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Mécanismes fondamentaux de l'audition et médecine de précision

CHRISTINE PETIT

MÉCANISMES FONDAMENTAUX DE L'AUDITION ET MÉDECINE DE PRÉCISION

Nous avons jusqu’ici approché les mécanismes moléculaires qui sous-tendent les fonctions auditives par l’identification des gènes responsables de surdité neurosensorielle chez l’homme. Plus généralement, la cochlée est entrée dans l’ère moléculaire via la dissection génétique que nous en avons proposée et mis en œuvre. Cette stratégie visait à contourner les difficultés que rencontrent les analyses biochimiques et de biologie moléculaire classique appliqués aux très petits nombres de cellules que comportent la cochlée pour chacun de ses types cellulaires et y inclus pour les cellules sensorielles (les cellules ciliées). S’y ajoute le fait que les machineries moléculaires impliquées dans les diverses fonctions des cellules cochléaires comportent, en règle générale des composants dont chacun d’eux est très peu exprimé. Il est ainsi de la machinerie de transduction auditive des cellules ciliées, qui convertit le stimulus mécanique sensoriel en un signal électrique. L’approche génétique a une efficacité indifférente au nombre de cellules qui expriment le gène d’intérêt et au nombre de molécules qui en dérive dans chaque cellule. Aussitôt le premier gène responsable de surdité neurosensorielle identifié chez l’homme, grâce aux biophysiciens, physiologistes, biologistes cellulaires et biochimistes qui ont alors rejoint le laboratoire, il a été possible d’identifier les fonctions des protéines codées par ces gènes dits de surdité, par l’obtention et l’intégration d’un ensemble de données complémentaires.  Les modèles murins des surdités humaines alors générés (inactivations géniques ubiquitaires ou conditionnelles) ont permis d’identifier pour une même protéine, son rôle embryonnaire, postnatal ou associé à des conditions de stress (stress sonore en particulier). C’est en cherchant à regrouper les protéines codées par ces gènes au sein de complexes ou de réseaux protéiques que les mécanismes moléculaires qui sous-tendent diverses fonctions cochléaires ont pu être mis au jour. Le travail collaboratif mené avec le Professeur Paul Avan, visant à élucider le rôle de ces mécanismes moléculaires, nous a conduit à découvrir le rôle insoupçonné de structures cochléaires. On peut citer celui de divers liens fibreux de la touffe ciliaire, structure de réception du son des cellules sensorielles, et site de la transduction auditive. Ainsi, chez l’enfant, DFNB16, la forme de surdité héréditaire la plus fréquente après DFNB1 (atteinte du gène GJB2 qui code la connexine 26), est due à l’altération du gène STRC qui code une protéine, la stéréociline. Elle a révélé le rôle critique de liens fibreux de la touffe ciliaire des cellules ciliées externes (cf figure) dans l’ouverture coopérative des canaux de mécanotransduction. En parallèle, nous avons mis au jour la pathogénie d’un très grand nombre de formes de surdité nous permettant d’en proposer une classification physiopathologique.   Aujourd’hui, ces avancées fournissent, le socle de connaissances indispensables à la recherche de thérapies curatives.  Notre équipe est déjà engagé depuis longtemps dans le développement d’une thérapie génique visant une forme de surdité héréditaire précoce, DFNB9 (voir le projet du Dr. Saaid Saffiedine). Ne sont présentés ci-dessous que les nouveaux projets. 

 

 

Touffes ciliaires des cellules ciliées externes à gauche de souris sauvages (Strc+/+) à droite de souris dépourvue de stéréociline (Strc-/-). La flèche noire pointe les liens apicaux qui disparaissent en l’absence de stéréociline et la tête de flèche noire, le lien associé à la machinerie de transduction.

MECANISMES FONDAMENTAUX DE L’AUDITION

Dans le but de progresser dans le déchiffrage des complexes et réseaux moléculaires impliqués dans les grandes fonctions des cellules sensorielles auditives : transduction y inclus la génération de distorsions sonores, amplification sonore et exocytose synaptique du neurotransmetteur (le glutamate), nous mettons en œuvre deux types d’approches complémentaires. 

La première menée par le Dr. Vincent Michel en collaboration avec le Dr. Asadollah Aghaie et les Drs. Joao E Carvalho et Eric Röttinger de l’Institut de Recherche sur le Cancer (IRCAN), (Inserm U1081-CNRS UMR7284) de Nice, vise à tirer parti de la conservation de certaines de ces fonctions, en particulier celle de la mécanotransduction, chez un invertébré, l’anémone de mer, qui appartient au groupe des cnidaires (figure 2). La seconde menée par le Dr. Elise Pepermans (antérieurement étudiante en thèse au laboratoire ) du Centre for Proteomics (University of Anwerp, Prof. Geert Baggerman) et plusieurs membres de notre équipe, le Dr. Vincent Michel, le Dr. Asadollah Aghaie et Fabienne Wong Jun Tai, se proposent de déchiffrer les complexes moléculaires impliquées dans les fonctions sus-mentionnées chez la souris en mettant à profit la spectrométrie de masse (couplée à la mobilité ionique) à très grande résolution (sensibilité théorique attomolaire). Ces deux approches contribueront aussi à  la recherche les gènes impliqués dans les surdités chez l’homme (voir ci-dessous les facteurs génétiques de la presbyacousie).

La machinerie moléculaire de la mécanotransduction de l’anémone de mer. Ce travail est fondé sur l’hypothèse selon laquelle la machinerie moléculaire de la transduction auditive, qui est partagée avec celle des cellules sensorielles vestibulaires, dérive d’une mécanotransduction ancestrale dont un représentant est présent dans les neurones que portent les tentacules des anémones de mer (cf figure). Ces neurones détectent les proies qui passent à leur proximité par les vagues liquidiennes qu’elles engendrent. On attend chez ces animaux la présence d’une mécanotransduction ancestrale d’une composition moléculaire qui pourrait être minimale. Fondé sur la connaissance de cette machinerie, on pourra alors rechercher les protéines codées par les gènes homologues chez l’homme. A l’appui de cette hypothèse, - la morphologie de la structure de réception des vibrations est apparentée à celle de la touffe ciliaire, structure de détection du son et de l’accélération, des cellules sensorielles auditives et vestibulaires, respectivement, - certains composants moléculaires de la machinerie de transduction semblent être partagés et -la physiologie de ces transductions présentent des caractéristiques communes. Ce modèle est particulièrement intéressant car ces animaux sont très aisément cultivables ce qui permet de mettre en œuvre des approches biochimiques ; la séquence de leur génome a été grossièrement établie; ils sont génétiquement modifiables ; un nombre croissant de laboratoires l’ont pris pour sujet d’étude ce qui laisse entrevoir le développement d’un ensemble d’outils et d’approches expérimentales pour l’analyser.  Il doit permettre de diminuer la pression qui s’exerce sur les vertébrés et en particulier, les rongeurs, pour acquérir le même type de connaissances. 

Les machineries moléculaires qui sous-tendent les principales fonctions des cellules sensorielles auditives de la cochlée.

Le projet a pour objectif de déchiffrer ces machineries chez la souris. La souris se prête aisément à la modification de tout gène, sa cochlée est très semblable à celle de l’homme et nous avons développé un grand nombre de lignées mutantes, modèles des surdités héréditaires de l’homme.  Parce que des améliorations considérables des performances des appareils de spectromètrie de masse ont été obtenues au cours des dernières années, une approche protéomique des composants intervenant dans chacune des machineries sus-mentionnées de la cellule sensorielle est aujourd’hui possible. Elle ne pourra s’affranchir de la validation fonctionnelle du rôle de ces composants que procure, jusqu’ici exclusivement, la modification des gènes correspondants, ou la modulation de leur expression chez l’animal. Cependant, elle va fournir des protéines (et donc des gènes) candidates pour appartenir à ces ensembles moléculaires, ainsi que des informations complémentaires sur leurs modes de fonctionnement. Ainsi c’est d’emblée un ensemble de protéines candidates interagissant directement ou indirectement entre elles qui seront identifiées et leurs modifications post-traductionnelles qui pourront être mises en évidence. La modulation de la composition de ces complexes/réseaux sous différentes conditions qu’elles soient d’origine environnementale ou génétique pourra aussi être mise au jour. Un choix de modifications géniques fondé sur les données obtenues, permettra de comprendre comment est régulée l’activité de ces différents complexes ou réseaux moléculaires, in vivo.

 

MEDECINE DE PRECISION

Par définition la médecine de précision (ou médecine personnalisée) utilise un ensemble de données biologiques, environnementales ou sociales propres au patient pour mieux apprécier sa probabilité de développement de maladies, affiner les diagnostics et personnaliser les traitements préventifs et curatifs.  

Notre objectif est de développer une médecine de précision dans deux domaines, celui du diagnostic des atteintes auditives et celui du développement de leur thérapie curative. Dans les deux cas sont visés principalement les surdités de l’adulte, au premier rang desquelles, la presbyacousie. Trois projets sont développés. Le premier vise l’identification des gènes responsables de presbyacousie et celle des gènes de susceptibilité/résistance aux atteintes auditives dues au bruit ; le second vise le développement de diagnostics multiparamétriques des atteintes auditives et le troisième celui de la thérapie génique des surdités tardives.

Le premier projet implique les Drs Crystel Bonnet, Sophie Boucher et Amrit Estivalet ainsi que le Dr. Hughes Aschard et son groupe de recherche, « génétique statistique » à l’Institut Pasteur, le Professeur Paul Avan, directeur du CERIAH et le Professeur Hung Thai-Van. Il implique de surcroît en ce qui concerne la recherche des gènes de susceptibilité/résistance au bruit, l’IRBA (Institut de Recherche Biomédicale des Armées) et un partenaire industriel, Sensorion. Le second projet est développé en étroite collaboration avec le Professeur Paul Avan, l’IRBA (Institut de Recherche Biomédicale des Armées) et Sensorion. Quant au troisième, ses contours sont en cours de définition. Elle impliquera aussi l’équipe de recherche de l’Institut de l’Audition « technologies innovantes et thérapies des surdité » que co-dirigent le Drs Saaid Saffiedine et Yann N.Guyen. 

Recherche des gènes responsables de presbyacousie et des gènes de susceptibilité aux atteintes auditives liées au bruit :

Aujourd’hui, on connaît un peu plus de 130 gènes responsables de surdité isolée (non syndromique) et précoce chez l’homme. La presbyacousie relève de causes génétiques et de causes environnementales. Par sa fréquence, elle se range dans les atteintes communes (handicaps ou maladies). Leurs causes génétiques peuvent être des variants génomiques associés à plusieurs gènes dont chacun contribue faiblement à l’atteinte ou à l’inverse, il peut s’agir de l’altération d’un seul gène (monogénique) dont l’effet est majeur. Dans le but d’explorer la possibilité de traiter la presbyacousie par thérapie génique, notre laboratoire s’attache à caractériser les bases génétiques des formes de presbyacousie sévère, à la recherche de formes monogéniques qui pourraient bénéficier d’approches de thérapie génique. Les premiers résultats que nous déjà obtenus grâce à une étude multicentrique menée sur le territoire national, impliquant ORLs et audioprothésistes, sont très encourageants (cf figure).

La recherche des gènes de susceptibilité/résistance au bruit, a pour objectif principal de déchiffrer les réseaux moléculaires et voies de signalisation impliqués dans le but d’orienter la recherche de médicaments candidats. 

Développement de diagnostics multiparamétriques des atteintes auditives : 

Affiner les diagnostics des atteintes auditives pour en proposer des thérapies adaptées, tel est l’objectif du développement de diagnostics multiparamétriques des atteintes auditives. 

Leur autre objectif est l’établissement de conditions qui permettent d’optimiser les tests de médicaments candidats. Nous pensons que beaucoup d'essais thérapeutiques portant sur des molécules candidates échouent faute d'une stratification des participants à ces études alors que l’hétérogénéité des mécanismes physiopathologiques des atteintes sous-jacentes est importante. Corollaire, les profils des répondeurs à ces molécules pourront être établis. La surdité héréditaire précoce est assez bien explorée mais pour les autres formes de surdité, les données dont on dispose restent rudimentaires. Nous nous proposons de parvenir à une description fine et multiparamétrique des surdités humaines d’apparition tardive.  Il s’agira d’obtenir des données psychophysiques, physiologiques et moléculaires et de les intégrer. C’est au CERIAH et en collaboration avec l’équipe de Hung Thai-Van que seront développées les nécessaires innovations méthodologiques et instrumentales pour y parvenir et dans notre équipe « mécanismes fondamentaux de l’audition et médecine de précision » que seront élaborés des tests moléculaires innovants.