Mois : juin 2019

Décanteur à maladies: La maladie d’Huntington

Le par julienforsciencedans Decanting Disease / Décanteur à maladiesLaisser un commentaire

Aujourd’hui, nous continuons notre série sur la compréhension des maladies. Cette fois-ci, nous nous pencherons sur la maladie d’Huntington, aussi appelée HD. HD fait partie du groupe de maladie neurodégénératives, mais c’est aussi une maladie qu’on ne connaît pas beaucoup. C’est pourquoi aujourd’hui je vais aussi présenter certaines hypothèses qui essayent d’expliquer comment cette maladie se développe.

Les symptômes de HD sont classés en trois groupes. D’abord, il y a les symptômes moteurs, le principal étant la chorée, qui s’observe par des mouvements involontaires, notamment des yeux et des bras. Les personnes atteintes de HD auront aussi du mal à parler et à marcher, ainsi qu’une perte de la coordination. Ensuite, il y a les symptômes cognitifs. Le principal inclut la perte de mémoire, et la difficulté de concentration. Certains patients ont également un changement drastique de personnalité. Enfin, il y a les symptômes émotionnels, qui incluent la dépression, l’anxiété, et l’irritabilité. Comme la plupart des maladies neurodégénératives, les symptômes de HD apparaissent vers l’age de 60 ans. HD est difficile à diagnostiquer avant l’apparition des symptômes, mais des changements drastiques et anormaux d’humeurs pourraient indiquer HD. La méthode la plus fiable de diagnostique reste le test ADN. Malheureusement, il n’y a aucun remède contre la maladie. Certains médicaments peuvent aider avec les symptômes, comme l’halopéridol pour la chorée, mais rien ne peut empêcher la maladie de se développer [source / source / source].

Comme mentionné ci-haut, HD fait partie des maladies neurodégénératives. Cela veut simplement dire que la maladie touche le fonctionnement des neurones, ce qui induit la perte de ceux-ci. Initialement, la mort des neurones est restreinte à une petite partie du cerveau, mais avec le temps la totalité du cerveau est touchée. Il y a beaucoup de maladies neurodégénératives, comme Alzheimer, Parkinson, ou Creuzfeldt-Jacob (plus connu comme la maladie de la vache folle). La perte de neurones peut être causée par de nombreuses choses, mais dans le cas de HD, cela à l’air d’être lié à une protéine appelée huntingtin (HTT). Cette protéine reste un mystère de nos jours, puisque nous ne savons toujours pas sa fonction exacte. On sait que cette protéine est essentielle au développement, puisque si on l’enlève d’un embryon, celui-ci ne survit pas. On sait aussi que la protéine est essentielle à la survie des neurones, puisque réduire le nombre de HTT dans le cerveau augmente la perte de neurones. Mais on ne sait toujours pas son rôle dans la vie de tous les jours. Par contre, les personnes atteintes de HD on une forme de HTT anormalement grande, appelée huntingtin mutante (HTTm). Quand le gène de HTT est traduit, il y a une partie qui est traduite plusieurs fois. Cette partie est appelée une répétition CAG. Chez les personnes en santé, HTT a quelques répétitions CAG, mais les personnes avec HD ont plus de 40 répétitions CAG, ce qui cause la maladie. Avec tant de répétitions, la protéine n’est plus capable de fonctionner correctement. Pire encore, il est possible qu’elle développe de nouvelles fonctions qui pourrait accélérer la mort des neurones [source / source / source / source].

C’est important de comprendre que même si on sait que HTTm est à l’origine de HD, on ne sait toujours pas comment la maladie se développe, et qu’est ce qui est la cause de la mort des neurones. Il y a plusieurs hypothèses qui tentent d’expliquer cela, et aujourd’hui je vais en présenter trois.

Première hypothèse: repliement de HTTm erroné et agrégation

Pour comprendre cette hypothèse, il faut d’abord connaître le repliement des protéines. Quand une protéine est formée, elle est d’abord juste une ligne simple, mais très vite elle doit se replier dans une configuration très spécifique pour être capable de fonctionner. Il arrive des fois qu’une protéine ne se plie pas correctement. Dans ces cas-là, la protéine est détruite. Puisque HTTm est très différente de HTT, la protéine ne va pas se plier correctement. Pourtant, pour des raisons encore inconnue, le neurone n’est pas capable de détruire mHTT, du coup, les protéines vont s’agréger. Cette théorie existe dans le cas de presque toutes les maladies neurodégénératives, et pour presque toutes ces maladies, l’agrégation cause la perte des neurones. Mais dans le cas de HD, c’est différent. Bien que l’on observe l’agrégation de HTTm chez les patients, cela ne cause pas la mort du neurone. Il est possible que l’agrégation en elle-même n’est pas la cause de la mort des neurones, mais d’une façon inconnue, cela empêche le neurone de détruire les protéines repliées incorrectement. Du coup, le neurone entre dans une phase de stress qui peut causer sa mort. Cette théorie est logique mais pas encore prouvée [source / source].

Deuxième hypothèse: le dysfonctionnement des mitochondries

Les mitochondries sont des organelles que l’on trouve dans presque toutes les cellules du corps. Son rôle est essentiel: elles produisent l’énergie pour la cellule, appelé ATP. L’ATP est utilisé pour le fonctionnement des protéines et d’autre mécanismes cellulaires. En cas de HD, les mitochondries ont des problèmes. D’abord, elle produisent beaucoup moins d’ATP, ce qui cause une production anormale de dérivés réactifs de l’oxygène (DRO). Les DRO sont des produits qui sont extrêmement toxiques pour les cellules. Les personnes atteintes de HD ainsi que les modèles animalier de HD ont plus de DRO dans leur organismes, et des marques de dommages causés par les DRO. Malheureusement, nous ne savons pas si les mitochondries sont la cause de la maladies, ou simplement une conséquence [source / source / source].

Troisième hypothèse: l’excitotoxicité

Cette hypothèse est plus complexe, mais le principe est simple: les neurones atteints de HD pourraient être excités à mort. L’excitation neuronale est la base du fonctionnement cérébral, et cela utilise des protéines appelés neurotransmetteurs. Quand un neurone entre en contact avec un neurotransmetteur, il va ouvrir sa membrane et des ions vont entrer. Les ions ayant une charge électriques, ils vont changer la cellule. Par exemple, quand le neurotransmetteur glutamate entre en contact avec un neurone, celui-ci va ouvrir sa membrane et plusieurs ions positifs vont entrer. Du coup, la cellule va devenir plus positive, ou excitée. Mais si trop d’ions entrent dans la cellule, ça peut devenir dangereux, surtout si c’est des ions calcium. Dans la cellule, il y a très peu d’ions calcium car ils sont utilisés pour activer certaines protéines. Si trop d’ions calcium entrent dans la cellule, ces protéines vont s’activer, ce qui va causer des dommages à la cellule, voire sa mort. C’est ça l’excitotoxicité. En général, on pense que c’est dû à soit trop de glutamate présent, soit un problème avec son récepteur. Dans le cas de HD, on pense que c’est l’un des récepteurs à glutamate, appelé NMDA, qui a un problème, ce qui induit l’entrée de trop d’ions calcium, et une mort par excitotoxicité. Malheureusement, bien qu’on observe des problèmes avec le récepteur NMDA, il reste encore à prouver que l’excitotoxicité est un problème chez les personnes atteintes de HD [source / source / source].

On voit donc que HD est une maladie très complexe, mais c’est aussi une maladie très mystérieuse. Même si on connaît beaucoup de choses dessus, il manque des composants clés qui nous permettrait de tout mettre ensemble. Par exemple, c’est probable que les trois hypothèses présentées soient vraies, mais quelle en est la cause? Quelle composant est à la racine de tout ? C’est pour ça qu’on continue d’étudier cette maladie, car mieux la comprendre nous permettrait de mieux la traiter.

Decanting Diseases: Huntington’s Disease

Le par julienforsciencedans Decanting Disease / Décanteur à maladiesLaisser un commentaire

Today, we will once again talk about another disease. This time, we will focus on Huntington’s disease (or HD). HD is part of the neurodegenerative diseases and today, we will try to understand it and review some hypotheses that explain the disease development.

The symptoms of HD are classified in three groups. First, there are motor symptoms. The biggest one is called chorea, which means that the person will have a lot of involuntary movements. People with HD also have difficulty walking and talking, and have reduced coordination. There are also cognitive symptoms, the main one being increased memory loss, and loss of focus. It can even lead to personality changes. Lastly, there are more emotional symptoms, including anxiety, depression, and irritability. Like most neurodegenerative diseases, HD is a late-onset disease, meaning that symptoms appear quite late in the life of the patient, usually around 60 years old. This disease is very hard to diagnose before the symptoms appear, but early changes in personality such as abnormal mood swings could be a sign of HD, however the only accurate way to diagnose it is a DNA test. Unfortunately, there is no cure for the disease. There are medications to help reduce the symptom severity, such as haloperidol for the chorea, but to this date, nothing can stop the course of the disease [source / source / source].

As I just mentioned, HD is part of a group of disease called neurodegenerative diseases. This means that there is an impairment in neuronal function, which leads to loss of neurons over time. The loss of neurons is initially restricted to one area of the brain, but over time the entire brain is affected. There are many diseases that are neurodegenerative, including Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and Creuzfeldt-Jacob disease (also known as the mad cow disease). Many things can cause the loss of neurons, but in the case of HD, it seems to be linked to a protein called huntingtin (HTT). This protein is still to this day a mystery, as we have no clear idea of its function. We know that it is an essential protein for development, since removing it in mice embryo causes its death. It is also important for neuronal survival, as reducing amount of HTT increases neuronal death. Other than that, its actual functions are unknown. We however know what it becomes during HD. People with HD get an overly large version of this protein, called the mutant huntingtin (or mHTT). The gene for the HTT protein contains a piece that can be repeated. In the HTT protein, this part is called a CAG repeat. When the gene is translated, this part of the gene is read multiple times, causing the protein to have multiple CAG repeats. This is happening in everyone and is harmless unless the amount of CAG repeats exceeds 40, then the person is diagnosed with HD. This is because with that many repeats, the protein is unable to function properly. Worse, it may develop new functions that accelerates neuronal death [source / source / source / source].

It is important to understand that while we know that the disease stems from mHTT, we still don’t know how the disease develops and what leads to neuronal death. There are many hypotheses however, and today I will explain three of them.

Hypothesis 1: mHTT aggregate and misfolding

To understand this hypothesis, it is important to know protein folding. when protein are created from gene translation, they are first just a line. However, the protein doesn’t stay a line and very quickly folds into a very specific configuration in order to perform its function. It happens however, that protein misfolds. In that case, the cell will get rid of it, since a misfolded protein can lead to many problems. Since mHTT is very different from HTT, the protein misfolds. However, for reasons still unknown, the neurons are unable to remove the protein, which leads to aggregation of misfolded protein. This theory is true to almost all neurodegenerative disease. However, in the case of HD, it is more controversial. While we do observe protein aggregates in both patients and animal models of HD, there is little link between the aggregation and neuronal death. It is likely that the aggregation isn’t causing neuronal cell death, but it somehow removes the ability to get rid of misfolded protein. And without this mechanism, the cell becomes stressed, which promotes its death. This however is just a hypothesis that was not proven [source / source].

Hypothesis 2: Mitochondrial dysfunction

Mitochondria are organelles found in most cells and provide essential roles for the cells. Many of us have heard it being called the powerhouse of the cell, and that’s because it creates the energy essential for cell function: ATP. ATP is used for most protein function, as well as any other cell mechanisms, and it is thanks to the mitochondria that we have it. However, in the case of HD, the mitochondria does not work as well as it should. Two mechanisms happen in neurons: first, the production of ATP is greatly decreased. this may lead to an increase of production of reactive oxygen species (ROS). ROS are products that are extremely toxic to the cell. Both patients and animal models have increased ROS, as well as signs of ROS-induced damages. However, we do not know if mitochondrial dysfunction is a cause or a consequence of HD [source / source / source].

Hypothesis 3: Excitotoxicity

This hypothesis is a bit more complex, but in short, neurons in HD may be excited to death. Neuronal excitation is the basis of brain function, and it is done thanks to proteins called neurotransmitters. Once a neuron comes into contact with specific neurotransmitters, it will open its membrane and a bunch of ions will enter. Ions have an electrical charge, and if a lot of positive ions enter, then the cell becomes more positive, or excited. However, too much of ions can be dangerous, especially if it is a calcium ion. Calcium ions are in extremely low amount in the cell, because it is also used to activate proteins. Now if a lot of calcium enters the cell, then some protein may be activated, which will lead to cell damage, and eventually cell death. This is excitotoxicity. In general, it is due to the neurotransmitter glutamate being too present, or its receptors having problems. In the case of HD, we hypothesized that there is a problem in one of glutamate’s receptor, called NMDA, and this leads to too much calcium entering the cell, leading to cell death via excitotoxicity. This hypothesis is however not proven yet [source / source / source].

We can see that HD is a very complex disease, but also a very mysterious one. While we know a lot about it, we are still missing key components in order to fit everything together. It is likely that every hypotheses that were shown are actually happening in HD patients, but what is the root of everything? What component is the cause for everything? This is why we continue to actively research this disease, because understanding it will help cure it.

Comprendre la science: les modèles in vitro

Le par julienforsciencedans Understanding Science / Comprendre la scienceLaisser un commentaire

Aujourd’hui nous continuons sur le sujet des modèles. La dernière fois, nous avons vu les organismes modèles et leurs avantages. Ces modèles sont très durs à utiliser, notamment grâce au code éthique qui leur est associé. Du coup, les scientifiques ont trouvés d’autres modèles qui n’utilisent pas d’animaux. Ces modèles sont nommés in vitro (que l’on peut traduire modèle en verre). Le principe d’un modèle in vitro est simple: on isole le composant d’intérêt, et on l’étudie loin de sa source. Dans cet article, nous allons voir différents modèles in vitro ainsi que leurs avantages.

La réaction en chaine par polymérase, ou comment obtenir de l’ADN « à l’infini »

La réaction en chaîne par polymérase (aussi appelée PCR) est une expérience phare de tous les laboratoires scientifiques. Cette technique a été inventée par Dr. Kary Mullis (ce qui lui a valu un prix Nobel), et elle permet de répliquer l’ADN. Le principe est le même que celui utilisé dans le corps. Dans une cellule, les protéines appelées hélicases vont séparer l’ADN pour permettre à une autre protéine appelée polymérase de s’attacher à l’ADN et de le répliquer. Cette méthode utilise beaucoup d’énergie et est très dure à reproduire en dehors du corps. Le PCR utilise une autre méthode plus simple pour séparer l’ADN: la température. Quand l’ADN est chauffé, il se sépare de lui-même, ce qui permet à la polymérase de le répliquer sans l’aide des hélicases. Ainsi, pendant un PCR, l’ADN va être chauffé à plusieurs reprise, ce qui permet aux polymérases de répliquer l’ADN. Le nouvel ADN va ensuite être chauffé de nouveau, et les polymérases vont une fois de plus le répliquer. Pendant une réaction PCR, on reçoit exponentiellement plus d’ADN qu’on avait au départ.

Cette technique peut être utiliser dans plusieurs domaine. Dans le domaine médicale, on peut simplement prendre la salive d’un patient, et répliquer son ADN par PCR. Ainsi on obtient une grande quantité d’ADN, ce qui nous permet de l’étudier autant qu’on veut sans avoir a prendre un échantillon du patient à chaque fois. Mais c’est surtout utilisé pour préserver de l’ADN limité. Par exemple, grâce au PCR, on a pu prendre de l’ADN trouvé dans des fossiles, qui étaient en très faible quantité, et le répliquer au point d’en avoir assez pour faire pleins d’études dessus. En cas de crime, le PCR est également très utile. Chaque cheveu ou matériel organique peut être répliquer pour ensuite être étudier et trouver les empreintes génétiques nous permettant d’arrêter le coupable. Le PCR nous a permis de conserver de l’ADN qui aurait été perdu [source / source / source].

La purification des protéines, ou comment étudier des protéines sans interférence

Nous sommes également capables d’isoler des protéines, seulement à la place de les répliquer, nous pouvons les étudier d’elles-mêmes. Le corps possèdent tellement de protéines qu’il est souvent difficile de savoir le rôle d’une seule. En séparant les protéines, nous pouvons voir ce que fait une protéine sans interférence. Nous avons déjà parlé de certaines expériences qui permettent de purifier des protéines, comme le blot Western ou la cytométrie en flux, mais je voulais parler de la plus connue: la centrifugation. La centrifugation permet de séparer des particules grâce à leur densité et à la vitesse de rotation. Chaque molécule affectée par la vitesse va s’accumuler au fond du tube. Dans le cas de nos protéines, la centrifugation nous permet de séparer les protéines du reste de la cellule: Les composants de la cellules vont s’accumuler au fond, et les protéines resteront au milieu. Ainsi, la centriufgation st un moyen grossier de séparer les protéines du reste du corps [source / source].

La culture cellulaire, ou comment utiliser les cellules comme on le veut

Le modèle in vitro le plus utilisé est probablement la culture cellulaire. Comme son nom l’indique, nous prenons des cellules d’un organisme, et on les développe dans une une boîte de Pétri. Les cultures cellulaires sont intéressantes pour plusieurs raisons. D’abord, elles peuvent être immortelles. Grâce à un procédé appelé transformation, on force les cellules à exprimer des gênes qui rallonge leur vie au point de ne plus mourir. De plus, on peut conserver une culture cellulaire très longtemps, simplement en la gelant. Ensuite, on peut performer des expériences plus « douloureuses », vu qu’elles ne sont plus dans l’organismes. Cela permet de faire des expériences que l’on ne peut pas faire in vivo. On peut également utiliser des cellules humaines, ce qui nous permet de mieux comprendre comment le corps humain fonctionne sans passer par des animaux. Enfin, les scientifiques ont développé une technique appelée cellule souche pluripotente induite (CSPi) qui nous permet de transformer n’importe quelle cellule en cellule souche, qui a la particularité de pouvoir devenir n’importe quelle cellule. Ainsi, en utilisant une cellule de la peau, on peut créer des cellules souches, qui deviendront ensuite neurones avec le même matériel génétique. Du coup, on peut étudier les neurones de patients sans avoir à en recueillir [source / source / source / source].

Les modèles in vitro ont plusieurs avantages. D’abord, on peut utiliser des tissus humains, et on peut également faire des expériences plus dangereuses sans risque. Malheureusement, les modèles in vitro on également leurs désavantages. D’abord, même les modèles in vitro sont dépendant d’échantillons biologiques. Tous les examples que j’ai donné ont besoin d’un échantillon initial provenant d’un animal. Cela implique que même ces modèles ont besoin d’un code éthique. Cela limite notamment qui a accès aux échantillons, et quelles expériences peuvent être faites dessus. Enfin, le principe même du modèle in vitro est son plus grand défaut: l’isolation. Le corps humain est si interconnecté que chacune de ses actions est influencée par la totalité du corps. En isolant une certaine partie, on perd cette interconnection, si bien que les résultats seront différents. En général, les résultats trouvés en utilisant un modèle in vitro ne seront pas les mêmes que si on utilisait un modèle in vivo. C’est pour cela que le modèle in vivo reste le modèle phare en science.

Understanding Science: In Vitro models

Le par julienforsciencedans Understanding Science / Comprendre la scienceLaisser un commentaire

Today’s article is a continuation of the last one. We first looked into the model organisms, or in vivo models, and their advantages. However, it is very hard to use in vivo models, due to the strict ethic codes associated with them. Therefore scientists developed ways to perform experiments without the use of animal models. These models are called in vitro models (that can be translated in model in glass). The principle of an in vitro model is simple: isolate the component of interest, and study it away from its source. This article will present different in vitro models and their advantages over in vivo models.

Polymerase chain reaction: a way to get « infinite » DNA

The first example is a staple of any scientific lab. Polymerase chain reaction (PCR for short) is a technique invented by Dr. Kary Mullis (who got the Nobel Prize for this finding), and it allows to artificially replicate DNA. The technique works very similarly to our own cells. In our body, we have proteins called helicase which separates the DNA to allow another protein called polymerase to bind the DNA and replicate it. This is however very energy intensive and hard to replicate in vitro. PCR uses an easier way to separate DNA: temperature. Under high heat, the DNA will separate by itself and allow the polymerase to bind. Therefore, when performing PCR, we add the DNA we want to replicate, and polymerases. The DNA will undergo many heat cycles, allowing it to separate, and the polymerase will then replicate the DNA. With another cycle, the newly replicated DNA can be separated, and more DNA will be formed. Hence, we get exponentially more DNA than what we had in the first place.

This technique has many applications. In the medical field for example, simply taking the DNA of a patient from the saliva can allow us to replicate the DNA indefinitely and study it to know which genes are mutated for instance. But more interestingly, we can replicate DNA which we have limited access to in order to study it indefinitely. That’s how we know the genetics of some dinosaurs. The limited DNA preserved in fossils was replicated using PCR, and then studied more extensively without the risk of losing the DNA forever. Finally, hair strands or any other organic materials found in crime scenes can be used in PCR to study the genetic fingerprints and find the culprits. PCR is an amazing technique that helped us preserve DNA we would have lost, and because so much DNA is produced, we can use it indefinitely for many studies [source / source / source].

Protein purification: isolating a protein to study it by itself

Similarly to DNA, we can also isolate proteins. However, unlike PCR, we will not replicate it indefinitely. Instead, we will separate it from everything else to study its structure, or see what its effects are. Since there are so many proteins that are doing a lot of things at the same time. It is hard to determine what a single protein is responsible for, That’s why isolating it makes it easier to study. There are many ways to separate proteins, some of which I previously explained, such as Western blots or flow cytometry. I wanted to mention a last one, and maybe the most famous, centrifugation. Centrifugation allows to separate particles depending on both density and speed. When a sample is centrifuged, any molecule that is affected by the speed will aggregate at the bottom of the tube, while the other will stay suspended. In the cases of proteins, it is often used to separate all the proteins from any other components of the cells. In short, centrifugation is a crude way of separating different components within a sample [source / source].

Cell culture: getting cells to do what you want

Cell cultures are probably the most common in vitro models. As the name suggest, we are taking cells from a organisms, and culture them in Petri dishes. One advantage of cell cultures is that they can become immortal. using a process called transformation, we make the cells express genes that prolong their lifespan to the point that they will never die. Further, we can keep cell cultures forever by simply freezing them, preventing any unwanted reactions since cold proteins will not activate. Cell cultures have a lot of advantages. First, we can perform invasive or « painful » experiments on them, since it is outside of the organisms and thus no pain will be felt. We can also culture human cells, allowing us to understand some diseases better than if we were to use animal models. Lastly, simply from skin cells, we are able to make any cell we want. This procedure is called induced pluripotent stem cells (or IPSC), and it allows us to revert any cell into a stem cell. A stem cell has the capacity to become any cell, therefore we can transform the skin cells of a patient into neurons to better study them without having invasive surgery [source / source / source / source].

Here we have seen three example of in vitro models and how useful they can be. In many instances, they have advantages over in vivo models. First we can study human tissues, but we can perform more painful or dangerous experiment without any risk. However, in vitro models have their flaws. The first one is that they still depend on biological sample. Every example that I have given still requires an initial sample from a patient or an animal. This implies that we still need ethical conducts towards in vitro models, notably how and how long we are going to use the sample, and who will have access to it. Lastly, the core principle of in vitro models is isolation, and it is its biggest flaw. The human body is so interconnected that all of its parts influence each other tremendously. When we isolate something from the body, it will not react the same way. This is why many times results found in vitro will never happen in vivo. This means that many in vitro experiments have to be repeated in vivo in order to be sure that the results we see is actually happening in the body.