Examiner la partie sombre du génome pour trouver les causes développementales des troubles du visage

Elizabeth Engle, MD, a consacré sa carrière à la recherche des causes génétiques et développementales des troubles des mouvements des yeux, des paupières et du visage. Qu’il s’agisse d’affections courantes comme le strabisme ou de troubles très rares, ces affections peuvent avoir un impact sur l’apparence d’une personne et altérer la communication sociale, rendant difficile le déplacement des yeux vers le haut, le bas ou sur les côtés ou l’ajustement des expressions faciales.

Chaque découverte dans le laboratoire d’Engle offre une réponse aux familles. C’est également une fenêtre sur le cerveau, en particulier sur le développement des nerfs et des motoneurones qui innervent les muscles des yeux et du visage.

Aujourd’hui, après près d’une décennie, l’équipe d’Engle du centre de neurobiologie FM Kirby de l’hôpital pour enfants de Boston a percé un mystère auparavant impénétrable : la cause génétique d’une maladie appelée parésie faciale congénitale héréditaire de type 1 (HCFP1). L’étude est publiée dans la revue Génétique naturelle.

HCFP1 provoque une légère faiblesse faciale qui rend difficile pour les bébés et les enfants de sourire brillamment, de pincer les lèvres, de sucer et de siroter des pailles. Bien qu’elle soit bénigne et très rare, cette maladie a ouvert la porte à un domaine peu connu de la génétique : les troubles causés par des mutations héréditaires dans la « matière noire » du génome.

Une catégorie rare de maladie génétique

Les causes génétiques les plus connues des maladies héréditaires proviennent de variantes génétiques : 1 à 2 % de notre génome, également connu sous le nom d’exome, qui fournit le code permettant de fabriquer des protéines. Mais dans le reste du génome – la matière noire – se trouvent d’importants éléments non codants qui régulent les gènes et peuvent influencer la maladie.

“Bien que nous ne disposions que d’environ 20 000 gènes, les éléments régulateurs non codants fournissent de nombreuses informations supplémentaires, modulant l’expression des gènes en activant ou désactivant des gènes dans des types de cellules spécifiques à des moments précis”, explique Engle.

Les troubles héréditaires monogéniques impliquant des variations non codantes restent pour la plupart sous-explorés, en partie parce que nous ne savons pas encore comment interpréter la plupart des variations dans le vaste espace non codant. Le nouveau travail fournit un exemple rare qui pourrait éclairer les futures découvertes génétiques pour d’autres troubles.

Examiner les variantes génétiques des familles

L’équipe a commencé avec neuf familles de la base de données du laboratoire Engle et cinq familles de collaborateurs aux Pays-Bas. La cartographie des liaisons dans les familles néerlandaises avait identifié la zone générale du génome qui semblait liée à HCFP1. Les familles avaient eu un séquençage de l’exome complet, mais comme celui-ci n’inclut que les parties codantes du génome, le séquençage s’est révélé vide.

L’équipe d’Engle a utilisé le séquençage du génome entier, qui a révélé que cinq familles possédaient un gros morceau d’ADN dupliqué. Les points de début et de fin de cet article variaient, mais dans les cinq familles, il contenait trois éléments réglementaires non codants. Les neuf autres familles présentaient des variantes nucléotidiques uniques (SNV) – des modifications d’une seule « lettre » dans le code génétique – le tout dans l’un des trois éléments régulateurs.

“C’est un peu une énigme, car nous considérons généralement les duplications d’ADN comme une augmentation de l’expression des gènes et les SNV comme une diminution de la fonction des gènes”, explique Engle. “Nous avons dû comprendre le mécanisme par lequel ces duplications et SNV aboutissaient au même phénotype facial et déterminer quel gène ces éléments régulateurs ciblaient.”

Ils ont découvert que les trois régulateurs sont situés à proximité de GATA2, un gène connu pour aider à spécifier la production de différents types de cellules dans le sang et le système nerveux. Cela soulève la question : les trois régulateurs agissent-ils sur GATA2 ? L’équipe d’Engle soupçonnait que c’était le cas, et que deux expressions GATA2 améliorées et une étaient réduites au silence.

Suivre les parcours de développement des cellules

C’est là que beaucoup de travail est intervenu. À l’aide de modèles de souris et d’outils tels que le séquençage d’ARN unicellulaire et CUT&Tag pour profiler les cellules à différents moments, l’équipe a commencé à comprendre comment les variantes des éléments régulateurs de l’ADN conduisent à une faiblesse faciale.

Premièrement, ils ont découvert que les éléments régulateurs sont actifs au début du développement cérébral, dans un endroit du cerveau postérieur où naissent deux types de cellules : les motoneurones du visage et les neurones efférents de l’oreille interne (impliqués dans le filtrage des sons forts et du bruit de fond).

“Notre hypothèse était que les efférents de l’oreille interne naissent en premier et dépendent de l’activation de GATA2 par les amplificateurs, et qu’environ un jour plus tard, le silencieux arrête GATA2 et les motoneurones faciaux sont créés”, explique Engle. “Nous pensions que les duplications d’ADN pourraient augmenter l’activité amplificatrice tandis que les SNV pourraient réduire l’activité de silençage, ce qui conduirait tous deux à la production de plus d’efférents de l’oreille interne et de moins de motoneurones faciaux.”

Des expériences méticuleuses ont montré que cela était vrai. “Le nombre combiné de cellules est resté inchangé, mais la prolongation de l’expression de GATA2 a augmenté les efférents de l’oreille interne au détriment des motoneurones faciaux”, explique Alan Tenney, Ph.D., l’un des chercheurs postdoctoraux du laboratoire d’Engle qui a dirigé l’étude. .

Une explication pour HCFP1

En bref, l’équipe a montré que les mutations génétiques empêchent les gens de produire suffisamment de motoneurones au cours du développement pour innerver correctement les muscles du visage, les laissant relativement faibles.

“Pour résoudre des questions comme celle-ci, il faut une équipe composée de personnes possédant de multiples domaines d’expertise complémentaires”, explique Engle. “Nous pensons que notre travail fournit un exemple de la manière de démêler la génétique et les mécanismes des troubles héréditaires impliquant des variations non codantes. La clé est ce que vous choisissez de vous attaquer : quelles variantes non codantes sont suffisamment convaincantes pour passer les cinq prochaines années de recherche. votre vie enquêtant.”