Les bases moléculaires et cellulaires de la maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson (MP) affecte >1% de la population âgée de plus de 65 ans. Présentemment, il y a plus de 100,000 personnes affectées au Canada et ce nombre va augmenter dû au vieillissement de la population dans les années à venir. La MP implique la mort des neurones dopaminergiques (DA) dans le mésencéphale, ce qui induit de graves déficits moteurs et fonctionnels. De plus, il apparaît de plus en plus clairement que la MP ne touche pas uniquement les neurones DA mais est bien plus étendue, impliquant des cellules dans le cerveau mais également à l'extérieur de celui-ci. Ces lésions non-DA précèdent souvent le dysfonctionnement des neurones DA et peuvent expliquer la multitude de symptômes non-moteurs chez les patients atteints de la MP. Malgré la disponibilité d'un traitement pour la MP, son efficacité diminue sur le long terme. La recherche biomédicale fondamentale nous donne l'espoir de développer un traitement plus définitif. Au cours des dernières années, la découverte de gènes responsables de formes familiales de la MP, a transformé ce qui était considéré jusqu'à la fin des années 1990 comme une “maladie environnementale” en une maladie cérébrale multi-génétique bien plus complexe. Plus récemment, les études d’association pangénomique (GWAS) ont identifié plus d’une centaine de loci de risque génétique associés à la MP, offrant une opportunité exceptionnelle de générer de nouvelles hypothèses sur la biologie de la MP et d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques.

Notre laboratoire s’intéresse depuis longtemps à l’étude des rôles moléculaires et cellulaires des gènes associés à la MP, car comprendre comment leur dysfonction perturbe les mécanismes fondamentaux cellulaires et moléculaires est essentiel pour élucider la pathogenèse de la maladie. Ces dernières années ont vu l’émergence d’outils de recherche puissants, notamment des modèles 2D et 3D dérivés de cellules souches pluripotentes induites humaines (CSPi), des cadres analytiques computationnels basés sur l’apprentissage automatique, ainsi que des plateformes de criblage à haut débit. En tant qu’équipe, nous exploitons ces approches afin de mieux élucider les mécanismes sous-jacents à la MP.

Axes de recherche :

Modélisation de la maladie de Parkinson – modèles CSPi et tests ciblés

En collaboration avec la plateforme de découverte de médicaments en phase précoce, la Neuro-PDMPP, dirigée par le Dr Durcan, notre équipe développe des modèles de la MP à partir de CSPi humaines. Grâce au Portail de données du référentiel du Neuro, nous avons accès à de nombreuses lignées dérivées d’individus sains ainsi que de patients atteints de MP porteurs de différentes mutations génétiques associées à la maladie. Nous investissons également des efforts dans l’ingénierie génétique des lignées de CSPi afin de générer des paires isogéniques pour nos études.

Nous sommes capables de cultiver et de différencier les CSPi en neurones dopaminergiques, corticaux ou moteurs, ainsi qu’en astrocytes et cellules microgliales, afin d’étudier la pathogenèse de la MP en cultures 2D. Nous travaillons également aux co-cultures de différents types cellulaires dérivés de CSPi en 2D. Enfin, nous produisons des organoïdes dérivés de CSPi intégrant ces différents types cellulaires, ce qui nous permet d’étudier les voies et mécanismes pathologiques de la MP dans des environnements 3D.

Au cours des dernières années, nous avons développé un ensemble complet de tests phénotypiques ciblés, dans des cellules immortalisées et des lignées de CSPi, permettant de capturer les principaux mécanismes pathogènes de la MP, notamment l’absorption et l’ensemencement de l’α-synucléine malformée, les dysfonctionnements mitochondriaux et les anomalies lysosomales. Ces tests optimisés sont bien adaptés à des criblages robustes à haut débit basés sur la microscopie, et nous continuons à enrichir cette plateforme par le développement de nouveaux tests pertinents pour la maladie.

Étude des gènes associés à la MP – criblages génétiques à haut débit

Les criblages génétiques à haut débit constituent une approche puissante et non biaisée pour identifier de nouvelles cibles thérapeutiques et décrypter les mécanismes et voies moléculaires impliqués dans la maladie. Ces criblages peuvent être conçus de manière exploratoire ou ciblée afin de répondre à des questions biologiques spécifiques, et leur exploitation est devenue un axe majeur de nos recherches ces dernières années.

Afin de comprendre comment les fibrilles d’α-synucléine s’accumulent dans les cellules et d’évaluer leurs effets pathologiques potentiels, nous produisons in vitro des fibrilles préformées d’α-synucléine (PFF), en collaboration avec la Neuro-PDMPP, et avons développé un test cellulaire robuste permettant de mesurer l’absorption de l’α-synucléine. À l’aide de ces outils, nous avons réalisé un criblage CRISPR à l’échelle du génome et identifié plusieurs gènes candidats susceptibles de réguler l’absorption cellulaire de l’α-synucléine.

En parallèle, nous nous intéressons particulièrement à ce que nous appelons le « GWASome de la MP ». Au cours de la dernière décennie, les GWAS ont identifié plus d’une centaine de loci de risque génétique associés à la MP, offrant une occasion sans précédent de générer de nouvelles hypothèses sur la biologie de la maladie et de découvrir de nouvelles cibles thérapeutiques. Malheureusement, ce potentiel est resté largement inexploité, une majeure partie de la recherche continuant de se concentrer sur les 6 à 8 premiers gènes de la MP, dont certains ont été découverts il y a plus de 25 ans. Pris ensemble, des gènes très étudiés tels que SNCA, PRKN, PINK1, LRRK2 et GBA totalisent plus de 20 000 citations dans PubMed. En revanche, la majorité des ~300 gènes situés dans les 134 loci de risque identifiés par GWAS restent largement inexplorés, avec peu ou pas de littérature liée à la MP. Comprendre comment ces gènes peu étudiés convergent vers des voies cellulaires communes est essentiel, car cela pourrait révéler des mécanismes centraux de la maladie actuellement négligés et orienter le développement de thérapies plus efficaces modifiant l’évolution de la maladie. Ainsi, notre objectif actuel est de caractériser fonctionnellement un large sous-ensemble de gènes issus des GWAS de la MP à l’aide de tests phénotypiques cellulaires pertinents pour la maladie, par le biais de criblages systématiques à haut débit.

Comprendre la biologie mitochondriale – Parkin/PINK1 et le complexe TOM

L’étude de la fonction de Parkin et PINK1 dans la biologie mitochondriale, ainsi que le rôle du dysfonctionnement mitochondrial dans la pathologie de la MP, constitue l’un des intérêts de longue date de notre laboratoire. Au fil des années, nous avons développé une expertise dans le suivi du dysfonctionnement mitochondrial in vitro, contribué à la découverte de nouveaux mécanismes de contrôle de la qualité mitochondriale, tels que les vésicules dérivées des mitochondries, et participé à l’élucidation de la structure et de la fonction de Parkin. Nos travaux récents ont mis en lumière la complexité du supercomplexe TOM–TIM et le rôle de PINK1 dans son organisation. 

En nous appuyant sur ces résultats, nos recherches actuelles se concentrent sur la biologie de PINK1 à la surface des mitochondries et sur son rôle précis au sein du complexe TOM–TIM.