Un gène pour la mémoire

Vous cherchez le rôle d'un gène ? Inactivez-le ! Sa fonction, devenue défaillante, sera évidente... Avec cette nouvelle technique, des chercheurs ont exploré les mécanismes de la mémoire et de l'apprentissage chez des souris.

par Bruno Dubuc

On respire grâce à une protéine (l'hémoglobine). On voit grâce à une protéine (la rhodopsine). On grandit grâce à une protéine (l'hormone de croissance). Sans protéines, on ne pourrait ni contracter nos muscles (myosine et actine), ni se remettre d'une simple grippe (anticorps). Toute notre physiologie repose sur ces molécules géantes, dont les plans résident dans nos gènes. Mais les protéines nous permettent-elles aussi d'aimer, de réfléchir, de prier, d'haïr ?

En tout cas, elles nous permettent de nous en rappeler, répondent Susumu Tonegawa et les membres de son équipe, du Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.). Ce chercheur, qui a déjà obtenu le prix Nobel pour ses travaux sur la génétique de l'immunité, s'attaque maintenant au problème de la mémoire. Son équipe vient de démontrer que la mémoire des souris est à la merci de simples molécules (et tout porte à croire que le reste de leur cerveau, ainsi que le nôtre, fonctionne de la même façon). De fait, ces chercheurs ont pour la première fois trouvé un lien direct entre un gène, la protéine qu'il permet de fabriquer, le processus cellulaire déclenché par cette molécule, et le comportement qui en découle. Comment ? En mettant knock-out le gène de départ, c'est-à-dire en le désactivant complètement chez toute une lignée de souris ! Sans le gène, l'animal ne peut fabriquer la protéine. Les chercheurs n'ont donc qu'à observer la fonction défectueuse pour déduire où la protéine agit. La technique a été mise au point il y a à peine quelques années, et c'est la première fois qu'elle est utilisée pour explorer les bases moléculaires de l'apprentissage et de la mémoire.

La souris qui tourne en rond

Dépourvue d'une protéine essentielle, la souris knock-out de Susumu Tonegawa paraît malgré tout saine. Elle souffre pourtant de quelques petits problèmes... Normalement, les rongeurs ont une très bonne orientation spatiale. Dans la nature, leur survie en dépend. Une souris ordinaire passera donc facilement le test de la cuve de Morris. La souris est placée dans une grande cuve remplie d'eau, où elle doit nager, ce qu'elle n'aime pas vraiment. Le liquide est rendu opaque grâce à un colorant, et l'animal ne voit donc pas la petite plate-forme cachée tout juste sous la surface. Quand elle découvre par hasard cette aire de repos, la souris normale apprend vite à retenir son emplacement à l'aide des indices visuels répartis autour de la cuve. Mais la souris knock-out , elle, ne réussit pas à se rappeller où est la plate-forme. Lorsqu'on la remet dans la cuve, elle nage encore au hasard. Le gène qu'on lui a enlevé, et donc la protéine qu'il sert à fabriquer, lui est nécessaire pour s'orienter.

Cette protéine est une enzyme de la famille des kinases, l'a-CAMKII (pour alpha-calcium-calmodulin-dependant-kinase-2). Quel est son rôle ? En réagissant chimiquement avec d'autres protéines, les kinases leur ajoutent un atome de phosphore. Cette phosphorylation transforme souvent une protéine passive en protéine active, qui pourra à son tour déclencher une cascade de réactions à l'intérieur de la cellule.

Comment une simple réaction biochimique peut-elle mener à un comportement ? Par l'intermédiaire d'un processus cellulaire appelé " potentialisation à long terme " (PLT). La PLT renforcit l'efficacité des connexions qui existent déjà entre des neurones. Cet effet peut durer des jours, voire des semaines, alors qu'une stimulation normale disparaît après quelques secondes. Comprenez l'intérêt des scientifiques : des neurones qui se " rappellent " d'une stimulation pendant des semaines, cela ressemble à de la mémoire !

Étudier la PLT est assez simple. En implantant des électrodes dans des tranches d'hippocampe de souris, une structure située à la base du cerveau, on peut activer certaines cellules qui créeront de la PLT chez les neurones auxquels elles sont connectées. La plus grande sensibilité de ces neurones peut alors se mesurer sur de longues périodes. Mais avec les souris knock-out , ça ne fonctionne pas. Conclusion: les souris sans a-CAMKII sont aussi des souris sans PLT.

Ces résultats renforcent donc l'idée que la PLT est à la base de la mémoire spatiale, et que les deux sont, de façon ultime, dépendantes d'une protéine particulière, la kinase a-CAMKII. Comme lorsque les principales pièces d'un casse-tête prennent leur place, on venait de faire un lien entre une molécule, un processus cellulaire et un comportement.

Tout n'est pas si clair

Mais l'analyse détaillée de ces résultats soulève quelques interrogations. Par exemple, comment expliquer qu'environ une souris mutante sur huit réussisse malgré tout à produire une PLT comparable à celle des animaux intacts ? La réponse des chercheurs fait appel au concept de redondance : différentes enzymes peuvent avoir la même fonction biochimique, et aucune n'est à elle seule responsable d'un mécanisme essentiel. En théorie, la perte de la kinase a-CAMKII peut ainsi être compensée par d'autres kinases.

L'une de ces enzymes a peut-être été découverte par Eric Kandel, du Howard Hughes Medical Institute de l'Université Columbia, à New York. Ses souris knock-out ont les mêmes problèmes de PLT et de mémoire que les souris de Susumu Tonegawa. Mais ce n'est pas le gène de l'a-CAMKII qu'Eric Kandel a mis knock-out, mais bien celui d'une autre enzyme, la forme " Fyn " de la tyrosine kinase. L'a-CAMKII n'est donc pas la seule enzyme essentielle.

La technique des gènes knock-out pose un problème encore plus fondamental. Le gène est inactivé dès la naissance de l'animal, qui se développe donc sans la protéine correspondante. Mais cette protéine, en plus de sa fonction normale chez l'adulte, peut aussi jouer un rôle très différent durant le développement. Sans cette protéine, la croissance peut être perturbée, ce qui pourrait provoquer des anomalies anatomiques. Comment savoir si les changements observés par les chercheurs viennent bien du rôle de la protéine chez l'adulte, plutôt que d'anomalies développées au cours de la croissance ? La question est encore en suspens, la nouvelle technique des souris knock-out ne fournit donc pas encore toutes les réponses.

La complexité de la vie s'étale sur plusieurs niveaux d'organisation (moléculaire, cellulaire, comportemental, etc.). Il est rare qu'on parvienne à intégrer les connaissances obtenues à chacun de ces niveaux. C'est ce que viennent d'accomplir avec brio les chercheurs du MIT en démontrant le lien entre une protéine et un comportement.

Un processus long et ardu

Développer une lignée de souris knock-out est long et ardu. Un an ou deux sont nécessaires pour obtenir la première souris knock-out . Maintenir une lignée en vie coûte jusqu'à 2000 dollars... par semaine.

Susumu Tonegawa a d'abord dû choisir parmi des milliers de gènes celui qu'il allait désactiver. a-CAMKII est une kinase. Or l'injection de médicaments qui bloquent ce type d'enzyme perturbe profondément certains mécanismes associés à la mémoire. Cela en faisait donc un bon candidat. De plus, cette enzyme est présente sur les lieux du crime : on en retrouve de fortes concentrations dans les neurones de l'hippocampe, une région du cerveau essentielle à plusieurs formes d'apprentissage. Troisième indice, a-CAMKII a besoin de calcium pour fonctionner efficacement. Or la mémoire s'améliore par un renforcement des connexions entre neurones, un phénomène qui passe obligatoirement par l'entrée massive de calcium dans les cellules impliquées. a-CAMKII devenait ainsi suspect numéro un. Mais pour obtenir une preuve directe, le chercheur a dû développer une lignée de souris knock-out .

C'est là que le vrai travail commence (pour plus de détails, voir le schéma de l'encadré L'art de mettre un gène knock-out). La technique consiste à remplacer le gène choisi par un gène inactif, ce qui rend knock-out le gène de l'animal. Après avoir sélectionné les cellules où l'opération a été un succès ­ les chercheurs sont des gens patients ­, ils les insèrent dans des embryons. Les souris qui en résultent sont des chimères, dotées de deux types de cellules : certaines avec le gène actif, d'autres avec le gène knock-out . Mais leurs descendants n'auront qu'un type de cellule : soit ayant toutes le gène actif, soit ayant toutes le gène knock-out . Ces dernières souris, et tous leurs descendants, sont de véritables knock-out .

Les souris de Susumu Tonegawa souffrent d'un trouble de mémoire, mis en évidence par un test de comportement. Mais les fonctions qui sont altérées varient énormément selon les gènes. Certains gènes knock-out rendent la souris malade, et elle en meurt rapidement. L'autopsie permettra d'identifier facilement la fonction déficiente. Au contraire, la perte du gène mis knock-out peut être entièrement compensée par l'action d'autres gènes, et ainsi être impossible à observer. C'est la pire crainte des chercheurs qui se lancent dans cette aventure !

L'art de mettre un gène knock-out

1. Les chercheurs doivent d'abord prélever chez une souris normale le gène qu'ils veulent mettre knock-out . En laboratoire, ils le mettent knock-out en insérant en plein milieu un autre gène qui permet aux cellules de survivre en présence d'un antibiotique.

2. On prélève certaines cellules souches d'un embryon de souris brune et on y injecte le gène knock-out . Ainsi, la couleur brune est associée à la présence du gène knock-out .

3. On place alors les cellules injectées dans un antibiotique. Celles qui ont intégré le gène survivent. Dans la plupart des cas, le gène knock-out s'insère un peu n'importe où dans le génome des cellules. Mais dans de rares cellules(une sur 100 000), le gène knock-out prend la place du gène normal sur un des deux chromosomes : c'est le phénomène de recombinaison homologue. Les chercheurs doivent ensuite trouver ces précieuses cellules en examinant leur matériel génétique. Un travail de moine !

4. Ces cellules munies d'une copie du gène knock-out sont injectées dans des embryons de souris noires.

5. On implante ensuite ces embryons dans une mère porteuse. Les souriceaux posséderont à la fois des cellules normales (noires) et des cellules knock-out (brunes).

6. Par une série de croisements et au moyen de techniques d'examen du matériel génétique, on obtient des souriceaux dont chacune des cellules contient deux copies du gène knock-out : chez eux, la fonction du gène aura complètement disparu.

Québec Science, volume 31, numéro 6 (mars 1993), page 34. ___________________________