Une avancée majeure dans la recherche sur l’autisme a été réalisée grâce au système CHOOSE, développé par des chercheurs de l’IMBA et de l’ETH Zurich. Cette technologie permet une étude détaillée des mutations génétiques dans les organoïdes du cerveau humain, offrant ainsi des informations approfondies sur les mécanismes sous-jacents de l’autisme et ouvrant la voie à des applications plus larges dans la recherche sur les maladies.
Le système CHOOSE, une approche innovante combinant organoïdes cérébraux et génétique, transforme la recherche sur l’autisme en permettant une analyse détaillée des mutations et de leurs effets sur le développement du cerveau.
Le cerveau humain a-t-il un talon d’Achille qui mène finalement à l’autisme ? Grâce à un nouveau système révolutionnaire combinant la technologie des organoïdes cérébraux et la génétique complexe, les chercheurs peuvent désormais tester de manière exhaustive l’effet de multiples mutations en parallèle et au niveau d’une seule cellule au sein des organoïdes du cerveau humain.
Cette technologie, développée par des chercheurs du groupe Knoblich de l’Institut de biotechnologie moléculaire (IMBA) de l’Académie autrichienne des sciences et du groupe Treutlein de l’ETH Zurich, permet d’identifier les types de cellules vulnérables et les réseaux de régulation génétique qui sont à l’origine des troubles du spectre autistique. Cette méthode innovante offre un aperçu sans précédent de l’un des troubles les plus complexes qui défient le cerveau humain avec des implications qui apportent un espoir indispensable à la recherche clinique sur l’autisme.
Développement du cerveau humain et risques de TSA
Par rapport à d’autres animaux espèces, le cerveau humain a son propre esprit. Pour se développer, le cerveau humain s’appuie sur des processus uniques aux humains, nous permettant de construire un cortex complexe et connecté. Ces processus uniques rendent également les troubles neurodéveloppementaux plus probables chez l’homme.
A titre d’exemple, de nombreux gènes conférant un risque élevé de développer troubles du spectre autistique (TSA) sont cruciaux pour le développement du cortex. Bien que des études cliniques aient montré un lien de causalité entre de multiples mutations génétiques et l’autisme, les chercheurs ne comprennent toujours pas comment ces mutations conduisent à des anomalies du développement cérébral – et en raison du caractère unique du développement du cerveau humain, les modèles animaux sont d’une utilité limitée.
« Seul un modèle humain du cerveau peut récapituler la complexité et les particularités du cerveau humain », déclare Jürgen Knoblich, directeur scientifique de l’IMBA et l’un des auteurs correspondants de l’étude.
Moitié gauche : image confocale d’un système de mosaïque organoïde de cerveau humain CHOOSE (CRISPR-human organoids-scRNA-seq) montrant des cellules porteuses d’une mutation en rouge. Moitié droite : une représentation en mosaïque de différentes couleurs représentant des cellules individuelles, chacune portant une mutation dans un gène de l’autisme de haute fiabilité. Crédit : ©Knoblich Lab / IMBA-IMP Graphics
Système CHOOSE innovant pour le dépistage génétique
Pour aider à ouvrir cette boîte noire, des chercheurs des groupes de recherche de Jürgen Knoblich et Barbara Treutlein de l’IMBA et de l’ETH Zurich ont développé une technique pour cribler un ensemble complet de gènes régulateurs transcriptionnels clés liés à l’autisme. Ce développement est particulièrement impactant puisque les gènes d’intérêt peuvent être examinés simultanément au sein d’un seul organoïde en mosaïque, marquant le début d’une ère de dépistage génétique complexe, efficace et rapide dans les tissus humains.
Dans le système nouvellement développé, appelé « CHOOSE » (CRISPR-human organoids-scRNA-seq), chaque cellule de l’organoïde porte au plus une mutation dans un gène spécifique du TSA. Les chercheurs ont pu retracer l’effet de chaque mutation au niveau d’une seule cellule et cartographier la trajectoire de développement de chaque cellule.
« Grâce à cette méthodologie à haut débit, nous pouvons systématiquement inactiver une liste de gènes pathogènes. À mesure que les organoïdes porteurs de ces mutations se développent, nous analysons l’effet de chaque mutation sur le développement de chaque type de cellule », explique le premier auteur de l’étude et co-correspondant, Chong Li, chercheur postdoctoral dans le groupe Knoblich.
Une approche systématique à haut débit
Avec le système CHOOSE, les équipes de l’IMBA et de l’ETH Zurich font progresser la recherche sur les gènes pathogènes d’un grand pas, offrant aux chercheurs l’accès à une méthode polyvalente et à haut débit qui peut être appliquée à n’importe quelle maladie et dans n’importe quel système modèle humain. Il est important de noter que CHOOSE accélère considérablement l’analyse par rapport aux approches traditionnelles de perte de fonction génétique.
«Nous pouvons voir les conséquences de chaque mutation dans une seule expérience, réduisant ainsi considérablement le temps d’analyse par rapport aux méthodes traditionnelles, en utilisant une approche qui n’était possible pendant des décennies que dans des organismes comme la mouche des fruits», explique Knoblich. « De plus, nous pouvons encore bénéficier de cent ans de littérature scientifique sur les gènes responsables de maladies. »
Muter plusieurs gènes en parallèle et suivre leurs effets génère une énorme quantité de données. Pour analyser cet ensemble de données complexe, l’auteure co-correspondante Barbara Treutlein et son équipe de l’ETH Zurich ont utilisé la bioinformatique quantitative et apprentissage automatique approches.
« En utilisant ces données d’expression unicellulaire à haut débit, nous pouvons quantifier si un type de cellule donné est plus ou moins abondant en raison d’une mutation donnée, et nous pouvons également identifier des ensembles de gènes qui sont communément ou distinctement affectés par chaque mutation. En comparant toutes les mutations génétiques, nous pouvons reconstruire le paysage phénotypique de ces perturbations génétiques liées à la maladie », explique Treutlein.
En savoir plus sur l’autisme pendant le développement
En utilisant le système CHOOSE, les chercheurs montrent que les mutations de 36 gènes, connus pour exposer les porteurs à un risque élevé d’autisme, conduisent à des modifications spécifiques du type de cellules dans le cerveau humain en développement. Ils ont identifié des changements transcriptionnels critiques régulés par des réseaux communs, appelés « réseaux de régulation génétique » ou GRN. Un GRN est un ensemble de régulateurs moléculaires qui interagissent les uns avec les autres pour contrôler une fonction cellulaire spécifique, explique Li. « Nous avons démontré que certains types de cellules sont plus sensibles que d’autres au cours du développement cérébral et identifié les réseaux les plus vulnérables aux mutations de l’autisme », ajoute-t-il.
« Grâce à cette approche, nous avons appris que les gènes responsables de l’autisme partagent certains mécanismes moléculaires communs », explique Knoblich. Pourtant, ces mécanismes communs peuvent conduire à des effets nettement distincts dans différents types de cellules.
« Certains types de cellules sont plus vulnérables aux mutations qui conduisent à l’autisme, en particulier certains progéniteurs neuronaux, les cellules fondatrices qui génèrent les neurones. Cela est vrai à tel point que la pathologie de l’autisme pourrait déjà apparaître tôt au cours du développement cérébral. Cela indique que certains types de cellules nécessiteront plus d’attention à l’avenir lors de l’étude des gènes de l’autisme », explique Li.
Pour confirmer si ces résultats sont pertinents pour les troubles humains, les chercheurs se sont associés à des cliniciens de l’Université médicale de Vienne et ont généré des organoïdes cérébraux à partir d’échantillons de cellules souches de deux patients. Les deux patients présentaient des mutations dans le même gène responsable de l’autisme.
« Les organoïdes générés par les deux patients présentaient des défauts de développement marqués liés à un type cellulaire spécifique. Nous pourrions valider ces observations in vitro en comparant les structures organoïdes aux IRM prénatales du cerveau de l’un des patients », explique Knoblich, démontrant que les données organoïdes correspondent étroitement aux observations cliniques.
Au-delà du cerveau et de l’autisme…
En plus d’acquérir des connaissances sans précédent sur la pathologie de l’autisme, l’équipe souligne la polyvalence et la transférabilité du système CHOOSE. « Nous prévoyons que notre technique sera largement appliquée au-delà des organoïdes cérébraux pour étudier divers gènes associés à des maladies », explique Knoblich.
Grâce à cette nouvelle technique, les scientifiques et les cliniciens disposent d’un outil de dépistage à haut débit robuste et précisément contrôlé qui réduit considérablement le temps d’analyse et fournit des informations inestimables sur les mécanismes de la maladie.
Le directeur scientifique de l’IMBA, Jürgen Knoblich, est également professeur de biologie synthétique à l’université de médecine de Vienne.
Financement : Fondation Simons Autism Research Initiative, Ministère fédéral autrichien de l’Éducation, des Sciences et de la Recherche, Ville de Vienne, Fonds scientifique autrichien, Conseil européen de la recherche, Initiative Chan Zuckerberg, Fondation communautaire de la Silicon Valley, Fonds national suisse, Centre national de compétence en recherche Ingénierie des systèmes moléculaires, Organisation européenne de biologie moléculaire
