Résultats sur la façon dont le gène YWHAZ peut modifier le développement neuronal

L'étude, qui utilise le poisson zèbre comme modèle animal, est dirigée par les experts Noèlia Fernàndez-Castillo et Bru Cormand, membres de la Faculté de biologie et de l'Institut de biomédecine de l'Université de Barcelone (IBUB), de l'Institut de recherche Sant Joan de Déu (IRSJD) et du Centre biomédical de mise en réseau des maladies rares (CIBERER), et William H. J. Norton, de l'Université de Leicester (Royaume-Uni). Parmi les autres collaborateurs figurent des experts de l'Institut des neurosciences de l'UB (UBNeuro), de l'Institut des sciences photoniques (ICFO) et du RIKEN Center for Brain Science (CBS, Japon).

Le gèneYWHAZ et le neurodéveloppement

Le gène YWHAZ code la protéine 14-3-3ζ, membre d'une famille de protéines hautement conservées qui sont exprimées dans le système nerveux central. Ce gène, situé sur le chromosome 8 chez l'homme, est lié aux processus de formation, de différenciation et de positionnement des neurones au cours du développement neurologique, principalement dans des études menées sur des modèles murins.

Le point de départ de cette étude est une étude de séquençage massif(Molecular Pyschiatry, 2013) dirigée par le Professeur Bru Cormand, sur les bases génétiques de l'autisme dans laquelle une mutation du gène YWHAZ a été identifiée dans deux fratries atteintes. Le modèle de la nouvelle étude est le poisson zèbre(Danio rerio), "un bon modèle pour étudier les altérations comportementales liées à l'autisme et à d'autres troubles psychiatriques puisque le comportement social et l'interaction avec le groupe sont essentiels chez cette espèce", note la maître de conférences Noèlia Fernàndez-Castillo, du département de génétique, microbiologie et statistiques de l'UB.

"Les larves de poisson zèbre sont transparentes et petites - poursuit-elle - et nous permettent d'évaluer l'activité neuronale du cerveau in vivo, ce que nous ne pouvons pas faire avec d'autres modèles animaux. Nous disposons d'une lignée transgénique de poisson zèbre dans laquelle tous les neurones expriment un marqueur qui devient fluorescent lorsque le neurone s'active. C'est ainsi que nous pouvons détecter le moment où chaque neurone s'active dans le cerveau et que nous pouvons comparer ce qui se passe chez les animaux présentant une déficience du gène ywhaz et chez ceux d'un groupe témoin".

Les modèles animaux dont le gène est désactivé présentent une altération de la connectivité du cerveau postérieur pendant les stades larvaires, et une réduction de l'activité neuronale collective, comme le précise l'étude. "Ce serait probablement la cause des déficiences de la neurotransmission observées chez les animaux adultes et qui conduisent à des altérations comportementales en réponse à la nouveauté. En effet, des altérations de la neurotransmission ont été décrites dans des troubles tels que l'autisme, le TDAH et la schizophrénie", note le professeur Bru Cormand, responsable du groupe de recherche en neurogénétique de l'UB et chercheur à l'ICREA Academia 2021.

Par ailleurs, des études antérieures menées sur des modèles animaux ont montré que l'activité neuronale collective spontanée "est essentielle au cours du développement, car elle est impliquée dans les processus de configuration des futurs réseaux neuronaux", note la chercheuse Ester Antón-Galindo, premier auteur de l'article avec Elisa Dalla Vechia (Université de Leicester). "L'altération de l'activité spontanée observée chez les animaux dont le gène ywhaz est désactivé dès les premiers stades (larvaire) conduirait à un développement inadéquat des connexions et des réseaux neuronaux", ajoute la chercheuse.

Trouver de nouveaux traitements thérapeutiques

L'équipe a également identifié des altérations de neurotransmetteurs clés impliqués dans le comportement, comme la dopamine et la sérotonine. "Lors de l'administration de médicaments qui affectent ces systèmes de neurotransmission, les altérations comportementales sont rétablies et sont similaires à celles des poissons normaux. Cette étude nous a donc permis de comprendre les mécanismes par lesquels ce gène provoque des changements et comment ce gène contribue à l'autisme, qui est un trouble du développement neurologique", note la chercheuse Noèlia Fernàndez-Castillo.

Plus précisément, l'utilisation de deux médicaments qui modulent la neurotransmission -fluoxétine et quinpirole- peut réduire les altérations du comportement social que présentent les poissons mutants. "C'est une bonne nouvelle, car la fluoxétine est déjà utilisée chez l'homme pour traiter d'autres pathologies comme la dépression, voire certains symptômes de l'autisme, tels que les comportements répétitifs", explique M. Cormand.

Le gène - localisé sur le chromosome 19 du poisson zèbre - est exprimé dans le cerveau au cours du développement embryonnaire (neurogenèse, différenciation neuronale, etc.). Cependant, son expression est restreinte à des zones spécifiques du cerveau chez les individus adultes, en particulier les cellules de Purkinje, un type de neurones du cervelet dont le nombre et la taille sont réduits chez les personnes atteintes d'autisme. "Chez la souris, nous avons observé que lorsque ces cellules ne sont pas complètement fonctionnelles, des traits autistiques apparaissent. Les résultats vont donc dans le même sens", note Bru Cormand.

Dans le domaine de la recherche clinique, cette nouvelle étude ajoute un nouveau gène aux dizaines et centaines de gènes liés au trouble du spectre autistique. "Même si nous savons qu'il s'agit d'une pathologie avec une forte part génétique, qui dépasse les 80%, nous avons besoin de plus d'études pour définir le paysage génétique, c'est-à-dire tous les gènes responsables. Lorsque ce paysage sera achevé, nous pourrons travailler sur des outils de diagnostic fondés sur la génétique pour compléter le diagnostic clinique", explique M. Cormand.

Poisson zèbre : différences entre mâles et femelles

L'étude a mis en évidence des différences prononcées dans le comportement social des femelles déficientes pour le gène YWHAZ par rapport aux femelles des groupes témoins. Cependant, lorsque l'on compare les résultats des mâles déficients similaires à ceux des mâles des groupes témoins, ces différences ne sont pas si significatives.

"Bien que les études expérimentales avec le modèle du poisson zèbre aient tendance à utiliser les deux sexes de manière mixte, cette étude montre l'importance de tenir compte du sexe de l'animal. Dans l'expérimentation animale, la réalisation d'études sur les deux sexes est décisive : jusqu'à une date relativement récente, les études - principalement sur des modèles de rats et de souris - n'étaient pas réalisées sur des femelles, et les éventuelles différences dues au sexe n'étaient pas évaluées", souligne Mme Fernàndez-Castillo.

"Heureusement - poursuit-elle -, aujourd'hui, les politiques qui incluent la perspective de genre influencent pour changer ces pratiques et nous permettent ainsi de générer une connaissance plus large qui peut être transférable à la pratique clinique chez les hommes et les femmes de manière plus large".

Des techniques innovantes pour étudier la génétique de l'autisme

L'application de techniques innovantes combinées à des techniques de surveillance in vivo de l'activité neuronale est essentielle pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans l'autisme. Dans ce contexte, l'activité neuronale a été évaluée à l'aide d'un microscope haute résolution grâce à une collaboration avec l'Institut des Sciences Photoniques (ICFO).

"Grâce à la technique CRISPR, l'édition de gènes est possible, et il est possible d'obtenir des poissons déficients en gènes de manière relativement rapide et facile. La nouvelle technique d'imagerie du cerveau entier nous permet d'étudier in vivo l'activité de tous les neurones du cerveau individuellement - ce qui n'est pas possible avec d'autres techniques ou modèles animaux - et d'améliorer notre connaissance des circuits neuronaux pendant le développement et leur affectation dans les troubles psychiatriques", note l'équipe de recherche.

D'un point de vue évolutif, les analyses menées par le professeur Jordi Garcia-Fernàndez de l'UB ont confirmé que le gène ywhaz chez le poisson zèbre est l'orthologue du gène YWHAZ chez l'homme (c'est-à-dire qu'ils partagent un ancêtre commun et ont divergé par un processus de spéciation). Le fait que ce gène n'ait pas été dupliqué dans le génome des téléosts - le groupe auquel appartient le poisson zèbre - a permis d'utiliser la déficience en ywhaz chez le poisson zèbre comme modèle pour étudier la fonction de ywhaz et son implication dans le neurodéveloppement.

L'étude a été financée par le ministère espagnol des Sciences, de l'Innovation et des Universités et par Horizon 2020 (H2020), le programme-cadre de l'Union européenne pour la recherche et l'innovation pour la période 2014-2020.