard en cellules souches et biologie régénérative, directeur du Stanley Center at the Broad et membre principal du Broad Institute. « En cartographiant les altérations des circuits cérébraux lorsque des variations génétiques sont présentes, nous pouvons franchir la prochaine étape provisoire vers de meilleurs diagnostics et découvrir de nouvelles voies d’exploration thérapeutique. »
