Des chercheurs du MIT ont utilisé le profilage de l'ARN monocellulaire pour étudier les changements d'expression génétique dans le cerveau des patients atteints de la maladie d'Alzheimer, en se concentrant sur les vulnérabilités neuronales et les facteurs de résilience cognitive. L'étude a mis en évidence l'impact significatif de l'épuisement de la Reelin dans certains neurones et le rôle protecteur des astrocytes avec des expressions génétiques spécifiques.
Des chercheurs de MIT a mené une étude approfondie sur Maladie d'Alzheimer maladie, en analysant l’expression des gènes dans diverses régions du cerveau pour comprendre pourquoi des cellules et des circuits spécifiques sont vulnérables.
L'étude a identifié les neurones de l'hippocampe et du cortex entorhinal comme particulièrement sensibles en raison d'une expression réduite de la protéine Reelin, liée au déclin cognitif. De plus, les chercheurs ont découvert que les astrocytes favorisent la résilience cognitive grâce à l'activité antioxydante et au métabolisme de la choline.
De nouvelles preuves sur la manière dont des cellules et des circuits spécifiques deviennent vulnérables dans la maladie d'Alzheimer sont révélées dans une recherche du MIT publiée le 24 juillet dans NatureL’étude en libre accès met également en évidence d’autres facteurs qui peuvent aider certaines personnes à faire preuve de résilience face au déclin cognitif, même en présence de signes évidents de pathologie.
Afin de mettre en évidence des cibles potentielles pour des interventions visant à soutenir la cognition et la mémoire, les auteurs ont procédé à une nouvelle comparaison de l’expression génétique dans plusieurs régions du cerveau chez des personnes atteintes ou non de la maladie d’Alzheimer, et ont mené des expériences en laboratoire pour tester et valider leurs principales découvertes.
Les chercheurs ont comparé l'expression de Reelin dans les neurones excitateurs du cortex entorhinal de personnes atteintes (à droite) ou non (à gauche) de la maladie d'Alzheimer. Chez les personnes non atteintes de la maladie, vGlut (vert), un marqueur des neurones excitateurs, et Reelin (magenta) étaient souvent exprimés ensemble. Chez les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer, les cellules excitatrices présentaient une expression de Reelin beaucoup moins importante. Crédit : Tsai Lab/ MIT Picower Institute
Modèles d'expression génétique et différences cellulaires dans la maladie d'Alzheimer
Les cellules du cerveau ont toutes la même ADN Mais ce qui les différencie, tant dans leur identité que dans leur activité, ce sont leurs modes d'expression de ces gènes. La nouvelle analyse a mesuré les différences d'expression génétique dans plus de 1,3 million de cellules de plus de 70 types cellulaires dans six régions du cerveau provenant de 48 donneurs de tissus, dont 26 sont décédés avec un diagnostic d'Alzheimer et 22 sans. Ainsi, l'étude fournit un compte rendu unique, vaste et détaillé de la façon dont l'activité des cellules cérébrales diffère au cours de la maladie d'Alzheimer par type de cellule, par région cérébrale, par pathologie de la maladie et par l'évaluation cognitive de chaque personne alors qu'elle était encore en vie.
« Certaines régions du cerveau sont vulnérables dans la maladie d’Alzheimer et il est important de comprendre comment ces régions ou certains types de cellules sont vulnérables », explique Li-Huei Tsai, co-auteur principal de l’étude, professeur de neurosciences Picower et directeur du Picower Institute for Learning and Memory et de l’Aging Brain Initiative au MIT. « Et le cerveau ne se résume pas seulement aux neurones. Il comprend de nombreux autres types de cellules. La façon dont ces types de cellules peuvent réagir différemment, selon l’endroit où elles se trouvent, est quelque chose de fascinant que nous n’en sommes qu’au début de notre étude. »
Techniques avancées dans la recherche sur la maladie d'Alzheimer
Le co-auteur principal Manolis Kellis, professeur d'informatique et chef du groupe de biologie computationnelle du MIT, compare la technique utilisée pour mesurer les comparaisons d'expression génétique, à une cellule unique ARN profilage, à être un « microscope » beaucoup plus avancé que ceux qui ont permis à Alois Alzheimer de caractériser la pathologie de la maladie il y a plus d'un siècle.
« Là où Alzheimer voyait des plaques de protéines amyloïdes et des enchevêtrements de protéines tau phosphorylées dans son microscope, notre « microscope » unicellulaire nous informe, cellule par cellule et gène par gène, de milliers de changements biologiques subtils mais importants en réponse à la pathologie », explique Kellis. « En reliant ces informations à l’état cognitif des patients, on découvre comment les réponses cellulaires sont liées à la perte cognitive ou à la résilience, et on peut proposer de nouvelles façons de traiter la perte cognitive. La pathologie peut précéder les symptômes cognitifs d’une décennie ou deux avant que le déclin cognitif ne soit diagnostiqué. Si nous ne pouvons pas faire grand-chose contre la pathologie à ce stade, nous pouvons au moins essayer de préserver les voies cellulaires qui maintiennent la fonction cognitive. »
Hansruedi Mathys, ancien postdoctorant du MIT au laboratoire de Tsai, aujourd'hui professeur adjoint à l'université de Pittsburgh, Carles Boix, PhD '22, ancien étudiant diplômé du laboratoire de Kellis, aujourd'hui postdoctorant à la Harvard Medical School, et Leyla Akay, étudiante diplômée du laboratoire de Tsai, ont dirigé l'étude analysant le cortex préfrontal, le cortex entorhinal, l'hippocampe, le thalamus antérieur, le gyrus angulaire et le cortex temporal moyen. Les échantillons de cerveau proviennent de la Religious Order Study et du Rush Memory and Aging Project de l'université Rush.
L'expression du gène GPCPD1 dans les cellules astrocytaires est associée à la résilience cognitive chez les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer. Ici, les flèches blanches indiquent les cas d'expression de GPCPD1 (en bleu) dans les cellules astrocytaires (indiquées par la coloration AQP4 en magenta). L'expression est beaucoup plus importante dans les tissus de la personne cognitivement résiliente (à droite). Crédit : Tsai Lab/MIT Picower Institute
Vulnérabilité neuronale et Reelin
Certains des premiers signes de pathologie amyloïde et de perte de neurones dans la maladie d'Alzheimer apparaissent dans des régions axées sur la mémoire appelées hippocampe et cortex entorhinal. Dans ces régions, et dans d'autres parties du cortex cérébral, les chercheurs ont pu identifier une raison potentielle. Un type de neurone excitateur dans l'hippocampe et quatre dans le cortex entorhinal étaient significativement moins abondants chez les personnes atteintes de la maladie d'Alzheimer que chez les personnes non atteintes. Les personnes dont ces cellules étaient épuisées obtenaient des résultats nettement moins bons aux évaluations cognitives. De plus, de nombreux neurones vulnérables étaient interconnectés dans un circuit neuronal commun. Et tout aussi important, plusieurs d'entre eux exprimaient directement une protéine appelée Reelin, ou étaient directement affectés par la signalisation Reelin. Dans l'ensemble, les résultats mettent donc clairement en évidence des neurones particulièrement vulnérables, dont la perte est associée à une diminution des capacités cognitives, qui partagent un circuit neuronal et une voie moléculaire.
Tsai note que Reelin est devenu un élément important de la recherche sur la maladie d'Alzheimer en raison d'une étude récente menée sur un homme en Colombie. Il avait une mutation rare du gène Reelin qui rendait la protéine plus active et était capable de rester en bonne santé cognitive à un âge avancé malgré une forte prédisposition familiale à la maladie d'Alzheimer à début précoce. La nouvelle étude montre que la perte de neurones produisant Reelin est associée à un déclin cognitif. Dans l'ensemble, cela pourrait signifier que le cerveau bénéficie de Reelin, mais que les neurones qui la produisent pourraient être perdus chez au moins certains patients atteints de la maladie d'Alzheimer.
« Nous pouvons penser que la Reelin a peut-être un effet protecteur ou bénéfique », explique Akay. « Mais nous ne savons pas encore ce qu’elle fait ni comment elle pourrait conférer de la résilience. »
Lors d'une analyse plus approfondie, les chercheurs ont également découvert que des sous-types de neurones inhibiteurs spécifiquement vulnérables identifiés dans une étude précédente de ce groupe dans le cortex préfrontal étaient également impliqués dans la signalisation de Reelin, renforçant encore l'importance de la molécule et de sa voie de signalisation.
Pour vérifier leurs résultats, l'équipe a examiné directement des échantillons de tissu cérébral humain et les cerveaux de deux types de souris atteintes de la maladie d'Alzheimer. Ces expériences ont également montré une réduction des neurones positifs à la rééline dans le cortex entorhinal humain et murin.
Facteurs de résilience et préservation cognitive
Pour trouver des facteurs susceptibles de préserver la cognition, même en cas de pathologie, l’équipe a examiné quels gènes, dans quelles cellules et dans quelles régions, étaient les plus étroitement associés à la résilience cognitive, qu’ils ont définie comme une fonction cognitive résiduelle, au-dessus de la perte cognitive typique attendue compte tenu de la pathologie observée.
Leur analyse a donné une réponse surprenante et spécifique : dans plusieurs régions du cerveau, les astrocytes qui exprimaient des gènes associés à l'activité antioxydante et au métabolisme de la choline et à la biosynthèse des polyamines étaient significativement associés à une cognition soutenue, même en présence de niveaux élevés de tau et d'amyloïde. Ces résultats ont renforcé les conclusions de recherches antérieures menées par Tsai et Susan Lundqvist, dans lesquelles ils ont montré qu'un complément alimentaire de choline aidait les astrocytes à faire face à la dysrégulation des lipides causée par le gène de risque le plus important de la maladie d'Alzheimer, la variante APOE4. Les découvertes sur les antioxydants ont également mis en évidence une molécule que l'on trouve sous forme de complément alimentaire, la spermidine, qui pourrait avoir des propriétés anti-inflammatoires, bien qu'une telle association nécessiterait des travaux supplémentaires pour être établie de manière causale.
Comme auparavant, l’équipe est allée au-delà des prédictions issues de l’analyse de l’expression de l’ARN dans les cellules individuelles pour effectuer des observations directes dans le tissu cérébral des échantillons. Ceux provenant d’individus résilients sur le plan cognitif ont en effet montré une expression accrue de plusieurs gènes exprimés par les astrocytes et censés être associés à la résilience cognitive.
Nouvelle méthode d'analyse et ensemble de données publiques
Pour analyser les montagnes de données unicellulaires, les chercheurs ont développé une nouvelle méthodologie robuste basée sur des groupes de gènes exprimés de manière coordonnée (appelés « modules génétiques »), exploitant ainsi les modèles de corrélation d’expression entre les gènes fonctionnellement liés dans le même module.
« En principe, les 1,3 million de cellules que nous avons étudiées pourraient utiliser leurs 20 000 gènes dans un nombre astronomique de combinaisons différentes », explique Kellis. « En pratique, cependant, nous observons un sous-ensemble beaucoup plus restreint de changements coordonnés. La reconnaissance de ces schémas coordonnés nous permet de déduire des changements beaucoup plus robustes, car ils sont basés sur plusieurs gènes dans le même module fonctionnellement connecté. »
Il a proposé cette analogie : avec de nombreuses articulations dans leur corps, les gens pourraient bouger de toutes sortes de manières insensées, mais en pratique, ils effectuent beaucoup moins de mouvements coordonnés comme la marche, la course ou la danse. La nouvelle méthode permet aux scientifiques d'identifier ces programmes d'expression génétique coordonnés en tant que groupe.
Bien que les laboratoires de Kellis et Tsai aient déjà rapporté plusieurs résultats remarquables à partir de l'ensemble de données, les chercheurs s'attendent à ce que de nombreuses autres découvertes potentiellement importantes restent à faire dans cette mine de données. Pour faciliter ces découvertes, l'équipe a publié des outils d'analyse et de visualisation pratiques avec les données sur le site Web de Kellis.
« L’ensemble de données est extrêmement riche. Nous nous sommes concentrés sur quelques aspects importants que nous considérons comme très intéressants, mais nous n’avons en aucun cas épuisé tout ce que nous pouvons apprendre avec cet ensemble de données », déclare Kellis. « Nous nous attendons à de nombreuses autres découvertes à venir et nous espérons que de jeunes chercheurs (de tous âges) se lanceront dans l’aventure et nous surprendront avec de nombreuses autres découvertes. »
À l’avenir, explique Kellis, les chercheurs étudieront les circuits de contrôle associés aux gènes différentiellement exprimés, afin de comprendre les variantes génétiques, les régulateurs et d’autres facteurs moteurs qui peuvent être modulés pour inverser les circuits de la maladie dans les régions du cerveau, les types de cellules et les différents stades de la maladie.
Les autres auteurs de l'étude comprennent Ziting Xia, Jose Davila Velderrain, Ayesha P. Ng, Xueqiao Jiang, Ghada Abdelhady, Kyriaki Galani, Julio Mantero, Neil Band, Benjamin T. James, Sudhagar Babu, Fabiola Galiana-Melendez, Kate Louderback, Dmitry. Prokopenko, Rudolph E. Tanzi et David A. Bennett.
Le soutien à la recherche est venu du Instituts nationaux de la santéL'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire, la Fondation JPB, le Cure Alzheimer's Fund, la Fondation de la famille Robert A. et Renee E. Belfer, Eduardo Eurnekian et Joseph DiSabato.
