Une étude relie les différences d’expression des gènes neuronaux aux distinctions fonctionnelles

Dans l’étude en Neurone, une équipe de neurobiologistes de l’Institut Picower pour l’apprentissage et la mémoire a découvert que les deux sous-types neuronaux étroitement liés différaient l’un de l’autre par la manière dont ils exprimaient plus de 800 gènes, soit environ 5 % du total des gènes codés dans le génome de la mouche. En manipulant les gènes dont l’expression différait le plus, les scientifiques ont ensuite pu montrer comment ils produisaient plusieurs des différences observables entre les cellules.

“Il y a un effort mondial en neurosciences pour identifier tous les différents types de neurones afin de définir leurs propriétés uniques et leurs profils d’expression génétique”, a déclaré l’auteur principal de l’étude, Troy Littleton, professeur Menicon de neurosciences dans les départements de biologie et de sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT. “Ces informations peuvent être utilisées comme une boîte à outils pour étudier comment les gènes de maladies nouvellement découverts se mappent sur ces neurones particuliers afin d’indiquer lesquels pourraient être les plus affectés dans des troubles cérébraux spécifiques.

“Nous voulions utiliser Drosophile comme moyen de voir si nous pouvons, en fait, déterminer comment le transcriptome de deux neurones similaires est utilisé de manière différentielle pour comprendre quels gènes clés spécifient leurs propriétés structurelles et fonctionnelles uniques.

Au microscope

Les deux types de neurones comparés dans l’étude émergent tous deux de l’analogue de la moelle épinière de la mouche pour contrôler les muscles en libérant le neurotransmetteur glutamate au niveau de connexions appelées synapses. Les principales différences fonctionnelles des neurones sont que les neurones « phasiques » se connectent à de nombreux muscles et émettent de grandes bouffées occasionnelles de glutamate, tandis que les neurones « toniques » se connectent chacun à un seul muscle et fournissent un goutte-à-goutte constant du produit chimique. Cette dualité, que l’on retrouve également dans les neurones du cerveau humain, offre une gamme de contrôle flexible.

Suresh Jetti, postdoctorant au Picower Institute, a dirigé les efforts dans le laboratoire de Littleton pour déterminer comment ces deux neurones développent leurs différences. L’équipe a commencé par une caractérisation inhabituellement approfondie de la façon dont les deux types de cellules diffèrent en termes de forme et de fonction, puis a examiné de manière très précise les profils d’expression génique, ou transcriptomes.

Après un examen attentif, les cellules toniques et phasiques présentaient diverses différences importantes. Les neurones phasiques produisent moins de synapses sur un muscle individuel que les neurones toniques, mais comme ils innervent beaucoup plus de muscles, les neurones phasiques doivent produire environ quatre fois plus de synapses au total. Les neurones toniques reçoivent davantage d’apports provenant d’autres neurones grâce à des dendrites plus larges (les branches qui mènent à la cellule). Du côté des résultats, les neurones phasiques produisaient des signaux beaucoup plus puissants lorsqu’ils étaient stimulés et étaient plus susceptibles de les envoyer que les neurones toniques. L’analyse a montré que les sites synaptiques qui provoquent la libération de glutamate, appelés zones actives (AZ), absorbaient plus d’ions calcium dans les neurones phasiques que dans les neurones toniques.

Une découverte particulièrement nouvelle et intrigante était que les AZ dans les neurones toniques et phasiques prenaient des formes différentes. Les AZ toniques étaient rondes, comme des beignets, tandis que les phasiques étaient plus triangulaires ou en forme d’étoile. Littleton émet l’hypothèse que cette différence pourrait permettre à davantage d’ions calcium de s’entasser dans les zones actives phasiques, expliquant peut-être leurs plus grandes poussées de libération de glutamate par rapport aux neurones toniques.

Exprimer leurs différences

Pour évaluer l’expression des gènes, Jetti a utilisé une technique appelée “isoform patchseq” dans laquelle il a identifié exactement les mêmes neurones toniques et phasiques chez des centaines de mouches et a extrait l’ARN de leurs noyaux et corps cellulaires individuels. La technique, bien que très laborieuse, a fourni à l’équipe une source inhabituellement riche d’informations transcriptomiques provenant précisément des cellules d’intérêt, a déclaré Littleton, y compris non seulement la manière dont l’expression des gènes différait entre les deux types de cellules, mais également la manière dont l’épissage des gènes et l’édition de l’ARN étaient différents.

Au total, l’expression de 822 gènes était significativement différente entre les deux types de neurones. Environ 35 de ces gènes étaient connus pour aider à guider la croissance des branches axonales que les neurones étendent pour forger leurs connexions avec les muscles – un ensemble de différences pertinentes pour expliquer pourquoi les neurones toniques innervent un seul muscle tandis que les neurones phasiques en innervent plusieurs. D’autres gènes différentiellement exprimés étaient liés à la structure et à la fonction des synapses, tandis que plus de 20 autres suggéraient des différences dans les produits chimiques neuromodulateurs auxquels chaque neurone était sensible en tant qu’entrées.

L’équipe a découvert que les protéines de transport étaient exprimées de manière plus visible dans les neurones phasiques, ce qui explique peut-être comment elles répondent à la demande accrue de forger davantage de synapses dans de nombreux muscles. L’équipe a également découvert que tandis que les neurones toniques expriment des gènes de « sialylation » pour attacher les sucres aux protéines de leur membrane synaptique, les neurones phasiques expriment des gènes uniques « d’ubiquitine » qui décomposent les protéines.

Après avoir documenté quels gènes étaient les plus différents, l’équipe a décidé de déterminer ce qu’ils faisaient en perturbant leur fonction et de voir comment cela affectait les cellules.

Par exemple, Jetti, Littleton et leurs collègues ont découvert que l’interférence avec des gènes spécifiques d’ubiquitination provoquait une prolifération des neurones phasiques au niveau des synapses. La perturbation de la sialylation, quant à elle, a provoqué un sous-bois synaptique dans les neurones toniques. Les neurones toniques exprimaient également 40 fois plus d’un gène appelé Wnt4, et la perturbation de Wnt4 réduisait la croissance synaptique dans cette population de neurones.

Les scientifiques ont également découvert que les neurones phasiques expriment un gène tamponnant les ions calcium > 30 fois plus que les neurones toniques. Lorsqu’ils ont muté ce gène pour perturber sa fonction, ils ont découvert que les neurones phasiques, qui ont normalement des niveaux de calcium de base plus faibles, affichent désormais un calcium au repos plus élevé, similaire aux neurones toniques.

Et dans une autre expérience, ils ont montré qu’ils pouvaient perturber distinctement les formes AZ de chaque cellule en interférant avec les gènes du cytosquelette que chaque neurone exprimait particulièrement fortement. Lorsque l’équipe a réduit un gène que les neurones phasiques expriment beaucoup, leurs AZ sont devenues allongées, mais les AZ toniques n’ont pas été affectées. Lorsque l’équipe a réduit un gène fortement exprimé par les neurones phasiques, leurs AZ sont devenus moins ronds sans affecter les AZ dans les cellules phasiques.

Au total, l’analyse a permis à l’équipe de commencer à construire un modèle des différences moléculaires qui différencient les deux cellules, même si Littleton a déclaré qu’il leur restait encore du travail à faire pour comprendre comment le répertoire complet des différences d’expression génique définit les propriétés uniques des deux cellules neuronales. sous-types.

Outre Littleton et Jetti, les autres auteurs du journal sont Andres Crane, Yulia Akbergenova, Nicole Aponte-Santiago, Karen Cunningham et Charles Whittaker.

La Fondation JPB, le Picower Institute for Learning and Memory et les National Institutes of Health ont financé la recherche.