L’analyse révèle un «élagage» excessif de connexions entre les neurones dans le cerveau prédisposé à la schizophrénie

Cambridge, Massachusetts (États-Unis), 26 janvier 2016

Une étude, basée sur l’analyse génétique de près de 65 000 personnes, a révélé que le risque de schizophrénie est augmenté si elles héritent des variantes spécifiques dans un gène lié à « l’élagage synaptique » — la suppression des connexions entre les neurones. Les résultats représentent la première fois que l’origine de cette maladie psychiatrique dévastatrice a été causalement liée à des variantes de gènes spécifiques et un processus biologique. Ils aident également à expliquer de vieilles observations : l’élagage synaptique est particulièrement actif durant l’adolescence, qui est la période typique de l’apparition des symptômes de schizophrénie, et les cerveaux de patients schizophrènes, tendent à montrer moins de connexions entre les neurones. Le gène, appelé composant 4 du complément (C4), joue un rôle bien connu dans le système immunitaire mais il a démontré également jouer un rôle clé dans le développement du cerveau et le risque de schizophrénie. L’analyse peut permettre à de futures stratégies thérapeutiques d’être dirigée aux racines du désordre, plutôt que juste ses symptômes.

Imaging studies found C4 at synapses of cultured human neurons. In this micrograph, C4 is stained green, cell bodies are blue, and synapses are red and white. Image courtesy of Heather de Rivera (McCarroll lab).

L’étude, publiée en ligne dans Nature, a été menée par des chercheurs de Broad Institute’s Stanley Center for Psychiatric Research, Harvard Medical School, et Boston Children’s Hospital. Ils comprennent l’auteur principal Steven McCarroll, directeur de génétique pour le centre de Stanley et professeur associé de génétique à l’école de médecine de Harvard ; Beth Stevens, un biologiste et professeur assistant de neurologie à Boston Children’s Hospital et membre de l’Institut Broad ; Michael Carroll, professeur à la faculté de médecine de Harvard et chercheur à Children’s Hospital ; et premier auteur Aswin Sekar, an M.D./Ph.D. étudiant à la Harvard Medical School.

L’étude a le potentiel pour relancer la recherche translationnelle sur une maladie débilitante. La schizophrénie est un trouble psychiatrique dévastateur qui affecte environ 1 % de la population et se caractérise par des hallucinations, repli sur soi, et un déclin des fonctions cognitives. Ces symptômes commencent plus fréquemment chez les patients lorsqu’ils sont adolescents ou jeunes adultes. D’abord décrit il y a plus de 130 ans, la schizophrénie n’a pas de traitements très efficaces et a vu quelques percées biologiques ou médicales au cours du dernier demi-siècle. Au cours de l’été 2014, un consortium international, mené par des chercheurs Broad Institute’s Stanley Center, a identifié plus de 100 régions du génome humain qui transportent les facteurs de risque de la schizophrénie. L’étude récemment publiée indique maintenant la découverte du gène spécifique étant à la base du plus fort de ces facteurs de risque et la relie à un processus biologique spécifique dans le cerveau.

« Depuis que la schizophrénie a été décrite la première fois il y a plus d’un siècle, sa biologie sous-jacente a été une boîte noire, en partie parce qu’il a été pratiquement impossible de modéliser le trouble (modeler le désordre) dans des cellules ou des animaux, » a déclaré McCarroll. « Le génome humain offre un nouveau moyen puissant pour cette maladie. Comprendre ces effets génétiques sur le risque est un moyen indiscret d’ouvrir cette boite noire, regarder à l’intérieur, et commencer à voir les mécanismes biologiques réels. »

« Cette étude marque un tournant décisif dans la lutte contre la maladie mentale, » dit Bruce Cuthbert, directeur par intérim du National Institute of Mental Health. « Parce que l’origine moléculaire des maladies psychiatriques est méconnue (peu compris), les efforts déployés par les compagnies pharmaceutiques à poursuivre de nouvelles thérapeutiques sont peu nombreux et espacés. Cette étude change la donne. Grâce à cette percée génétique nous pouvons enfin voir le potentiel pour des tests cliniques, la détection précoce, de nouveaux traitements et même la prévention. »

Le chemin vers la découverte

La remarquable histoire de la découverte a nécessité la collecte de l’ADN de plus de 100 000 personnes, l’analyse détaillée des variations génétiques complexes chez les plus de 65 000 génomes humains, l’élaboration d’une stratégie novatrice de l’analyse, l’examen des échantillons de cerveau post-mortem de centaines de personnes et l’utilisation de modèles animaux pour montrer qu’une protéine du système immunitaire joue aussi un rôle insoupçonné dans le cerveau.

La recherche mondiale des données trouve un indice ; de nouvelles recherches résolvent le mystère

Au cours des cinq dernières années, les généticiens dirigés par le Broad Institute’s Stanley Center for Psychiatric Research et ses collaborateurs dans le monde entier ont recueilli plus de 100 000 échantillons d’ADN humains provenant de 30 pays différents pour localiser les régions du génome humain hébergeant des variantes génétiques qui augmentent le risque de schizophrénie. Le signal le plus fort est de loin sur le chromosome 6, dans une région de l’ADN s’est longtemps associé à la maladie infectieuse, faisant suggérer quelques observateurs que la schizophrénie pourrait être déclenchée par un agent infectieux. Mais les chercheurs n’ont eu aucune idée qui des centaines de gènes dans la région étaient réellement responsable ou comment elle a agi.

Basé sur l’analyse des données génétiques, McCarroll et Sekar se sont focalisés sur une région contenant un gène rare appelé composant 4 du complément (C4). Contrairement à la plupart des gènes, C4 possède un haut degré de variabilité structurale : des personnes différentes ont différents nombres de copies et différents types du gène. McCarroll et Sekar ont mis au point une nouvelle technique moléculaire afin de caractériser la structure des gènes C4 dans les échantillons d’ADN humains. Aussi, ils ont mesuré l’activité des gènes C4 sur près de 700 échantillons de cerveau post-mortem. Ils ont constaté que la structure du gène C4 (ADN) pourrait prédire l’activité du gène C4 (ARN) dans le cerveau de chaque personne – et utiliser cette information pour impliquer l’activité des gènes C4 des données de génomes pour 65 000 personnes avec et sans la schizophrénie. Ces données ont révélé une corrélation frappante : les patients qui avaient des formes structurelles particulières du gène C4 ont montré une expression plus élevée de ce gène et, à leur tour, avaient un risque plus élevé de développer la schizophrénie.

Raccordement de causes et d’effets par le biais de neurosciences

Mais comment fonctionne exactement C4 — une protéine connue pour marquer des microbes infectieux pour la destruction de cellules immunitaires — affecte le risque de schizophrénie ?

Répondre à cette question exige la synthèse génétique et la neurobiologie. Beth Stevens, récente lauréate de la MacArthur « Genius Grant, » avait trouvé que d’autres protéines du complément dans le système immunitaire ont aussi joué un rôle dans le développement du cerveau en étudiant un modèle expérimental d’élagage synaptique dans le système visuel de la souris. Michael Carroll a longtemps étudié C4 pour son rôle dans les maladies immunitaires et mis au point des souris avec différents nombres de copies de C4. Les trois laboratoires ont entrepris d’étudier le rôle du C4 dans le cerveau.

Ils ont constaté que C4 a joué un rôle clé dans l’élagage des synapses durant la maturation du cerveau. En particulier, ils ont constaté que la C4 était nécessaire pour une autre protéine (un composant de complément appelé C3) pour être déposée sur les synapses, comme un signal que les synapses doivent être taillés. Ces données suggèrent également que plus un animal avait l’activité C4, plus les synapses ont été éliminées dans son cerveau à un moment clé dans le développement.

Les conclusions peuvent aider à expliquer le mystère de longue date de pourquoi les cerveaux de personnes atteintes de schizophrénie ont tendance à avoir un plus mince cortex cérébral avec moins de synapses que font des individus non affectés. Les travaux peuvent aussi aider à expliquer pourquoi l’apparition des symptômes de schizophrénie tend à se produire à la fin de l’adolescence : le cerveau humain subit normalement élagage synapse généralisée au cours de l’adolescence, en particulier dans le cortex cérébral (couche externe du cerveau, responsable de nombreux aspects de la cognition). L’élagage synaptique excessif durant l’adolescence et l’âge adulte, dû à une activité accrue de complément (C4), peut entraîner les symptômes cognitifs dans la schizophrénie.

« Une fois que nous avons eu les résultats génétiques devant nous, nous avons commencé à réfléchir à la possibilité que les molécules de complément étiquettent excessivement des synapses dans le cerveau en développement, » a déclaré Stevens. « Cette découverte enrichit notre compréhension du système du complément dans le développement du cerveau et dans la maladie, et nous n’aurions pas pu faire ce saut sans la génétique. Nous sommes loin d’avoir un traitement sur cette base, mais c’est excitant de penser qu’un jour, nous pourrons baisser le processus d’élagage chez certains individus et diminuer le risque. »

Ouvrir la voie vers la détection précoce et des thérapies potentielles

Au-delà de fournir les premières idées sur les origines biologiques de la schizophrénie, le travail soulève la possibilité que les thérapies pourraient un jour être mises au point qui pourrait « baisser » le niveau d’élagage synaptique chez les individus qui présentent les premiers symptômes de la schizophrénie. Ce serait une approche radicalement différente des traitements médicaux actuels, qui concernent seulement un symptôme spécifique de la schizophrénie (psychose) plutôt que les causes profondes de la maladie, et qui n’arrêtent pas de déclin cognitif ou autres symptômes de la maladie. Les chercheurs soulignent que les thérapies basées sur ces conclusions sont encore à des années sur la route. Pourtant, le fait qu’une grande partie est déjà connue sur le rôle des protéines du complément dans le système immunitaire signifie que les chercheurs peuvent puiser dans une mine de connaissances existantes pour identifier des approches thérapeutiques possibles. Par exemple, les médicaments anti-complément sont déjà en cours d’élaboration pour le traitement d’autres maladies.

« Pour la première fois, l’origine de la schizophrénie n’est plus une boîte noire complète, » a déclaré Eric Lander, directeur de l’Institut Broad. « Bien qu’il soit encore tôt, nous avons vu la puissance de comprendre le mécanisme biologique de la maladie dans d’autres contextes. Les premières découvertes sur les mécanismes biologiques du cancer ont conduit à de nombreux nouveaux traitements et des centaines de médicaments supplémentaires en développement. Comprendre la schizophrénie va accélérer de même progrès contre cette maladie dévastatrice qui frappe les jeunes. »

Le succès de cet effort a été activé par un financement catalytique du centre Stanley pour la recherche psychiatrique à l’Institut Broad et cet article a été consacré à Ted Stanley. « Grâce à la philanthropie, nous avons été en mesure de prendre des paris sur la science risquée avec des résultats potentiellement transformateurs, » a déclaré Stanley Center Director Steven Hyman. « Avec l’aide de Ted and Vada Stanley, les scientifiques de Broad ont la liberté de réunir les gens, les capacités et ressources de façon novatrice, à un rythme sans précédent. »

« Dans ce domaine de la science, notre rêve a été de trouver des mécanismes de la maladie qui conduisent à de nouveau types de traitements, » a déclaré McCarroll. « Ces résultats montrent qu’il est possible de passer de données génétiques à une nouvelle façon de penser comment une maladie se développe – quelque chose qui a été grandement nécessaire. »

Document cité : Sekar A, et al. risque de schizophrénie de variation complexe du composant 4 du complément. Nature. DOI : 10.1038/nature16549

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