1) Dynamique du vieillissement et processus associés :

Le vieillissement est un processus qui reste encore mal compris en dépit d’importants progrès réalisés dans les 3 dernières décennies. De plus, compte tenu des évolutions démographiques des sociétés humaines, ses conséquences délétères, en particulier l’incidence croissante des pathologies liées à l’âge, pèsent de plus et plus au niveau socioéconomique. Il est donc critique de progresser dans notre compréhension à la fois des mécanismes fondamentaux du vieillissement mais aussi sur ses implications en terme de pathologies associées, notamment dans des tissus non ou peu réplicatifs chez l’homme, comme le système nerveux ou le muscle cardiaque, qui sont particulièrement sensibles au vieillissement.

Ces dernières années, s’appuyant sur les travaux pionniers de Michael Rera menés sur D. melanogaster, nous avons montré que le vieillissement normal d’une population d’individus s’accompagne d’une proportion croissante d’individus présentant un accroissement de la perméabilité intestinale (individus dits Smurfs). Nous avons prouvé que cette propriété est évolutivement conservée puisqu’elle s’applique aussi bien à des espèces invertébrés (Drosophila mojavensis, Drosophila virilis, Caenorhabditis elegans ) qu’à des espèces vertébrées (Danio rerio et Notobranchius furzeri ). De plus, quel que soit l’âge chronologique des individus Smurfs, ils présentent une longévité restante considérablement réduite, caractéristique de l’espèce (Fig. 1).

S’appuyant sur ces observations, nous avons développé un nouveau modèle de théorique de vieillissement basé sur l’existence de 2 phases discontinues dans la vie d’un individu, présentant des caractéristiques propres. De façon intéressante, ce modèle reproduit fidèlement les courbes de longévité observées ainsi que d’autres caractéristiques telles que l’augmentation des niveaux de gènes d’inflammation avec l’âge.

Les travaux que nous menons actuellement portent sur la caractérisation moléculaire de ces 2 phases du vieillissement et de leur dynamique, ainsi que sur les conséquences en terme de longévité de la modulation d’expression des gènes ainsi identifiés. Des approches protéomiques et de séquençage à haut débit sont utilisées dans ce but.

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Fig. 1: Le vieillissement est un processus en deux phases.

A/ Le vieillissement se caractérise par deux phases distinctes et consécutives. La phase 1 se caractérise par une augmentation en fonction du temps de la probabilité de dysfonctionnement d’au moins un organe, l’intestin. La phase 2 est la phase terminale de la vie pendant laquelle un grand nombre de phénotypes dits liés à l’âge apparaissent simultanément.

B/ Chaque phase peut être décrite par une équation distincte. La phase 1 est définie par une équation linéaire (y = a + b – panneau de gauche) décrivant l’augmentation en fonction du temps de la probabilité pour un individu de se transformer en Smurf (individus présentant une hyperperméabilité intestinale). La phase 2 est caractérisée par une équation de décroissance exponentielle en une phase (y = e-kt) – panneau de droite) décrivant la survie d’une sous-population isolée de Smurfs.
C/ La perméabilité intestinale détectée en utilisant le test Smurf est conservée de manière évolutive. Arbre phylogènétique des quatre organismes étudiés.

2) Pathologies neurodégénératives et cardiaques liées à des expansions de triplets

Des amplifications de triplets dans des régions codantes ou non codantes de plusieurs gènes peuvent conduire à des pathologies dégénératives dans différents organes. Nous étudions plus particulièrement 3 d’entre elles en s’attachant à rechercher de nouvelles stratégies thérapeutiques.

2-a : Maladies à expansion de polyglutamine (maladie de Huntington (MH) et Ataxie spino-cérébelleuse de type 3 (ASC3) :

Ces deux maladies sont liées à des amplifications du triplet CAG, codant pour la glutamine, dans les régions codantes des gènes de la Huntingtine (Htt) et de l’ataxine 3 (Atxn3) respectivement. Elles sont toutes deux des protéinopathies, caractérisées par l’apparition d’agrégats et la dégénérescence de régions spécifiques du système nerveux central.

Dans le cadre du programme européen TreatPolyQ, nous collaborons avec les équipes de T. Schmidt (Tubingen) et L. Pereira de Almeida (Coimbra) pour étudier le rôle de facteurs d’exportation nucléaire et de certains microARNs dans la pathologie SCA3.

Dans ce même programme, nous avons caractérisé dans un modèle Drosophile la pathologie cardiaque associée, chez l’homme, à la MH. Nous avons montré que l’expression inductible d’une forme pathologique de la huntingtine (mHtt) dans le coeur, s’accompagne d’une dilatation cardiaque. S’appuyant sur de précédents travaux menés sur l’ataxie de Freidreich (voir ci-dessous), nous avons montré que ce dysfonctionnement peut être corrigé partiellement par un traitement par le bleu de methylène. Ce nouveau modèle inductible ouvre la voie à des investigations génétiques et pharmacologiques permettant de mieux comprendre et de pouvoir corriger la pathologie cardiaque dans la MH.

En complément des modèles cardiaques et neuronaux de la MH, nous avons développé un modèle glial inductible de la MH. Ce modèle nous permet d’explorer les conséquences de l’expression de la mHtt dans les différents types cellulaires du SNC (glie ou neurones), en terme de longévité, de comportement (activité locomotrice, rythmes circadiens, ..) et de modulateurs génétiques de la pathologie. Nous avons identifié de profondes différences, à ces différents niveaux, entre les modèles neuronaux et gliaux de la MH, ce qui illustre la complexité de la maladie (Fig. 2). Nous caractérisons actuellement de façon approfondie les différentes voie de signalisation impliquées et, sur ces bases, explorons de nouvelles stratégies thérapeutiques.

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Fig. 2 : La perte de la rythmicité chez l’adulte est spécifique de la toxicité neuronale de mHtt.

La rythmicité circadienne a été analysée comme décrit en a) lorsque des protéines polyQ toxiques liées à SCA3 (Atxn3-70Q) ou HD (HTT-171-138Q) sont exprimées, soit dans les neurones (pilote elavGS), soit dans les cellules gliales (pilote repoGS) des mouches adultes, en utilisant le système inductible au RU486. b) Aucune perturbation de la rythmicité n’a été observée dans les mouches SCA3 lorsque la protéine toxique est exprimé dans les neurones (condition RU100) par rapport aux mouches témoins sans expression (RU0). c) En revanche une perte complète de rythmicité est observée dans les mouches HD quand mHtt est exprimée dans les neurones. d) La perte de rythmicité est spécifique de la pathologie neuronale car aucun changement de comportement n’est observé dans les mouches SCA3 ou HD lorsque les protéines toxiques sont exprimés dans les cellules gliales.

2-b : Ataxie de Freidreich (AF) :

L’ataxie de Friedreich est une pathologie mitochondriale qui touche principalement le système nerveux et le cœur. Elle est due à une expansion de triplets GAA dans le premier intron du gène FXN, ce qui entraine la diminution de l’expression de ce gène. FXN code la frataxine, une petite protéine mitochondriale impliquée dans la synthèse des centres fer-soufre et très conservée au cours de l’évolution. Nous utilisons la Drosophile pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans cette pathologie et apporter de nouvelles pistes thérapeutiques.

Nous avons ainsi montré que, chez la Drosophile, l’inactivation de la frataxine entraine un déficit en hormone stéroïde, responsable d’un blocage développemental. Nous avons identifié la ferrédoxine, une enzyme à centre fer-soufre impliquée dans la stéroïdogénèse, comme un acteur clé dans ce déficit hormonal. En collaboration avec l’équipe de Joëlle Cohen-Tannoudji dans notre unité, nous avons également montré que l’inactivation de la frataxine dans des cellules ovariennes humaines diminue la synthèse de progestérone. Nos données montrent donc que l’implication de la frataxine dans la stéroïdogénèse est conservée et suggèrent l’existence de perturbations hormonales chez les patients Friedreich.

Nous avons également établi un modèle cardiaque de l’AF chez la Drosophile (Fig. 3). L’inactivation coeur-spécifique de la frataxine conduit à une dilatation cardiaque avec perte de contractilité des cardiomyocytes. Nous avons montré que l’administration de bleu de méthylène (BM) permet de prévenir les dysfonctionnements cardiaques, probablement en améliorant l’activité de la chaîne respiratoire mitochondriale des coeurs déficients en frataxine. Le BM étant un composé déjà utilisé en clinique pour diverses applications, il constitue un candidat prometteur pour prévenir les atteintes cardiaques qui constituent la première cause de mortalité chez les patients AF.

Nous utilisons nos modèles Drosophile de l’AF pour réaliser des cribles pharmacologiques. En collaboration avec l’équipe de JM Camadro à l’Institut Jacques Monod, nous avons testé des molécules préalablement sélectionnées sur modèles levure de l’AF, ce qui nous a permis d’identifier plusieurs composés protecteurs. Ces molécules de première génération pourraient représenter une base d’optimisation pour obtenir des composés plus efficaces. Un crible pharmacologique à plus grande échelle (portant sur plus de 1000 composés) a également été réalisé et a permis d’identifier de nouveaux composés en cours de validation.

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Fig. 3 : Imagerie cardiaque in vivo chez la Drosophile :

Des Drosophiles anesthésiées sont placées sur une lame sous une loupe binoculaire à fluorescence. Elles sont éclairées à la longueur d’onde d’excitation d’une protéine fluorescente exprimée spécifiquement dans le cœur. La lumière de fluorescence émise est captée à travers la cuticule dorsale par une caméra à haute vitesse, ce qui permet d’extraire les paramètres cardiaques.

3) Recherche de biomarqueurs d’efficacité pour le suivi de patients atteints de maladies neurodégénératives

Le vieillissement est le principal facteur de risque de la maladie d’Alzheimer. Des dérégulations du métabolisme des monocarbonés sont associées à une incidence accrue de plusieurs maladies chroniques, comme la démence, la maladie d’Alzheimer et d’autres maladies métaboliques comme le diabète de type 2 et l’obésité. Bien que les mécanismes moléculaires qui déclenchent la maladie d’Alzheimer ne sont pas entièrement compris, de récentes données suggèrent que la dyslipidémie peut contribuer à sa progression. Certains patients avec trisomie 21 développent à l’âge de 30-40 ans une démence comparable à celle de la maladie d’Alzheimer. Le vieillissement pathologique chez le sujet avec trisomie 21 est associé au syndrome démentiel qui combine à des degrés variés des troubles des fonctions cognitives et du comportement modifiant la personnalité. Ces patients présentent également une dyslipidémie avec des dérégulations du métabolisme des monocarbonés. Parmi les gènes localisés sur le chromosome 21, l’expression de DYRK1A, une sérine thréonine kinase, et de la CBS (cystathionine beta synthase), enzyme impliquée dans le métabolisme des monocarbonés, est dérégulée dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons démontré une relation entre DYRK1A et la CBS et leur implication dans le métabolisme des monocarbonés, du cholestérol et de l’insuline, métabolismes dérégulés dans la maladie d’Alzheimer. Nous recherchons à démontrer leur rôle dans la progression de la maladie d’Alzheimer par l’utilisation du premier modèle de rat inductible et progressif de la maladie, en collaboration avec le Dr J. Braudeau (CEA/I2BM/MIRCen).

De nombreuses stratégies thérapeutiques contre la maladie d’Alzheimer ont été évaluées et jusqu’à présent, aucune d’entre elles n’a permis d’enrayer efficacement la progression de la maladie. C’est pourquoi il est nécessaire de trouver des biomarqueurs permettant d’améliorer le diagnostique précoce de la maladie dans le but de développer des traitements avant que les modifications pathologiques ne se propagent dans le cerveau. Or l’analyse de ces biomarqueurs actuellement établis dans le bilan diagnostique de la maladie d’Alzheimer est en fait limitée à des centres spécialisés car elle demande un équipement lourd. C’est pourquoi, cela limite le développement de programmes de dépistage et cela démontre bien le besoin évident de trouver de nouveaux biomarqueurs qui permettraient la détection et le traitement à des stades très précoces de la maladie. Nous avons notamment développé une méthode pour quantifier le niveau plasmatique de la protéine DYRK1A, et démontrer que cette protéine peut servir de biomarqueur potentiel de la maladie d’Alzheimer. La recherche d’interactants de la protéine DYRK1A, en collaboration avec le Dr JM Camadro (Institut Jacques Monod, UMR CNRS 7592), a permis l’identification de protéines déjà montrées comme potentiels biomarqueurs dans le sérum de patients atteints de la maladie d’Alzheimer. La capacité de ces protéines à être des biomarqueurs sériques est actuellement en cours d’analyse. Ainsi, le pouvoir discriminant de ces marqueurs sur des patients atteints d’autres neuropathologies doit être démontré. Pour cela, les niveaux de DYRK1A ainsi que des marqueurs dérégulés en cas de maladie d’Alzheimer et dont le niveau est corrélé à DYRK1A seront analysés chez des patients atteints de déficit cognitif léger (cohorte INSIGHT en collaboration avec le Pr Bruno Dubois, département de neurologie, hôpital de la Salpêtrière, Paris), des patients atteints de la maladie d’Alzheimer typique et atypique, comparés à des patients atteints de démence fronto-temporale, des patients atteints de dégénérescence corticobasale et de paralysie supranucléaire progressive (cohorte SHATAU en collaboration avec le Pr Marie Sarazin, Unité de Neurologie de la Mémoire et du Langage, Inserm UMR S894, Centre Hospitalier Sainte Anne, Université Paris Descartes), des patients porteurs de trisomie 21 avec ou sans démence (en collaboration avec le Dr Anne-Sophie Rebillat, Institut Jérôme Lejeune, Paris), ainsi que chez des sujets témoins. Nous disposons de différents prélèvements : plasma, liquide céphalo-rachidien et lignées immortalisées. Ces marqueurs seront validés selon les critères suivants : refléter le processus physiopathologique, afficher une grande sensibilité, afficher une haute spécificité pour la maladie d’Alzheimer par rapport aux autres neuropathologies. L’évaluation de ces biomarqueurs dans le sérum des patients combinée à des paramètres d’imagerie et des marqueurs du liquide céphalo-rachidien devra permettre de développer un test à visée pronostique/diagnostique dans le but d’identifier les personnes à haut risque de développer la maladie d’Alzheimer et qui pourront bénéficier de traitements.

Outre la validation de nouveaux biomarqueurs sanguins, l’évaluation cerveau-plasma dans des modèles de souris nous permet d’étudier les mécanismes neurobiologiques sous-jacents à la dérégulation de ces biomarqueurs. Ces modèles nous permettent également d’évaluer l’efficacité de traitements visant la protéine DYRK1A, en collaboration avec le Dr R. Dodd (CNRS UPR 2301), et la protéine CBS, en collaboration avec le Pr O. Taboureau (INSERM U973) et le Dr J. Dairou (XCRS UMR 8601). Une approche computationnelle a permis un criblage virtuel sur un ensemble de plus de 35 millions de composés afin de présélectionner de nouveaux composés, qui seront ensuite testés in vitro et in vivo.

Parmi les composés visant la protéine DYRK1A, un premier essai clinique de phase 2, randomisée avec placebo, qui a été conduit par différentes équipes dont notre groupe, a permis de mettre en évidence que l’EGCG améliore les capacités cognitives et d’apprentissage de jeunes adultes porteurs de trisomie 21 (Fig. 4). Dans ce cadre, ces biomarqueurs seront utilisés pour déterminer la dose et suivre l’efficacité d’un nouveau traitement ciblant de jeunes enfants porteurs de trisomie 21 dans le cadre d’une étude de phase II en collaboration avec le Dr Cécile Cieuta-Walti (Institut Jérôme Lejeune, Paris) et le Pr R de la Torre (IMIM-Hospital del Mar Medical Research Institute, Barcelona).

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Fig.4 : Principe de l’essai clinique de phase 2 de l’EGCG, un inhibiteur de DYRK1A, dans le syndrome de Down