La thérapie génique inverse les effets de la mutation liée à l’autisme dans les organoïdes du cerveau humain

Les images de microscopie révèlent des différences significatives de taille et de structure entre les organoïdes cérébraux dérivés d’un patient atteint du syndrome de Pitt-Hopkins (à droite) et d’un témoin (à gauche). Crédit : Sciences de la santé UC San Diego

L’étude de l’Université de Californie à San Diego (UCSD) utilise des tissus cérébraux humains cultivés en laboratoire pour identifier les anomalies neurales dans le syndrome de Pitt-Hopkins et tester des outils de thérapie génique.

Dans une étude publiée le 02 mai 2022, dans la revue communication natureDes scientifiques de la faculté de médecine de l’Université de Californie à San Diego ont utilisé des organoïdes du cerveau humain pour découvrir comment une mutation génétique associée à une forme grave d’autisme perturbe le développement neuronal. L’utilisation d’outils de thérapie génique pour restaurer la fonction des gènes a sauvé avec succès la structure et la fonction neuronales.

Plusieurs maladies neurologiques et neuropsychiatriques, dont les troubles du spectre autistique (TSA) et la schizophrénie, ont été associées à des mutations du facteur de transcription 4 (TCF4), un gène essentiel au développement du cerveau. Les facteurs de transcription régulent le moment où d’autres gènes sont activés ou désactivés, de sorte que leur présence ou leur absence peut avoir un effet d’entraînement sur l’embryon en développement. Pourtant, on sait peu de choses sur ce qui arrive au cerveau humain lorsque TCF4 il est muté

Pour explorer cette question, les chercheurs se sont concentrés sur le syndrome de Pitt-Hopkins, un TSA causé spécifiquement par des mutations dans TCF4. Les enfants atteints de la maladie génétique ont de profondes déficiences cognitives et motrices et sont généralement non verbaux.

Syndrome de Pitt Hopkins (PTHS) est une maladie génétique rare caractérisée par un retard de développement, une épilepsie, des traits faciaux distinctifs et une possible hyperventilation intermittente suivie d’apnée. Au fur et à mesure que l’on découvre Pitt-Hopkins, le spectre de développement du trouble s’élargit pour englober les difficultés liées à l’autisme, à l’anxiété, au TDAH et aux troubles sensoriels. Elle est liée à une anomalie du chromosome 18, en particulier une expression inappropriée du gène TCF4.

Les modèles de souris existants du syndrome de Pitt-Hopkins ne parviennent pas à imiter avec précision les caractéristiques neuronales des patients, de sorte que l’équipe de l’UCSD a créé un modèle de recherche humain du trouble. En utilisant la technologie des cellules souches, ils ont converti les cellules de la peau des patients en cellules souches, qui se sont ensuite développées en organoïdes cérébraux tridimensionnels, ou “mini-cerveaux”.

Les premières observations d’organoïdes cérébraux ont révélé un grand nombre de différences structurelles et fonctionnelles entre TCF4-Échantillons mutés et leurs contrôles.

“Même sans microscope, vous pouviez dire quel organoïde cérébral avait la mutation”, a déclaré l’auteur principal de l’étude Alysson R. Muotri, PhD, professeur à l’UC San Diego School of Medicine, directeur du programme de cellules souches à l’UC San Diego et membre du Consortium de Sanford pour la médecine régénérative.

Le TCF4-les organoïdes mutés étaient sensiblement plus petits que les organoïdes normaux, et de nombreuses cellules n’étaient pas réellement des neurones, mais des progéniteurs neuronaux. Ces cellules simples sont censées se multiplier puis devenir des cellules cérébrales spécialisées, mais dans les organoïdes mutés, une partie de ce processus a mal tourné.

Une série d’expériences a révélé que le TCF4 mutation a conduit à une déréglementation en aval de bas gènes et la voie Wnt, deux signaux moléculaires importants qui guident les cellules embryonnaires pour se multiplier, mûrir en neurones et migrer vers le bon emplacement dans le cerveau.

En raison de cette dérégulation, les progéniteurs neuronaux ne se sont pas multipliés efficacement et, par conséquent, moins de neurones corticaux ont été produits. Les cellules qui ont mûri en neurones étaient moins excitables que la normale et restaient souvent regroupées plutôt qu’organisées en circuits neuronaux finement réglés.

Cette architecture cellulaire atypique a perturbé le flux d’activité neuronale dans l’organoïde cérébral muté, ce qui, selon les auteurs, contribuerait probablement à une altération des fonctions cognitives et motrices plus tard dans la vie.

“Nous avons été surpris de voir des problèmes de développement aussi importants à toutes ces différentes échelles, et nous nous sommes demandé ce que nous pouvions faire pour les résoudre”, a déclaré le premier auteur Fabio Papes, PhD, professeur agrégé à l’Université de Campinas et chercheur invité. à l’UC. San Diego School of Medicine, qui a supervisé conjointement le travail avec Muotri. Papes a un parent atteint du syndrome de Pitt-Hopkins, ce qui l’a motivé à étudier TCF4.

L’équipe a testé deux stratégies de thérapie génique différentes pour récupérer le gène fonctionnel dans le tissu cérébral. Les deux méthodes ont effectivement augmenté TCF4 et, ce faisant, corrigé les phénotypes du syndrome de Pitt-Hopkins aux échelles moléculaire, cellulaire et électrophysiologique.

“Le fait que nous puissions corriger ce gène et que tout le système neuronal soit réinitialisé, même au niveau fonctionnel, est incroyable”, a déclaré Muotri.

Muotri souligne que ces interventions génétiques ont eu lieu à un stade prénatal du développement du cerveau, alors que dans un cadre clinique, les enfants recevraient leur diagnostic et leur traitement quelques années plus tard. Par conséquent, les essais cliniques doivent d’abord confirmer si une intervention supplémentaire est toujours sûre et efficace. L’équipe optimise actuellement ses outils de thérapie génique nouvellement autorisés en vue d’un tel essai, dans lequel des injections spinales du vecteur du gène devraient restaurer la fonction TCF4 dans le cerveau.

“Pour ces enfants et leurs proches, toute amélioration de la fonction cognitivo-motrice et de la qualité de vie vaudrait la peine d’être essayée”, a déclaré Muotri.

“Ce qui est vraiment remarquable dans ce travail, c’est que ces chercheurs vont au-delà du laboratoire et travaillent dur pour que ces découvertes soient transposables à la clinique”, a déclaré Audrey Davidow, présidente de la Pitt Hopkins Research Foundation. «C’est bien plus qu’un article académique stellaire; c’est une véritable mesure de ce que la science bien pratiquée peut accomplir pour améliorer la vie humaine.

Référence : “La perte de fonction du facteur de transcription 4 est associée à des déficits dans la prolifération des progéniteurs et le contenu des neurones corticaux” par Fabio Papes, Antonio P. Camargo, Janaina S. de Souza, Vinicius M. A. Carvalho, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne , José R. Teixeira, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sánchez-Sánchez, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Wei Wu, Hang Yao, Barbara MP Araújo, Paulo ENF Velho, Gabriel G. Haddad et Alysson R. Muotri, le 2 mai 2022, communication nature.
DOI : 10.1038/s41467-022-29942-w

Les coauteurs incluent : Janaina S. de Souza, Ryan A. Szeto, Erin LaMontagne, Simoni H. Avansini, Sandra M. Sanchez-Sanchez, Wei Wu, Hang Yao et Gabriel Haddad à l’UC San Diego ; Antonio P. Camargo, Vinicius MA Carvalho, Jose R. Teixeira, Thiago S. Nakahara, Carolina N. Santo, Barbara MP Araujo et Paulo ENF Velho à l’Université de Campinas.

Ce travail a été soutenu, en partie, par les National Institutes of Health (subvention R01 MH123828), la Pitt Hopkins Research Foundation, la Sao Paulo Research Foundation (subventions 2020/11451-7, 2018/03613-7, 2018/ 04240-0 ) et le US Department of Energy Joint Genome Institute (DE-AC02-05CH11231).

Divulgations : Alysson R. Muotri est co-fondatrice et détient une participation dans TISMOO, une société dédiée à l’analyse génétique et à l’organogenèse du cerveau humain.

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