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Notre cerveau contient des billions de synapses – les connexions qui transmettent des messages de neurone en neurone. Dans ces synapses se trouvent des centaines de protéines différentes, et le dysfonctionnement de ces protéines peut mener à des maladies comme la schizophrénie et l’autisme.

Une nouvelle technique pour voir des protéines plus rapidement

Des chercheurs du MIT et du Broad Institute of Harvard ont mis au point une nouvelle façon d’obtenir rapidement des images à haute résolution de ces protéines synaptiques. À l’aide de sondes d’acides nucléiques fluorescentes, ils peuvent marquer et visualiser un nombre illimité de différentes protéines. Ils ont démontré cette technique dans une nouvelle étude dans laquelle ils ont imagé 12 protéines dans des échantillons cellulaires contenant des milliers de synapses.
« L’imagerie multiplexée est importante parce qu’il y a tellement de variabilité entre les synapses et les cellules, même à l’intérieur d’un même cerveau « , explique Mark Bathe, professeur agrégé de génie biologique au MIT. « Vous devez vraiment regarder simultanément les protéines de l’échantillon pour comprendre à quoi ressemblent les sous-populations de différentes synapses, découvrir de nouveaux types de synapses, et comprendre comment les variations génétiques les influencent. »
Les chercheurs prévoient d’utiliser cette technique pour étudier ce qui arrive aux synapses lorsqu’elles bloquent l’expression des gènes associés à des maladies spécifiques, dans l’espoir de développer de nouveaux traitements qui pourraient inverser les effets de ces maladies.
Bathe et Jeff Cottrell, directeurs de la recherche translationnelle au Stanley Center for Psychiatric Research du Broad Institute, sont les auteurs principaux de l’étude, qui paraît dans Nature Communications. Les principaux auteurs de l’article sont Syuan-Ming Guo et Remi Veneziano, anciens postdoctorants, Simon Gordonov, ancien étudiant diplômé et Li Li, ancien chercheur scientifique.

Une imagerie par l’ADN

Les protéines synaptiques ont une variété de fonctions. Beaucoup d’entre elles aident à former des échafaudages synaptiques, qui sont impliqués dans la sécrétion des neurotransmetteurs et le traitement des signaux entrants. Bien que les synapses contiennent des centaines de ces protéines, la microscopie à fluorescence conventionnelle se limite à l’imagerie d’au plus quatre protéines à la fois.
Pour augmenter ce nombre, l’équipe du MIT a développé une nouvelle technique basée sur une méthode existante appelée DNA PAINT. En utilisant cette méthode, conçue à l’origine par Ralf Jungmann de l’Institut Max Planck de biochimie, les chercheurs marquent les protéines ou autres molécules d’intérêt avec une sonde ADN-anticorps. Ensuite, ils produisent une image de chaque protéine en délivrant un « oligo » d’ADN fluorescent qui se lie aux sondes ADN-anticorps.
Les brins d’ADN ont une affinité intrinsèquement faible l’un pour l’autre, de sorte qu’ils se lient et se détachent périodiquement, créant une fluorescence clignotante qui peut être vu en utilisant la microscopie à super-résolution. Cependant, l’imagerie de chaque protéine prend environ une demi-heure, ce qui rend peu pratique cette technique lorsque vient le temps de voir plusieurs protéines dans un grand échantillon.

Une méthode plus rapide

Bathe et ses collègues ont entrepris de créer une méthode plus rapide qui leur permettrait d’analyser un grand nombre d’échantillons dans un court laps de temps. Pour ce faire, ils ont modifié la sonde d’imagerie à colorant d’ADN pour qu’elle se lie plus étroitement à l’ADN-anticorps, en utilisant ce qu’on appelle des acides nucléiques verrouillés. Cela donne un signal beaucoup plus lumineux, de sorte que l’imagerie peut être faite plus rapidement, mais à une résolution légèrement inférieure.
« Lorsque nous faisons 12 ou 15 couleurs sur un seul puits de neurones, toute l’expérience prend une heure, comparativement à une nuit pour l’équivalent super-résolution « , dit Bathe.
Les chercheurs ont utilisé cette technique pour marquer 12 protéines différentes trouvées dans la synapse, y compris des protéines d’échafaudage, des protéines associées au cytosquelette et des protéines qui sont connues pour marquer les synapses excitatrices ou inhibitrices. L’une des protéines qu’ils ont étudiées est le jarret3, une protéine d’échafaudage qui a été liée à la fois à l’autisme et à la schizophrénie.
En analysant les niveaux de protéines dans des milliers de neurones, les chercheurs ont pu déterminer des groupes de protéines qui ont tendance à s’associer entre elles plus souvent que d’autres et apprendre comment les différentes synapses varient dans les protéines qu’elles contiennent. Ce genre d’information pourrait être utilisé pour aider à classer les synapses en sous-types qui pourraient aider à révéler leurs fonctions.
« Les synapses canoniques sont de type inhibitrice et excitatrice, mais on suppose qu’il existe de nombreux sous-types différents de synapses, sans qu’il y ait un réel consensus sur leur nature « , dit Bathe.

Comprendre la maladie

Les chercheurs ont également montré qu’ils pouvaient mesurer les changements dans les niveaux de protéines synaptiques qui se produisent après que les neurones ont été traités avec un composé appelé tétrodotoxine (TTX), qui renforce les connexions synaptiques.
« En utilisant l’immunofluorescence conventionnelle, vous pouvez généralement extraire des informations de trois ou quatre cibles dans le même échantillon, mais avec notre technique, nous avons pu étendre ce nombre à 12 cibles différentes dans le même échantillon. Nous avons appliqué cette méthode pour examiner le remodelage synaptique qui se produit après un traitement par TTX, et nos résultats ont corroboré des travaux antérieurs qui avaient révélé une régulation à la hausse coordonnée des protéines synaptiques après un traitement par TTX », explique Eric Danielson, un postdoc senior du MIT qui est un auteur de cette étude.
Les chercheurs utilisent maintenant cette technique, appelée PRISM, pour étudier comment la structure et la composition des synapses sont affectées par l’écrasement d’un ensemble de gènes précédemment signalés comme présentant un risque génétique pour le développement de troubles psychiatriques. Le séquençage des génomes des personnes atteintes de troubles tels que l’autisme et la schizophrénie a révélé des centaines de variantes génétiques liées à ces maladies, et pour la plupart de ces variantes, les scientifiques n’ont aucune idée de leur contribution à ces maladies.

Une approche qui peut fournir un aperçu plus détaillé dans l’organisation synaptique 

« Grâce à cette approche, nous espérons fournir un aperçu plus détaillé des changements dans l’organisation synaptique et les effets sur des maladies communes associés à ces gènes « , explique Karen Perez de Arce, chercheuse au Broad Institute et auteur de l’étude.
« Comprendre comment la variation génétique influe sur le développement des neurones dans le cerveau, ainsi que sur leur structure synaptique et leur fonctionnement, est un énorme défi en neurosciences ainsi que comprendre comment ces maladies apparaissent « , ajoute M. Bathe.
Source : MIT
Crédit photo : Pixabay