Knockouts pour la victoire : comment l’expansion des CAG entraîne la maladie

La maladie de Huntington (MH) est causée par des répétitions supplémentaires des lettres ADN CAG dans le code génétique du gène huntingtine. Nous pensions que ces longueurs de CAG étaient stables dans la plupart des tissus, mais nous comprenons maintenant de mieux en mieux que l’instabilité des CAG contribue à la MH. L’instabilité somatique est le concept selon lequel les répétitions CAG s’étendent au fil du temps dans certains types de cellules, en particulier les cellules vulnérables dans la MH. De nombreux scientifiques pensent que ce processus pourrait jouer un rôle dans l’accélération du développement des symptômes.

Un article récent explore une partie de la machinerie derrière ce phénomène, en se demandant comment l’expansion des CAG est liée à la maladie, et comment la science pourrait exploiter les gènes de réparation de l’ADN comme traitement pour la MH.

Des personnes aux animaux… et retour aux personnes

Notre compréhension actuelle du phénomène d’expansion des répétitions CAG découle d’énormes études humaines dans lesquelles des participants atteints de MH ont donné des échantillons et des données cliniques. Leurs contributions ont permis aux scientifiques d’établir un lien entre de subtiles différences dans la génétique des personnes et l’âge auquel elles ont développé les symptômes de la MH. Ces études, connues sous le nom d’études d’association pangénomique, ou GWAS (prononcé ‘gee-wass’), ont montré que certaines variations d’ADN pouvaient considérablement accélérer ou retarder l’apparition de la MH.

Beaucoup des gènes identifiés dans ces études qui méritaient des recherches supplémentaires appartiennent à une famille de gènes qui aident à réparer l’ADN. Ces dernières années ont vu une effervescence d’activité nous menant à de nouvelles conclusions sur la MH et l’expansion des CAG. Voici un bref récapitulatif avant de plonger dans de nouvelles données sur ce sujet :

• La machinerie de réparation de l’ADN peut faire des erreurs en essayant de « corriger » les répétitions CAG extra-longues – les rendant accidentellement de plus en plus longues !

• Cela n’arrive pas dans la grande majorité des cellules, mais semble se produire beaucoup dans une partie du cerveau appelée le striatum, qui contrôle l’humeur, le mouvement et la motivation. Étudier l’expansion des CAG dans le striatum pourrait nous rapprocher de la compréhension de pourquoi ces cellules sont si vulnérables dans la MH.

• Certaines études ont trouvé qu’il y a un seuil d’environ 150 répétitions CAG au-dessus duquel les dommages à la cellule commencent à s’accélérer.

• Les « knockouts » expérimentaux ou l’élimination génétique des gènes de réparation de l’ADN connus pour faire des erreurs sur les CAG peuvent ralentir ou même arrêter l’expansion des répétitions CAG dans les modèles de laboratoire de la MH.

• Certains de ces gènes, comme Msh3, sont les cibles de thérapies humaines pour la MH en développement – mais nous devons encore comprendre davantage comment ils influencent la biologie de la MH, et quelles sont les conséquences (positives et négatives) de les éliminer.

Mise en place de l’expérience

Les auteurs d’un article récent, dirigés par X. William Yang à l’Université de Californie, Los Angeles (UCLA), ont adopté une approche directe et approfondie pour explorer la connexion entre les gènes de réparation de l’ADN, l’expansion des CAG, la santé des cellules cérébrales, et même le comportement.

Ils ont choisi un ensemble de neuf gènes identifiés dans les études GWAS humaines et qui font partie de la machinerie qui effectue un certain type de réparation de l’ADN, le type qui entraîne le « oups » de l’allongement des CAG. Puis ils ont utilisé la génétique spécialisée de souris et des schémas de reproduction pour créer des souris MH auxquelles manquaient une ou les deux copies de ces gènes de réparation de l’ADN.

Chez chacune de ces souris MH, auxquelles manquaient des gènes comme Msh3, Pms1, Mlh1, et d’autres, ils pouvaient en apprendre davantage sur comment perturber la réparation de l’ADN pourrait affecter l’expansion des CAG, la production de messages ARN (la spécialité du laboratoire), l’accumulation de huntingtine toxique, et d’autres caractéristiques de la MH. Ils ont été surpris d’apprendre que certains knockouts avaient des conséquences positives profondes, tandis que d’autres n’avaient aucun effet du tout. Ce qu’ils ont appris est précieux pour notre compréhension de la biologie de la MH et le développement de thérapeutiques.

Inverser les changements ARN

Notre ADN est lu ou « transcrit » par une machinerie spécialisée pour fabriquer des messages ARN, qui sont finalement utilisés pour fabriquer des protéines, les éléments constitutifs de la vie. Il y a toute une branche de la science qui explore l’emplacement et la quantité de message ARN fabriqué à partir de différents gènes – c’est le domaine de la transcriptomique.

Les scientifiques peuvent définir un « transcriptome » de souris saine en regardant des milliers de gènes et en demandant lesquels sont normalement activés et désactivés dans différentes cellules, et combien de chaque message ARN est présent. Puis ils peuvent regarder comment cela change chez une souris MH au fil du temps, ou expérimenter pour voir ce qui pourrait aider à restaurer les niveaux d’ARN de la souris à la normale.

Le laboratoire Yang travaillait avec un type de souris qui modélise la MH et qui montre des changements majeurs dans son transcriptome par rapport aux souris normales. Beaucoup de gènes produisent plus ou moins d’ARN qu’ils ne le devraient, en particulier dans les neurones épineux moyens, les cellules qui sont les plus vulnérables dans la MH. Quand le laboratoire Yang a « éliminé » la moitié du Msh3 et Pms1 dans leur modèle de souris MH, ils ont vu une inversion partielle des changements ARN dans les neurones épineux moyens. Avec Msh3 ou Pms1 complètement disparus, les changements ARN étaient presque entièrement inversés, durant souvent jusqu’à un an (la moitié d’une vie pour une souris de laboratoire !). Éliminer quelques autres gènes – Msh2 et Mlh1 – avait aussi quelques effets d’inversion, mais ceux-ci étaient plus modérés. Certains knockouts de gènes n’avaient aucun effet du tout.

Les membres du laboratoire Yang sont des experts mondiaux dans l’étude de la transcriptomique de la MH, et ils ont utilisé plusieurs techniques de laboratoire de pointe ainsi que différentes approches statistiques pour confirmer leurs résultats. Ils ont examiné les niveaux d’ARN à travers de nombreuses cellules, jusqu’au niveau de cellules individuelles, et ont aussi regardé à quel point l’ADN était enroulé autour de sa « bobine », connue sous le nom de chromatine. Dans tous les cas, éliminer Msh3 et Pms1 semblait inverser les changements liés à la MH.

Calmer les CAG et les amas

En parallèle, le laboratoire Yang a mesuré la quantité d’instabilité somatique – l’allongement des répétitions CAG – dans différentes parties du cerveau et du corps. Chez ce type de souris MH, les répétitions CAG deviennent plus longues au fil du temps, en particulier dans les cellules du striatum. En fait, ce groupe a utilisé des statistiques pour définir le taux auquel les CAG s’étendent dans ces cellules cérébrales vulnérables de souris : c’est environ 8,8 répétitions CAG par mois. (Ces taux d’expansion ne s’appliquent PAS aux humains – ces souris commencent avec 140 répétitions et sont conçues pour l’expérimentation.)

La découverte passionnante est que quand les souris avaient moins ou pas de Msh3 ou Pms1, ce taux diminuait considérablement. En fait, retirer les deux copies de Msh3 a ralenti ce taux à 0,3 répétition CAG supplémentaire par mois, jusqu’à 20 mois – c’est essentiellement une longueur de répétition stable, chez une vieille souris !

En même temps, Yang et ses collègues ont observé que les souris MH avec la moitié ou pas de Msh3 ou Pms1 avaient aussi beaucoup moins d’amas de protéine huntingtine dans le striatum. L’accumulation de ces amas est une caractéristique classique de la MH que beaucoup de scientifiques soupçonnent pourrait être toxique pour les cellules cérébrales. Retirer Msh3 a empêché la formation d’amas de huntingtine dans d’autres zones du cerveau aussi. La quantité de huntingtine agglomérée semblait correspondre à la quantité de changements ARN anormaux qu’ils avaient précédemment vus.

De plus, ils ont pu confirmer les résultats d’autres laboratoires montrant qu’il semble y avoir un seuil de répétitions CAG – autour de 150 – au-dessus duquel la cellule commence à subir plus de stress. Ils ont connecté ce seuil à des niveaux plus élevés de changements ARN : l’expansion des CAG accélère et aggrave ce stress.

Prévenir les changements cérébraux et comportementaux

Nous adorons les maths et les graphiques arc-en-ciel à plusieurs panneaux, mais c’est encore plus cool de voir un lien entre la génétique et la santé comportementale. Une façon dont ce travail représente un pas en avant est que les auteurs montrent comment l’élimination des gènes qui empêchent l’expansion des CAG peut aussi avoir des effets sur les cellules cérébrales et le mouvement des souris.

Ce type de souris MH tend à montrer des changements dans les connexions entre neurones, connues sous le nom de synapses, ainsi qu’un élargissement des cellules de soutien appelées astrocytes. Les souris ont aussi des problèmes avec leur démarche et leur mouvement. Cependant, quand les chercheurs ont éliminé Msh3, ils n’ont plus observé aucun de ces changements liés à la MH chez les souris. C’est encore plus de preuves du rôle de Msh3 dans la MH, et suggère que c’est une bonne cible médicamenteuse.

Note que ce n’était pas un focus principal de l’article – ils n’ont regardé que quelques caractéristiques de la santé cérébrale et une tâche comportementale – mais c’est quand même un lien prometteur.

De petits pas alimentent les futurs traitements

Tu as probablement remarqué qu’HDBuzz insiste sur l’instabilité somatique (fort et fréquemment) depuis un moment maintenant, et que nous avons présenté beaucoup de messages similaires : l’expansion des répétitions CAG semble contribuer à la MH, et les scientifiques ont identifié quelques moyens de la combattre. Ce travail ne fait pas exception ; encore une fois, des gènes comme Msh3 et Pms1 sont des coupables qui peuvent être « éliminés » avec de grands bénéfices dans les cerveaux d’un type de souris MH.

Toutes ces avancées individuelles peuvent paraître petites, mais des publications comme celle-ci représentent des années de travail collaboratif parmi une grande équipe, façonnées par des contributions fréquentes d’une communauté internationale de scientifiques de la MH. Nous avons choisi de mettre en avant cet article particulier parce qu’il connecte les points entre l’expansion des CAG, les messages ARN anormaux, et les changements dans la santé cérébrale et le comportement.

Les auteurs mettent en garde que nous avons besoin de beaucoup plus d’informations pour vraiment comprendre le lien entre Msh3 et Pms1 et les symptômes de la MH. Ils reconnaissent aussi, comme nous le faisons toujours, que les souris ne sont pas des personnes. Ces souris en particulier commencent la vie avec 140 CAG dans chaque cellule de leur corps, ce qui est beaucoup plus élevé que même la plupart des cas de MH juvénile humaine. Les répétitions CAG ne s’étendent pas aussi rapidement chez les humains que chez ces souris expérimentales.

Néanmoins, leurs données, avec celles d’autres laboratoires travaillant sans relâche pour comprendre la MH, font un argument solide pour développer des thérapies basées sur Msh3 et Pms1. Et ces efforts sont effectivement en cours !

En savoir plus

• Des gènes distincts du complexe de réparation des mésappariements déterminent le taux d’expansion des répétitions CAG neuronales pour conduire une pathogenèse sélective chez les souris HD (accès libre)