Recherche translationnelle sur les maladies neurodéveloppementales causés par une déficience du système ubiquitine-protéasome – UPS-NDDecipher

Le projet a combiné génétique clinique, reprogrammation cellulaire, édition du génome, différenciation neuronale, imagerie avancée et bio-informatique intégrative.

Des cellules sanguines de patients ont été reprogrammées en cellules souches pluripotentes induites (hiPSC), puis corrigées ou modifiées par CRISPR-Cas9 pour générer des lignées mutantes et des contrôles isogéniques. Au total, 30 lignées hiPSC ont été produites et validées, dépassant l’objectif initial de 24 lignées, avec extension du spectre génétique étudié. Ces lignées ont été différenciées en progéniteurs neuraux, neurones corticaux glutamatergiques et, pour certaines, en organoïdes cérébraux 3D afin d’explorer le développement cérébral dans un contexte plus physiologique.

Les phénotypes ont été étudiés par microscopie et analyses fonctionnelles, puis mis en regard de données multi-omiques incluant RNA-seq, miRNA-seq, ATAC-seq, ChIP-seq et protéomique quantitative par spectrométrie de masse.

Le projet s’est aussi appuyé sur une biocollection dédiée, BioTND-UPS, comprenant plus de 450 individus (200 patients), afin de relier les observations des modèles neuronaux à des biomarqueurs détectables dans les cellules sanguines.

Le projet a dépassé ses objectifs initiaux en générant 30 lignées hiPSC couvrant plusieurs gènes UPS, avec des modèles robustes pour l’étude des mécanismes pathogéniques.

Les analyses ont mis en évidence des phénotypes cellulaires distincts selon les gènes mutés, notamment des défauts de prolifération et d’extension neuritique pour CUL4B, un retard de différenciation et des anomalies d’organoïdes pour PSMC5, ainsi que des altérations du développement cérébral précoce dans des modèles PSMC3.

Les approches multi-omiques ont révélé des signatures moléculaires convergentes, incluant des altérations de gènes impliqués dans la neuritogenèse, des défauts d’assemblage ou d’interaction du protéasome, et une activation de la réponse interféron de type I. Cette signature interféron a été confirmée dans les lymphocytes T de patients porteurs de variants dans plusieurs gènes étudiés, ce qui en fait un biomarqueur translationnel particulièrement prometteur.

Le projet a également conduit à des publications majeures dans des revues internationales de premier plan, dont Science Translational Medicine, Nature Communications, American Journal of Human Genetics et Genetics in Medicine.

A court terme, le projet se poursuit par la finalisation des analyses multi-omiques, l’approfondissement de la caractérisation des organoïdes cérébraux et la validation fonctionnelle des biomarqueurs identifiés.

A moyen terme, l’objectif est de développer des essais de criblage phénotypique fondés sur ces biomarqueurs afin d’évaluer des composés actifs ciblant les voies dérégulées, en particulier avec le soutien de collaborations internationales déjà établies.

A plus long terme, ces travaux pourraient déboucher sur des tests diagnostiques périphériques simples, fondés sur des cellules sanguines, et ouvrir la voie à des stratégies thérapeutiques ciblées pour ces maladies rares.

Le projet a en outre structuré un réseau international et servi de levier pour l’obtention de financements complémentaires majeurs, renforçant durablement la recherche translationnelle sur les TND-UPS.

Le système ubiquitine-protéasome (UPS) constitue l'une des principales voies eucaryotes assurant la dégradation intracellulaire des protéines mal repliées, oxydées, endommagées et/ou devenues inutiles. Les protéines dénaturées à dégrader sont spécifiquement marquées par des chaînes d'ubiquitine, avant d'être adressées au protéasome 26S qui assure leur hydrolyse. L'UPS est essentiel au développement et au fonctionnement neuronal, et la plupart des quelques 1200 gènes qui contribuent à cette voie de dégradation protéique sont fortement exprimés dans le cerveau. Leurs variants pathogènes sont responsables d'environ 10 à 15 % des troubles du neuro-développement (NDD pour neurodevelopmental disorders). Cependant, du fait la découverte relativement récente des NDD liées à l’UPS (UPS-NDD), on ignore encore pratiquement tout de la manière dont les variants génétiques de l'UPS peuvent entraîner un développement cérébral anormal.

Le projet UPS-NDDecipher a été conçu pour répondre à cette question. Son objectif est de décoder le mécanisme physiopathologique de six UPS-NDD causéés par des variants génétiques pathogènes dans USP7, CUL4B, PSMD12, PSMC3, PSMC5 ou BAP1. L'approche transdisciplinaire suivie dans le projet combinera des méthodes de pointe en matière de reprogrammation et de différenciation cellulaire, de neuro-imagerie et de génomique fonctionnelle appliquées aux cellules de patients. La mise en œuvre du projet est rendue possible par le réseau de contacts établi au préalable par les membres du consortium UPS-NDDecipher avec des généticiens cliniques, des scientifiques et des associations de patients et qui a permis d'initier une biocollection dédiée aux UPS-NDDs. L'apparition d'anomalies morphologiques sera surveillée pendant la différenciation de neurones glutamatergiques dérivés de cellules souches pluripotentes induites (hiPSC) de patients et la culture de lignées cellulaires hippocampales de souris. En outre, une signature moléculaire spécifique de l'UPS-NDDS sera recherchée par l’analyse multi-omique intégrative comparée de lignées neuronales dérivées d’hiPSC de patients et de lignées isogéniques correspondantes. Une fois qu'une signature moléculaire spécifique aux six UPS-NDDs aura été identifiée, des molécules actives sélectionnées seront testées pour leur capacité à restaurer une dégradation normale des protéines UPS dans les cellules mutantes. L'objectif ultime du projet est donc d'ouvrir la voie à des études précliniques et, espérons-le, d'offrir des perspectives thérapeutiques aux patients.