Un chercheur discute du mécanisme derrière une anomalie congénitale affectant la taille du cerveau

Un chercheur discute du mécanisme derrière une anomalie congénitale affectant la taille du cerveau

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La désintégration de l'ARN non-sens, ou NMD, est un mécanisme moléculaire conservé au cours de l'évolution dans lequel les ARN messagers, ou ARNm (matériel génétique qui indique à l'organisme comment fabriquer des protéines), potentiellement défectueux, sont dégradés. La perturbation de la voie NMD peut entraîner des troubles neurologiques, des maladies immunitaires, des cancers et d’autres pathologies. Des mutations dans les régulateurs NMD humains sont observées dans les troubles du développement neurologique, notamment l'autisme et la déficience intellectuelle.

La raison pour laquelle les mutations NMD s’enrichissent dans les troubles du développement neurologique reste un mystère. Sika Zheng, professeur de sciences biomédicales à l'École de médecine et directeur fondateur du Centre de biologie et de médecine de l'ARN à l'Université de Californie à Riverside, a mené une étude publiée dans la revue Neuronequi révèle le mécanisme cellulaire moléculaire sous-jacent à la régulation NMD de la taille du cerveau et à son dérégulation provoquant une microcéphalie, une condition dans laquelle la tête d'un bébé est beaucoup plus petite que prévu.

Les découvertes de l'équipe suggèrent que le maintien de la fonction neuronale NMD est essentiel au développement précoce du cerveau afin de prévenir la microcéphalie. Selon Zheng, la modulation des cibles NMD peut constituer un traitement potentiel pour la microcéphalie et d’autres maladies neurodéveloppementales associées.

L'étude explique les rôles fonctionnels du NMD dans le développement du cerveau et l'action mécaniste sous-jacente. Cela démontre également pour la première fois le lien entre la régulation de la dégradation de l’ARNm et le contrôle de la taille du cerveau. De plus, cela révèle le lien complexe entre le NMD et le gène suppresseur de tumeur le plus célèbre, p53, suggérant de nouveaux liens possibles entre le NMD et le cancer.

Le titre du document de recherche est « Interactions épistatiques entre le NMD et le contrôle TRP53 du maintien des cellules progénitrices et de la taille du cerveau ». Zheng a été rejoint dans l'étude par Liang Chen de l'Université de Californie du Sud, Chun-Wei Chen de City of Hope, Gene Yeo de l'UC San Diego et des membres de leurs laboratoires.

Ci-dessous, Zheng répond aux questions sur la recherche.

Pourquoi a-t-il été difficile de comprendre pourquoi les mutations NMD sont enrichies en troubles neurodéveloppementaux ?

En tant que mécanisme de surveillance, NMD cible l’ARNm défectueux résultant de mutations aléatoires ou d’erreurs de traitement de l’ARN. Ce caractère aléatoire ne devrait pas créer de caractéristiques idiosyncratiques de troubles neurodéveloppementaux associés aux facteurs NMD.

De plus, la NMD se produit dans tous les types de cellules et de tissus, mais le cerveau semble particulièrement vulnérable aux défauts de la NMD. Des modèles animaux de défauts NMD spécifiques aux neurones, suivis d'une enquête mécaniste approfondie, sont nécessaires pour comprendre pourquoi les mutations NMD sont enrichies en troubles neurodéveloppementaux, ce qui n'a pas été réalisé jusqu'à présent, en partie à cause de la complexité du développement cérébral et des défis techniques. de disséquer les substrats fonctionnels du NMD.

Comment avez-vous identifié le mécanisme cellulaire moléculaire sous-jacent à la régulation NMD de la taille du cerveau et à sa dérégulation provoquant la microcéphalie ?

Nous avons généré divers modèles animaux présentant un déficit en NMD en éliminant un facteur NMD clé, Upf2, dans différents types de cellules, et avons déterminé leurs différences phénotypiques. Nous avons constaté que le déficit en NMD a davantage d'impacts sur les progéniteurs neuronaux prolifératifs, ce qui est cohérent avec l'idée selon laquelle la fonction du NMD est essentielle au développement précoce du cerveau et ses mutations sont enrichies en troubles du développement neurologique.

Surtout, nous avons montré qu’un déficit en NMD dans les cellules progénitrices provoque une microcéphalie, une nouvelle découverte qui relie une voie de désintégration du NMD au contrôle de la taille du cerveau. Pour disséquer les mécanismes sous-jacents et déterminer les substrats fonctionnels du NMD à l’origine de ces phénotypes, nous avons appliqué des technologies de pointe, notamment le criblage CRISPR, RNA-Seq, CLIP-seq et RNA-seq unicellulaire. Ce n’est que grâce à cette approche intégrative que nous avons réussi à révéler les fondements moléculaires.

Une fois que nous avons trouvé le phénotype de la microcéphalie, nous avons utilisé des modèles de culture cellulaire primaire pour définir les défauts de croissance du knock-out Upf2, ou Upf2KO, chez les progéniteurs neuraux. Ensuite, nous avons appliqué le criblage CRISPRi pour identifier les gènes dont la perturbation peut interférer avec le défaut de croissance des PNJ Upf2KO.

Parmi les centaines de gènes que nous avons criblés, nous avons identifié quelques candidats et suivi le meilleur candidat, p53, bien connu pour être un gène suppresseur de tumeur qui contrôle la croissance cellulaire. Par la suite, nous avons utilisé diverses approches unicellulaires et technologies transcriptomiques pour déterminer précisément comment NMD et p53 se croisent pour contrôler la croissance cellulaire.

L'identification de p53 à partir du criblage CRISPRi a été une surprise pour nous car p53 est l'un des gènes les plus étudiés, et beaucoup supposent que ses interactions génétiques sont déjà identifiées et que NMD ne figure pas sur cette liste. Deuxièmement, nous avons montré [that] le déficit en Trp53, un gène qui code pour p53 (ou TRP53), n'a pas globalement inversé l'inhibition du NMD pour sauver les défauts de croissance.

Au lieu de cela, nos résultats suggèrent que l'activité TRP53 croise la voie NMD pour réguler la progression du cycle cellulaire des progéniteurs neuronaux. Cette intersection représente une très petite proportion des substrats NMD, ce qui indique que la plupart des substrats NMD ont des impacts fonctionnels marginaux sur la croissance cellulaire.

L'étude a été réalisée à l'aide de cellules de souris. Pouvons-nous dire que les résultats seraient reproduits dans des cellules humaines ?

Oui. La voie NMD est conservée au cours de l'évolution et le facteur clé sur lequel nous nous sommes concentrés dans l'étude, UPF2, est conservé entre l'homme et la souris. D'autres acteurs moléculaires que nous avons identifiés dans cette étude sont également conservés. Leur relation régulatrice a été reproduite dans les cellules humaines.

Quelle est la prochaine étape pour l’équipe de recherche ?

Nous prévoyons de construire des cellules souches humaines portant des mutations NMD, afin de pouvoir modifier l'activité NMD avec des médicaments ou réguler les cibles NMD pour sauver les phénotypes dans les neurones humains. De plus, nous explorerons si le nouveau rôle du NMD contribue à l'expansion de la taille du cerveau au cours de l'évolution.

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