Le 4 décembre, j’ai visité la Clinique pour enfants spéciaux au cœur du pays hollandais de Pennsylvanie, où un personnel minuscule s’occupe de plus de 2000 patients atteints de diverses maladies héréditaires. Le billet de la semaine dernière décrivait une famille dont 5 des 6 enfants sont atteints d’un trouble épileptique qui présente des caractéristiques autistiques. L’étude de ce syndrome au cours des 15 dernières années illustre parfaitement l’évolution des méthodes de découverte des gènes avant que le séquençage ne nous catapulte dans une nouvelle ère technologique. (Attention : jargon à venir.)
CONNECTER LE PHÉNOTYPE AU GÉNOTYPE
Aujourd’hui, pour identifier le gène à l’origine d’une affection non diagnostiquée chez un enfant, les chercheurs comparent les séquences de l’exome (partie du génome codant pour les protéines) des parents et éventuellement des frères et sœurs pour identifier les variantes génétiques (allèles) causales. C’est rapide.
À l’ère du pré-génome, les chercheurs suivaient une trajectoire indirecte pour passer du phénotype au génotype :
– Constatant que les symptômes « courent dans les familles ».
– Constatant que l’affection est plus fréquente chez les vrais jumeaux que chez les faux jumeaux, et chez les frères et sœurs des patients que dans la population générale.
– Identifiant les chromosomes anormaux chez les personnes atteintes de l’affection.
– Utilisation d’études d’association à l’échelle du génome (GWAS) pour identifier les modèles de variation génétique (à des ensembles de sites à base unique appelés polymorphismes à nucléotide unique, ou SNP) qui pourraient signaler une variante causant la maladie.
– Identification du gène et fabrication d’un modèle de souris pour tester les traitements.
Lorsque les Amish ont quitté la Suisse au début des années 1700 pour échapper aux persécutions religieuses et se sont installés en Pennsylvanie, ils ont apporté un échantillon du pool génétique européen. La reproduction entre eux a amplifié les mutations et a donné lieu à des « séries d’autozygotie » dans leurs génomes – des sections de chromosomes qui ont les mêmes séquences d’ADN sur les deux copies. Les séries d’autozygotie indiquent que deux parents ont hérité d’ensembles de variantes génétiques d’un ancêtre commun, comme des cousins germains d’un arrière-grand-parent. Ces allèles, surnommés « identiques par descendance » (IDB), constituent un outil puissant pour la découverte de gènes s’ils apparaissent exclusivement chez les personnes atteintes de la même maladie.
LA CONNEXION AMISH
Le garçon que j’ai rencontré à la Clinique et 4 de ses 5 frères et sœurs ont le syndrome de dysplasie corticale-épilepsie focale (CDFE). Ce syndrome est dû à l’absence d’une seule base d’ADN dans un gène appelé CNTNAP2.
Comme beaucoup d’histoires de découverte de gènes, la découverte que des mutations dans le CNTNAP2 sont à l’origine de diverses affections cérébrales – autisme, crises d’épilepsie, schizophrénie, syndrome de Tourette et troubles du langage – a commencé par différents fils. Concentrons-nous sur le lien avec l’autisme.
Même les techniques génétiques les plus anciennes démontrent une composante héréditaire de l’autisme. Les jumeaux identiques sont beaucoup plus susceptibles de l’avoir tous les deux que les faux jumeaux ; les frères et sœurs d’un enfant autiste ont un risque 75 fois supérieur à celui de la population générale.
En 1998, le Consortium international pour l’étude génétique moléculaire de l’autisme a utilisé la GWAS pour identifier 6 régions du génome qui suivaient les personnes atteintes d’autisme – le principal prétendant était sur le bras long du septième plus grand chromosome, ou « 7q ».
En 1999, des chercheurs ont mis en cause CASPR2, un type de protéine appelée neurexine qui, lorsqu’elle est anormale, perturbe l’envoi d’un influx nerveux. Les neurexines s’alignent avec d’autres protéines appelées neuroligines pour créer les synapses qui se forment lorsqu’un jeune enfant commence à explorer le monde, consolidant la mémoire en apprentissage.
En 2003, on a signalé des réarrangements de chromosomes qui perturbent le gène qui code pour CASPR2, CNTNAP2, chez des personnes atteintes du syndrome de la Tourette et, en 2007, chez des personnes qui présentent une déficience intellectuelle, un retard de développement, des troubles de la parole et une hyperactivité, mais pas le syndrome de la Tourette. Ces différentes conditions ne sont pas surprenantes – les effets varient en fonction de l’endroit du cerveau où les niveaux de neurexine sont déséquilibrés.
En 2006, des chercheurs de la Clinic For Special Children et de l’Institut de recherche en génomique translationnelle ont fait correspondre une mutation de CNTNAP2 au syndrome CDFE chez des enfants Amish étroitement liés. Les crises commencent à peu près à l’âge où les caractéristiques autistiques tendent à émerger – 14 à 20 mois.
Avant que les crises ne commencent, les symptômes du CDFE sont subtils : des retards moteurs mineurs, des réflexes tendineux profonds médiocres et une tête légèrement large. Les enfants ont des difficultés à se concentrer, à imiter les gens et à planifier des mouvements, comme ramper, se déplacer et marcher. Les crises sont fréquentes et sévères, et leur apparition annonce le déclin des compétences – linguistiques, cognitives et sociales. Après plusieurs années, les crises cessent, mais l’intellect reste au point mort pendant l’enfance et la personne nécessite des soins à vie.
Kevin Strauss, MD, Erik Puffenberger, PhD, et Holmes Morton, MD, de la Clinique et leurs collègues ont utilisé des dispositifs de micropuces 100 000 SNP pour analyser l’ADN de quatre enfants atteints du syndrome CDFE provenant de trois familles amish. Ils ont trouvé une région autozygote de 7,1 millions de bases de long sur la zone suspectée sur 7q. (Aujourd’hui, les algorithmes repèrent rapidement l’autozygotie dans les séquences d’exome.)
Les 7,1 millions de bases comprennent 83 gènes, mais seuls quelques-uns avaient un sens. L’équipe a d’abord séquencé un gène appelé CENTG3 connu pour causer d’autres troubles du cerveau. Mais les enfants malades ne présentaient pas de mutations dans ce gène.
Puis le Dr Puffenberger, le généticien de l’équipe, a trouvé un raccourci : il a remarqué un SNP au milieu du CENTG3 qui était hétérozygote chez deux enfants (deux variantes différentes), plutôt qu’homozygote (la même variante dans les deux copies du chromosome), marquant ainsi la fin de la région identique par descendance. « Un événement de recombinaison au milieu du gène a permis à Eric de s’en débarrasser en grande partie pour trouver la mutation. C’est un exemple parfait de « la chance sourit à l’esprit préparé » », m’a dit le Dr Morton. Cette découverte a réduit la région d’intérêt sur 7q à 3,8 millions de bases.
Le deuxième gène candidat, CNTNAP2, chevauche la région d’intérêt. Il manquait à chaque enfant une seule base sur les deux copies du chromosome 7 à cet endroit, et chaque parent avait la même mutation, mais dans une seule copie. Ils sont porteurs. C’était la première loi de Mendel à l’œuvre.
L’équipe avait trouvé leur gène. Ils ont ensuite cherché plus loin dans la communauté, et parmi 105 Amish en bonne santé, quatre étaient porteurs. Neuf des 18 patients qui avaient des crises partielles mais pas de diagnostic spécifique, issus de 7 familles, avaient le syndrome CDFE.
Les crises étaient déroutantes. « Une même mutation peut provoquer différents types de crises. Quatre enfants d’une même famille réagissent différemment. Certains sont très handicapés, d’autres pas très affectés », a déclaré le Dr Morton. Trois enfants ont été opérés pour soulager les crises, mais le soulagement n’a pas duré. Cependant, les opérations ont fourni des échantillons de tissu cérébral qui ont permis aux chercheurs de mieux décrire ce qui n’allait pas.
La connectivité dans les cerveaux sujets aux crises est un désordre. Les limites de la matière grise et de la matière blanche sont floues, et certaines parties du cortex cérébral sont épaissies. Les neurones eux-mêmes ne sont pas tout à fait corrects. Ils sont trop ronds, trop serrés, avec des arbres dendritiques déformés. Les points sur les neurones indiquent un trop grand nombre de noyaux de la glie, les cellules de soutien qui constituent la majeure partie du système nerveux. Le rapport de recherche de 2006 s’est montré poétique, décrivant l’amygdale, le siège des émotions, dans les cerveaux épileptiques comme « des îlots microscopiques excentriques de précurseurs neuronaux partiellement matures en grappes serrées », enveloppés de glie déchaînée.
Le portrait du cerveau épileptique amish a pris tout son sens à la lumière des travaux sur la protéine neurexine CASPR2 (qui signifie contactin-associated protein-like 2). La neurexine forme un échafaudage au niveau des nœuds de Ranvier. Les nœuds sont les sites exposés sur un axone entre les oreillers de myéline, le matériau isolant qui est en fait les membranes cellulaires des cellules gliales enroulées autour du neurone comme un pansement autour d’un doigt. Les impulsions nerveuses franchissent les nœuds, envoyant des messages suffisamment rapides pour maintenir la vie.
Les protéines CASPR2 chez les enfants Amish sont rabougries. Elles ne traversent pas les membranes cellulaires des neurones et ne plongent pas dans le cytoplasme comme elles le devraient, et en conséquence, les canaux potassiques proches s’effondrent. Ces canaux permettent normalement aux ions potassium de se précipiter hors des cellules nerveuses au moment où une impulsion passe, ce qui les réinitialise. Donc, sans l’échafaudage de la neurexine, le neurone ne peut pas se réinitialiser. La transmission s’arrête. Et, d’une manière ou d’une autre, les crises commencent. Je ne pense pas que l’on sache si les crises induisent les caractéristiques autistiques ou si elles surviennent directement – d’autres études génétiques devraient l’indiquer.
Un modèle de souris
Daniel Geschwind, MD, PhD et professeur de neurologie à la David Geffen School of Medicine de l’UCLA, travaillait sur les gènes de l’autisme et a lu l’article de 2006 dans le New England Journal of Medicine. Il a appelé et a dit : « Vous avez trouvé mon gène ! ». Une belle collaboration a commencé, et il a fabriqué une souris avec la mutation Amish », a déclaré le Dr Morton. Les souris ont le gène CNTNAP2 knocked out, et comme les personnes, elles ont des crises et des caractéristiques autistiques.
« Une souris court habituellement autour de la cage, normalement sociale et bavarde. Ces souris n’étaient ni l’un ni l’autre », a expliqué le Dr Morton. Elles présentaient également des comportements répétitifs et des crises d’épilepsie.
Le cerveau des souris mutantes présentait un schéma de connectivité anormal rappelant les travaux histologiques antérieurs. « L’avant du cerveau parle surtout avec lui-même. Il ne communique pas autant avec les autres parties du cerveau et manque de connexions à longue portée avec l’arrière du cerveau », a déclaré le Dr Geschwind. Le groupe avait montré des anomalies similaires dans le cerveau d’enfants autistes.
La similitude frappante entre les enfants Amish et les souris constitue un terrain d’expérimentation pour les médicaments. La rispéridone, prescrite pour traiter les comportements répétitifs chez les enfants, a eu le même effet sur les souris, tout en améliorant leur capacité à construire des nids. Mais le médicament n’aide pas les enfants à se socialiser.
Un candidat médicament évident pour améliorer les compétences sociales est l' »hormone de l’amour », l’ocytocine. Elle est abondante dans les mêmes neurones du cerveau qui sont riches en protéine CASPR2. Un manque d’ocytocine pourrait-il provoquer des caractéristiques autistiques ? Les résultats de la supplémentation en ocytocine sont prometteurs, tant chez les souris que chez les enfants.
Le Dr Geschwind et ses collègues ont constaté qu’un spray nasal d’ocytocine « améliore considérablement les déficits sociaux » chez les souris. Comme les souris non autistes n’ont pas répondu, l’hormone semble en effet compenser un déficit.
Les fermiers amish donnent déjà de l’ocytocine aux vaches pour contracter leurs muscles utérins, et je me souviens en avoir reçu pour relancer un travail bloqué. Mais n’essayez pas cela à la maison. Plusieurs essais cliniques sont en cours pour l’ocytocine ou les médicaments qui stimulent son activité dans le cerveau afin d’améliorer la socialisation chez les enfants autistes.
Autism Speaks a financé le premier essai clinique de l’ocytocine en 2010, et les NIH parrainent un essai en cours plus important de l’ocytocine en spray nasal. Mais pour autant que je sache, les patients ont été recrutés sur la base de diagnostics cliniques selon le DSM-IV – et non sur le critère plus spécifique du génotype.
Bien que l’idée d’essayer l’ocytocine pour améliorer les symptômes sociaux de l’autisme ne nécessitait pas de connaître la mutation sous-jacente, une telle information peut ajouter de la précision à toute conclusion en considérant le mécanisme – ce qui peut conduire à développer d’autres traitements. Dans un autre billet, j’examinerai comment la précision génétique a permis au Dr Morton de développer des traitements pour certaines erreurs innées du métabolisme qui sont beaucoup plus courantes chez les Amish, mais qui apparaissent quand même sur les écrans des nouveau-nés de tout le monde.