Cartographie du développement du cerveau humain

Le cerveau humain, qui est probablement l'organe le plus complexe de tout le monde vivant, est depuis longtemps un objet de fascination pour les chercheurs. Cependant, l'étude du cerveau, et notamment des gènes et des interrupteurs moléculaires qui régulent et dirigent son développement, n'est pas une tâche facile.

Jusqu'à présent, les scientifiques ont procédé à l'aide de modèles animaux, principalement des souris, mais leurs résultats ne peuvent être transférés directement à l'être humain. Le cerveau d'une souris est structuré différemment et ne présente pas la surface sillonnée typique du cerveau humain. Les cultures cellulaires ont jusqu'à présent été d'une utilité limitée dans ce domaine, car les cellules ont tendance à s'étendre sur une grande surface lorsqu'elles sont cultivées sur une boîte de culture, ce qui ne correspond pas à la structure tridimensionnelle naturelle du cerveau.

Cartographie des empreintes moléculaires

Un groupe de recherche dirigé par Barbara Treutlein, professeure à l'ETH Zurich au Département de science et d'ingénierie des biosystèmes à Bâle, a adopté une nouvelle approche pour étudier le développement du cerveau humain: ils et elles cultivent et utilisent des organoïdes, des tissus tridimensionnels de taille millimétrique qui peuvent être cultivés à partir de cellules souches dites pluripotentes.

Si ces cellules souches reçoivent le bon stimulus, les chercheuses et chercheurs peuvent les programmer pour qu'elles deviennent n'importe quel type de cellule présente dans le corps, y compris des neurones. Lorsque les cellules souches sont agrégées en une petite boule de tissu puis exposées au stimulus approprié, elles peuvent même s'auto-organiser et former un organoïde cérébral tridimensionnel doté d'une architecture tissulaire complexe.

Dans une nouvelle étude qui vient d'être publiée dans Nature, Barbara Treutlein et ses collègues ont étudié des milliers de cellules individuelles au sein d'un organoïde cérébral à différents moments et de manière très détaillée. Leur objectif était de caractériser les cellules en termes moléculaires-génétiques: en d'autres termes, la totalité de tous les transcrits génétiques (transcriptome) comme mesure de l'expression des gènes, mais aussi l'accessibilité du génome comme mesure de l'activité régulatrice. Elles et ils ont réussi à représenter ces données comme une sorte de carte montrant l'empreinte moléculaire de chaque cellule de l'organoïde.

Cependant, cette procédure génère d'immenses ensembles de données: chaque cellule de l'organoïde possède 20'000 gènes, et chaque organoïde est à son tour constitué de plusieurs milliers de cellules. «Il en résulte une matrice gigantesque, que nous ne pouvons résoudre qu'à l'aide de programmes appropriés et de l'apprentissage automatique», explique Jonas Fleck, doctorant dans le groupe de Barbara Treutlein et l'un des coauteur·es de l'étude. Pour analyser toutes ces données et prédire les mécanismes de régulation des gènes, les chercheurs et chercheuses ont développé leur propre programme. «Nous pouvons l'utiliser pour générer un réseau d'interaction complet pour chaque gène individuel et prédire ce qui se passera dans les cellules réelles lorsque ce gène échouera», explique Jonas Fleck.

Identifier les commutateurs génétiques

L'objectif de cette étude était d'identifier systématiquement les interrupteurs génétiques qui ont un impact significatif sur le développement des neurones dans les différentes régions des organoïdes cérébraux.

À l'aide d'un système CRISPR-Cas9, les scientifiques de l'ETH Zurich ont désactivé de manière sélective un gène dans chaque cellule, soit au total environ deux douzaines de gènes simultanément dans l'organoïde entier. Ils et elles ont ainsi pu découvrir le rôle joué par les gènes respectifs dans le développement de l'organoïde cérébral.

«Cette technique peut être utilisée pour cribler les gènes impliqués dans des maladies. En outre, nous pouvons examiner l'effet de ces gènes sur la façon dont les différentes cellules de l'organoïde se développent», explique Sophie Jansen, également doctorante dans le groupe de Barbara Treutlein et deuxième co-autrice principale de l'étude.

Contrôle de la formation des motifs dans le cerveau antérieur

Pour tester leur théorie, les chercheurs ont choisi le gène GLI3 comme exemple. Ce gène est l'ébauche du facteur de transcription du même nom, une protéine qui se fixe sur certains sites de l'ADN afin de réguler un autre gène. Lorsque GLI3 est désactivé, la machinerie cellulaire est empêchée de lire ce gène et de le transcrire en une molécule d'ARN.

Chez la souris, les mutations du gène GLI3 peuvent entraîner des malformations du système nerveux central. Son rôle dans le développement neuronal humain était jusqu'alors inexploré, mais on sait que les mutations de ce gène entraînent des maladies telles que la céphalopolysyndactylie de Greig et le syndrome de Pallister Hall.

En réduisant au silence ce gène GLI3, les chercheurs et chercheuses ont pu à la fois vérifier leurs prédictions théoriques et déterminer directement dans la culture cellulaire comment la perte de ce gène affectait le développement ultérieur de l'organoïde cérébral. «Nous avons montré pour la première fois que le gène GLI3 est impliqué dans la formation des schémas du cerveau antérieur chez l'être humain. Auparavant, cela n'avait été démontré que chez la souris», déclare Barbara Treutlein.

Les systèmes modèles reflètent la biologie du développement

«Ce qui est passionnant dans cette recherche, c'est qu'elle permet d'utiliser les données de l'ensemble du génome de tant de cellules individuelles pour postuler les rôles que jouent les gènes individuels», explique-t-elle. «Ce qui est tout aussi passionnant à mon avis, c'est que ces systèmes modèles fabriqués dans une boîte de Pétri reflètent réellement la biologie du développement telle que nous la connaissons chez la souris.»

Barbara Treutlein trouve également fascinant la façon dont le milieu de culture peut donner naissance à un tissu auto-organisé avec des structures comparables à celles du cerveau humain - non seulement au niveau morphologique, mais aussi (comme les chercheurs l'ont montré dans leur dernière étude) au niveau de la régulation des gènes et de la formation des motifs. «Les organoïdes de ce type constituent véritablement un excellent moyen d'étudier la biologie du développement humain», souligne-t-elle.

Organoïdes cérébraux polyvalents

La recherche sur les organoïdes constitués de matériel cellulaire humain présente l'avantage que les résultats sont transférables à l'être humain. Elles peuvent être utilisées pour étudier non seulement la biologie fondamentale du développement, mais aussi le rôle des gènes dans les maladies ou les troubles du développement du cerveau. Par exemple, BarbaraTreutlein et ses collègues travaillent avec des organoïdes de ce type pour étudier la cause génétique de l'autisme et de l'hétérotopie; dans ce dernier cas, les neurones apparaissent en dehors de leur emplacement anatomique habituel dans le cortex cérébral.

Les organoïdes peuvent également être utilisés pour tester des médicaments, et éventuellement pour cultiver des organes ou des parties d'organes transplantables. Barbara Treutlein confirme que l'industrie pharmaceutique est très intéressée par ces cultures cellulaires.

Cependant, la culture d'organoïdes demande du temps et des efforts. De plus, chaque amas de cellules se développe individuellement et non de manière standardisée. C'est pourquoi Barbara Treutlein et son équipe travaillent à l'amélioration des organoïdes et à l'automatisation de leur processus de fabrication.