No deux cerveaux sont identiques. Ceci est bien connu dans la vie et dans la science, mais la raison pour laquelle les cerveaux se développent de manière divergente dans les troubles du spectre autistique (TSA) reste un mystère qui persiste dans la recherche en neurobiologie. De nombreuses études génétiques indiquent que les TSA apparaissent probablement tôt au cours des stades fœtaux. développement.1 Cependant, les chercheurs tentent toujours de relier la génétique aux trajectoires cellulaires qui divergent au cours du développement des TSA.
Nous prenons une liste de gènes impliqués dans l’autisme, et nous voulons savoir pour chacun d’entre eux, comment cela affecte-t-il la lignée du cerveau humain ?
-Jürgen Knoblich, Institut de biotechnologie moléculaire de Vienne
Or, dans un ouvrage publié dans Natureles chercheurs ont créé un système de perturbation génétique spécifique aux organoïdes appelé séquençage CRISPR-human organoids-single-cell RNA (CHOOSE) pour examiner 36 gènes régulateurs de transcription avec des connexions confiantes avec les TSA.2,3 En perturbant les gènes via l’édition CRISPR et en examinant le développement des organoïdes, les chercheurs ont lié les facteurs de risque génétiques connus aux voies de développement qui restent à explorer dans les TSA.
« Il existe des décennies de littérature médicale qui dressent des listes de gènes responsables de troubles cérébraux », a déclaré un neuroscientifique et généticien. Jürgen Knoblich qui étudie le développement du cerveau à l’Institut de biotechnologie moléculaire de Vienne et est l’auteur de l’étude. « Nous prenons une liste de gènes impliqués dans l’autisme, et nous voulons savoir pour chacun d’entre eux, comment cela affecte-t-il la lignée du cerveau humain ?
Pour établir un système organoïde pour la perturbation CRISPR, les chercheurs ont mis en commun une bibliothèque d’ARN guides ciblant les gènes TSA dans les cellules souches et ont surveillé la façon dont ces cellules souches se sont développées en mini-cerveaux après l’édition génétique. Knoblich et son équipe ont effectué des analyses multiomiques pour comparer les organoïdes CRISPR-actifs et CRISPR-inactifs, déterminant comment chaque gène a influencé le destin cellulaire. « Tous les gènes ne donnent pas un phénotype dans chaque type d’analyse, mais chaque gène donne un phénotype dans au moins l’un d’entre eux », a déclaré Knoblich. « Nous pouvons attribuer un phénotype de perte de fonction à chacun de ces gènes, et c’est cette exhaustivité qui fait la valeur. »
Les chercheurs ont montré que la perturbation des gènes TSA avec CRISPR modifiait plusieurs voies du destin cellulaire dans les organoïdes télencéphaliques, qui modélisent les lignées de types cellulaires trouvées dans la plus grande partie du cerveau en développement. Ils ont identifié les cellules progénitrices et les neurones parmi les types de cellules les plus vulnérables à la perturbation génétique. Les chercheurs se sont également penchés sur le rôle potentiel des lignées de cellules oligodendrocytes dans les troubles du développement neurologique médiés par le ARIDE1B gène.
Mutations dans ARIDE1B peut causer une déficience intellectuelle et des TSA. Les chercheurs ont modélisé les changements développementaux spécifiques aux patients en cultivant des organoïdes avec des cellules souches pluripotentes induites dérivées de deux patients distincts atteints de ARIDE1B mutations. Semblable à ARIDE1B-cellules perturbées dans l’écran CHOOSE, les organoïdes dérivés du patient ont montré une augmentation des lignées d’oligodendrocytes. Lorsque les chercheurs ont examiné les données d’IRM intra-utérine à super-résolution de l’une des patientes, ils ont noté qu’une région du cerveau appelée éminence ganglionnaire était hypertrophiée, ce qui correspond à ARIDE1B perturbation affectant le destin cellulaire.
« Faire un dépistage génétique, sélectionner un gène intéressant, revenir en arrière et recruter des patients porteurs de mutations, vérifier ce que vous avez trouvé lors du dépistage, puis même faire une prédiction sur l’apparence du cerveau et vérifier cela avec une IRM prénatale, je Je pense que cela va très, très loin dans l’ensemble de l’analyse », a déclaré Knoblich. « Je suis très fier que cela soit désormais possible dans un cerveau humain. »
Les travaux de Knoblich font partie d’une série d’études récentes utilisant CRISPR, des cultures 3D et des analyses unicellulaires pour élucider le réseau de régulation des gènes du développement dans le cerveau, notamment Nature publications d’équipes distinctes dirigées par des biologistes du neurodéveloppement Paola Arlotta de l’Université Harvard et Sergiu Pasca de l’Université de Stanford, qui a également étudié les gènes de risque de TSA.4,5 Ces études sont cruciales pour replacer le risque génétique dans son contexte biologique. « La fonction biologique et la compréhension de ces gènes à risque liés à l’autisme ne sont pas vraiment bien comprises et il s’agit de l’une des études visant à comprendre comment ces gènes à risque fonctionnent », a déclaré Guo Li Mingun neurobiologiste de l’Université de Pennsylvanie qui n’a pas participé à ces travaux.
En construisant des organoïdes cérébraux et en cartographiant le destin des cellules individuelles, Knoblich et son équipe de recherche ont connecté une génétique bien établie à des voies de développement moins globalement prises en compte. Leurs découvertes orientent également le domaine vers des voies de recherche inexplorées, telles que l’étude de la lignée des oligodendrocytes favorisée par ARIDE1B perturbation. « C’est un aspect intéressant qui, je pense, n’a pas été démontré par des études antérieures », a déclaré Ming. « C’est quelque chose qui, je pense, indique une nouvelle direction. »
Les références
- Zhou Y, et al. Génétique du développement du cerveau humain. Nat Rév Genet. 2024;25(1):26-45.
- Li C, et al. Le dépistage des organoïdes cérébraux unicellulaires identifie les défauts de développement dans l’autisme. Nature. 2023;621(7978):373-80.
- Dixit A, et al. Perturb-Seq : dissection de circuits moléculaires avec profilage d’ARN unicellulaire évolutif de cribles génétiques regroupés. Cellule. 2016;167(7):1853-1866.e17.
- Paulsen B, et al. Les gènes de l’autisme convergent vers le développement asynchrone de classes de neurones partagées. Nature. 2022;602(7896):268-73.
- Meng X et coll. Les écrans assembloïdes CRISPR révèlent l’impact des gènes de la maladie sur le développement neurologique humain. Nature. 2023;622(7982):359-66.
