Avec des génomes fracturés, les neurones d’Alzheimer appellent à l’aide

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire du MIT fournit des preuves à partir de modèles de souris et de tissus humains post-mortem d’un lien direct entre deux problèmes qui émergent dans la maladie d’Alzheimer : une accumulation de cassures double brin (DSB) dans le L’ADN des neurones et le comportement inflammatoire de la microglie, les cellules immunitaires du cerveau.

Une nouvelle découverte clé est que les neurones déclenchent activement une réponse inflammatoire à leurs dommages génomiques. Les neurones ne sont pas connus pour signaler le système immunitaire du cerveau dans la maladie d’Alzheimer, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Gwyneth Welch, ancienne étudiante diplômée du MIT Brain and Cognitive Sciences dans le laboratoire de l’auteur principal Li-Huei Tsai.

« Il s’agit d’un nouveau concept en neurosciences : l’idée que les neurones peuvent activer une activité inflammatoire en réponse à des dommages à l’ADN », a déclaré Welch. « L’idée générale était que les neurones ont une relation plus passive avec la microglie concernant la neuroinflammation associée à l’âge. »

Au lieu de cela, ce que Welch, Tsai et les co-auteurs rapportent dans Avancées scientifiques est que les neurones faisant face au montage des DSB passent par des étapes consistant à essayer d’abord de réparer leur ADN fracturé, puis, lorsqu’il échoue apparemment, à envoyer via des signaux moléculaires à la microglie, qui a répondu en adoptant un état plus inflammatoire. Dans des expériences où les scientifiques ont interrompu la signalisation immunitaire, ils ont empêché la microglie d’entrer dans cet état et de dégrader les connexions des circuits neuronaux, ou synapses.

Les membres du laboratoire de Tsai étudient les DSB dans le contexte de la maladie d’Alzheimer depuis plus d’une décennie. Tsai a déclaré que les nouvelles découvertes ajoutent à la compréhension émergente du rôle qu’ils jouent dans la maladie d’Alzheimer.

« Nous nous intéressons depuis longtemps à la compréhension des ruptures d’ADN dans les neurones », a déclaré Tsai, professeur Picower de neurosciences et fondateur de l’Aging Brain Initiative du MIT. « Nous avons précédemment montré que les cassures double brin de l’ADN sont nécessaires à l’induction de l’expression génique régulée par l’activité dans les neurones, mais nous avons également observé de profonds dommages à l’ADN dans les neurones aux premiers stades de la neurodégénérescence.

« Nous savons maintenant que les neurones endommagés par l’ADN présentent des phénotypes sénescents et jouent un rôle actif dans le déclenchement d’une réponse immunitaire de la microglie et peut-être des astrocytes », a déclaré Tsai. « Ceci est médié par l’activation du facteur de transcription NFkappaB. De plus, nous avons identifié deux cytokines sécrétées par des neurones endommagés pour recruter la microglie et déclencher une réponse microgliale. Surtout, nous montrons que l’inhibition de NFkappaB a sauvé la perte synaptique dans la neurodégénérescence, élucidant davantage l’impact de réponse neuroimmune sur l’intégrité synaptique et la fonction cognitive. »

Dans sa recherche de thèse, Welch a utilisé le modèle de souris « CK-p25 » du laboratoire de la maladie d’Alzheimer, dans lequel la pathologie de la maladie peut être induite. , devenant notablement réduite de six semaines. Pendant ce temps, ces neurones ont également perdu leur capacité à exprimer un marqueur standard de l’identité neuronale. Welch s’est rendu compte qu’il semblait y avoir des étapes dans le processus de gestion des DSB. Les premiers neurones ont peu de DSB et une identité forte (baseline), puis des DSB élevés sans perte d’identité (étape 1), puis des DSB élevés et une perte d’identité neuronale (étape 2).

Les transcriptions racontent l’histoire

Pour comprendre ce que les cellules faisaient différemment à chaque étape, Welch et l’équipe ont utilisé plusieurs technologies de « transcriptomique », qui suivent les différences d’expression des gènes. Ses analyses ont révélé que les gènes d’identité neuronale étaient les plus fortement exprimés au départ, que les gènes de réparation de l’ADN étaient puissants au cours de l’étape 1 et que les gènes de signalisation immunitaire étaient particulièrement importants au cours de l’étape 2.

Parmi les gènes de signalisation immunitaire figuraient ceux régis par le régulateur maître de la transcription NFkappaB. Ceux-ci comprenaient les cytokines Ccl2 et Cxcl10.

Pour voir si ces changements étaient dus spécifiquement aux DSB, Welch a traité les neurones en l’absence de toute pathologie induite avec un produit chimique appelé étoposide qui provoque les DSB. Des modèles d’expression génique similaires évidents chez les souris induites ont été récapitulés chez celles traitées avec l’étoposide. Et lorsque Welch a également examiné l’expression des gènes dans le cerveau des personnes atteintes de DSB et atteintes de la maladie d’Alzheimer, elle a également découvert de nombreux chevauchements importants.

« Nous avons découvert que les signatures génétiques de stade 1 et de stade 2 étaient actives dans les neurones humains porteurs de DSB », ont écrit elle et ses co-auteurs. « Cette signature immunitaire neuronale a été encore amplifiée dans le contexte de la pathologie de la MA, suggérant qu’elle pourrait jouer un rôle fonctionnel dans la neuroinflammation associée à la maladie. »

Un grand rôle pour la microglie

Après avoir établi que les neurones atteints de DSB utilisent NFkappaB pour envoyer des signaux immunitaires tels que Ccl2 et Cxcl10, Welch et l’équipe ont ensuite demandé quel était l’effet. Étant donné que le laboratoire en 2017 avait caractérisé une réponse inflammatoire de stade avancé de la part de la microglie dans la maladie d’Alzheimer, ils ont émis l’hypothèse que les neurones pourraient être responsables.

Pour cette analyse, Welch a utilisé la transcriptomique spatiale. Elle a divisé les cerveaux de souris non induits et induits en plusieurs zones et a évalué chaque zone en fonction de la force de leur signal DSB. Ensuite, elle a analysé la transcription des gènes dans chaque zone et a découvert que les emplacements avec des DSB élevés avaient également beaucoup plus de microglie dans un état inflammatoire que les emplacements avec des DSB faibles. Ils ont également pu imager directement cette relation, ce qui a permis d’observer que la microglie inflammatoire (mise en évidence par des corps cellulaires anormalement grands) était co-localisée avec des neurones à haut DSB.

Pour tester davantage l’hypothèse, ils ont perturbé la transcription régulée par NFkappaB dans les neurones en interférant avec un rouage moléculaire clé dans cette machinerie appelée p65. Cette étape a entraîné une prolifération réduite de la microglie et une réduction de la taille du corps cellulaire de la microglie. Il a également induit des changements bénéfiques dans l’expression des gènes de la microglie, les rendant plus compatibles avec leur état « homéostatique » normal.

Dans d’autres expériences, ils ont découvert que les neurones traités à l’étoposide exprimaient Cxcl10 et Ccl2 mais que la perturbation de NFkappaB réduisait cette expression. Ils ont également constaté que l’épuisement des deux molécules du cerveau empêchait également la microglie de devenir réactive.

Et en regardant les neurones, ils ont vu que même si la suppression de l’activité de NFkappaB ne les empêchait pas de mourir, cela préservait les connexions de circuit, ou les synapses, sur les neurones qui restaient en vie. C’est important parce que ces connexions de circuit sous-tendent la fonction cérébrale et que la microglie est connue pour les élaguer.

Parce que NFkappaB est connu pour aider à prévenir la mort cellulaire (ce qui explique peut-être pourquoi le faire tomber n’a pas empêché les neurones de mourir), Welch a déclaré que le faire tomber n’est probablement pas une stratégie thérapeutique.

« C’est plus une preuve de principe que si vous désactivez un interrupteur majeur pour l’inflammation, cela changera la façon dont la microglie et les neurones interagissent », a-t-elle déclaré. « Si votre objectif est de cibler les voies inflammatoires, se concentrer sur des molécules de signalisation spécifiques pourrait être le moyen le plus précis d’intervenir. »

Outre Welch et Tsai, les autres auteurs de l’article sont Carles Boix, Eloi Schmauch, Jose Davila-Velderrain, Matheus Victor, Vishnu Dileep, P. Lorenzo Bozzelli, Qiao Su, Jemmie D. Cheng, Audrey Lee, Noelle S. Leary, Andreas R. Pfenning et Manolis Kellis.

Les National Institutes of Health, CureAlz, la Glenn Foundation et la JPB Foundation ont financé la recherche.

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