Les facteurs de programmation des motoneurones embryonnaires réactivent l'expression génique immature et suppriment les pathologies de la SLA dans les motoneurones postnataux

I. Contexte académique et origine de la recherche

Les maladies dégénératives des motoneurones, telles que la sclérose latérale amyotrophique (ALS), constituent depuis longtemps un axe majeur de la recherche en neurosciences. L’ALS se caractérise par une apparition à l’âge adulte, avec une dégénérescence progressive des motoneurones, conduisant à la paralysie et à la mort. Dans l’ALS et d’autres pathologies similaires, le vieillissement est considéré comme un facteur de risque principal ; toutefois, les mécanismes moléculaires qui rendent les motoneurones matures plus sensibles aux lésions pathologiques, contrairement aux motoneurones jeunes capables de les résister, restent mal compris. Des études antérieures ont révélé que la maturation des motoneurones s’accompagne de changements drastiques dans l’expression génique et la structure de la chromatine, impliquant environ 7000 gènes et 100 000 régions d’ouverture de la chromatine qui évoluent fortement durant la maturation.

L’équipe de recherche a observé que durant la période embryonnaire, les motoneurones possèdent une forte résilience et une capacité de régénération, résilience qui est progressivement perdue par la suite. Ils ont émis une hypothèse clé : réexprimer, dans des motoneurones matures, les “facteurs de transcription sélecteurs” embryonnaires, comme Isl1 et Lhx3, permettrait-il de restaurer la vitalité neuronale et de retarder ou de bloquer les processus pathologiques de l’ALS ? Isl1 et Lhx3 jouent un rôle central dans la genèse et la différenciation des motoneurones embryonnaires, mais leur expression diminue après la naissance.

Ce travail de recherche vise à répondre à la question : la réexpression, dans des neurones matures, des facteurs de transcription centraux de la période embryonnaire peut-elle restaurer un profil d’expression génique juvénile et ainsi atténuer ou prévenir les lésions pathologiques dans un modèle murin de l’ALS ? Cette approche s’inscrit à la fois dans la recherche fondamentale et ouvre de nouvelles perspectives thérapeutiques pour les maladies neurodégénératives telles que l’ALS.

II. Source de l’article et informations sur les auteurs

Cet article, intitulé “Embryonic motor neuron programming factors reactivate immature gene expression and suppress ALS pathologies in postnatal motor neurons”, est publié dans Nature Neuroscience, volume 28, octobre 2025 (pages 2044–2053). Les principaux auteurs sont Emily R. Lowry, Tulsi Patel, Jonathon A. Costa, Elizabeth Chang et d’autres, affiliés principalement au Columbia University Irving Medical Center (Centre médical Irving de l’Université Columbia, USA), certains œuvrant actuellement à la Rutgers University Robert Wood Johnson Medical School. Ce travail marque une contribution égale de plusieurs membres de l’équipe, illustration d’une collaboration multidisciplinaire à Columbia.

III. Processus de recherche et innovations techniques

1. Aperçu du flux expérimental général

Le protocole se décline en parties principales :

• Construction et validation d’outils viraux d’expression spécifiques des motoneurones ;
• Réexpression de Isl1 et Lhx3 dans le modèle murin ALS ;
• Analyse multi-omique à noyaux uniques (multiome RNA et ATAC-seq), pour explorer l’expression génique et la structure chromatinienne ;
• Évaluation de marqueurs pathologiques clés (corps ronds SQSTM1, structures pathologiques SOD1) et des symptômes comportementaux ;
• Validation de l’effet protecteur à long terme sur les motoneurones ;
• Validation fonctionnelle aux niveaux moléculaire et tissulaire.

2. Système d’expression AAV spécifique du motoneurone

L’équipe s’est basée sur le fait que les motoneurones expriment la choline acétyltransférase (CHAT) et a exploité un “enhancer” localisé 3 kb en amont du gène CHAT (“chAT enhancer”, chate dans l’article) pour examiner son accessibilité chromatinienne et sa spécificité transcriptionnelle durant la maturation. Dans les expériences préliminaires, le fragment chate a été inséré dans un vecteur AAV afin d’y conduire l’expression de mCherry. Après injection ventriculaire chez des nouveau-nés rongeurs, une expression efficace et spécifique de mCherry dans les motoneurones a été validée. En comparaison à des promoteurs ubiquitaires (CAGGS-GFP), le promoteur chate via l’AAV n’exprime exclusivement que dans les motoneurones, sans diffusion vers d’autres cellules cholinergiques.

3. Réexpression de Isl1 et Lhx3 dans le modèle ALS murin

Le modèle choisi est le classique SOD1^G93A transgénique murin pour la sclérose latérale amyotrophique. Les nouveau-nés (P1) reçoivent une injection cérébrale d’AAV porteur des gènes humains Isl1 et Lhx3, et la stabilité ainsi que l’efficacité de leur expression dans les motoneurones sont suivies selon différents dosages viraux. Les doses élevées permettent une réexpression massive et durable de Isl1 ou Lhx3 dans la majorité des motoneurones au fil des semaines.

4. Analyse multi-omique à noyaux uniques : expression génique et structure chromatinienne

En s’appuyant sur les souris rapporteuses CHAT-Cre/SUN1-GFP, l’équipe a trié les noyaux neuronaux et utilisé la plateforme 10x pour une analyse multiome (snRNA-seq et ATAC-seq à noyaux uniques) combinant informations transcriptomiques et épigénomiques. Pour distinguer la réexpression virale des facteurs Isl1/Lhx3, le génome de référence a été enrichi des éléments viraux (Isl1/Lhx3 humains, intron chimérique, WPRE). Les motoneurones prélevés à P21 après traitement ont été caractérisés via clustering et analyse du profil d’expression.

5. Traitement des données et innovations algorithmiques

Le traitement est réalisé avec les paquets Seurat et Signac, l’intégration des multiomes et des clusters étant obtenue par CCA (Canonical Correlation Analysis). Les données OMICS permettent d’identifier les sous-types de motoneurones (Alpha, Gamma, Type 3) et d’étudier les modifications de l’expression génétique spécifique induite par le vecteur viral selon chaque sous-type.

6. Analyses histopathologiques et comportementales

Les souris modèles ALS sont étudiées à différents stades (P45, P75, P120) via des prélèvements de moelle épinière pour immunohistochimie (marqueurs pathologiques : corps ronds SQSTM1, structures SOD1 anormales), couplés à un suivi comportemental détaillé (tremblements fins des membres postérieurs, survie, etc.).

IV. Détails des résultats principaux

1. Réexpression de Isl1 et Lhx3 “réjuvénilise” partiellement les motoneurones

Chez les animaux du groupe AAV–Isl1+AAV–Lhx3, environ la moitié des motoneurones réactivent le marqueur MNX1, typique de la période embryonnaire. En comparaison, l’expression de MNX1 dans les contrôles est quasi nulle, prouvant que les facteurs Isl1 et Lhx3 permettent de réactiver le programme génétique embryonnaire.

L’analyse à noyaux uniques montre que, dans les sous-types Alpha et Type 3, les cellules exprimant le virus forment de nouveaux clusters séparés des groupes contrôles (‘Alpha prime’, ‘Type 3 prime’), avec des changements dynamiques importants de l’expression génique et des régions d’ouverture de la chromatine. Les motifs régulateurs s’enrichissent sur les sites de liaison de Lhx3 (motif homeodomain), signifiant que ces facteurs agissent non seulement sur l’activation génique directe, mais aussi sur la “jeunification” globale via l’accès à la chromatine.

2. Effets hautement sélectifs entre sous-types de motoneurones

Bien que les facteurs Isl1 et Lhx3 soient exprimés dans les trois grands sous-types de motoneurone, les modifications phénotypiques significatives d’expression génique se produisent principalement chez les sous-types Alpha et Type 3, tandis que les motoneurones Gamma montrent peu de réponse, suggérant une différence intrinsèque dans la sensibilité et la régulation épigénomique de chaque sous-type.

3. La “jeunification” transcriptionnelle favorise la résistance neuronale aux pathologies ALS

Dans le modèle SOD1^G93A, le premier marqueur pathologique observé est la formation des corps ronds SQSTM1, signalant un défaut du système de dégradation des protéines. Dans les motoneurones réexprimant Isl1 et Lhx3, la formation de ces corps ronds est drastiquement diminuée (et, à forte dose, plus de 80% des cellules réexprimées sont protégées), sans impact négatif sur la quantité totale de motoneurones.

Au fil de la maladie, l’accumulation de structures pathologiques SOD1 s’intensifie. Mais la réexpression de Isl1 et Lhx3 réduit très fortement leur fréquence. Les analyses montrent que la quantité de structures SOD1+ est réduite d’un facteur trois à P75, sans altération du niveau d’expression du transgène SOD1, prouvant que la réexpression agit par amélioration de la résistance cellulaire, et non par suppression de l’expression pathologique.

4. Retard des symptômes comportementaux et amélioration de la survie neuronale

En condition de faible dosage viral (20% d’expression des transgènes), l’apparition des tremblements fins des membres postérieurs est significativement retardée (chez les femelles, de P90 à P105), mais la durée de vie n’est pas augmentée. En dose élevée, le nombre de motoneurones survivants à P120 est significativement plus grand, et la proportion de cellules coexprimant Isl1 et Lhx3 se maintient ou augmente, démontrant un effet protecteur durable.

Il est également montré qu’une expression stable de Isl1 et Lhx3 est corrélée à une meilleure protection pathologique, liée à la stabilité d’expression des facteurs et à des effets sélectifs sur les sous-types neuronaux.

V. Conclusion et apport scientifique

L’ensemble de l’étude apporte pour la première fois la preuve que la réexpression hétérochronique de facteurs de transcription embryonnaires dans des motoneurones matures induit des modifications géniques spécifiques aux sous-types cellulaires, atténue les lésions précoces et tardives dans le modèle murin de l’ALS, retarde l’apparition des symptômes comportementaux et améliore la survie neuronale. Cette stratégie se distingue des méthodes classiques de reprogrammation cellulaire généraliste (par induction de facteurs de pluripotence non spécifiques), en proposant une “jeunification” ciblée sur les cellules à risque.

Sur le plan scientifique, ce travail montre la relation entre les changements génomiques associés à la maturation neuronale et la susceptibilité aux pathologies, posant les bases conceptuelles pour des interventions de type cellulaire sélectif. Sur le plan applicatif, il ouvre une voie thérapeutique plausible pour l’ALS et autres maladies neurodégénératives de l’adulte, par vectorisation virale de facteurs endogènes de protection et restauration de la résilience cellulaire, préfigurant d’éventuelles nouvelles approches de thérapie génique.

VI. Points forts et innovations de la recherche

1. Reprogrammation cellulaire ciblée : Contrairement aux reprogrammations généralisées, l’utilisation d’enhancer spécifique au motoneurone permet d’activer de façon précise des facteurs sélecteurs, assurant spécificité et sécurité au niveau cellulaire.
2. Technologies multi-omiques avancées : La combinaison du snRNA-seq et ATAC-seq permet de révéler en profondeur la synergie entre expression génique et ouverture chromatinienne, apportant des preuves multi-dimensionnelles sur la détermination du destin cellulaire.
3. Effets sélectifs sur les sous-types et exploration des mécanismes : L’équipe a montré et analysé la réponse différentiée des sous-types de motoneurones à la réexpression de facteurs de transcription, révélant des bases moléculaires de la sensibilité neuronale et avancant la compréhension de la dégénérescence sélective dans l’ALS.
4. Validation sur modèle pathologique : L’étude, conduite sur le modèle ALS à différentes étapes, combine données moléculaires, cellulaires, tissulaires et comportementales, posant un socle solide pour la translation clinique.

VII. Autres points importants

Ce travail aborde aussi des aspects techniques, comme la stabilité et la durée d’expression des facteurs de transcription, le réglage du dosage viral et leurs répercussions sur l’effet protecteur. L’équipe note la nécessité d’améliorer la longévité d’expression et d’explorer l’efficacité des interventions à stades avancés de la maladie. Certaines questions ouvertes restent posées, telles que les mécanismes par lesquels la modulation de l’excitabilité neuronale peut restaurer l’homéostasie protéique, ou les effets comparés de chaque facteur pris isolément ou en combinaison.

VIII. Conclusion et perspectives

Cette étude, fondée sur une stratégie innovante de “jeunification” cellulaire, permet d’activer avec précision les programmes endogènes de protection des motoneurones et d’atténuer significativement la pathologie liée à l’ALS. Elle offre une nouvelle direction prometteuse pour le traitement des maladies neurodégénératives. À l’avenir, il sera crucial de vérifier l’applicabilité et la sécurité de cette approche dans d’autres pathologies connexes, afin de promouvoir le progrès vers une médecine de précision et personnalisée.