comment_une_cellule_devient_un_organisme_2018

L’un des grands mystères de la biologie est la façon dont un seul œuf fécondé donne naissance à la multitude de types de cellules, de tissus et d’organes, qui s’assemblent pour former un corps. Maintenant, une combinaison de technologies de séquençage à cellule unique et d’outils de calcul, fournit une image la plus détaillée de ce processus.

Des instantanés pour découvrir comment des embryons prennent forme

Dans trois articles en ligne dans Science cette semaine, les chercheurs rapportent avoir pris plusieurs instantanés de l’activité des gènes dans plusieurs types de cellules, lors du développement des embryons de poisson-zèbre ou de la grenouille. Ils ont ensuite assemblé ces données, prises à intervalles de quelques minutes à quelques heures, et cellule par cellule, sur la façon dont ces embryons prennent forme.

« Ma première réaction a été « Wow! », Explique le biologiste du développement Robert Zinzen de l’Institut de Biologie des Systèmes Médicaux de Berlin. Pas plus tard que la semaine dernière, deux autres articles en ligne dans Science ont retracé l’activité des gènes cellule par cellule chez les planaires, de simples vers plats, qui se régénèrent après avoir été coupés en morceaux. Chez les vertébrés, « la complexité est beaucoup plus élevée », note Zinzen.

Utiliser des embryons à une seule cellule

Pourtant, les chercheurs ont réussi à suivre l’émergence de milliers de cellules et de leur progéniture. « Je pense que l’avenir du développement sera d’utiliser régulièrement des embryons à une seule cellule », explique Detlev Arendt, biologiste du développement évolutif au Laboratoire européen de biologie moléculaire à Heidelberg, en Allemagne.

Toutes ces études ont débuté en dissolvant doucement des embryons rendus à différents stades dans des solutions spéciales, puis en les secouant ou en les remuant pour libérer des cellules individuellement. Pour chaque cellule, les chercheurs ont ensuite déterminé les séquences de tous les brins d’ARN messager (ARNm), qui est une copie simple de l’ADN composé d’ARN, qui comprend une région codante et des régions non codantes.

Un modèle qui révèle le développement et l’identité finale

À l’Université d’Harvard, des équipes dirigées par Allon Klein, Marc Kirschner et Sean Megason se sont concentrées sur le poisson-zèbre et les grenouilles, deux vertébrés étudiés par des biologistes du développement depuis des décennies. Dans leur étude sur les poissons, Klein et Megason ont analysé quelque 92 000 cellules de poisson-zèbre, compilant des données d’ARNm provenant de sept stades embryonnaires différents. Leur groupe a commencé avec des embryons de 4 heures et s’est terminé 24 heures après la fécondation – le moment lorsque les organes de base ont commencé à apparaître. Ce modèle d’activité génique de chaque cellule révèle la direction du développement vers laquelle elle se dirige et, finalement, son identité finale.

Des « codes à barres » pour suivre le devenir cellulaire

Pour suivre l’évolution des cellules et de leur progéniture au fil du temps, les chercheurs ont équipé certains embryons de poissons unicellulaires de traceurs génétiques, qui sont des fragments d’ADN, injectés dans le cytoplasme des embryons. Comme les cellules se divisent à plusieurs reprises dans l’embryon en croissance, ces « codes à barres » ont trouvé leur chemin dans le noyau et ont été incorporés dans les chromosomes. À la fin de l’expérience, chaque lignée de cellules s’est retrouvée avec une combinaison distinctive de « codes à barres ». En fusionnant cette information avec les profils d’activité des gènes, l’équipe de recherche ont pu retracer le devenir cellulaire au fil du temps, pour voir comment un œuf fécondé a donné naissance à une variété de cellules spécialisées, comme le cœur, les nerfs et la peau.

Un logiciel a reconstitué la « biographie » de chaque cellule

Dans une autre étude, une équipe dirigée par le biologiste du développement dHarvard, Alexander Schier, a créé sa propre méthode pour suivre les cellules du poisson zèbre en phase de développement. Après que le groupe ait échantillonné les cellules toutes les 45 minutes pendant 9 heures de croissance embryonnaire et séquencé l’ARNm des cellules, le logiciel a reconstitué la biographie de chaque cellule, en prenant l’activité génique des cellules entièrement différenciées et en analysant les cellules de l’embryon le plus âgé.

«Cela était très intense sur le plan informatique», explique Schier, notant que la reconstruction a montré que l’embryon unicellulaire initial donnait 25 types de cellules différentes.

Les cellules ne sont pas fixes

Les analyses ont découvert quelques surprises. Les biologistes du développement pensaient qu’une fois qu’une cellule commençait à devenir, par exemple, une cellule musculaire, elle ne s’égarerait plus. Mais certaines cellules de poisson-zèbre ont basculé vers un type différent, comme l’indiquent les changements dans leur activité génique, selon Schier et ses collègues. « L’image est beaucoup plus complexe » que nous le pensions, explique Megason.

Dans la grenouille Xenopus tropicalis, Kirschner et Klein ont effectué un séquençage de l’ARN monocellulaire à 10 stades embryonnaires entre 5 et 22 heures après la fécondation. Leur équipe a finalement lu l’ARNm de 137 000 cellules. Les données d’activité génique ont montré que même lorsque l’embryon de la grenouille semble avoir adopté une tache identique, ses cellules ont commencé à prendre leurs identités, par exemple en tant que bourgeon de queue.

Les voies de développement varient selon les espèces

Lorsque Klein, Kirschner et Megason ont comparé les résultats pour la grenouille et le poisson-zèbre, ils ont trouvé des différences surprenantes. Par exemple, les voies de développement de certains types de cellules varient selon les espèces, et bien que l’activité des principaux gènes du facteur de transcription soit similaire dans les mêmes types cellulaires, l’activité d’autres gènes dans certains types de cellules était différant, et ce, plus que ce que les chercheurs attendaient entre les deux espèces.

Les deux équipes utilisant des poissons zèbres ont également suivi l’activité des gènes chez les poissons qui avaient une mutation prévue pour perturber gravement leur développement. Les différentes mutations des deux groupes ont complètement éliminé des types spécifiques de cellules; vraisemblablement ceux directement affectés par le gène perturbé – mais la plupart des autres cellules se sont différenciées presque normalement. Selon Arendt, «ce n’est que la pointe de l’iceberg», en termes d’analyse des effets sur le développement des mutations.

Une « recette » pour de nouveaux types de cellules

De telles études pourraient également fournir une « recette » pour les scientifiques qui manipulent des cellules souches et les ingénieurs tissulaires, qui veulent faire de nouveaux types de cellules. Ces nouveaux résultats, selon David Kimelman, biologiste du développement de l’Université de Washington à Seattle, « constituent un véritable tour de force et un accomplissement majeur dans la compréhension d’une des questions fondamentales de la biologie du développement ».

Une compréhension incomplète mais intéressante

Au final, les chercheurs n’ont pas parfaitement et définitivement découvert comment une seule cellule peut devenir un organisme vivant, mais ils ont découvert que les cellules se transforment en suivant une séquence bien spécifique, qui dans la plupart des cas devient un organe spécialisé, comme la peau, un coeur et tous les autres organes d’un système biologique, que nous appelons un être vivant.

[via Science]