Rôle de DLX5/6 dans les neurones GABAergiques: décryptage de l'interaction métabolisme/comportement. – METABRAIN

Pour comprendre comment certains circuits du cerveau peuvent influencer à la fois le comportement, le métabolisme et le vieillissement, METABRAIN a combiné plusieurs approches complémentaires, allant des gènes à l’animal entier.

Le cœur du projet repose sur un modèle de souris génétiquement modifié dans lequel les gènes Dlx5 et Dlx6 sont inactivés spécifiquement dans certains neurones inhibiteurs du cerveau, les neurones GABAergiques. Ce modèle permet d’étudier les conséquences d’une modification ciblée du fonctionnement cérébral sans altérer directement les autres organes.

Les chercheurs ont ensuite étudié les animaux à plusieurs niveaux. Des tests comportementaux ont permis d’analyser l’activité, l’anxiété, les comportements répétitifs, les interactions sociales et la communication. Le métabolisme a été étudié en mesurant notamment le poids, la masse grasse, la consommation alimentaire, la dépense énergétique et la régulation du glucose.

Pour comprendre ce qui se passe directement dans le cerveau, le projet a utilisé l’imagerie des tissus, l’immunomarquage et l’analyse de marqueurs moléculaires afin d’identifier les neurones concernés et leur environnement. Une attention particulière a été portée aux interneurones à parvalbumine et aux « filets périneuronaux » qui entourent certains neurones et contribuent à stabiliser leurs connexions.

Enfin, l’électrophysiologie et les enregistrements EEG ont permis de mesurer l’activité des neurones et les rythmes cérébraux, notamment les oscillations gamma associées au fonctionnement coordonné des réseaux neuronaux.

En combinant génétique, comportement, métabolisme, imagerie et activité cérébrale, METABRAIN a ainsi pu relier des changements moléculaires précis à leurs effets sur le fonctionnement global de l’organisme.

METABRAIN a montré que les gènes Dlx5 et Dlx6, actifs dans certains neurones inhibiteurs du cerveau, jouent un rôle bien plus large que prévu. Ils ne participent pas seulement au développement cérébral : chez l’adulte, ils contribuent aussi au fonctionnement des réseaux neuronaux, au comportement et au métabolisme.

Chez la souris, la diminution de l’activité de Dlx5/6 dans les neurones GABAergiques modifie plusieurs fonctions importantes : composition corporelle, utilisation de l’énergie, sensibilité au glucose, comportements sociaux et certaines formes de communication. De façon particulièrement marquante, ces animaux présentent également une augmentation importante de la longévité, suggérant qu’une modification ciblée du cerveau peut influencer le vieillissement de l’ensemble de l’organisme.

Le projet a aussi révélé que Dlx5/6 contribuent au bon fonctionnement des interneurones à parvalbumine, des cellules essentielles à la coordination de l’activité cérébrale. Leur modification affecte l’environnement de ces neurones, notamment les filets périneuronaux, ainsi que certaines oscillations cérébrales rapides impliquées dans la communication entre réseaux neuronaux.

Un autre résultat inattendu est que Dlx5/6 restent modulables chez l’adulte : leur expression peut être rapidement modifiée par des signaux liés à la plasticité cérébrale, notamment après traitement par la fluoxétine.

Dans leur ensemble, ces résultats soutiennent une idée nouvelle : le cerveau ne subit pas seulement le vieillissement, il peut aussi contribuer à en régler le rythme.

La principale perspective ouverte par METABRAIN est de mieux comprendre comment le cerveau peut influencer la vitesse du vieillissement de l’ensemble du corps.

Les prochaines étapes consisteront d’abord à identifier plus précisément les neurones et les régions cérébrales responsables des effets observés sur le comportement, le métabolisme et la longévité. L’objectif sera également de comprendre comment ces circuits communiquent avec les organes périphériques, par exemple par les voies hormonales, nerveuses ou métaboliques.

Une autre priorité sera d’étudier plus finement les interneurones à parvalbumine, les filets périneuronaux et les rythmes cérébraux, afin de déterminer comment leur fonctionnement évolue avec l’âge et comment il pourrait contribuer à maintenir un cerveau plus résilient.

À plus long terme, il sera essentiel de savoir si les mécanismes découverts chez la souris existent également chez l’être humain. Cette question pourra être abordée grâce aux grandes bases de données humaines, aux cellules souches pluripotentes induites (iPSC) et à de nouveaux modèles expérimentaux, notamment les systèmes « organ-on-chip », qui permettent de reproduire en laboratoire certaines interactions entre cerveau et organes.

L’objectif n’est pas de chercher un unique « gène de la longévité », mais de comprendre comment des états fonctionnels du cerveau peuvent favoriser ou au contraire accélérer le vieillissement. Ces travaux pourraient à terme aider à identifier de nouveaux marqueurs du vieillissement en bonne santé et de nouvelles stratégies de prévention.

L’état métabolique est l'un des principaux déterminants du vieillissement en bonne santé et de l'espérance de vie. Le cerveau contrôle le métabolisme grâce à l'activité de réseaux neuronaux qui intègrent les signaux hormonaux des organes périphériques et induisent des réponses comportementales et métaboliques. Nous avons montré que la réduction de l'expression de Dlx5/6 dans les neurones GABAergiques affecte simultanément le comportement et le métabolisme, et prolonge la durée de vie en bonne santé.
METABRAIN vise à élucider les mécanismes physiopathologiques qui lient le comportement et la cognition au métabolisme et à l'homéostasie énergétique.
Dlx5 et Dlx6 sont deux facteurs de transcription exprimés par les neurones GABAergiques corticaux, striataux et hypothalamiques. Dans le projet ANR METACOGNITION, nous avons montré que l'inactivation de Dlx5/6 dans les neurones GABAergiques chez la souris (souris Dlx5/6VgatCre) entraîne:
1) une diminution de l’adiposité des souris adultes
2) une réduction de comportements anxieux et obsessionnels compulsifs et
3) une extension de 33% de la durée de vie en bonne santé.
Ces résultats impliquent que les neurones GABAergiques peuvent réguler le métabolisme, le comportement, la santé et la durée de vie grâce à des mécanismes dépendants de Dlx5/6. Ces mécanismes demeurent inconnus.
Notre projet est fondé sur des résultats préliminaires récents :
- Malgré la forte réduction de la graisse corporelle, les souris Dlx5/6VgatCre présentent une consommation accrue de calories par poids corporel, partiellement contrebalancée par une dépense énergétique accrue, un métabolisme du glucose amélioré et une sensibilité élevée à l'insuline. Par ailleurs, les souris Dlx5/6VgatCre ne répondent pas au facteur orexigène ghréline.
- Les souris Dlx5/6VgatCre présentent une diminution des ondes cérébrales gamma, des périodes de sommeil plus courtes, un profil de vocalisation modifié, une mémoire de travail réduite et une réponse motrice accrue à une injection de cocaïne.
- Pendant le vieillissement normal du cerveau, l'expression relative des deux isoformes de Dlx5 est inversée.

L’objectif de METABRAIN est de comprendre les mécanismes régionaux, cellulaires et moléculaires impliqués dans ces phénotypes.
Notre plan de travail est structuré autour des tâches suivantes :
- Nous effectuerons un phénotypage comportemental et métabolique de souris dans lesquelles Dlx5/6 seront inactivés ou surexprimés dans des zones cérébrales spécifiques par l’apport local de Cre-recombinase par vecteurs viraux. Nous ciblerons le cortex préfrontal, le striatum et des noyaux hypothalamiques spécifiques.
- Nous analyserons les processus physiologiques et électrophysiologiques supportant les phénotypes comportementaux et métaboliques.
- Nous évaluerons les mécanismes soutenant la résilience métabolique des souris Dlx5/6VgatCre à l'obésité et au diabète en étudiant leurs rôles dans les neurones hypothalamiques et dans leur capacité à associer le circuit de récompense au contrôle métabolique, et le traitement sensoriel à la réponse métabolique.
- Nous analyserons les trajectoires de vieillissement de nos souris et déterminerons l'état de méthylation de l'ADN Dlx5/6 pendent le vieillissement.
- Pour déterminer les conséquences transcriptionnelles de l'invalidation de Dlx5/6 dans les neurones GABAergiques, nous utiliserons l'analyse ARN-Seq sur noyaux cellulaires uniques sn-RNAseq sur des régions cérébrales adultes disséquées de plus, nous étudierons le rôle de Dlx5/6 dans l’organisation chromatinienne (ATAC-Seq).
- Nous utiliserons la spectroscopie de masse et la modélisation moléculaire pour comprendre la fonction des complexes protéiques contenant Dlx5, MAGED1 et / ou NECDIN (un gène associé au syndrome de Prader-Willi partenaire du complexe Dlx5).
METABRAIN aura un impact potentiel pour la nutrition des enfants et des adultes, sur des maladies rares telles que le syndrome de Prader-Willi et sur les comorbidités liées à l'âge.