Sex differences in cell type-specific transcriptional programs and GPCR signaling in the human subgenual anterior cingulate cortex

Résumé Technique : Différences entre les sexes dans les programmes transcriptionnels spécifiques aux types cellulaires et la signalisation des RCPG dans le sgACC humain

Énoncé du problème
Les troubles psychiatriques présentent des différences marquées entre les sexes en termes de déclenchement de la maladie, de présentation des symptômes et de réponse au traitement. Bien que des altérations dans des types cellulaires spécifiques au sein du cortex cingulaire antérieur subgénual (sgACC) aient été liées aux maladies psychiatriques, il reste incertain si des profils transcriptionnels intrinsèques et spécifiques au sexe existent dans ces populations en conditions de base (non psychiatriques). Comprendre ces différences de base est crucial pour expliquer la vulnérabilité biaisée selon le sexe face au dysfonctionnement des circuits neuronaux et la variabilité des traitements. Cette étude aborde le manque de connaissances concernant la manière dont les différences entre les sexes se manifestent à travers des populations moléculairement distinctes de neurones dans le sgACC humain.

Méthodologie
L'étude a employé une approche multimodale combinant la transcriptomique humaine post-mortem et l'électrophysiologie de rongeurs :

1. Transcriptomique humaine :

   • Échantillon : Données de séquençage d'ARN issues de la microdissection par capture laser (LCM) de neurones du sgACC de 19 sujets témoins non psychiatriques (9 femelles, 10 mâles).
   • Types cellulaires : Cinq populations distinctes ont été analysées : des neurones pyramidaux excitateurs des couches 2/3 (PyrL2/3) et 5/6 (PyrL5/6), et des interneurones inhibiteurs exprimant la parvalbumine (PVALB), la somatostatine (SST) ou le peptide intestinal vasoactif (VIP).
   • Analyse :
     • Expression différentielle (DE) : Des modèles linéaires (limma) ont identifié des gènes à expression différentielle (DEG) associés au sexe avec des seuils de $p < 0,05$ et $|\log_2\text{FC}| > 0,26$.
     • Enrichissement des voies : Analyse de l'ontologie génique (GO) via Metascape.
     • Analyse de réseau : L'analyse de réseau de co-expression pondérée (WGCNA) a identifié des modules de co-expression. La connectivité différentielle des modules (MDC) a été utilisée pour comparer la force du réseau entre les sexes. Les gènes pivots (hub genes) ont été identifiés via la méthode ARACNe.
     • Chevauchement : L'analyse de chevauchement hypergéométrique rang-rang (RRHO) a évalué la concordance/discordance des modèles de DE entre les types cellulaires.

2. Électrophysiologie de rongeurs :

   • Modèle : Souris adultes mâles et femelles PV-Cre $\times$ Rosa26-tdTomato pour identifier par fluorescence les interneurones PVALB dans le cortex préfrontal primal (PL-PFC).
   • Technique : Enregistrements par patch-clamp en configuration cellule entière en mode courant de clamp.
   • Protocole : Des courbes entrée-sortie ont été générées via des injections de courant. L'oxotremorine-M (OXO), un agoniste muscarinique, a été appliquée pour activer les RCPG. Des expériences incluant l'antagoniste M1 VU0255035 et l'antagoniste M2 AF-DX 116 ont été menées pour isoler les effets des récepteurs M2.

Contributions clés et résultats

• Différences transcriptionnelles entre les sexes spécifiques aux types cellulaires :

  • Des différences d'expression génique liées au sexe ont été détectées dans les cinq types cellulaires, mais varient considérablement en magnitude et en direction.
  • Interneurones PVALB : Ont montré le plus fort enrichissement femelle (355 DEGs), avec des voies liées à l'activité synaptique et canalique.
  • Interneurones SST : Ont présenté un fort enrichissement mâle (461 DEGs), cartographiant les processus de cellules épithéliales et de jonctions serrées.
  • Cellules VIP et pyramidales : Ont également affiché des profils distincts selon le sexe, bien qu'avec un enrichissement global moins important que les cellules PVALB ou SST.
  • Concordance limitée : L'analyse RRHO a révélé une concordance minimale de l'expression génique différentielle selon le sexe entre les différents types cellulaires, indiquant que les différences transcriptionnelles entre les sexes sont largement spécifiques au type cellulaire plutôt que des phénomènes corticaux globaux.

• Connectivité de réseau spécifique au sexe :

  • La WGCNA a identifié des modules de co-expression préservés avec une connectivité biaisée selon le sexe.
  • Modules SST : Le module SST_4 était plus connecté chez les femelles et enrichi en DEGs. Les gènes pivots incluaient des facteurs de signalisation immunitaire (IL1R1, DOCK2) et des composants de la matrice extracellulaire (MMP2). Notamment, bien que le module soit plus connecté chez les femelles, certains gènes pivots comme IL1R1 étaient enrichis chez les mâles.
  • Modules PVALB : Le module PVALB_1 présentait une connectivité plus élevée chez les mâles. Les gènes pivots impliquaient la signalisation des RCPG (GPR75, GPR22, GNB3) et des processus mitochondriaux/bioénergétiques (MRPL28, TIMM50, IDH2).

• Signalisation des RCPG et validation fonctionnelle :

  • Résultat transcriptionnel : Parmi les RCPG, CHRM2 (codant pour le récepteur muscarinique acétylcholine M2) présentait la deuxième plus forte différence entre les sexes au total et était sélectivement enrichi dans les cellules PVALB femelles (logFC = 3,7).
  • Validation fonctionnelle : L'électrophysiologie dans le PFC de souris a démontré que l'activation des récepteurs M2 (via l'OXO) augmentait significativement les taux de décharge maximaux des interneurones PVALB chez les souris femelles, mais n'avait aucun effet chez les souris mâles.
  • Confirmation du mécanisme : L'augmentation spécifique au sexe de la décharge chez les femelles a été abolie par l'antagoniste M2 AF-DX 116, confirmant que l'effet est médié par les récepteurs M2.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que leurs résultats démontrent l'existence de différences intrinsèques et spécifiques aux types cellulaires dans le sgACC humain, qui correspondent à des différences fonctionnelles de signalisation des neuromodulateurs. Plus précisément :

1. Différences de base : Des différences de sexe dans les profils transcriptionnels, les voies biologiques et la connectivité des réseaux existent chez les individus non psychiatriques, suggérant qu'il s'agit de variations biologiques fondamentales plutôt que d'artefacts de la maladie.
2. Pertinence fonctionnelle : Cette étude fait le pont entre la transcriptomique humaine et la physiologie des rongeurs, montrant que l'enrichissement de CHRM2 dans les cellules PVALB chez les femelles se traduit par une différence fonctionnelle de la signalisation des récepteurs M2 (excitabilité accrue chez les femelles).
3. Implications thérapeutiques : Étant donné que les RCPG sont des cibles médicamenteuses majeures et que les pathologies psychiatriques présentent des réponses aux traitements biaisées selon le sexe, ces découvertes suggèrent que la signalisation spécifique au sexe des RCPG (particulièrement M2 dans les cellules PVALB) pourrait être à la base des différences de fonction de circuit et d'efficacité thérapeutique dans des troubles tels que le trouble dépressif majeur et la schizophrénie.

Les auteurs maintiennent un ton modéré concernant leurs affirmations, notant que la taille limitée de l'échantillon a nécessité l'utilisation de valeurs p brutes plutôt que de valeurs corrigées par FDR pour certaines interprétations, et que des études futures avec des cohortes plus larges et des manipulations génétiques sont nécessaires pour confirmer définitivement ces mécanismes.