La réduction de l’activité des gènes de réparation des mésappariements ralentit l’expansion de la répétition de Huntington dans les neurones humains

Des scientifiques ont utilisé des cellules d’une personne atteinte de la maladie de Huntington (MH) pour tester si la diminution des niveaux de gènes de réparation de l’ADN peut ralentir la croissance de la néfaste répétition CAG. Dans ces cellules humaines cultivées en laboratoire, la répétition a effectivement ralenti sa croissance, suggérant une stratégie thérapeutique potentielle pour éventuellement retarder l’apparition et la progression de la maladie, bien que ces travaux en soient encore à un stade précoce.

Pourquoi l’expansion des répétitions CAG est importante dans la MH

La MH est causée par une séquence anormalement longue de trois lettres d’ADN, CAG, dans le gène de la huntingtine, souvent abrégé en HTT. Généralement, l’augmentation de la longueur de la répétition CAG étendue est associée à l’apparition plus précoce des symptômes de la MH et à une progression plus rapide de la maladie.

Nous savons maintenant que pour les personnes atteintes de la MH, la longueur de la répétition CAG héritée n’est pas fixe à vie. Dans certaines cellules, en particulier dans une région du cerveau située à peu près au milieu de la tête, appelée le striatum, la répétition CAG peut s’allonger lentement sur de nombreuses années. Ce processus est appelé expansion somatique – expansion de la répétition CAG dans les cellules « somatiques », ou cellules du corps.

Des preuves provenant de tissus cérébraux humains et d’animaux modèles de la MH suggèrent que cette croissance supplémentaire (expansion somatique) est un facteur significatif de la vulnérabilité de ces neurones et un facteur majeur de la progression de la maladie.

Réparation de l’ADN : un moteur clé de l’expansion CAG

Notre ADN est constamment endommagé par des éléments tels que l’exposition aux UV du soleil, les polluants environnementaux et le stress à l’intérieur de nos cellules. Mais les cellules travaillent toujours à réparer ces dommages dans leur ADN. Un système essentiel responsable du maintien de l’intégrité du matériel génétique est appelé la réparation des mésappariements (MMR). Il agit comme un correcteur moléculaire, localisant et corrigeant les petites erreurs pour maintenir l’intégrité génétique.

Cependant, la séquence CAG hautement répétitive dans le gène HTT est structurellement instable et peut former des formes inhabituelles, telles que des boucles d’ADN. Lorsque les composants du système MMR rencontrent ces structures étranges, on pense que le processus de réparation interprète mal le code des lettres de l’ADN, un peu comme si le système de relecture acceptait des fautes de frappe.

Ces erreurs de relecture du système MMR peuvent entraîner l’incorporation de répétitions supplémentaires. Dans ce contexte, le système MMR, qui protège normalement le code génétique, devient par inadvertance un mécanisme majeur entraînant l’expansion néfaste de la répétition CAG.

Ce rôle destructeur du MMR dans la MH est fortement soutenu par des recherches de longue date. Des études génétiques à grande échelle, connues sous le nom d’études d’association pangénomique (GWAS), chez les personnes atteintes de la MH ont confirmé ce lien en identifiant des différences génétiques naturelles (variants) dans plusieurs gènes associés au MMR qui modifient l’âge d’apparition des symptômes.

Ces découvertes ont établi des stratégies thérapeutiques convaincantes. Si nous pouvons réduire en toute sécurité l’activité ou les niveaux de gènes MMR spécifiques, nous pourrions être en mesure de ralentir efficacement ce processus d’expansion à sa source.

Étude de la réparation des mésappariements dans les neurones humains atteints de la MH

La plupart des recherches antérieures sur la réparation des mésappariements et l’expansion CAG ont utilisé des souris modèles de la MH ou des cellules animales cultivées en boîte de Pétri. Dans une étude récente dirigée par la Dre Sarah Tabrizi de l’University College London, les chercheurs ont utilisé un système plus directement pertinent pour les humains.

Ils ont commencé avec des cellules de peau données par une fillette de sept ans atteinte de MH juvénile, qui portait une très grande répétition CAG étendue de plus de 125 dans le gène HTT. Les scientifiques ont ajouté des molécules qui ont incité les cellules de peau à devenir des cellules souches, capables d’auto-renouvellement et pouvant être dirigées pour devenir divers types de cellules, y compris des cellules cérébrales.

En utilisant des protocoles qui ajoutent différentes substances chimiques à différents moments, l’équipe a converti les cellules souches de MH en cellules cérébrales enrichies en neurones épineux moyens (MSN) que l’on trouve dans le striatum, une région cérébrale centrale fortement affectée par la MH. Les MSN sont des cellules cérébrales spécifiques connues pour être particulièrement vulnérables à la dégénérescence dans la MH. Les chercheurs ont mesuré de manière cohérente la longueur de la répétition CAG dans les cellules souches en division et dans ces cultures de cellules cérébrales pour surveiller comment la longueur de la répétition changeait au fil du temps.

Utilisation d’un variateur moléculaire

Pour tester le rôle de la réparation des mésappariements, ils ont utilisé un puissant outil génétique appelé interférence CRISPR (CRISPRi). Le CRISPRi agit comme un système moléculaire pour réduire précisément l’activité génique dans des gènes uniques à la fois. Ce système est distinct de l’édition génique standard car il ne coupe pas l’ADN. Au lieu de cela, il utilise une molécule que l’on peut considérer comme des ciseaux moléculaires, appelée Cas9, qui est attachée au niveau moléculaire à un variateur qui réduit efficacement les niveaux d’une protéine cible.

L’équipe a utilisé le CRISPRi pour réduire l’activité des gènes de réparation des mésappariements qui ont été identifiés dans les études génétiques humaines (GWAS). Ils ont également ciblé les partenaires de ces gènes MMR. Les gènes ciblés comprenaient des composants des familles de complexes multiprotéiques, la famille MutS (MSH2, MSH3, MSH6) et la famille MutL (MLH1, PMS1, PMS2, MLH3), ainsi que l’enzyme ADN ligase 1 (LIG1).

L’objectif de l’étude était de réduire leur activité à des niveaux réalisables par des médicaments thérapeutiques, plutôt que d’éliminer complètement les gènes. Cette approche leur a permis de simuler de manière plus réaliste ce qui pourrait être développé comme traitement ou d’imiter les variants trouvés naturellement chez les personnes atteintes de MH qui avaient une apparition plus tardive des symptômes.

Ensuite, les chercheurs ont vérifié que leurs expériences étaient réussies, ils ont donc réalisé une autre expérience appelée « test de déficience MMR ». Cela leur a permis de confirmer qu’ils réduisaient effectivement l’activité des gènes cibles MMR. Pour ce faire, ils ont traité les cellules avec un produit chimique qui imite les dommages à l’ADN. Dans les cellules qui ont un système MMR entièrement fonctionnel, ce produit chimique déclenche généralement la mort cellulaire. Mais si la fonction MMR est compromise, les cellules sont capables de survivre.

L’expérience a confirmé que le système MMR dans les cellules modifiées était affaibli, montrant une survie cellulaire accrue par rapport aux contrôles. Il est important de noter que la fonction réduite n’était pas totale, ce qui correspond à l’objectif de réduction partielle et donne aux chercheurs un système où ils peuvent atténuer moléculairement les niveaux de ces gènes pour les réduire plutôt que de les désactiver.

L’impact de la réduction des gènes MMR sur les expansions CAG

Enfin, ils ont examiné le taux d’expansion de la répétition CAG dans les cellules souches en division et dans les neurones striataux spécialisés, en comparant les taux d’expansion avec et sans l’activité réduite des gènes de réparation des mésappariements.

Dans les cellules souches de MH, la répétition CAG s’est normalement allongée avec le temps, ce qui était attendu. Mais lorsque plusieurs gènes de réparation des mésappariements ont été réduits avec le CRISPRi, cette croissance a ralenti, suggérant que la théorie de l’équipe était correcte ! Les effets de ralentissement les plus forts ont été observés lorsque l’équipe a réduit les principaux composants MutS (MSH2 et MSH3) et le composant central MutL (MLH1). La réduction de ces gènes a diminué le taux d’expansion dans les cellules souches en division de 60 % à 65 %, les autres facteurs MutL (PMS1, PMS2 et MLH3) réduisant le taux de 25 à 35 %.

Plus important encore, des schémas similaires ont été observés dans les cultures de cellules cérébrales fabriquées à partir des mêmes cellules souches de MH. Les chercheurs se sont stratégiquement concentrés sur les facteurs MutL (PMS1, PMS2 et MLH3) dans les neurones, car des expériences antérieures sur les cellules souches avaient exclu MSH6 et LIG1, et MSH2 posait des problèmes de sécurité potentiels en raison du risque de cancer. Ils n’ont pas non plus approfondi MSH3 car il est activement poursuivi comme cible thérapeutique ailleurs.

Dans les neurones, avec MLH1 réduit, cette expansion a ralenti de 69 %, et le ciblage de PMS1, PMS2 ou MLH3 a également ralenti l’expansion de plus de 20 % par rapport aux cellules témoins. Cela montre que la réparation des mésappariements reste un moteur clé de l’expansion somatique dans les neurones humains atteints de MH, non seulement dans les cellules souches en division ou chez la souris. De plus, cela montre qu’en ajustant les niveaux de ces gènes MMR spécifiques, les chercheurs pourraient être en mesure de ralentir de manière significative l’expansion somatique. Une perspective très excitante !

Ce que l’étude a trouvé et ce qu’elle ne montre pas

En termes simples, le message essentiel de cette recherche est le suivant : dans les neurones humains cultivés en boîte de Pétri, créés à partir d’une personne atteinte de la MH, la réduction des gènes de réparation des mésappariements semble suffisante pour ralentir la croissance de la répétition CAG néfaste.

Ces travaux sont encourageants pour l’idée de thérapies « anti-expansion ». En même temps, il est important d’être clair sur ce que cette étude ne montre pas. Tous les travaux ont été réalisés sur des cellules en boîte de Pétri, et non sur des cerveaux vivants. Une seule lignée de cellules souches de MH à début juvénile, avec une très longue répétition, a été utilisée.

L’étude a mesuré la longueur de la répétition CAG et sa distribution. Elle n’a pas testé la survie des neurones, le comportement ou la fonction cérébrale. Elle n’a pas non plus abordé la sécurité à long terme. Les gènes de réparation des mésappariements aident à protéger tous les tissus du cancer, et modifier leur activité chez les personnes comporte des risques de provoquer un cancer, d’autant plus que la perte de gènes comme MSH2 et MLH1 est associée à un risque significativement accru de cancers du système nerveux, PMS2 comportant également un certain risque.

Ce que le travail fournit, c’est une liste restreinte plus réaliste de gènes de réparation des mésappariements qui semblent prometteurs dans un contexte de MH humaine, mettant en évidence les membres de la famille MutL, en particulier PMS1, comme cibles potentielles. Il soutient l’idée qu’une réduction prudente de l’activité de gènes de réparation des mésappariements sélectionnés, probablement à un degré modéré et éventuellement en combinaison, pourrait être un moyen précieux de ralentir l’expansion CAG. Ces informations pourraient aider à guider la conception et la priorisation des futures thérapies qui visent non seulement à traiter les symptômes, mais à modifier le rythme de la maladie de Huntington elle-même.

Résumé

• La réparation des mésappariements est un moteur de l’expansion CAG dans les neurones humains : En utilisant des cellules cérébrales créées à partir d’une personne atteinte de la MH et cultivées en laboratoire, les chercheurs ont confirmé que le système de réparation des mésappariements est un moteur de la croissance de la répétition CAG dans les neurones humains, et pas seulement chez la souris ou dans les cellules en division.
• La réduction des gènes de réparation a ralenti l’expansion : En réduisant partiellement l’activité de gènes de réparation des mésappariements spécifiques, l’équipe a ralenti la croissance de la répétition CAG jusqu’à 69 % dans les neurones, les membres de la famille MutL, en particulier PMS1, apparaissant comme des cibles thérapeutiques potentielles.
• Les découvertes génétiques sont désormais étayées expérimentalement dans les cellules humaines : De grandes études génétiques avaient précédemment désigné les gènes de réparation des mésappariements comme des modificateurs de l’apparition de la MH. Cette étude confirme leur rôle dans les neurones humains cultivés en laboratoire et aide à prioriser les gènes à cibler. Les travaux ont été réalisés sur une seule lignée cellulaire en boîte de Pétri, mais il s’agit d’une étape importante vers des thérapies visant à ralentir l’expansion CAG.