Une nouvelle étude scientifique révèle l’association entre le gène GABRA4 et les phénotypes du système nerveux

Contexte de l’étude

Ces dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans l’étude des syndromes d’épilepsie et de troubles du développement liés aux mutations monogéniques. Les récepteurs GABAA (récepteurs de l’acide gamma-aminobutyrique de type A, GABAARs) sont des canaux anioniques hétérogènes à ouverture ligand-dépendante responsables de la neurotransmission inhibitrice. Les GABAARs sont composés de différentes sous-unités codées par 19 gènes, formant des sous-types de récepteurs fonctionnellement diversifiés. La sous-unité α4 de ces récepteurs est exprimée dans les neurones et les cellules gliales, avec une expression la plus abondante dans le gyrus denté et le thalamus, et se trouve principalement en dehors des synapses, exerçant une action inhibitrice tonique. Cependant, les mécanismes moléculaires du rôle spécifique de GABRA4 (le gène codant pour la sous-unité GABAARα4) dans le développement neuronal n’ont pas encore été entièrement élucidés.

Des études antérieures ont identifié une variante de novo p.(Thr300Ile) du gène GABRA4 chez un patient atteint d’épilepsie et d’anomalies du développement neurologique, suggérant que GABRA4 pourrait être un facteur étiologique monogénique potentiel. Cependant, aucun nouveau cas n’a été signalé depuis. Par conséquent, grâce à une collaboration internationale, nous avons recueilli des données moléculaires et phénotypiques d’individus porteurs de mutations de novo de GABRA4, dans le but de valider davantage l’association de ce gène avec les phénotypes du système nerveux.

Source de l’étude et informations sur les auteurs

Cet article scientifique a été rédigé conjointement par Samin A. Sajan, Ralph Gradisch, Florian D. Vogel et d’autres chercheurs, principalement issus de l’University of Wisconsin School of Medicine and Public Health, de la Medical University of Vienna, d’Illumina Inc., du Nicklaus Children’s Hospital et d’autres institutions de recherche. L’article a été publié le 2 avril 2024 dans l’European Journal of Human Genetics.

Processus de recherche

Sujets d’étude et analyse génétique

Cette étude porte sur 4 individus porteurs de mutations de novo de GABRA4 et leurs parents. Les méthodes d’analyse génétique utilisées comprennent le séquençage de l’exome entier (exome sequencing), le séquençage du génome entier (genome sequencing), et dans certains cas, une confirmation par séquençage Sanger. L’étude s’est concentrée sur les mutations dans les domaines transmembranaires du gène GABRA4, et une analyse fonctionnelle a été réalisée par simulation de dynamique moléculaire (molecular dynamics, MD).

Description détaillée des étapes expérimentales

1. Séquençage génétique des patients et de leurs familles :

   • Patient 1 (fille de 8 ans) : Séquençage de l’exome entier réalisé avec le kit SureSelect Human All Exon (Agilent), et confirmation de la mutation c.899 C > T, p.(Thr300Ile) par séquençage Sanger dans le sang et les cellules buccales. Cette mutation est située dans le deuxième domaine transmembranaire (TMD) de GABRA4.
   • Patient 2 (fille de 9 ans) : Séquençage de l’exome entier réalisé avec le Twist Enrichment Workflow (Twist Bioscience), révélant la mutation c.797 C > T, p.(Pro266Leu) située dans le premier domaine transmembranaire de GABRA4.
   • Patient 3 (garçon de 4 ans) : Séquençage du génome entier révélant la mutation c.899 C > A, p.(Thr300Asn), également située dans le deuxième domaine transmembranaire de GABRA4, confirmée par séquençage Sanger.
   • Patient 4 (garçon de 10 ans) : Séquençage clinique de l’exome révélant la mutation c.634 G > A, p.(Val212Ile) située dans le domaine extracellulaire (ECD) de GABRA4.

2. Simulation de dynamique moléculaire :

   • Utilisation d’une structure pré-ouverte du récepteur α4β3δ basée sur le PDB ID: 7QN9, insérée dans un environnement membranaire complexe.
   • Réalisation de 3 répliques indépendantes pour chaque condition de mutation, pour une durée totale de 0,5 microseconde.
   • Les simulations de dynamique moléculaire ont révélé des différences significatives dans le comportement des domaines transmembranaires entre les récepteurs de type sauvage et mutants.

Phénotypes et expression génétique des sujets d’étude

1. Patient 1 : Présente un retard de développement, une épilepsie et des insomnies. La simulation de dynamique moléculaire montre que la mutation p.(Thr300Ile) entraîne une diminution de la dynamique du domaine transmembranaire (TMD), validant les données expérimentales précédentes.
2. Patient 2 : Présente un retard de développement global et un déficit d’attention. La simulation de dynamique moléculaire révèle que la mutation p.(Pro266Leu) augmente le comportement dynamique du TMD, suggérant un possible effet de gain de fonction.
3. Patient 3 : Présente un retard de développement sévère, une épilepsie et des anomalies structurelles cérébrales. La mutation p.(Thr300Asn) dans ce cas augmente la stabilité du TMD, similaire au patient 1.
4. Patient 4 : Présente des problèmes de développement et de comportement complexes, sans épilepsie ni anomalies EEG. La mutation p.(Val212Ile) est située dans le domaine extracellulaire, et la simulation de dynamique moléculaire n’a pas identifié de changements fonctionnels significatifs pour cette mutation.

Résultats de l’étude

L’étude a révélé la présence générale de retards de développement neurologique, de déficience intellectuelle, d’anomalies comportementales et d’épilepsie chez les 4 individus porteurs de mutations de novo de GABRA4. En particulier, l’association entre les mutations du domaine transmembranaire (TMD) et l’épilepsie a été fortement validée, tous les patients présentant des mutations dans le TMD manifestant différents degrés d’épilepsie. Le seul patient ne présentant pas d’épilepsie avait une mutation dans le domaine extracellulaire, suggérant que les mutations dans différents domaines peuvent avoir des impacts différents sur les caractéristiques phénotypiques.

Importance de l’étude

En combinant le séquençage génétique à grande échelle et la simulation de dynamique moléculaire, cette étude confirme davantage l’hypothèse monogénique reliant le gène GABRA4 aux anomalies du système nerveux. L’étude révèle non seulement l’impact des mutations du TMD sur la structure et la fonction des GABAARs, mais souligne également le rôle potentiellement important de l’expression de GABRA4 pendant les stades de développement neuronal.

Conclusion et perspectives

Cette étude souligne le rôle pathologique des mutations de novo de GABRA4 dans le développement neuronal, le comportement et l’épilepsie, et appelle à de nouvelles études biochimiques et électrophysiologiques ainsi qu’à la collecte de données sur davantage de patients pour aider à comprendre pleinement le spectre clinique associé à GABRA4. De plus, l’élucidation des modèles d’expression de GABRA4 pendant les stades embryonnaires est cruciale pour révéler son rôle exact dans le développement neuronal humain.