Comprendre Formation de Structures cérébelleuse

Je suis Kathy Millan. Je suis professeure adjointe à l'Université de Chicago au Département de génétique humaine, ainsi qu'au Département de neurologie. Je travaille sur le développement cérébral, et plus précisément sur le développement du cervelet, le cervelet, cette partie du cerveau située à l'arrière du crâne.

Et il est surtout connu pour son rôle dans le développement moteur, mais il s'avère qu'il est impliqué dans de nombreuses fonctions. C'est une région particulièrement intéressante du cerveau. La formation de motifs désigne le développement de motifs dans un système biologique. C'est l'un de ces termes que les biologistes du développement utilisent de manière assez vague pour signifier presque n'importe quoi.

Et ce n'est pas vraiment clair ce que cela signifie. Je pense que chaque biologiste du développement vous donnerait une version différente de ce que cela signifie pour lui. Ce que cela signifie, c'est comment le cerveau, ou plus particulièrement le cervelet, distingue le haut du bas, et comment définit-on la gauche et la droite ?

Comment décidez-vous quelle partie de la structure va devenir quelle partie ? Et une fois ces décisions critiques et fondamentales prises au stade embryonnaire précoce, comment assemblez-vous l'ensemble de la structure cellulaire pour former la partie du cerveau, magnifiquement organisée, que nous appelons le cervelet ? Nous nous intéressons donc vraiment au développement cérébelleux et aux informations de schéma dans le cervelet en développement.

Étant donné que le cervelet est un tissu extrêmement bien organisé, il ne possède que peu de couches cellulaires et peu de types cellulaires. Par conséquent, par rapport aux autres régions du cerveau, c'est une structure particulièrement, enfin, relativement simple.

Et aussi parce que le cervelet a une fonction très spécifique, ou l'une des nombreuses fonctions, qui est la coordination motrice. Lorsque des souris ou des humains présentent des anomalies cérébelleuses, l'un des phénotypes résultants est une incoordination motrice. Ainsi, au cours des quelque cent dernières années de génétique murine, plusieurs mutants spontanés de souris ont été découverts et caractérisés dans une certaine mesure, mais d'autres ont simplement été isolés et conservés dans les étagères de Jackson Labs, où ils correspondent à des souris présentant des anomalies motrices.

Et un grand nombre de ces souris, je pense qu'il y en a plus d'une soixantaine de souches spontanées, présentent des anomalies du développement cérébelleux. Cette ressource constitue en effet une source extrêmement précieuse pour étudier les mécanismes du développement responsables de la formation des motifs cérébelleux. L'un des axes principaux de mon laboratoire consiste à exploiter tous les outils issus du Projet Génome Humain et du Projet Génome de la Souris, et à utiliser ces réactifs moléculaires afin d'identifier les gènes mutés dans tous ces mutants spontanés.

Et en identifiant ces mutants, nous adoptons une approche centrée sur le phénotype pour découvrir des gènes. Nous ne prélevons donc pas des gènes aléatoirement pour les inactiver. Nous identifions des phénotypes, puis les gènes associés, car grâce à cette approche, nous découvrons spécifiquement des gènes particulièrement pertinents pour le système étudié.

Ainsi, notre laboratoire et de nombreux autres laboratoires avons cloné un certain nombre de ces mutants spontanés de souris. Et ces mutants spontanés de souris ont conduit à de nouvelles découvertes biologiques particulièrement intéressantes. Parce que nous adoptons une approche guidée par le phénotype.

Nous n'avons aucune idée préconçue sur le type de gènes que nous allons découvrir. Nous ne recherchons pas spécifiquement des analogues de dal ho ou des mutations de canaux. Nous nous orientons vers les gènes que les phénotypes imposent.

Et grâce à cela, nous découvrons de nombreuses nouvelles notions de biologie. Par exemple, l'un des gènes ou l'un des phénotypes sur lesquels mon laboratoire a travaillé, et sur lequel j'ai collaboré avec un autre collègue, Jim Linig, lors de mon postdoctorat, est un mutant murin appelé dre, qui signifie en allemand « spinner » ou « tournoyer comme une toupie ». Ces mutants murins sont apparus pour la première fois en 1929 en Allemagne et se sont accumulés au fil du temps chez Jackson Labs.

Il existe plusieurs allèles de ce locus particulier, et on savait que le cervelet était mal formé. Ainsi, tous les types cellulaires cérébelleux étaient présents, mais le patron du cervelet était anormal. La partie médiane manquait ; cette partie médiane est appelée le vermis.

Et nous avons découvert qu’il existait un phénotype embryonnaire précoce chez ces souris, responsable du phénotype adulte. Ce phénotype résultait d'une mutation dans un gène appelé LMX1A, qui signifie boîte contenant un domaine homeo pour les membres un A. Ainsi, le gène LMX1A s'est révélé être un gène particulièrement intéressant et important en biologie du développement, car il fait partie des gènes les plus essentiels pour définir ce qui est en haut dans le système nerveux central, ou autrement dit, ce qui est dorsal.

Et sans cette mutation rare, personne ne savait réellement quelle était la fonction de ce gène. En fait, il avait été découvert pour d'autres raisons dans les cellules productrices d'insuline du pancréas. D'autres chercheurs l'avaient étudié en raison de son rôle potentiel dans le diabète.

Mais en réalité, il s'avère que le gène LMX1A, pris isolément, n'a aucun rôle dans le développement du pancréas ou celui des cellules œillets. En fait, son rôle principal dans le développement consiste à diriger le patron dorsal dans le système nerveux central. Lorsque nous avons cloné pour la première fois le gène DR, le gène LMX1A, nous avons réalisé qu'il n'est exprimé que dans la partie dorsale du système nerveux central.

Et en réalité, elle n'est pas seulement exprimée dans la partie dorsale du système nerveux central ou dans la plaque du toit, comme on l'appelle autour du cervelet. Elle est en fait exprimée dans la partie dorsale du système nerveux central sur toute la longueur axiale de l'embryon de souris. Et en réalité, elle est exprimée sur toute la longueur axiale de chaque vertébré que nous avons examiné jusqu'à présent.

Et comme il est exprimé de manière dorsale partout, nous avons déduit qu'il devait jouer un rôle dorsal dans d'autres régions du système nerveux central. Nous avons donc consacré beaucoup de temps à caractériser le phénotype des souris DR dans la moelle épinière, car celle-ci constitue en réalité un meilleur système modèle pour comprendre le développement du SNC que le cervelet, étant donné qu'elle est beaucoup moins complexe sur le plan tridimensionnel. Elle présente une structure tridimensionnelle nettement plus simple.

En passant au poulet, nous avons effectivement pu tirer parti d'un grand nombre de réactifs pour déterminer le rôle de LMX1A dans la moelle épinière. Puis, à partir de la moelle épinière, nous sommes revenus au cervelet. Honnêtement, je ne pense pas que, sans la technologie de l'électroporation chez le poulet, nous aurions pu bien comprendre la fonction du gène LMX1A. Un postdoctorant de mon laboratoire, Victor Chiko, est la personne qui a véritablement mené ces expériences et les a fait progresser.

Et c’est lui qui a effectivement découvert la fonction du gène LMX1A, ainsi que son rôle principal dans le système nerveux central, en utilisant le système d’électroporation chez le poulet. Honnêtement, je ne pense pas que nous aurions pu réaliser autant d’avancées sans l’électroporation chez le poulet. L’électroporation chez le poulet est donc une technologie particulièrement précieuse, car elle permet une surexpression rapide de gènes dans le système nerveux en développement du poulet, d’obtenir des résultats après deux ou trois jours d’incubation et de produire des phénotypes analysables.

Si vous deviez réellement effectuer des manipulations génétiques chez la souris pour obtenir des animaux transgéniques, cela prendrait plusieurs mois, et pour les knockouts, entre autres, cela prendrait au moins un an et demi. Le système d’embryon de poulet constitue donc un système particulièrement précieux, car il permet de modifier l’expression génique et d’observer rapidement les phénotypes. Ainsi, lorsque LMX1A est surexprimé dans le système nerveux en développement du poulet, en particulier dans la moelle épinière en formation, l’ensemble de la partie dorsale du système nerveux central, ou de la moelle épinière, se transforme en une structure semblable à la plaque du toit, partie dorsale du système nerveux central.

Ce que cela nous a révélé, en combinaison avec une série d'autres expériences réalisées par Victor, c'est que LMX1A seul est responsable de l'activation de tout le programme de différenciation de la plaque du toit. Cela revêt une importance particulière car la plaque du toit constitue un centre de signalisation essentiel au sein du système nerveux en développement. En l'absence de plaque du toit, aucune sécrétion de morphogène n'a lieu pour indiquer aux cellules adjacentes du tube neural de se transformer en neurones sensoriels dorsaux.

Et sans ces signaux, ces cellules passent à un état par défaut correspondant à un type cellulaire intermédiaire. Et vous perdez la majorité des neurones dorsaux dans la moelle épinière, mais aussi en réalité dans le cervelet en développement. Et je ne pense pas que nous aurions pu facilement parvenir à cette conclusion en utilisant un autre système que le tube neural de poulet.

Nous nous intéressons particulièrement au développement cérébelleux, non seulement en raison de la biologie fondamentale dans les systèmes murins et également chez le poulet, mais aussi parce que les humains présentent des malformations cérébelleuses. Ces malformations cérébelleuses humaines sont en réalité très mal comprises. Ainsi, en collaboration avec un collègue, le Dr William Dobbins, l'un des experts mondiaux des malformations cérébrales humaines, nous avons lancé conjointement un projet visant à identifier les gènes responsables des malformations cérébelleuses humaines.

Nous adoptons plusieurs approches. L'une des initiatives les plus importantes que nous ayons menées consiste à créer une base de données d'ADN et une base de données cliniques, dans lesquelles nous avons recruté plus de 500 patients présentant des malformations cérébelleuses humaines bien définies, et où nous avons collecté des images d'IRM que nous avons également corrélées à des échantillons d'ADN, afin de pouvoir utiliser cette ressource pour la recherche de gènes, car il s'avère que les malformations cérébelleuses humaines ne sont pas du tout bien catégorisées. Je dirais honnêtement que, parmi chaque lot de 10 scanners que nous recevons dans le cadre de nos études, au moins l'un d'entre eux présente une malformation qui n'avait jamais été décrite ni véritablement reconnue auparavant.

La malformation cérébelleuse humaine la plus fréquente est appelée malformation de Dandy-Walker, et c'est celle qui est le plus souvent reconnue par les cliniciens. Mais il s'avère qu'elle constitue en quelque sorte un diagnostic fourre-tout dans le domaine des malformations cérébelleuses humaines. Tout médecin, ou de nombreux médecins, lorsqu'ils observent un cervelet anormal, le classent comme malformation de Dandy-Walker.

Nous recrutons donc des patients pour notre étude sur la malformation de Dandy-Walker, et nous découvrons toutes sortes de malformations cérébelleuses intéressantes et variées. Nous utilisons cette ressource afin d'identifier de nouveaux gènes impliqués dans le développement cérébelleux, car en tant que biologiste du développement, je considère que les êtres humains constituent une vaste expérience de mutagenèse. Ils représentent ainsi une source exceptionnelle pour la découverte de nouveaux gènes du développement.

Nous adoptons donc plusieurs approches pour identifier ces gènes. L'une de ces approches consiste à prendre les gènes que nous avons identifiés chez la souris et qui jouent un rôle dans le développement cérébelleux, puis à séquencer ces gènes chez l'humain. En effet, nous avons récemment identifié la toute première mutation humaine de LMX1A.

Jusqu'à présent, les applications de nos recherches fondamentales en biologie à la recherche clinique ont été très limitées. Mais cela change très rapidement. À mesure que nous découvrons de nouveaux gènes, nous pouvons fournir aux familles d'enfants atteints de nouvelles informations en matière de conseil génétique.

Et franchement, c'est là que je perçois l'impact le plus important de nos recherches. Ainsi, ma vision pour le domaine dans les cinq prochaines années est qu'un nombre bien plus élevé de gènes aura été identifié, tant par la caractérisation de modèles murins que par des études sur les malformations cérébelleuses humaines. Nous en saurons davantage sur l'ensemble des gènes impliqués dans le développement cérébelleux.

Ensuite, l'objectif consistera à comprendre comment ces gènes interagissent entre eux, et comment ces gènes contrôlent la biologie réelle ? Comment dirigent-ils tous les différents événements cellulaires qui se produisent pour former un cervelet ? Et je pense que le cervelet constitue un modèle particulièrement adapté pour l'ensemble du système nerveux central, car franchement, il n'existe que cinq à sept types principaux de cellules neuronales.

Ils sont tous disposés de diverses manières stéréotypées. Nous apprenons de plus en plus de choses sur les molécules qui contrôlent la spécification et la différenciation précoce de ces progéniteurs. Nous comprenons de mieux en mieux comment ces cellules prolifèrent.

Je pense donc que dans plus de cinq ans, mais finalement, je vois le domaine capable d’étudier le développement du tube jusqu’au développement cérébelleux complet afin d’obtenir la forme mature du cervelet. Et puisque le cervelet est un système relativement simple, nous avons l’espoir de réussir à identifier les molécules et les événements développementaux qui contrôlent la formation de l’ensemble du cervelet. Et je pense que c’est vraiment important, non seulement pour le domaine du diagnostic génétique chez l’humain et pour le domaine du développement cérébelleux, mais je pense également que nous pourrons appliquer ces mécanismes à d’autres régions du cerveau.

Le cervelet est une structure relativement simple, mais de nombreux événements du développement ne sont pas exclusifs au cervelet. Nous pouvons appliquer ce que nous avons appris sur le cervelet à d'autres régions plus complexes du système nerveux central, comme le cortex cérébral, et utiliser les enseignements et les voies que nous avons identifiés pour comprendre comment ils s'appliquent au reste du cerveau.