La manière surprenante dont la mutation génétique provoque la maladie de Huntington modifie la compréhension de la maladie

Des scientifiques du Broad Institute du MIT et de Harvard, de la Harvard Medical School et de l’hôpital McLean ont découvert un mécanisme surprenant par lequel la mutation génétique héréditaire connue pour causer la maladie de Huntington entraîne la mort des cellules cérébrales. Les résultats modifient la compréhension de cette maladie neurodégénérative mortelle et suggèrent des moyens potentiels de la retarder, voire de la prévenir.

Depuis 30 ans, les chercheurs savaient que la maladie de Huntington était causée par une mutation héréditaire du gène Huntingtin (HTT), mais ils ne savaient pas comment cette mutation entraînait la mort des cellules cérébrales.

Une étude publiée dans Cellule révèle que la mutation héréditaire ne nuit pas elle-même aux cellules. Au contraire, la mutation est inoffensive pendant des décennies mais se transforme lentement en une forme hautement toxique qui tue ensuite rapidement la cellule.

La mutation de Huntington implique une partie de l’ADN du gène HTT dans laquelle une séquence d’ADN de trois lettres, « CAG », est répétée au moins 40 fois, contrairement aux 15 à 35 répétitions héritées par les personnes non atteintes de la maladie. Les chercheurs ont découvert que les séquences d’ADN comportant 40 répétitions CAG ou plus se développent jusqu’à atteindre des centaines de répétitions.

Ce type d’« expansion somatique » se produit uniquement dans les types spécifiques de cellules cérébrales qui meurent plus tard dans la maladie de Huntington. Ce n’est que lorsque l’expansion de l’ADN d’une cellule atteint un nombre seuil de CAG – environ 150 – que la cellule tombe malade puis meurt. La mort cumulative d’un grand nombre de ces cellules entraîne les symptômes de la maladie de Huntington.

L’étude offre une explication potentielle aux raisons pour lesquelles les médicaments candidats d’Huntington qui visent à réduire l’expression de la protéine HTT ont connu des difficultés lors des essais cliniques : très peu de cellules possèdent la version toxique de la protéine à un moment donné, de sorte que les traitements peuvent ne pas avoir d’effet. effet thérapeutique dans la plupart des cellules.

La recherche propose également une stratégie thérapeutique différente : arrêter ou ralentir l’expansion des répétitions CAG dans le gène HTT pourrait retarder la toxicité dans un nombre beaucoup plus grand de cellules, retardant ou même empêchant l’apparition de la maladie.

« Ces expériences ont changé notre façon de voir le développement de la maladie de Huntington », a déclaré Steve McCarroll, généticien et neuroscientifique et co-auteur principal de l’étude.

McCarroll est membre de l’institut et directeur de la neurobiologie génomique au Stanley Center for Psychiatric Research du Broad, professeur Dorothy et Milton Flier de sciences biomédicales et de génétique à la Harvard Medical School et chercheur au Howard Hughes Medical Institute.

« C’est une façon vraiment différente de penser à la façon dont une mutation provoque une maladie, et nous pensons que cela s’appliquera aux troubles de répétition de l’ADN au-delà de la maladie de Huntington. »

« Le but de notre travail – ce que nous faisons tous – est de soulager les souffrances causées par la maladie », a déclaré Sabina Berretta, co-auteure principale, professeure agrégée de psychiatrie à la Harvard Medical School et à l’hôpital McLean, membre du système de santé Mass General Brigham. .

Elle est également directrice du Harvard Brain Tissue Resource Center (HBTRC), un centre NIH NeuroBioBank de l’hôpital McLean. « Cette étude et les travaux qu’elle éclaire pourraient avoir un impact et faire une différence majeure dans le soulagement de la souffrance à court terme. »

Bob Handsaker, scientifique, Seva Kashin, ingénieur logiciel principal principal, et Nora Reed, ancienne associée de recherche, tous issus du groupe de McCarroll, sont les co-premiers auteurs du travail.

Questions ouvertes

La maladie de Huntington tue une population de cellules appelées neurones à projection striatale, situées dans le striatum, une structure profonde du cerveau responsable du mouvement, de nombreuses fonctions cognitives et de la motivation.

Lorsqu’un grand nombre de ces cellules meurent, les patients développent des mouvements involontaires des bras, des jambes et du visage, et de nombreux patients développent également des problèmes cognitifs. Ces symptômes commencent généralement à la quarantaine et évoluent ensuite sur 10 à 20 ans vers des problèmes cognitifs plus graves et des difficultés à bouger ou à avaler.

En 1993, des chercheurs ont découvert que la maladie était causée par une extension étendue des CAG dans le gène HTT. La plupart des gens héritent de versions du gène comportant 15 à 35 CAG consécutifs et ne développent jamais la maladie de Huntington, mais ceux qui héritent d’une version comportant 40 CAG consécutifs ou plus développent presque toujours la maladie plus tard dans la vie.

Plus les répétitions sont longues, plus une personne a tendance à être jeune lorsque les premiers symptômes apparaissent. Il a également été démontré que le trajet des CAG répétés s’étend avec le temps, ce qui entraîne une variété de longueurs dans différents tissus.

Mais des questions biologiques sous-jacentes ont toujours persisté : dans quelle mesure la mutation HTT est-elle toxique ? Pourquoi la protéine HTT, présente dans presque toutes les cellules du corps, ne tuerait-elle que certaines cellules du cerveau et pas d’autres ? Et pourquoi les patients, qui naissent avec la mutation et expriment la protéine tout au long de leur vie, ne développent-ils des symptômes qu’à un âge mûr, après des décennies de bonne santé apparente ?

Répéter l’expansion

Pour répondre à ces questions, l’équipe de recherche s’est appuyée sur une technologie développée il y a dix ans par le laboratoire McCarroll, appelée séquençage de l’ARN unicellulaire par gouttelettes (Drop-seq), qui permet aux chercheurs d’analyser l’expression des gènes dans des milliers de cellules uniques.

Cherchant à comprendre les effets biologiques directs de la longueur de répétition du CAG, les chercheurs ont adapté le séquençage de l’ARN unicellulaire pour les aider à déterminer non seulement l’expression des gènes et l’identité des cellules individuelles, mais également la longueur des séquences de répétition d’ADN à l’intérieur de chaque cellule.

« On sait que ces répétitions se développent dans les neurones », a déclaré Kashin. « Mais la capacité de prendre une cellule particulière et de mesurer à la fois la longueur du CAG et le profil transcriptionnel, c’est un fondement très important qui permet une analyse vraiment puissante. »

Les chercheurs ont étudié les tissus cérébraux donnés par 53 personnes atteintes de la maladie de Huntington et 50 personnes non atteintes, collectés et conservés par le HBTRC.

Ils ont analysé plus de 500 000 cellules uniques et ont découvert que la plupart des types de cellules provenant de personnes atteintes de la maladie présentaient essentiellement la même répétition CAG dont elles avaient hérité. Mais les neurones à projection striatale – les principales cellules striatales qui meurent dans la maladie – avaient considérablement élargi leurs voies de répétition CAG.

La plupart des recherches précédentes sur les tissus cérébraux humains s’étaient concentrées sur des séquences de répétitions CAG de moins de 100 répétitions, mais la nouvelle étude a montré que certains neurones possédaient jusqu’à 800 CAG, confirmant une découverte faite il y a 20 ans par Peggy Shelbourne de l’Université de Glasgow. .

Le plus surprenant est que l’équipe de recherche a découvert que l’expansion de la répétition d’ADN de 40 à 150 CAG n’avait aucun effet apparent sur la santé des neurones. Mais les neurones dont les répétitions dépassaient 150 CAG présentaient une expression génétique considérablement déformée, perdant l’expression de gènes critiques, puis mourant.

L’équipe de McCarroll a également utilisé la modélisation informatique des données expérimentales pour estimer le taux et le moment de l’expansion des répétitions CAG dans les neurones à projection striatale.

Ils ont constaté que les séquences de répétition CAG se développent initialement lentement, s’étendant moins d’une fois par an au cours des deux premières décennies de la vie. Mais lorsque le trajet répété d’une cellule atteint environ 80 CAG, généralement après plusieurs décennies, son taux d’expansion s’accélère considérablement et atteint 150 CAG en quelques années seulement.

La cellule meurt ensuite quelques mois plus tard. Cela signifie qu’un neurone passe plus de 95 % de sa vie avec un gène HTT inoffensif. De plus, étant donné que les séquences de répétition CAG dans différentes cellules franchissent ce seuil de toxicité à des moments différents, les cellules, en tant que groupe, disparaissent lentement sur une longue période, commençant environ 20 ans avant l’apparition des symptômes et plus rapidement à mesure que les symptômes commencent.

« On en savait beaucoup sur la maladie de Huntington avant de commencer ce travail, mais il y avait des lacunes et des incohérences dans notre compréhension collective », a déclaré Handsaker. « Nous avons pu reconstituer la trajectoire complète de la pathologie à mesure qu’elle se déroule sur des décennies dans des neurones individuels, ce qui nous donne potentiellement de nombreux moments différents auxquels nous pouvons intervenir thérapeutiquement. »

L’analyse des tissus cérébraux apportés par les patients de Huntington était essentielle pour le travail. « Notre gratitude va aux familles qui ont choisi de faire quelque chose de très difficile à faire », a déclaré Berretta. « Cela n’aurait pas été possible sans l’altruisme de nombreux donneurs de cerveaux qui ont laissé un héritage de connaissances qui durera et profitera à de nombreuses autres personnes. »

Possibilités thérapeutiques

L’équipe de McCarroll suggère que plutôt que de cibler la protéine HTT, une approche thérapeutique complémentaire ou potentiellement meilleure pourrait consister à ralentir ou à arrêter l’expansion de la répétition de l’ADN, ce qui pourrait aider à retarder, voire prévenir la maladie.

Des études génétiques antérieures sur la maladie de Huntington, notamment celles menées par Vanessa Wheeler et Ricardo Mouro Pinto du Massachusetts General Hospital, suggèrent des moyens possibles de ralentir cette expansion.

Les études ont montré que les protéines cellulaires impliquées dans le maintien et la réparation de l’ADN compromettent parfois la stabilité des séquences de répétition de l’ADN. Par exemple, la protéine MSH3 aide normalement la cellule à surveiller son ADN pour détecter des mutations potentielles, mais des boucles dans l’ADN formées par des CAG supplémentaires peuvent confondre cette protéine et entraîner l’expansion de la répétition CAG.

Une équipe internationale de généticiens humains a découvert que des variations génétiques communes dans les gènes codant pour ces protéines de réparation de l’ADN peuvent accélérer ou retarder l’apparition des symptômes chez les patients atteints de Huntington. Des découvertes qui, selon McCarroll, ont directement inspiré l’attention de son équipe sur le développement de moyens de mesurer la répétition CAG en une seule fois. cellules.

Il ajoute que ralentir certains processus de maintenance de l’ADN avec une thérapie moléculaire pourrait ralentir l’expansion des répétitions de l’ADN en permettant à d’autres mécanismes de réparation de l’ADN moins sujets aux erreurs de résoudre ces boucles.

En attendant, les chercheurs s’efforcent de comprendre comment les séquences de répétition d’ADN de plus de 150 CAG conduisent à une déficience neuronale et à la mort, et pourquoi les répétitions se développent davantage dans certains types de neurones que dans d’autres. Ils utilisent également une combinaison similaire de séquençage d’ARN unicellulaire et de profilage de répétitions d’ADN pour comprendre le lien entre l’expansion des répétitions d’ADN et les modifications cellulaires dans d’autres troubles génétiques impliquant des répétitions d’ADN et leur apparition tardive chez les patients.

Plus de 50 troubles du cerveau humain, dont le syndrome du X fragile et la dystrophie myotonique, sont causés par l’expansion des répétitions d’ADN dans divers gènes.

« Il faudra beaucoup de travail scientifique de la part de nombreuses personnes pour parvenir à des traitements qui ralentissent l’expansion des répétitions d’ADN », a déclaré McCarroll. « Mais nous espérons que comprendre cela en tant que processus central à l’origine de la maladie mènera à une concentration plus approfondie et à de nouvelles options. »