Comprendre Formation de Structures cérébelleuse

Je m’appelle Kathy Millan. Je suis professeur adjoint à l’Université de Chicago dans le département de génétique humaine et aussi dans le département de neurologie. Et je travaille sur le développement du cerveau, et plus particulièrement sur le développement de Cere Butler, le cervelet, la partie du cerveau ici à l’arrière du crâne.

Et il est surtout connu pour son rôle dans le développement moteur, mais il s’avère qu’il est impliqué dans beaucoup de choses. Et c’est une partie vraiment intéressante du cerveau : la formation des motifs est le développement d’un modèle dans un système biologique. Et c’est l’un de ces mots que les biologistes du développement utilisent un peu de manière spongieuse pour signifier presque n’importe quoi.

Et ce n’est pas vraiment clair ce que cela signifie. Je pense que chaque biologiste du développement vous donnerait une version différente de ce que cela signifie pour moi. Ce que cela signifie, c’est comment le cerveau, ou en particulier le cervelet, sait-il de haut en bas, comment définissez-vous la gauche et la droite ?

Comment décidez-vous quelle partie de la structure sera, quelle partie ? Et une fois que vous avez pris ces décisions embryonnaires précoces critiques et fondamentales, comment rassemblez-vous toute la structure cellulaire pour former la partie du cerveau aux motifs exquis que nous appelons le cervelet ? Nous sommes donc vraiment intéressés par le développement cérébelleux et les informations sur les modèles dans le cervelet en développement.

Parce que le cervelet est un tissu aux motifs exquis. Il n’y a pas beaucoup de couches cellulaires ni beaucoup de types de cellules. Donc, par rapport à d’autres parties du cerveau, c’est surtout, eh bien, c’est une structure relativement simple.

Et aussi parce que le cervelet a une fonction très spécifique, ou l’une des nombreuses fonctions est la coordination motrice. Lorsque les souris ou les humains présentent des anomalies cérébelleuses, l’un des phénotypes qui en résulte est l’incoordination motrice. Et donc, au cours de la centaine d’années de génétique de la souris, il y a eu de multiples mutants spontanés de souris qui avaient été découverts et caractérisés dans une certaine mesure, mais aussi simplement isolés et assis sur l’étagère des Jackson Labs où ce sont des souris avec des anomalies motrices.

Et un grand nombre de ces souris, je pense qu’il y a plus de 60 souches spontanées ont des anomalies du développement cérébelleux. Et cette ressource est une ressource très précieuse pour examiner quels sont les mécanismes de développement qui déterminent la formation des motifs cérébelleux. Donc, une chose sur laquelle mon laboratoire se concentre est de prendre tous les outils que nous avons du projet du génome humain et du projet du génome de la souris, et d’utiliser ces réactifs moléculaires pour trouver les gènes qui mutent mutants dans tous ces mutants spontanés.

Et en trouvant ces mutants, nous adoptons une approche centrée sur le phénotype pour trouver des gènes. Nous ne prenons donc pas de gènes au hasard et ne les éliminons pas. Nous trouvons des phénotypes et trouvons les gènes parce qu’en utilisant cette approche, nous trouvons spécifiquement des gènes qui sont particulièrement pertinents pour le système d’intérêt.

Notre laboratoire et de nombreux autres laboratoires ont donc cloné un certain nombre de ces souris mutantes spontanées. Et ces mutants spontanés de souris ont conduit à une nouvelle biologie vraiment intéressante. Parce que nous adoptons cette approche axée sur le phénotype.

Nous n’avons pas d’idées préconçues sur le type de gènes que nous allons trouver. Nous ne recherchons pas spécifiquement des analogues de dal ho ou des mutations de canal. Nous arrivons aux gènes dictés par les phénotypes.

Et à cause de cela, nous apprenons beaucoup de nouvelle biologie. Ainsi, par exemple, l’un des gènes ou l’un des phénotypes sur lesquels mon laboratoire a travaillé et ensemble, lorsque j’étais postdoctorant avec un autre collègue, Jim Linig, nous avons travaillé sur un mutant de souris appelé dre, qui signifie en allemand filer ou tourner comme une toupie. Et ces souris mutantes sont apparues pour la première fois en 1929 en Allemagne et se sont accumulées dans les laboratoires Jackson

Il existe de multiples allèles de ce locus particulier, et on savait que le cervelet était mal formé. Donc, tous les types de cellules cérébelleuses étaient là, mais le motif du cervelet était anormal. Il manquait la partie centrale à la partie centrale, appelée verus.

Et nous avons découvert qu’il y avait un phénotype embryonnaire précoce chez ces souris qui conduisait à ce phénotype adulte. Et le phénotype était le résultat d’une mutation dans un gène appelé LMX un A, qui signifie domaine homéo des membres contenant la boîte un. Donc, le gène L LMX un A est en fait transformé en un gène vraiment intéressant et important en biologie du développement, car c’est l’un des gènes les plus critiques pour définir ce qui se passe dans le système nerveux central ou ce qui est dorsal.

Et sans avoir cette mutation rare, personne ne savait vraiment ce que faisait ce gène. En fait, il avait été trouvé pour d’autres raisons dans les cellules productrices d’insuline dans le pancréas. Et d’autres personnes l’avaient étudié pour son rôle potentiel dans le diabète.

Mais en fait, il s’avère que le vieillissement LMX n’a vraiment aucun rôle dans le développement du pancréas ou des cellules oculaires. Et en fait, son rôle principal dans le développement est de conduire la structure dorsale dans le système nerveux central. Lorsque nous avons cloné pour la première fois le gène DR, le gène LMX un A, nous avons réalisé qu’il n’est exprimé que dans la partie dorsale du système nerveux central.

Et en fait, il ne s’exprime pas seulement dans la partie dorsale du système nerveux central ou la plaque de toit qu’on appelle juste autour du cervelet. Il s’exprime en fait dans la partie dorsale du nerf central sur toute la longueur axiale de l’embryon de souris. Et en fait, il est exprimé sur toute la longueur axiale de chaque vertébré que nous avons examiné jusqu’à présent.

Et parce qu’il s’exprime dorsalement partout, nous avons pensé qu’il devait avoir un rôle dorsal dans d’autres parties du système nerveux central. Nous avons donc passé beaucoup de temps à caractériser le phénotype des souris DR dans la moelle épinière, car la moelle épinière est en fait un bien meilleur système modèle pour comprendre le développement du SNC que le cervelet, car elle est beaucoup moins compliquée en trois dimensions. Il y a beaucoup moins de structure tridimensionnelle.

En passant au poussin, nous avons pu tirer parti d’un grand nombre de réactifs pour comprendre quel était le rôle de LMX un A dans la moelle épinière. Et de la moelle épinière, on est revenu au cervelet. Et franchement, je ne pense pas que sans la technologie de la chickation, nous aurions vraiment eu une grande compréhension de ce que fait le LMX d’un gène, un post-doctorant de mon laboratoire, Victor Chiko, était la personne qui a vraiment pris ces expériences et les a exécutées.

Et c’est lui qui a réellement compris ce que fait le gène LMX, et son rôle principal dans le système nerveux central en utilisant le système d’électroporation de Chick. Et honnêtement, je ne pense pas que nous aurions pu faire autant de progrès que nous l’avons fait sans l’électroporation de poussins. L’électroporation du poussin est donc une technologie très précieuse car vous pouvez surexprimer rapidement des gènes dans le système nerveux du poussin en développement, obtenir un résultat après deux ou trois jours d’incubation et obtenir des phénotypes analysables.

Si vous essayiez de faire des manipulations génétiques chez la souris pour des animaux transgéniques, cela prendrait plusieurs mois et pour des knock-outs, et cetera, cela prendrait au moins un an et demi. Et donc le système de chickation est un système vraiment précieux parce que vous pouvez manipuler l’expression des gènes et vous pouvez découvrir rapidement les phénotypes. Ainsi, le vieillissement de LMX, lorsqu’il est surexprimé dans le système nerveux du poussin en développement, en particulier la moelle épinière en développement, a provoqué la transformation de toute la partie dorsale du système nerveux central ou de la moelle épinière en une partie dorsale du système nerveux central ou de la plaque de toit.

Et donc, ce que cela nous a dit, en combinaison avec un tas d’autres expériences que Victor a faites, c’est que LMX un A est responsable de l’ensemble du programme de différenciation de la plaque de toit. Et c’est important parce que la plaque de toit est un centre de signalisation essentiel dans le système nerveux en développement. Si vous n’avez pas de plaque de toit, vous ne sécrétez pas de morphogène pour dire aux cellules du tube neural adjacentes de se transformer en neurones sensoriels dorsaux.

Et sans ces signaux, ces cellules passent à un état par défaut d’un type de cellule intermédiaire. Et vous perdez la plupart des neurones dorsaux dans la moelle épinière, mais aussi dans le cervelet en développement. Et je ne pense pas que nous aurions facilement pu arriver à cette conclusion en utilisant un autre système que le tube neural du poulet.

Nous sommes vraiment intéressés par le développement cérébelleux, non seulement à cause de la biologie de base dans les systèmes de souris et aussi chez le poussin, mais aussi chez les humains qui ont des malformations cérébelleuses. Et ces malformations cérébelleuses humaines sont vraiment mal comprises. C’est pourquoi, en collaboration avec un collègue, le Dr William Dobbins, l’un des experts mondiaux des malformations cérébrales humaines, nous avons lancé ensemble un projet visant à trouver des gènes de malformation cérébelleuse humaine.

Et nous adoptons plusieurs approches. L’une des choses les plus importantes que nous avons faites est que nous avons construit une base de données d’ADN et une base de données clinique où nous avons recruté plus de 500 patients avec des malformations cérébelleuses humaines définies et avons recueilli des images d’IRM et les avons également corrélées avec des échantillons d’ADN afin que nous puissions les utiliser comme ressource pour la chasse aux gènes, car il s’avère que les malformations cérébelleuses humaines ne sont pas du tout bien classées. Et je dirais honnêtement que sur 10 scanners que nous recevons dans le cadre de nos études, au moins un de ces scanners est une malformation qui n’a jamais été décrite et qui n’a pas vraiment été reconnue auparavant.

La malformation cérébelleuse humaine la plus courante est appelée malformation de Dandy Walker, et c’est celle qui est la plus reconnue par les cliniciens. Mais il s’avère que c’est une sorte de diagnostic poubelle du monde cérébelleux humain. N’importe quel médecin ou plusieurs médecins, lorsqu’ils voient un cervelet anormal classé comme dandy walker.

Nous recrutons donc des patients dans notre étude sur les malformations de Dandy Walker, et nous trouvons toutes sortes de malformations cérébelleuses intéressantes différentes. Nous utilisons donc cette ressource pour trouver de nouveaux gènes de développement cérébelleux, parce qu’en tant que biologiste du développement, ce que je pense, c’est que les humains sont une grande expérience de mutagénèse. Ils sont une excellente source pour trouver de nouveaux gènes de développement.

Nous adoptons donc plusieurs approches pour trouver ces gènes. L’une de ces approches consiste à prendre des gènes que nous avons découverts chez la souris et qui jouent un rôle dans le développement cérébelleux et à séquencer ces gènes chez l’homme. Et en fait, nous venons tout juste d’identifier la toute première mutation humaine LMX one A.

Jusqu’à présent, il y a eu des applications vraiment limitées de notre recherche scientifique fondamentale dans la recherche clinique. Mais cela change très rapidement. Au fur et à mesure que nous découvrons de nouveaux gènes, nous pouvons fournir de nouvelles informations de conseil génétique aux familles des enfants touchés.

Et franchement, c’est là que je vois le plus grand impact de nos recherches. Ma vision pour le domaine de cinq ans en cinq ans est donc que beaucoup plus de découvertes de gènes auront eu lieu à la fois par la caractérisation de modèles murins et aussi par des travaux sur les malformations cérébelleuses humaines. Nous allons en savoir plus sur l’ensemble des gènes impliqués dans le développement cérébelleux.

Et puis l’objectif devra être de savoir comment ces gènes interagissent les uns avec les autres, et comment ces gènes déterminent la biologie réelle ? Comment pilotent-ils tous les différents événements cellulaires qui se produisent pour fabriquer un cervelet ? Et je pense que le cervelet est vraiment un modèle idéal pour l’ensemble du système nerveux central parce que, franchement, il n’y a que cinq à sept types de cellules neuronales principales.

Ils sont tous disposés de manière stéréotypée. Nous en apprenons de plus en plus sur les molécules qui déterminent la spécification et la différenciation précoce de ces progéniteurs. Nous comprenons de mieux en mieux comment ces cellules prolifèrent.

Je pense donc que dans plus de cinq ans, mais en fin de compte, je vois le domaine être capable d’aller jusqu’au développement de la sonde jusqu’au développement cérébelleux pour atteindre la forme mature du cervelet. Et je pense que parce que le cervelet est un système relativement simple, nous avons l’espoir de comprendre les molécules et les événements de développement qui entraînent la formation de l’ensemble du centre de l’ensemble du cervelet. Et je pense que c’est vraiment important, non seulement pour le domaine du diagnostic génétique chez l’homme, et c’est important pour le domaine du développement cérébelleux, mais je pense que nous allons également avoir des applications de ces mécanismes à d’autres parties du cerveau.

Le cervelet est une structure relativement simple, mais de nombreux événements de développement ne seront pas exclusifs au cervelet. Nous pouvons appliquer ce que nous avons appris du cervelet à d’autres régions plus compliquées du système nerveux central, comme le cortex cérébral, et prendre les leçons et les voies que nous avons apprises et comprendre comment elles s’appliquent au reste du cerveau.