Rétablir la perte de vision liée à l’âge grâce à la reprogrammation épigénétique

  • L’étude de preuve de concept représente la première tentative réussie d’inverser l’horloge de vieillissement chez les animaux grâce à une reprogrammation épigénétique.
  • Les scientifiques ont utilisé des gènes embryonnaires pour reprogrammer les cellules des rétines de souris.
  • L’approche a inversé les lésions oculaires induites par le glaucome chez les animaux.
  • L’approche a également rétabli la perte de vision liée à l’âge chez les souris âgées.
  • Les sorts de travail promettent d’utiliser la même approche dans d’autres tissus, des organes au-delà des yeux.
  • Le succès ouvre la voie au traitement de diverses maladies liées à l’âge chez l’homme.

Les scientifiques de la Harvard Medical School ont réussi à restaurer la vision chez la souris en remontant le temps sur les cellules oculaires âgées de la rétine pour retrouver la fonction des gènes juvéniles.

Le travail de l’équipe, décrit aujourd’hui (2 décembre 2020) dans La nature, représente la première démonstration qu’il peut être possible de reprogrammer en toute sécurité des tissus complexes, tels que les cellules nerveuses de l’œil, à un âge plus précoce.

En plus de réinitialiser l’horloge de vieillissement des cellules, les chercheurs ont réussi à inverser la perte de vision chez les animaux atteints d’une maladie imitant le glaucome humain, une des principales causes de cécité dans le monde.

Cette réalisation représente la première tentative réussie pour inverser la perte de vision induite par le glaucome, plutôt que de simplement freiner sa progression, a déclaré l’équipe. Si elle est reproduite à travers d’autres études, l’approche pourrait ouvrir la voie à des thérapies visant à promouvoir la réparation des tissus dans divers organes et à inverser le vieillissement et les maladies liées à l’âge chez l’homme.

«Notre étude démontre qu’il est possible d’inverser en toute sécurité l’âge de tissus complexes tels que la rétine et de restaurer sa fonction biologique juvénile», a déclaré l’auteur principal David Sinclair, professeur de génétique au Blavatnik Institute de la Harvard Medical School, codirecteur de la Paul F. Glenn Center for Biology of Aging Research au HMS et un expert sur le vieillissement.

Sinclair et ses collègues avertissent que les résultats doivent être répliqués dans d’autres études, y compris dans différents modèles animaux, avant toute expérience humaine. Néanmoins, ajoutent-ils, les résultats offrent une preuve de concept et une voie vers la conception de traitements pour une gamme de maladies humaines liées à l’âge.

«Si elles sont confirmées par d’autres études, ces résultats pourraient être transformateurs pour le soin des maladies de la vision liées à l’âge comme le glaucome et pour les domaines de la biologie et de la thérapeutique médicale pour la maladie en général», a déclaré Sinclair.

Pour leur travail, l’équipe a utilisé un virus adéno-associé (AAV) comme véhicule pour délivrer dans la rétine des souris trois gènes de restauration de la jeunesse – Oct4, Sox2 et Klf4 – qui sont normalement activés pendant le développement embryonnaire. Les trois gènes, ainsi qu’un quatrième, qui n’a pas été utilisé dans ce travail, sont collectivement connus sous le nom de facteurs Yamanaka.

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Le traitement a eu de multiples effets bénéfiques sur l’œil. Premièrement, il a favorisé la régénération nerveuse après une lésion du nerf optique chez des souris présentant des nerfs optiques endommagés. Deuxièmement, il a inversé la perte de vision chez les animaux atteints d’une maladie imitant le glaucome humain. Et troisièmement, il a inversé la perte de vision chez les animaux vieillissants sans glaucome.

L’approche de l’équipe est basée sur une nouvelle théorie sur les raisons pour lesquelles nous vieillissons. La plupart des cellules du corps contiennent le même ADN molécules mais ont des fonctions très diverses. Pour atteindre ce degré de spécialisation, ces cellules doivent lire uniquement les gènes spécifiques à leur type. Cette fonction de régulation est du ressort de l’épigénome, un système d’activation et de désactivation des gènes selon des schémas spécifiques sans altérer la séquence d’ADN sous-jacente de base du gène.

Cette théorie postule que les modifications de l’épigénome au fil du temps amènent les cellules à lire les mauvais gènes et à un dysfonctionnement, ce qui entraîne des maladies liées au vieillissement. L’un des changements les plus importants de l’épigénome est la méthylation de l’ADN, un processus par lequel des groupes méthyle sont collés sur l’ADN. Des modèles de méthylation de l’ADN sont établis au cours du développement embryonnaire pour produire les différents types de cellules. Au fil du temps, les jeunes modèles de méthylation de l’ADN sont perdus et les gènes à l’intérieur des cellules qui devraient être activés sont désactivés et vice versa, entraînant une altération de la fonction cellulaire. Certains de ces changements de méthylation de l’ADN sont prévisibles et ont été utilisés pour déterminer l’âge biologique d’une cellule ou d’un tissu.

Pourtant, si la méthylation de l’ADN entraîne des changements liés à l’âge à l’intérieur des cellules n’est pas clair. Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont émis l’hypothèse que si la méthylation de l’ADN contrôle effectivement le vieillissement, l’effacement de certaines de ses empreintes pourrait inverser l’âge des cellules à l’intérieur des organismes vivants et les ramener à leur état plus précoce et plus jeune.

Des travaux antérieurs avaient réalisé cet exploit dans des cellules cultivées dans des plats de laboratoire, mais n’avaient pas réussi à démontrer l’effet sur les organismes vivants.

Les nouvelles découvertes démontrent que l’approche pourrait également être utilisée chez les animaux.

Surmonter un obstacle important

L’auteur principal de l’étude, Yuancheng Lu, chercheur en génétique au HMS et ancien doctorant dans le laboratoire de Sinclair, a développé une thérapie génique qui pourrait inverser en toute sécurité l’âge des cellules chez un animal vivant.

Le travail de Lu s’appuie sur la découverte, lauréate du prix Nobel, de Shinya Yamanaka, qui a identifié les quatre facteurs de transcription, Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc, qui pourraient effacer les marqueurs épigénétiques sur les cellules et ramener ces cellules à leur état embryonnaire primitif à partir duquel elles peuvent se développer en tout autre type de cellule.

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Des études ultérieures ont cependant montré deux revers importants. Premièrement, lorsqu’ils sont utilisés chez des souris adultes, les quatre facteurs Yamanaka pourraient également induire une croissance tumorale, rendant l’approche dangereuse. Deuxièmement, les facteurs pourraient réinitialiser l’état cellulaire à l’état cellulaire le plus primitif, effaçant ainsi complètement l’identité d’une cellule.

Lu et ses collègues ont contourné ces obstacles en modifiant légèrement l’approche. Ils ont abandonné le gène c-Myc et n’ont livré que les trois gènes Yamanaka restants, Oct4, Sox2 et Klf4. L’approche modifiée a réussi à inverser le vieillissement cellulaire sans alimenter la croissance tumorale ni perdre son identité.

Thérapie génique appliquée à la régénération du nerf optique

Dans l’étude actuelle, les chercheurs ont ciblé les cellules du système nerveux central, car c’est la première partie du corps affectée par le vieillissement. Après la naissance, la capacité du système nerveux central à se régénérer diminue rapidement.

Pour tester si la capacité de régénération des jeunes animaux pouvait être transmise à des souris adultes, les chercheurs ont administré la combinaison modifiée de trois gènes via un AAV dans des cellules ganglionnaires rétiniennes de souris adultes atteintes d’une lésion du nerf optique.

Pour le travail, Lu et Sinclair se sont associés à Zhigang He, professeur HMS de neurologie et d’ophtalmologie au Boston Children’s Hospital, qui étudie la neuro-régénération du nerf optique et de la moelle épinière.

Le traitement a entraîné une multiplication par deux du nombre de cellules ganglionnaires rétiniennes survivantes après la lésion et une multiplication par cinq de la repousse nerveuse.

«Au début de ce projet, beaucoup de nos collègues ont déclaré que notre approche échouerait ou serait trop dangereuse pour être utilisée», a déclaré Lu. «Nos résultats suggèrent que cette méthode est sûre et pourrait potentiellement révolutionner le traitement de l’œil et de nombreux autres organes affectés par le vieillissement.»

Inversion du glaucome et perte de vision liée à l’âge

Suite aux résultats encourageants chez des souris atteintes de lésions du nerf optique, l’équipe s’est associée à des collègues du Schepens Eye Research Institute du Massachusetts Eye et Ear Bruce Ksander, professeur agrégé d’ophtalmologie HMS, et Meredith Gregory-Ksander, professeur adjoint d’ophtalmologie HMS. Ils ont prévu deux séries d’expériences: une pour tester si le cocktail de trois gènes pourrait restaurer la perte de vision due au glaucome et une autre pour voir si l’approche pourrait inverser la perte de vision résultant du vieillissement normal.

Dans un modèle murin de glaucome, le traitement a conduit à une augmentation de l’activité électrique des cellules nerveuses et à une augmentation notable de l’acuité visuelle, telle que mesurée par la capacité des animaux à voir des lignes verticales en mouvement sur un écran. Fait remarquable, il l’a fait après la perte de vision induite par le glaucome.

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«La récupération de la fonction visuelle après la blessure a rarement été démontrée par les scientifiques», a déclaré Ksander. «Cette nouvelle approche, qui réussit à inverser les multiples causes de perte de vision chez la souris sans avoir besoin d’une greffe de rétine, représente une nouvelle modalité de traitement en médecine régénérative.

Le traitement a fonctionné de manière similaire chez les souris âgées de 12 mois dont la vision diminuait en raison du vieillissement normal. Après le traitement des souris âgées, les modèles d’expression génique et les signaux électriques des cellules du nerf optique étaient similaires à ceux des jeunes souris, et la vision a été restaurée. Lorsque les chercheurs ont analysé les changements moléculaires dans les cellules traitées, ils ont trouvé des modèles inversés de méthylation de l’ADN – une observation suggérant que la méthylation de l’ADN n’est pas un simple marqueur ou un spectateur dans le processus de vieillissement, mais plutôt un agent actif qui le dirige.

«Ce que cela nous dit, c’est que l’horloge ne représente pas seulement le temps – c’est le temps», a déclaré Sinclair. « Si vous remontez les aiguilles de l’horloge, le temps recule également. »

Les chercheurs ont déclaré que si leurs résultats étaient confirmés dans d’autres travaux sur les animaux, ils pourraient lancer des essais cliniques dans les deux ans pour tester l’efficacité de l’approche chez les personnes atteintes de glaucome. Jusqu’à présent, les résultats sont encourageants, ont déclaré les chercheurs. Dans l’étude actuelle, un traitement d’un an sur le corps entier de souris avec l’approche à trois gènes n’a montré aucun effet secondaire négatif.

Référence: 2 décembre 2020, La nature.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2975-4

D’autres auteurs sur le papier incluent Benedikt Brommer, Xiao Tian, ​​Anitha Krishnan, Margarita Meer, Chen Wang, Daniel Vera, Qiurui Zeng, Doudou Yu, Michael Bonkowski, Jae-Hyun Yang, Songlin Zhou, Emma Hoffmann, Margarete Karg, Michael Schultz, Alice Kane, Noah Davidsohn, Ekaterina Korobkina, Karolina Chwalek, Luis Rajman, George Church, Konrad Hochedlinger, Vadim Gladyshev, Steve Horvath et Morgan Levine.

Ce travail a été financé en partie par une bourse de démarrage et de développement de la Harvard Medical School Epigenetics, la Fondation Glenn pour la recherche médicale, Edward Schulak, les National Institutes of Health (subventions R01AG019719, R37AG028730, R01EY026939, R01EY021526, R01AG067782, R01GM065204, R01AG067782, R01GM06520Y , R24EY028767 et R21EY030276) et la Fondation Saint-Vincent de Paul.

Divulgations pertinentes: David Sinclair est consultant, inventeur de brevets sous licence, membre du conseil d’administration et actionnaire d’Iduna Therapeutics, une société Life Biosciences développant des thérapies de reprogrammation épigénétique, et consultant non rémunéré pour Zymo Research, une société d’outils épigénétiques. Yuancheng Lu, Luis Rajman et Steve Horvath sont actionnaires d’Iduna Therapeutics. George Church et Noah Davidsohn sont co-fondateurs de Rejuvenate Bio.

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