Étude des traits de sénescence cellulaire prématurée dans la maladie d’Alzheimer : Application de la transcriptomique monocellulaire

Contexte et objectifs de l’étude

La maladie d’Alzheimer (Alzheimer’s disease, AD) est le type de démence tardive le plus répandu, caractérisé par des dépôts extracellulaires de protéine β-amyloïde (β-amyloid) et des enchevêtrements neurofibrillaires intracytoplasmiques. D’autres caractéristiques pathologiques incluent une augmentation du nombre de microglies et d’astrocytes, des dysfonctionnements mitochondriaux et lysosomaux, ainsi qu’une dégénérescence neuronale. Le vieillissement est le principal facteur de risque de l’AD et est étroitement lié à la sénescence cellulaire. La sénescence cellulaire (cellular senescence) désigne un état irréversible de l’arrêt du cycle cellulaire après que la cellule ait atteint la “limite de Hayflick”. Cependant, sous un stress chronique (comme le stress oxydatif et les dysfonctionnements mitochondriaux), les cellules prolifératives et non prolifératives peuvent exhiber une sénescence cellulaire prématurée. La sénescence cellulaire est souvent utilisée pour décrire une transition d’état des cellules par la sécrétion de divers facteurs, appelée phénotype sécrétoire associé à la sénescence (SASP).

Bien qu’il y ait des preuves indiquant une sénescence prématurée des cellules gliales chez les patients atteints de l’AD, leur charge totale, les types cellulaires les plus affectés et les mécanismes déclencheurs de la sénescence ne sont pas suffisamment décrits. Cette étude, menée par l’Imperial College London en collaboration avec plusieurs instituts de recherche internationaux, vise à décrire de manière exhaustive les traits de sénescence cellulaire prématurée dans la maladie d’Alzheimer, à explorer ses mécanismes et à fournir une base pour de futurs traitements.

Origine de l’étude et auteurs

Cette étude a été réalisée par 18 chercheurs, parmi lesquels Nurun N. Fancy, Amy M. Smith, et Alessia Caramello. Les principaux auteurs sont affiliés au Brain Sciences Department de l’Imperial College London, au Centre for Brain Research de l’University of Auckland, et au Department of Psychiatry de l’University of Geneva. L’article a été publié dans la revue Acta Neuropathologica en 2024, avec des dates de soumission, révision et acceptation respectivement le 4 janvier 2024, 11 mars 2024, et 28 mars 2024.

Méthodes et processus de l’étude

Aperçu du processus de recherche

L’étude a utilisé des techniques de cytométrie de masse par imagerie (Imaging Mass Cytometry, IMC) et de séquençage d’ARN monocellulaire (Single Nuclear RNA Sequencing, snRNA-seq), analysant plus de 200 000 noyaux, et prélevant des données des tissus du mésencéphale et du cortex de donneurs atteints d’AD et de témoins non atteints de maladie (NDC). Le processus comprend : le traitement des échantillons, la collecte de données IMC et snRNA-seq, l’analyse des données et la validation.

Traitement des échantillons

Les échantillons proviennent de dix donneurs NDC (stades de Braak 0-II) et de dix patients AD (stades de Braak V-VI). Les échantillons ont été marqués à l’aide de la cytométrie de masse par imagerie pour les marqueurs β-galactosidase (GLB1) et p16INK4a (p16).

Collecte et analyse des données

En utilisant la cytométrie de masse par imagerie, l’étude a trouvé une augmentation des microglies, des oligodendrocytes et des astrocytes GLB1-positifs respectivement de 4,1, 4,6 et 4 fois dans l’AD par rapport aux NDC, et une augmentation de 1,6 fois des microglies p16-positives. Ensuite, l’analyse de séquençage d’ARN monocellulaire a révélé l’expression génique dans les sept principaux types de cellules cérébrales du mésencéphale et du cortex.

L’étude a utilisé des méthodes telles que l’analyse d’enrichissement de groupes de gènes (Gene Set Enrichment Analysis, GSEA) et l’analyse de trajectoire pseudo-temporelle (Pseudotime Trajectory Analysis) pour illustrer les traits de sénescence prématurée associés aux cassures double-brin de l’ADN (DSBs), aux dysfonctionnements mitochondriaux et au stress du réticulum endoplasmique (ER), validant les phénomènes observés via un ensemble de données snRNA-seq AD indépendant.

Principaux résultats

Augmentation de l’expression des marqueurs de la sénescence cellulaire

Les résultats de la cytométrie de masse par imagerie ont montré une augmentation significative de l’expression des marqueurs GLB1 et p16 dans les microglies, les oligodendrocytes et les astrocytes chez les patients AD par rapport aux NDC. De plus, une baisse de l’expression des voies de phagocytose chez les microglies AD a été observée, suggérant une capacité réduite à éliminer la protéine β-amyloïde.

Association entre sénescence prématurée et protéine β-amyloïde

Pour mieux comprendre la relation entre la charge de protéine β-amyloïde et la sénescence cellulaire, l’étude a montré que dans le cerveau des donneurs AD, plus de 25% des microglies proches des plaques β-amyloïdes exprimaient simultanément GLB1 et p16, contre seulement 3% des microglies éloignées des plaques.

Résultats du séquençage d’ARN monocellulaire

Les données de séquençage d’ARN monocellulaire ont révélé que les microglies AD exprimaient significativement des gènes associés à la sénescence prématurée, tels que ATM, RB1, NFATC2 et GLB1. En particulier, les microglies dans l’AD montraient une régulation à la hausse des voies de synthèse protéique, de régulation métabolique et de stress du réticulum endoplasmique. Ces données suggèrent que la sénescence prématurée des microglies est un phénomène marquant dans l’AD.

Conclusion et implications

Les résultats de l’étude montrent que la charge de microglies prématurément sénescentes est élevée dans la maladie d’Alzheimer et est étroitement liée à la progression de la maladie. Les microglies des patients AD non seulement affichent des marqueurs de sénescence précoce significativement élevés, mais montrent aussi des caractéristiques d’expression génique associées à la charge de β-amyloïde. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche future, suggérant que les microglies pourraient être une cible thérapeutique principale pour l’AD, avec des perspectives de réduction de la charge pathologique et des déficits cognitifs par l’élimination des cellules sénescentes.

Ces découvertes appuient encore l’idée que la sénescence prématurée joue un rôle clé dans la progression de l’AD, fournissant ainsi une base scientifique pour concevoir des stratégies thérapeutiques visant à éliminer les cellules sénescentes.

Points forts de l’étude

1. Découverte importante : L’étude révèle une augmentation significative de la charge de cellules sénescentes prématurées dans le cerveau des patients AD, en particulier pour les microglies.
2. Marqueurs de sénescence : Une analyse détaillée des différences d’expression des marqueurs de sénescence cellulaire par la cytométrie de masse par imagerie et le séquençage d’ARN monocellulaire.
3. Mécanismes élucidés : L’étude décrit en détail les mécanismes de sénescence prématurée associés aux cassures double-brin de l’ADN, aux dysfonctionnements mitochondriaux et au stress du réticulum endoplasmique.
4. Cible thérapeutique potentielle : Les données soutiennent l’idée que les microglies sont une cible clé pour le traitement de l’AD, fournissant des bases importantes pour des stratégies thérapeutiques futures.

Autres informations précieuses

Cette étude vérifie non seulement les résultats de précédents ensembles de données indépendants, mais souligne également des directions de recherche futures, telles que la définition plus précise des expressions géniques spécifiques conduisant à la pathologie. En particulier, l’étude de l’impact du stress lié à la β-amyloïde sur les microglies et la conception de stratégies thérapeutiques influençant leurs voies de sénescence.