Protéine « magnéto » : génétiquement modifiée pour contrôler le cerveau et le comportement

Des chercheurs aux États-Unis ont développé une nouvelle méthode pour contrôler les circuits cérébraux associés à des comportements animaux complexes, en utilisant le génie génétique pour créer une protéine magnétisée qui active des groupes spécifiques de cellules nerveuses à distance.

Comprendre comment le cerveau génère le comportement est l'un des objectifs ultimes des neurosciences – et l'une de ses questions les plus difficiles. Ces dernières années, les chercheurs ont développé un certain nombre de méthodes qui leur permettent de contrôler à distance des groupes spécifiques de neurones et de sonder le fonctionnement des circuits neuronaux.

La plus puissante d'entre elles est une méthode appelée optogénétique, qui permet aux chercheurs d'activer ou de désactiver des populations de neurones apparentés sur une échelle de temps milliseconde par milliseconde avec des impulsions de lumière laser. Une autre méthode récemment développée, appelée chimiogénétique, utilise des protéines modifiées qui sont activées par des médicaments de synthèse et peuvent cibler des types cellulaires spécifiques.

Bien que puissantes, ces deux méthodes présentent des inconvénients. L'optogénétique est invasive, nécessitant l'insertion de fibres optiques qui délivrent les impulsions lumineuses dans le cerveau et, en outre, la mesure dans laquelle la lumière pénètre dans le tissu cérébral dense est sévèrement limitée. Les approches chimiogénétiques surmontent ces deux limitations, mais induisent généralement des réactions biochimiques qui prennent plusieurs secondes pour activer les cellules nerveuses.

La nouvelle technique, mise au point en Ali Gulerdu laboratoire de l'Université de Virginie à Charlottesville, et décrit dans une publication anticipée en ligne dans la revue Nature Neuroscience, est non seulement non invasif, mais peut également activer les neurones rapidement et de manière réversible.

Plusieurs études antérieures ont montré que les protéines des cellules nerveuses qui sont activées par la chaleur et la pression mécanique peuvent être génétiquement modifiées pour qu'elles deviennent sensible aux ondes radio et champs magnétiques, en les attachant à une protéine stockant le fer appelée ferritine, ou à des particules paramagnétiques inorganiques. Ces méthodes représentent une avancée importante – elles ont par exemple déjà été utilisées pour réguler la glycémie chez la souris – mais impliquent plusieurs composants qui doivent être introduits séparément.

La nouvelle technique s'appuie sur ces travaux antérieurs et est basée sur une protéine appelée TRPV4, qui est sensible à la fois à la température et forces d'étirement. Ces stimuli ouvrent son pore central, permettant au courant électrique de traverser la membrane cellulaire ; cela évoque des impulsions nerveuses qui voyagent dans la moelle épinière puis jusqu'au cerveau.

in vivo manipulation du comportement du poisson zèbre à l'aide de Magneto. Les larves de poisson zèbre présentent un comportement d'enroulement dans
réponse à des champs magnétiques localisés. De Wheeler et al  (2016).

Güler et ses collègues ont estimé que les forces de couple magnétique (ou de rotation) pourraient activer TRPV4 en ouvrant son pore central, et ils ont donc utilisé le génie génétique pour fusionner la protéine à la région paramagnétique de la ferritine, ainsi que de courtes séquences d'ADN qui signalent aux cellules de transporter protéines à la membrane des cellules nerveuses et les insérer dans celle-ci.

Lorsqu'ils ont introduit cette construction génétique dans des cellules rénales embryonnaires humaines poussant dans des boîtes de Pétri, les cellules ont synthétisé la protéine « Magneto » et l'ont insérée dans leur membrane. L'application d'un champ magnétique a activé la protéine TRPV1 modifiée, comme en témoignent les augmentations transitoires de la concentration en ions calcium dans les cellules, qui ont été détectées avec un microscope à fluorescence.

Ensuite, les chercheurs ont inséré la séquence d'ADN de Magneto dans le génome d'un virus, ainsi que le gène codant pour la protéine fluorescente verte, et des séquences d'ADN régulatrices qui provoquent l'expression de la construction uniquement dans des types spécifiés de neurones. Ils ont ensuite injecté le virus dans le cerveau de souris, en ciblant le cortex entorhinal, et ont disséqué le cerveau des animaux pour identifier les cellules émettant une fluorescence verte. À l'aide de microélectrodes, ils ont ensuite montré que l'application d'un champ magnétique sur les tranches de cerveau activait Magneto pour que les cellules produisent des impulsions nerveuses.

Pour déterminer si Magneto peut être utilisé pour manipuler l'activité neuronale chez les animaux vivants, ils ont injecté Magneto dans des larves de poisson zèbre, ciblant les neurones du tronc et de la queue qui contrôlent normalement une réponse d'évasion. Ils ont ensuite placé les larves de poisson zèbre dans un aquarium magnétisé spécialement construit et ont découvert que l'exposition à un champ magnétique induisait des manœuvres d'enroulement similaires à celles qui se produisent lors de la réponse d'évasion. (Cette expérience a impliqué un total de neuf larves de poisson zèbre, et des analyses ultérieures ont révélé que chaque larve contenait environ 5 neurones exprimant Magneto.)

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