Modèles Animaux et Etude des Traits Complexes - UE LU3SV541 PDF

Elise MORICE Equipe Sommeil et Mémoire Emotionnelle Institut du Fer à Moulin (IFM) INSERM UMRS 1270 Modèles Animaux et Etude des Traits Complexes UE LU3SV541 « Cerveau et Comportemen...

Elise MORICE Equipe Sommeil et Mémoire Emotionnelle Institut du Fer à Moulin (IFM) INSERM UMRS 1270 Modèles Animaux et Etude des Traits Complexes UE LU3SV541 « Cerveau et Comportement » Mes Intérêts et ma Démarche Scientifiques Modèle animal de pathologie humaine Stratégies de restauration Plasticité synaptique Cognition Recherche préclinique  Qu’est-ce qu’un Trait ? En science, le terme "trait" désigne une caractéristique causée par la génétique. Une maladie peut être considérée comme un trait. Les traits peuvent être classés en fonction de leur mode d’hérédité. ✦ Trait simple - résulte de mutations dans un seul gène ✦ Trait complexe - affecté par de nombreux gènes Trait Simple vs. Trait Complexe  Trait Simple vs. Trait Complexe ✦ Trait simple - résulte de mutations dans un seul gène = trait mendélien = trait binaire déterminé par l'action indépendante d'un seul gène majeur la mutation dans ce gène est nécessaire et suffisante pour le phénotype présente des modèles d'hérédité prévisibles  Trait Simple vs. Trait Complexe ✦ Trait complexe - affecté par de nombreux gènes = trait quantitatif = trait multifactoriel déterminé par les effets cumulatifs de gènes à différents loci : appelés « Quantitative Trait Loci » ou QTL on parle de gènes de susceptibilité (facteurs de risque) chaque gène contrôlant le caractère contribue pour une faible part au phénotype déterminé par les interactions entre de multiples facteurs de risque génétiques et environnementaux présente des regroupements familiaux mais pas de modèles d'hérédité prévisibles Trait Simple vs. Trait Complexe  Traits Complexes GÉNOTYPE PHÉNOTYPE Pénétrance incomplète gène de prédisposition Hétérogénéité génétique Pléïotropique Polygénique Fréquence élevée de l’allèle de prédisposition dans la population générale Autres… (ADN mitochondrial, empreinte génétique, anticipation…) Traits Complexes et encore plus Complexes Most human traits are not binary and simple, but rather continuous and complex. Trait continu Proportion These quantitative traits derive from the interplay of many genes (“polygenic”) and the environment. Traits Complexes encore plus Complexes  Traits Complexes encore plus Complexes Genetic risk factors Disease Pathway Gene Context ? Environmental risk factors k between genetic and environmental Découlent de risk factors in disease. l’interaction entreUnderstanding de nombreux the interplay between genetic and environ gènes (polygénique) s identification of the disease-associated context, causal genes, and pathways. This leads to a better understanding of et de l’environnement. come ill, whereas others do not  Etude des Traits Complexes Interactions gènes/gènes – gènes/environnement : Modèles animaux  Plan I- Introduction ✓ Validité des modèles animaux & étude de la psychiatrie ✓ Evolution de la psychiatrie & analyse génétique II - De la génétique au comportement (genetic-driven approach) ✓ Invalidation du transporteur de la dopamine (DAT) III - Du comportement au gène (phenotype-driven approach) ✓ Anxiété ✓ Depression IV - Conclusions  Plan I- Introduction ✓ Validité des modèles animaux & étude de la psychiatrie ✓ Evolution de la psychiatrie & analyse génétique II - De la génétique au comportement (genetic-driven approach) ✓ Invalidation du transporteur de la dopamine (DAT) III - Du comportement au gène (phenotype-driven approach) ✓ Anxiété ✓ Depression IV - Conclusions  Qu’est-ce qu’un Modèle Animal ? Définition : « Compromis expérimental dans lequel un système expérimental simple est utilisé pour représenter un système beaucoup plus complexe et moins immédiatement accessible : l’animal pour représenter le patient, la coupe tissulaire pour le cerveau, … ». (Verdoux et Bourgeois, 1991) Le modèle animal joue un rôle clé dans la compréhension d’une pathologie humaine : ! A partir d'une "reproduction" de la pathologie, il sera possible de tester des hypothèses sur les causes, les mécanismes et la thérapeutique.  Comment Construire un Modèle Animal ? Manipulation Croisement Génétique Dirigé Modèle Animal Manipulation Environnementale Manipulation Lésion Cérébrale Pharmacologique ou Stimulation  Comment Valider un Modèle Animal ? Définition : « Compromis expérimental dans lequel un système expérimental simple est utilisé pour représenter un système beaucoup plus complexe et moins immédiatement accessible : l’animal pour représenter le patient, la coupe tissulaire pour le cerveau, … ». (Verdoux et Bourgeois, 1991) « Un modèle est valide quand il mesure ce qu’il prétend mesurer » Soubrié et Simon, 1989  Comment Valider un Modèle Animal ? Validité d’Aspect La capacité du modèle à imiter les symptômes de la pathologie Validité prédictive La capacité du modèle à imiter Modèle Animal le traitement de la maladie et à déterminer dans quelle mesure le modèle peut être utilisé pour prédire des aspects inconnus de la maladie Validité de Construction Idéalement, le modèle doit ressembler à la La capacité du modèle à pathologie dans son étiologie, sa reproduire certains aspects de symptomatologie et son traitement l'étiologie ou de la physiopathologie du trouble  Modèles Animaux Définition : « Compromis expérimental dans lequel un système expérimental simple est utilisé pour représenter un système beaucoup plus complexe et moins immédiatement accessible : l’animal pour représenter le patient, la coupe tissulaire pour le cerveau, … ». (Verdoux et Bourgeois, 1991) Les Modèles Animaux en Psychiatrie ?  Modèles Animaux en Psychiatrie Exemple de la Schizophrénie Causes Symptômes Thérapeutiques  … < 1990 Modèles Prédictifs Test de la nage forcée de Porsolt Test de suspension par la queue Antidepresseurs : Antidepresseurs : ✓ Inactivité ➘ ✓ Nage ➚ ✓ Immobilité ➘ ✓ “Climbing” ➚  1990 … Psychiatrie et Modèles Animaux De la pharmacologie à la neuropsychiatrie génétique Des modèles prédictifs aux modèles étiologiques 1) Génétique Séquençage du génome, génétique moléculaire, mutagenèse aléatoire et dirigée, etc… 2) Psychiatrie Redéfinition des pathologies psychiatriques Modèles Animaux de Quelles Maladies Psychiatriques (Schizophrenie, Autisme, TOC,…) ? Les Maladies Psychiatriques ✓ Absence de marqueur biologique spécifique Nosographie : critère diagnostique clinique (échelles d’entretiens standardisées) Leboyer et al. TINS, 1998 DSM5 Diagnosis of Schizophrenia Modèles Animaux de Quelles Maladies Psychiatriques (Schizophrenie, Autisme, TOC,…) ? Les Maladies Psychiatriques ✓ Absence de marqueur biologique spécifique Nosographie : critère diagnostique clinique (échelles d’entretiens standardisées) => Bonne fidélité, mais quelle validité génétique, étiopathologique ? Jusqu’à présent, des résultats peu concluants Y-a-t-il une autre approche pour comprendre l'architecture génétique des pathologies psychiatriques ? Leboyer et al. TINS, 1998  Nouvelles Approches Phénotypiques Chez les patients Chez les apparentés non-atteints “Approche Symptômes Candidats” “ Endophénotypes ” Composants du phénotype Marqueurs Biologique/Cognitif/ qui ont une bonne “validité génétique” Electrophysiologique d’une vulnérabilité génétique sous-jacente ressemblance intra-familiale plus fréquent chez les apparentés identifient formes cliniques homogènes indépendant de l’état augmente le risque familial stable mode de transmission génétique mode de transmission génétique associé à des gènes candidats associé à des gènes candidats Exemples : Exemples : Age de début Déficit mnésique Conduites suicidaires Déficit de latéralisation Déficit transmission sensorimotrice … Utiliser des mesures neurophysiologiques, neurocognitives qui reflètent des aspects plus élémentaires de la biologie que les caractéristiques cliniques elles-mêmes Leboyer et al. TINS, 1998  Nouvelles Approches Phénotypiques 422 Yihong Zhao and F. Xavier Castellanos J Child Psychol Psychiatr 2016; 57(3): 421–39 Endophenotypes Feedback Feedback Feedback Feedback Genes Expression Molecules Cells Brain Symptoms RNA genes, neuron Structure, protein-coding RNA, proteins, development, circuits, Behavioral genes metabolites organelle physiology tests Genomics Transcriptomics Cell biology Neuroscience Diagnosis Epigenomics Proteomics Neuroscience Imaging Self-report Metabolomics Brain interactome Interactomics Environmental, social and psychological factors Figure 1 A simplified flow chart for psychiatric disorders: from genes to symptoms. In this flow chart, results from one level (gray box) can exert feedback regulation at several levels upstream although only one level immediately upstream is shown for simplicity. Environmental impacts on each level are indicated. The studies for understanding each level and consequently the corresponding data types are listed below each level Les endophénotypes représentent des étapes intermédiaires entre gènes et états pathologiques Institute of Mental Health (NIMH) implemented the Current status and challenges in Research Domain Criteria project (RDoC) (Cuthbert psychopathology of mental disorders & Insel, 2013; Simmons & Quinn, 2014) with the Exponentially increasing studies in genetics and aim of furthering the classification of mental disor- imaging in the past decade have revealed genetic cognitive endophenotypes include deficits in executive functions such as working memory and inhibition. Abnormalities in seve psychophysiological measures have also been proposed as candidate endophenotypes. These include smooth pursuit eye tracki Nouvelles Approches Phénotypiques the P300 event-related potential, and indices of sensorimotor gating such as backward masking, prepulse inhibition of the sta blink, and gating of the auditory P50 event-related potential component. These abnormalities in early information processing mentioned here because they might have ramifications for cognitive processing down the line, although such links are still m theoretical than established. Endophénotype Exemple de la Schizophrénie Figure 1 A schematic model of the frequency (left) and characteristics (right) of a cognitive endophenotype (e.g., inefficient working memory formal thought disorder, antisaccade errors). It is most frequent in schizophrenia, then in schizophrenia spectrum disorders, then in unaffected family members, and then in✓ theTrans-nosographique general population. It is presumed to reflect the influence of a susceptibility gene or genes. Enodophenotypes ✓ Disponible are a subset of biological markers à la modélisation that can be distinguished by meeting the criteria animale listed that suggests that they are genetic in origin (as oppo to primarily environmental, epigenetic, or multifactorial). The right side of the figure is adapted from Gould, T.D., Gottesman, I.I., 2005. Psychi atric endophenotypes and the development of valid animal models. Genes Brain Behav., 1–7 with permission from I. Gottesman who owns the  Catégories Review des traits modélisés TRE Nchez la souris DS in G enetics Vol.18 N o.12 Dece m ber 2 Exemple de la Schizophrénie Of kn Categories of Examples of schizophrenic In th Psychiatric disorder intermediate traits traits modeled in mice of th Enlargement of lateral ventricle: Neuroanatomy Similar increase in mice for a hum Decreased GAD67 expression: Neurochemistry Similar decrease in mice are n How Auditory gating deficit: Neurophysiology Abnormal prepulse inhibition disor Schizophrenia expr Psychomotor agitation: Sensation and movement Increased locomotion not i facto Learning and memory deficit: Cognition Impaired passive avoidance can b more Social interaction: Social behavior Impaired reciprocal whisker grooming hom stud TRENDS in Genetics in ad of ma Fig. 1. Categories of traits m odeled in mice: exa m ple Schizophrenia. A psychiatric disorder is ‘reve ularis oculi muscle) are most typically used. Dr. Maria Gulinello Assessing the Validity of an Animal Model Behavioral of CoreDeficient Facility Sensorimotor Gating in Schizophrenic Patients picture below shows still photos of the actually startle response i Albert Einstein College of Medicine Endophenotype : Prepulse Inhibition (PPI) mesure la régulation sensorimotrice Acoustic Startle and Prepulse Inhibition Introduction and Basics Acoustic Startle Reflex When we hear a loud, abrupt and unexpected sound, we startle, a phenomenon that is common to all mammals. The response consists of a rapid and involuntary extension and then flexion of a series of muscles. Although the startle response is a reflex, it can be modulated by many different stimuli. Startle reactions tend to be higher in the presence of threats, fear and pain [5-11] F and are conversely decreased by anxiolytics [6, 12-14]. From Réaction de sursaut quantifiable et réflexe animals.4.Representative Figure ChABC treatment images are shown increased for DAPI microglial (A), IBA1 density but (B), did GFAP (C), in not result anda merged images response robust immune (D). ChABC treatment over did notcontrol PEN-treated result in overall changes in IBA1 staining intensity (E), but did cause a small but significant increase in IBA1! cell density animals. Representative images are shown for DAPI (A), IBA1 (B), GFAP (C), and merged images (D). ChABC treatment did not result (F). Similar to IBA1, ChABC in overallinjection changesdid not result in IBA1 in overt staining changes intensity (E), butindid GFAP cause staining a smallintensity for astrocytes but significant increase(G). Highercell in IBA1! magnification imagesto density (F). Similar (middle IBA1, right) areinjection ChABC 100 " 100 did !notAssessing the Validity of an Animal Model m result (10,000 2 m ) insets in !overt changestaken from the in GFAP white-lined staining boxes intensity in (D). Scale for astrocytes barHigher (G). (white): 100 !m; !p images magnification PEN, n # 0.05. (middle 16; ChABC, n 16; 0.05. of Deficient Sensorimotor Gating in Schizophrenic Patients 2 right) are 100 " 100 !m (10,000 !m ) insets taken from the white-lined boxes in (D). Scale bar (white): 100 !m; !p # 0.05. PEN, n $ $ !p # $ 16; ChABC, n $ 16; !p # 0.05. Example of an « endophenotype » Prepulse Inhibition (PPI) %PPI Figure 5. PNN degradation did not affect PPI. A, Graphic representation of the behavioral assay. B, Rats showed greater PPI for trials with increasingly Figure loud prepulses. 5. PNN degradation did notHowever, ChABC affect PPI. treatment A, Graphic did not affect representation PPI of the at any prepulse behavioral intensity. assay. B, PEN, ngreater Rats showed $ 25; ChABC, n$ PPI for trials 24. increasingly loud prepulses. However, ChABC treatment did not affect PPI at any prepulse intensity. PEN, n $ 25; ChABC, n $ with 24. November/December 2018, 5(6) e0253-18.2018 eNeuro.org November/December 2018, 5(6) e0253-18.2018 eNeuro.org Swerdlow et al. 1994  Genome Biology P At a scientific review meeting of the Helmholtz Center Munich (SickKids). Prof. J in February 2018, an interesting discussion was initiated Analyse Génétique des Traits Complexes about the current status and future directions of forward genetics. chemical mutagenes shown DNA damage ‘Where does forward genetics fit in other technologies in Syndrome. Phenotype-driven approach Dr. Laura Reinho Jackson Laboratory alleles responsible ics under the Rep widely interested in forward and reverse Anxiété Puces à ADN etiology of genome v Prof. Dr. David Bei Biology and Regen Latéralisation Research Institute, Mémoire DATdevelopments in t Plasticité Synaptique including the applica investigation and for Prof. Dr. Nadia R Jackson Laboratory mice for targeted m ment, disease and Genetic-driven Figure 1. Forward approach and reverse genetics. Forward genetics (e.g., European Condition mutagenesis screens) involves identifying the genetic basis of a phenotype while reverse genetics (e.g., ectopic expression) involves dinated the selectio genetic manipulation and study of the resulting phenotype. for the international Mouse as a Prototype  Lignées Consanguines de Souris (Inbred strains of mice) Obtenues par > 20 croisements frère-soeur Entretenues par des croisements consanguins Le génome devient peu à peu entièrement homozygote Toutes les souris d'une même lignée sont génétiquement identiques  Lignées Coisogénique, Consomique et Congénique de Souris Lignée Coisogénique Lignée Consomique Lignée Congénique Identiques à l'exception d'une Identiques à l'exception d'un Identiques à l'exception d'un différence à un seul locus chromosome court segment chromosomique génétique ! suite à une mutation au sein d’une lignée consanguine Souris Génétiquement Modifiées  Mouse as a Prototype ✓ Extensive genetic, physiological and neuroanatomical homologies ▪ 99 % genes are homologous ▪ 96 % genes are syntenic (same order genes / region) Les modèles animaux, murins en particulier, peuvent faciliter l'identification de gènes candidats en raison: - d’une complexité génétique moindre, - de meilleurs outils génétiques et - d'un environnement contrôlé  Modèle Murin Pauvreté du registre comportemental chez la souris Activité locomotrice Activité Comportement d’exploration Interactions sociales Anxiété Dépendance / addiction Apprentissage / mémoire... Prise alimentaire, poids...  Genome Biology P At a scientific review meeting of the Helmholtz Center Munich (SickKids). Prof. J in February 2018, an interesting discussion was initiated Analyse Génétique des Traits Complexes about the current status and future directions of forward genetics. chemical mutagenes shown DNA damage ‘Where does forward genetics fit in other technologies in Syndrome. Phenotype-driven approach Dr. Laura Reinho Jackson Laboratory alleles responsible ics under the Rep widely interested in forward and reverse etiology of genome v Prof. Dr. David Bei Biology and Regen Latéralisation Research Institute, Mémoire DATdevelopments in t Plasticité synaptique including the applica investigation and for Prof. Dr. Nadia R Jackson Laboratory mice for targeted m ment, disease and Genetic-driven Figure 1. Forward approach and reverse genetics. Forward genetics (e.g., European Condition mutagenesis screens) involves identifying the genetic basis of a phenotype while reverse genetics (e.g., ectopic expression) involves dinated the selectio genetic manipulation and study of the resulting phenotype. for the international  Plan I- Introduction II - De la Génétique au Comportement : ✓ Invalidation du transporteur de la dopamine (DAT) ▪ DAT-/- et arrière-fond génétique ▪ DAT-/- et cognition ▪ DAT-/- et plasticité ▪ DAT-/- et latéralisation III - Du comportement au gène (phenotype-driven approach) ✓ Anxiété ✓ Depression IV - Conclusions  Dopamine et Pathologies Psychiatriques ✓ Addiction Morphine Cocaïne DA Nicotine THC Alcool A9 : nigrostriatale A10 : mésocorticolimbique A12 : tubéro-infundibulaire ✓ Schizophrénie Neuroleptiques : antagonistes des récepteurs DA Agonistes des récepteurs DA : psychomimétiques ✓ Hyperactivité avec déficit d’attention : ADHD Agonistes des récepteurs DA Souris Mutantes pour le Transporteur de la Dopamine (DAT) Modèle murin de pathologies psychiatriques : lignée de souris hyperdopaminergiques : souris DAT-KO DAT = régule l’intensité et la durée de la neurotransmission dopaminergique DAT+/+ DAT-/-  Souris DAT-/- et Arrière-Fond Génétique L’environnement génétique dans lequel s’exprime une mutation peut influencer son expression phénotypique Backcross Backcross C57BL/6 DBA/2 (B6) (D2) WT WT B6 KO KO D2 HT HT B6xD2F1 (F1) WT ; HT ; KO Effet de l’Arrière-Fond Génétique : Effet Qualitatif Survie (%) Semaines (Morice et al. 2004)  Effet de l’Arrière-Fond Génétique : Effet Qualitatif Lactation et Comportement Maternel Petits vivants 24h après la naissance Temps pour ramener un petit au nid (s) Génotype de la mère Génotype de la mère (Morice et al. 2004)  Souris Mutantes pour le Transporteur de la Dopamine (DAT) et Arrière-Fond Génétique ? Conclusions Effets de l’arrière-fond génétique sur l ’expression de la mutation DAT Variables physiologiques Survie, Développement pondéral, Lactation Variables comportementales Comportement maternel, Activité locomotrice spontanée, Réponse aux drogues en aiguë et en chronique ➥ Identification de gènes modifieurs et d’effets d’épistasie