CRISPR-based epigenome and genome editing reveal novel roles for PLEC in cartilage biology, mechanobiology, and response to inflammation

L'arthrose est la forme la plus courante d'arthrite, une affection où le cartilage lisse et protecteur qui amortit l'extrémité des os s'use, entraînant douleur et raideur. Si l'âge et les blessures sont des déclencheurs bien connus, les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que nos gènes jouent un rôle massif dans le développement de la maladie et sa vitesse de progression. Les chercheurs ont identifié des points spécifiques dans notre ADN, appelés polymorphismes de nucléotides simples, qui sont liés à un risque plus élevé d'arthrose. Cependant, la plupart de ces zones à risque ne contiennent pas les instructions réelles pour la fabrication des protéines ; elles se situent plutôt dans les régions non codantes du génome. Considérez ces régions comme les boutons de volume et les variateurs d'intensité d'une radio ; elles ne jouent pas la musique elles-mêmes, mais elles contrôlent si la musique joue fort ou doucement. Dans le cas de l'arthrose, ces interrupteurs génétiques fonctionnent probablement en augmentant ou en diminuant l'activité de certains gènes par un processus appelé méthylation de l'ADN, qui agit comme une étiquette chimique capable de réduire un gène au silence. Comprendre exactement comment ces interrupteurs silencieux contrôlent la santé de notre cartilage est crucial pour trouver de nouvelles façons de traiter la maladie.

Une équipe de chercheurs de l'École de médecine de l'Université Washington et de plusieurs institutions internationales a franchi une étape significative vers la résolution de ce mystère en se concentrant sur un facteur de risque génétique spécifique connu sous le nom de rs11780978. Ce variant génétique est situé près d'un gène appelé PLEC, qui produit une grande protéine appelée plectine. La plectine agit comme une colle structurelle à l'intérieur des cellules, maintenant le squelette interne ensemble et aidant les cellules à percevoir et à répondre aux forces physiques. Les chercheurs voulaient savoir si ce facteur de risque génétique modifie la façon dont la plectine est fabriquée dans les cellules du cartilage, et si le fait d'avoir moins de plectine rend ces cellules plus vulnérables à l'usure de la vie quotidienne et à l'inflammation. Pour le découvrir, ils ont construit un système de laboratoire sophistiqué qui leur a permis de modifier le code génétique et les étiquettes chimiques de l'ADN des cellules de cartilage humain, créant ainsi un environnement contrôlé pour tester comment ces changements affectent la capacité des cellules à construire et à maintenir un tissu sain.

Les scientifiques ont commencé par confirmer que le facteur de risque génétique qu'ils étudiaient était effectivement lié à des étiquettes chimiques spécifiques sur l'ADN dans des échantillons de cartilage humain provenant de patients. Ils ont identifié plusieurs nouveaux emplacements où le code génétique influençait ces étiquettes, élargissant la carte de la manière dont ce facteur de risque pourrait fonctionner. En utilisant un outil précis qui agit comme une gomme moléculaire, ils ont retiré les étiquettes chimiques de ces endroits spécifiques dans l'ADN de cellules de cartilage cultivées en laboratoire. Ils ont observé que lorsqu'ils retiraient ces étiquettes, l'activité du gène de la plectine chutait considérablement. Cela a fourni une preuve solide que le facteur de risque génétique fonctionne en modifiant l'environnement chimique de l'ADN, ce qui, en retour, réduit la quantité de plectine que la cellule produit. Ayant établi ce lien, l'équipe est ensuite passée à la phase suivante : créer une lignée cellulaire qui manque naturellement de plectine pour voir ce qui se passerait lorsque les cellules essaieraient de croître et de fonctionner sans elle.

Pour étudier les effets de l'absence de plectine, les chercheurs ont utilisé un type spécial de cellule souche humaine qui peut être incitée à devenir des cellules de cartilage. Ils ont utilisé une technique d'édition génique pour supprimer un petit morceau du gène de la plectine, créant ainsi une version des cellules incapable de fabriquer la protéine complète. Ils ont vérifié que ces cellules éditées présentaient des niveaux de plectine nettement inférieurs au niveau de l'ADN, de l'ARN et de la protéine, et que cette carence persistait même lorsque les cellules croissaient et mûrissaient en structures semblables au cartilage. Lorsque ces cellules déficientes en plectine ont été autorisées à former du cartilage dans une boîte de Pétri, elles ont montré un changement subtil mais important dans leur comportement. Bien qu'elles soient toujours capables de construire du cartilage, elles produisaient moins de composants clés, tels que le collagène de type II et l'aggrécan, qui sont essentiels à la force du tissu et à sa capacité d'absorption des chocs. Curieusement, les cellules ne montraient aucun signe de formation de tissu cicatriciel ou de vieillissement prématuré, suggérant que le manque de plectine affaiblit spécifiquement la capacité du cartilage à se reconstruire plutôt que de provoquer une dégradation plus rapide.

Les chercheurs ont ensuite soumis ces cellules aux types de stress qu'elles rencontreraient à l'intérieur d'un corps humain. Ils ont exposé le cartilage à des signaux inflammatoires, similaires à ce qui se passe lors d'une poussée d'arthrite, et à une pression mécanique, imitant la force de la marche ou de la course. Lorsque les cellules ont été frappées par l'inflammation, elles ont réagi en réduisant leur production de composants sains du cartilage, une réponse observée à la fois dans les cellules normales et les cellules déficientes en plectine. Cependant, les cellules déficientes en plectine ont montré un schéma légèrement différent dans leur réponse génétique à l'inflammation, produisant moins d'un signal inflammatoire spécifique appelé IL-6. Cela suggère que, bien que les cellules souffrent toujours de l'inflammation, la façon dont elles communiquent ce stress au reste du corps est altérée.

La partie peut-être la plus révélatrice de l'étude est survenue lorsque les chercheurs ont combiné la pression mécanique avec l'inflammation, créant un environnement « mécano-inflammatoire » qui imite étroitement les conditions à l'intérieur d'une articulation arthritique. Ils ont analysé l'activité génétique des cellules dans ces conditions et ont découvert que l'absence de plectine changeait la façon dont les cellules répondaient à la charge physique. Les cellules déficientes en plectine ont activé un ensemble différent de gènes par rapport aux cellules normales. Certains de ces gènes étaient liés à la façon dont le squelette interne de la cellule est organisé, tandis que d'autres étaient liés à de longs brins de matériel génétique qui régulent le fonctionnement d'autres gènes. L'une des découvertes les plus notables fut que les cellules déficientes en plectine ne parvenaient pas à activer correctement un gène appelé H19, connu pour aider le cartilage à se réparer lui-même. Sans que ce gène ne soit activé correctement, les cellules pourraient avoir du mal à réparer les dommages causés par le mouvement quotidien, surtout lorsque ce mouvement est accompagné d'inflammation.

L'étude a également examiné si le manque de plectine changeait la rigidité physique des cellules ou leur capacité à percevoir la force. En utilisant une sonde microscopique hautement sensible, les chercheurs ont pressé des cellules individuelles pour voir à quel point elles se déformaient et comment elles réagissaient avec des signaux calciques. Étonnamment, les cellules sans plectine étaient tout aussi rigides et tout aussi réactives à la poussée physique que les cellules normales. Cela indique que le problème n'est pas que les cellules ne peuvent pas ressentir la force ou qu'elles sont physement plus faibles au sens simple. Au lieu de cela, le problème réside dans la façon dont les cellules traduisent cette sensation physique en une réponse génétique. Le squelette interne, que la plectine aide à maintenir ensemble, semble être crucial pour envoyer les bons messages au noyau de la cellule pour lui dire de construire plus de cartilage lorsqu'elle est sous pression.

En reliant un facteur de risque génétique spécifique à un changement chimique de l'ADN, puis en liant ce changement chimique à une carence en une protéine structurelle, les chercheurs ont tracé une ligne claire allant d'une infime variation dans notre code génétique jusqu'à la santé de nos articulations. Ils ont montré qu'avoir un facteur de risque génétique pour l'arthrose peut conduire à des niveaux plus bas de plectine, ce qui, en retour, rend les cellules cartilagineuses moins efficaces pour construire et réparer elles-mêmes lorsqu'elles sont soumises à un stress. Ce travail n'offre pas de remède immédiat, mais il fournit une carte détaillée de la manière dont une vulnérabilité génétique peut mener à la maladie. Il souligne la plectine comme un acteur clé dans la conversation complexe entre nos gènes, notre environnement et nos articulations, suggérant que les futurs traitements pourraient devoir se concentrer sur l'aide apportée à ces cellules pour surmonter leurs faiblesses structurelles afin de mieux résister aux exigences quotidiennes de la vie.