Etude moléculaire, cellulaire et clinique du gène d’autisme, d’épilepsie et de neurodéveloppement Neurobeachin/NBEA – NBElegAns

Le projet s’appuie sur un petit ver transparent appelé Caenorhabditis elegans, un organisme très utilisé en recherche pour étudier le rôle des gènes. Son cycle de vie très court permet de mener rapidement des expériences de génétique à grande échelle. Grâce à une technologie de pointe appelée CRISPR-Cas9, il est facile de modifier précisément son ADN pour y introduire les mêmes mutations que celles observées chez certains patients, supprimer des gènes ou insérer des marqueurs fluorescents visibles au microscope.

Comme C. elegans est totalement transparent, nous pouvons observer directement, dans des animaux vivants, comment ces mutations humaines influencent la quantité, la localisation ou le comportement des protéines dans les cellules. Nous visualisons également l’activité des neurones et l’organisation de leurs connexions, ce qui nous aide à mieux comprendre l’effet des mutations sur le fonctionnement du système nerveux.

Dans le cadre du projet, nous avons construit une collection de lignées modèles qui reproduisent 26 mutations différentes observées chez des patients. Ces mutations sont ensuite analysées à l’aide des outils que nous développons. Nous mettons également en évidence un nouveau rôle de la protéine SEL-2/NBEA dans certains neurones, ce qui nous permet d’utiliser ce test fonctionnel comme outil complémentaire pour étudier d’autres mutations de patients.

Nous développons en parallèle une technologie d’analyse par vidéo-microscopie. Elle repose sur l’enregistrement continu de vidéos de longue durée, combiné à une stimulation lumineuse. Cette méthode permet de mesurer en même temps plusieurs centaines de paramètres liés aux mouvements, à la forme et au comportement des vers, en utilisant le logiciel spécialisé. Grâce à cette approche, nous pouvons analyser plus finement les effets des mutations, et peut-être distinguer différentes catégories de mutations humaines.

Jusqu’à récemment, tous les cas connus du syndrome NEDEGE concernaient des mutations «?de novo?», c’est-à-dire apparues chez des enfants dont les parents ne sont pas porteurs. De nouvelles études suggère l’existence de cas familiaux. Les symptômes dans ces cas sont moins graves, ce qui montre l’importance de continuer à affiner le diagnostic clinique. Nous créons actuellement des modèles correspondant à ces nouveaux cas pour en analyser les effets grâce aux outils développés dans le projet.

Afin d’explorer de possibles pistes thérapeutiques, un projet de repositionnement de médicament est en cours, et les modèles ainsi que les méthodes que nous avons développés pourraient être utilisés pour tester des molécules prometteuses.

La découverte d’une transmission familiale possible de mutations NBEA constitue également une avancée inattendue. Jusqu’ici, cette maladie était uniquement décrite comme un trouble du développement apparaissant chez l’enfant sans antécédents familiaux.

Nos outils expérimentaux et notre savoir-faire sont désormais prêts à être utilisés rapidement pour répondre à des demandes dans un cadre clinique. À ce jour, il s’agit des seules approches disponibles, tous systèmes expérimentaux confondus, pour valider directement les effets des mutations observées chez les patients.

La Neurobeachin/NBEA est une protéine multi-domaines spécifique du cerveau, largement conservée au cours de l'évolution. Initialement identifiée comme un gène d'autisme, nous avons récemment démontré son implication dans les troubles du neurodéveloppement et l’épilepsie généralisée précoce. La majorité des 24 patients de notre cohorte sont encore jeunes. Ainsi, notre compréhension de l'histoire naturelle et de l’évolution de cette encéphalopathie est encore limitée. Il est donc essentiel de poursuivre une analyse clinique approfondie basée sur des évaluations neuropsychologiques et l'électroencéphalographie afin de délimiter précisément l'expression clinique de cette nouvelle maladie neurologique.
Alors que la plupart des patients sont porteurs d’allèles perte-de-fonction forts, on trouve également des mutations ponctuelles dans des résidus conservés. La détermination de la pathogénicité de ces variants faux-sens constitue un défi majeur, car il n'existe actuellement aucun système, cellulaire ou utilisant des modèles animaux, dans lequel des modifications d'acides aminés dans la Neurobeachin peuvent être rapidement générées et caractérisées dans leur contexte cellulaire natif.
En collaboration avec le réseau « Undiagnosed Diseases network » du NIH, nous avons pour la première fois utilisé les techniques d’édition du génome couplées à des tests fonctionnels chez le nématode Caenorhabditis elegans, pour confirmer le diagnostic moléculaire d'un patient porteur d'un variant de novo de la Neurobeachin. Nous avons ainsi démontré que la mutation de cet unique résidu, chez le ver, a le même effet que l’élimination complète de la Neurobeachin. Nos résultats ouvrent donc la voie à l'étude de l'impact fonctionnel des mutations de patients grâce aux outils génétiques disponibles chez C. elegans.
L'un des principaux objectifs de notre projet est d'établir un lien direct entre cliniciens et chercheurs afin de valider rapidement les nouveaux variants et d'évaluer leur sévérité. Cela permettra de s'assurer que les patients sont correctement diagnostiqués et inclus dans notre cohorte, ce qui est essentiel pour définir clairement cette pathologie très rare.
Ainsi, nous créerons des lignées de C. elegans pour chaque patient. Nous mettrons au point et affinerons des tests quantitatifs pour évaluer les effets de ces mutations. Nous utiliserons des techniques d’électrophysiologie et d’optogénétique pour étudier l'impact direct des mutations de patients sur la fonction neuronale. Toutes ces approches nous permettront de distinguer les altérations fonctionnelles précises causées par chaque mutation.
Nous étudierons également la Neurobeachin au niveau moléculaire et cellulaire. En effet, nous ne connaissons que quelques protéines qui interagissent physiquement ou fonctionnellement avec la Neurobeachin. En outre, les fonctions spécifiques de chaque domaine protéique de la Neurobeachin sont très mal connues. Nous utiliserons donc des approches gène candidat et des stratégies de criblage génétique chez C. elegans pour identifier de nouveaux facteurs conservés qui interagissent physiquement ou fonctionnellement avec la Neurobeachin.
Les altérations de la connectivité neuronale sont un aspect essentiel des maladies neurodéveloppementales, de l'épilepsie et de l'autisme. À ce jour, on connaît très mal le rôle de la Neurobeachin dans l'élaboration des réseaux neuronaux. C. elegans est un modèle d’étude idéal dans ce domaine car la structure de son système nerveux est bien décrite et très reproductible, ce qui facilite l’étude des processus de guidage axonal et du développement synaptique. Nous évaluerons ainsi l'impact des mutations de patients sur l'architecture et la fonction du système nerveux de C. elegans pour modéliser les effets possibles de ces mutations au cours du développement et lors du fonctionnement des réseaux neuronaux chez les vertébrés.