Décoder l’esprit de la souris : l’atlas épigénomique du cerveau du Salk Institute

Les chercheurs de Salk cataloguent tous les changements chimiques de la structure génétique qui orchestrent le comportement cellulaire dans le cerveau de la souris, produisant ainsi l’atlas le plus détaillé jamais réalisé sur la diversité et les connexions des neurones dans le cerveau de la souris.

Les chercheurs de l’Institut Salk, dans le cadre d’une initiative mondiale visant à révolutionner la compréhension scientifique du cerveau, ont analysé plus de 2 millions de cellules cérébrales de souris pour constituer l’atlas le plus complet jamais réalisé sur le cerveau de souris. Leurs travaux, publiés le 13 décembre 2023, dans un numéro spécial de Naturedétaille non seulement les milliers de types de cellules présents dans le cerveau, mais également la manière dont ces cellules se connectent ainsi que les gènes et les programmes de régulation actifs dans chaque cellule.

Le rôle de l’Initiative BRAIN

Les efforts ont été coordonnés par le Instituts nationaux de la santéc’est Recherche sur le cerveau grâce à l’avancement d’une initiative de neurotechnologies innovantes®ou BRAIN Initiative®, qui vise à terme à produire une nouvelle image dynamique du cerveau des mammifères.

Progrès dans l’analyse des cellules cérébrales

« Grâce à ce travail, nous avons non seulement acquis beaucoup d’informations sur les cellules qui composent le cerveau de la souris, mais également sur la manière dont les gènes sont régulés au sein de ces cellules et comment cela détermine leurs fonctions », explique le professeur Salk, président du Conseil international en Genetics, et Joseph Ecker, chercheur au Howard Hughes Medical Institute, qui a contribué à quatre des nouveaux articles. « Lorsque vous prenez cet atlas cellulaire basé sur l’épigénome et commencez à examiner les variantes génétiques connues pour causer des maladies humaines, vous obtenez de nouvelles informations sur les types de cellules qui peuvent être les plus vulnérables à la maladie. »

L’initiative NIH BRAIN a été lancée en 2014 et a fourni plus de 3 milliards de dollars de financement aux chercheurs pour développer des technologies transformatrices et les appliquer à la science du cerveau.

En 2021, des chercheurs soutenus par l’Initiative BRAIN, y compris des équipes de Salk, ont dévoilé la première ébauche de l’atlas du cerveau de souris, qui a mis au point de nouveaux outils pour caractériser les neurones et appliqué ces outils à de petites sections du cerveau de souris. Plus tôt cette année, bon nombre des mêmes techniques ont été utilisées pour assembler un premier atlas du cerveau humain. Dans leurs derniers travaux, les chercheurs ont élargi le nombre de cellules étudiées et les zones du cerveau de la souris incluses, et ont utilisé de nouvelles technologies unicellulaires qui n’ont émergé qu’au cours des dernières années.

Analyse du cerveau entier et accessibilité publique

« Il s’agit de l’ensemble du cerveau, ce qui n’a jamais été réalisé auparavant », explique le professeur Edward Callaway, auteur principal de deux des nouveaux articles. « Il y a des idées et des principes qui découlent de l’observation de l’ensemble du cerveau que l’on ne connaît pas en examinant une partie à la fois. »

Pour aider d’autres chercheurs étudiant le cerveau de la souris, les nouvelles données sont accessibles au public via une plateforme en ligne, qui peut non seulement être recherchée dans une base de données, mais également interrogée à l’aide de l’outil d’intelligence artificielle ChatGPT.

« Il existe une communauté incroyablement importante de personnes qui utilisent des souris comme organismes modèles, ce qui leur donne un nouvel outil incroyablement puissant à utiliser dans leurs recherches sur le cerveau de la souris », ajoute Margarita Behrens, professeure de recherche chez Salk, impliquée dans les quatre nouveaux projets. papiers.

Le numéro spécial de Nature contient 10 articles au total de la NIH BRAIN Initiative, dont quatre co-écrits par des chercheurs de Salk qui décrivent les cellules du cerveau de la souris et leurs connexions. Voici quelques points saillants de ces quatre articles :

Atlas de méthylation de l’ADN unicellulaire

Pour déterminer tous les types de cellules du cerveau de la souris, les chercheurs de Salk ont ​​utilisé des techniques de pointe qui analysent une cellule cérébrale individuelle à la fois. Ces méthodes unicellulaires étudiaient à la fois la structure tridimensionnelle de ADN à l’intérieur des cellules et la configuration des groupes chimiques méthyles attachés à l’ADN – deux manières différentes par lesquelles les gènes sont contrôlés par les cellules. En 2019, le groupe de laboratoire d’Ecker a mis au point des approches permettant d’effectuer simultanément ces deux mesures, ce qui permet aux chercheurs de déterminer non seulement quels programmes génétiques sont activés dans différents types de cellules, mais également comment ces programmes sont activés et désactivés.

L’équipe a trouvé des exemples de gènes activés dans différents types de cellules, mais de différentes manières, par exemple en étant capable d’allumer ou d’éteindre une lumière avec deux interrupteurs différents. Comprendre ces circuits moléculaires qui se chevauchent permet aux chercheurs de développer plus facilement de nouvelles façons d’intervenir dans les maladies cérébrales.

« Si vous pouvez comprendre tous les éléments régulateurs importants dans ces types de cellules, vous pouvez également commencer à comprendre les trajectoires de développement des cellules, ce qui devient essentiel pour comprendre les troubles neurodéveloppementaux comme l’autisme et la schizophrénie », explique Hanqing Liu, chercheur postdoctoral. dans le laboratoire d’Ecker et premier auteur de cet article.

Les chercheurs ont également fait de nouvelles découvertes sur les zones du cerveau qui contiennent quels types de cellules. Et en cataloguant ces types de cellules, ils ont également découvert que le tronc cérébral et le mésencéphale contiennent beaucoup plus de types de cellules que le cortex beaucoup plus grand du cerveau, ce qui suggère que ces petites parties du cerveau pourraient avoir évolué pour remplir davantage de fonctions.

Les autres auteurs de cet article incluent Qiurui Zeng, Jingtian Zhou, Anna Bartlett, Bang-An Wang, Peter Berube, Wei Tian, ​​Mia Kenworthy, Jordan Altshul, Joseph Nery, Huaming Chen, Rosa Castanon, Jacinta Lucero, Julia Osteen, Antonio Pinto- Duarte, Jasper Lee, Jon Rink, Silvia Cho, Nora Emerson, Michael Nunn, Carolyn O’Connor et Jesse Dixon de Salk ; Yang Eric Li, Songpeng Zu et Bing Ren de l’UC San Diego ; Zhanghao Wu et Ion Stoica de l’UC Berkley ; Zizhen Yao, Kimberly Smith, Bosiljka Tasic et Hongkui Zeng de l’Institut Allen ; et Chongyuan Luo de l’UC Los Angeles.

Cartes de chromatine unicellulaire

Une autre façon de déterminer indirectement la structure de l’ADN et quelles parties du matériel génétique sont activement utilisées par les cellules consiste à tester quel ADN est physiquement accessible à d’autres molécules qui peuvent s’y lier. En utilisant cette approche, appelée accessibilité de la chromatine, des chercheurs dirigés par Bing Ren de l’UC San Diego, dont Ecker et Behrens de Salk, ont cartographié la structure de l’ADN dans 2,3 millions de cellules cérébrales individuelles provenant de 117 souris.

Ensuite, le groupe a utilisé l’intelligence artificielle pour prédire, sur la base de ces modèles d’accessibilité de la chromatine, quelles parties de l’ADN agissaient comme régulateurs globaux des états des cellules. Bon nombre des éléments régulateurs identifiés se trouvaient dans des segments d’ADN déjà impliqués dans des maladies du cerveau humain ; les nouvelles connaissances sur les types de cellules qui utilisent quels éléments régulateurs peuvent aider à déterminer quelles cellules sont impliquées dans quelles maladies.

Parmi les autres auteurs de cet article figurent les co-premiers auteurs Songpeng Zu, Yang Eric Li et Kangli Wang de l’UC San Diego ; Ethan Armand, Sainath Mamde, Maria Luisa Amaral, Yuelai Wang, Andre Chu, Yang Xie, Michael Miller, Jie Xu, Zhaoning Wang, Kai Zhang, Bojing Jia, Xiaomeng Hou, Lin Lin, Qian Yang, Seoyeon Lee, Bin Li, Samantha Kuan, Zihan Wang, Jingbo Shang, Allen Wang et Sebastian Preissl de l’UC San Diego, Hanqing Liu, Jingtian Zhou, Antonio Pinto-Duarte, Jacinta Lucero, Julia Osteen et Michael Nunn de Salk ; et Kimberly Smith, Bosiljka Tasic, Zizhen Yao et Hongkui Zeng de l’Allen Institute.

Projections et connexions neuronales

Dans un autre article, co-écrit par Behrens, Callaway et Ecker, les chercheurs ont cartographié les connexions entre les neurones du cerveau de la souris. Ensuite, ils ont analysé la comparaison de ces cartes avec les modèles de méthylation au sein des cellules. Cela leur a permis de découvrir quels gènes sont responsables du guidage des neurones vers quelles zones du cerveau.

« Nous avons découvert certaines règles dictant la direction vers laquelle une cellule se projette en fonction de ses schémas de méthylation de l’ADN », explique Jingtian Zhou, chercheur postdoctoral au laboratoire d’Ecker et co-premier auteur de l’article.

Les connexions entre les neurones sont essentielles à leur fonctionnement et ce nouvel ensemble de règles pourrait aider les chercheurs à étudier ce qui ne va pas dans les maladies.

Comparaison des cortex moteurs de souris, de singe et humain

Le cortex moteur est la partie du cerveau des mammifères impliquée dans la planification et l’exécution des mouvements corporels volontaires. Les chercheurs dirigés par Behrens, Ecker et Ren ont étudié les modèles de méthylation et la structure de l’ADN dans plus de 200 000 cellules du cortex moteur des humains, des souris et des primates non humains pour mieux comprendre comment les cellules du cortex moteur ont changé au cours de l’évolution humaine.

Ils ont pu identifier des corrélations entre la façon dont certaines protéines régulatrices ont évolué et comment, à leur tour, les modèles d’expression des gènes ont évolué. Ils ont également découvert que près de 80 % des éléments régulateurs propres à l’homme sont des éléments transposables, c’est-à-dire de petites sections d’ADN mobiles qui peuvent facilement changer de position dans le génome.

Résumé

« Je pense qu’en général, tout cet ensemble sert de modèle pour les études futures d’autres personnes », déclare Callaway, également titulaire de la chaire Vincent J. Coates en neurobiologie moléculaire à Salk. « Quelqu’un qui étudie un type de cellule particulier peut désormais consulter nos données et voir toutes les manières dont ces cellules se connectent et toutes les manières dont elles sont régulées. C’est une ressource qui permet aux gens de poser leurs propres questions.

Les autres auteurs de cet article incluent le co-premier auteur Zhuzhu Zhang de Salk ; May Wu, Hangqing Liu, Yan Pang, Anna Bartlett, Wubin Ding, Angeline Rivkin, Will Lagos, Elora Williams, Cheng-Ta Lee, Paula Assakura Miyazaki, Andrew Aldridge, Qiurui Zeng, JL Angelo Salida, Naomi Claffey, Michelle Liem, Conor Fitzpatrick, Lara Boggeman, Jordan Altshul, Mia Kenworthy, Cynthia Valadon, Joseph Nery, Rosa Castanon, Neelakshi Patne, Minh Vu, Mohammed Rashid, Matthew Jacobs, Tony Ito, Julia Osteen, Nora Emerson, Jasper Lee, Silvia Cho, Jon Rink, Hsiang-Hsuan Huang, António Pinto-Duarte, Bertha Dominguez, Jared Smith, Carolyn O’Connor et Kuo-Fen Lee de Salk ; Zhihao Peng de l’Université de Nanchang en Chine ; Zizhen Yao, Kimberly Smith, Bosiljka Tasic et Hongkui Zeng de l’Institut Allen ; Shengbo Chen de l’Université du Henan en Chine ; Eran Mukamel de l’Université de Californie à San Diego ; et Xin Jin de l’Université normale de Chine orientale en Chine et L’Université de New York Shanghai.

Parmi les autres auteurs de cet article figurent les co-premiers auteurs Nathan Zemke et Ethan Armand de l’UC San Diego ; Wenliang Wang, Jingtian Zhou, Hanqing Liu, Wei Tian, ​​Joseph Nery, Rosa Castanon, Anna Bartlett, Julia Osteen, Jonathan Rink et Edward Callaway de Salk ; Seoyeon Lee, Yang Eric Li, Lei Chang, Keyi Dong, Hannah Indralingam, Yang Xie et Michael Miller de l’UC San Diego ; Daofeng Li, Xiaoyu Zhuo, Vincent Xu et Ting Wang de l’Université de Washington au Missouri ; Fenna Krienen de université de Princeton et la Faculté de médecine de Harvard ; Qiangge Zhang et Guoping Feng du Broad Institute et MIT; Steven McCarroll de la Harvard Medical School et du Broad Institute ; et Naz Taskin, Jonathan Ting et Ed Lein de l’Allen Institute et Université de Washington à Seattle.

Le travail a été soutenu par la National Institutes of Health BRAIN Initiative (U19MH11483, U19MH114831-04s1, 5U01MH121282, UM1HG011585, U19MH114830).