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En mettant au point une technique combinant la génomique, l’analyse unicellulaire, la cytométrie en flux et l’imagerie, des scientifiques ont isolé une étonnante cellule régénératrice – un sous-type de cellule souche pluripotente. Les résultats de cette découverte qui a été publiés le 14 juin 2018 dans la revue Cell, permettraient vraisemblablement d’effectuer des études biologiques sur des organismes hautement régénératifs comme les planaires, et aiderait également les efforts en médecine régénérative pour d’autres organismes comme les humains qui ont moins de capacités régénératrices.

Ce n’est plus une abstraction

«C’est la première fois qu’une cellule souche pluripotente adulte a été isolée.», explique Alejandro Sánchez Alvarado, Ph.D., chercheur au Stowers Institute et Howard Hughes Medical Institute et auteur principal de l’étude. « Notre conclusion explique essentiellement que ce n’est plus une abstraction, qu’il y a vraiment une entité cellulaire qui peut restaurer les capacités de régénération des animaux qui l’ont perdue, et qu’une telle entité peut maintenant être purifiée vivante et étudiée en détail. »

Chaque organisme multicellulaire est construit à partir d’une cellule unique, qui se divise en deux cellules identiques, puis quatre, et ainsi de suite. Chacune de ces cellules contient exactement les mêmes brins d’ADN tordus et est considérée pluripotente, ce qui signifie qu’elle peut donner naissance à tous les types de cellules possibles dans le corps. Mais quelque part sur le chemin, ces cellules de départ – connues sous le nom de cellules souches embryonnaires – se résignent à un destin différent et deviennent des cellules de la peau, des cellules cardiaques, des cellules musculaires ou un autre type cellulaire. Chez l’homme, aucune cellule souche pluripotente connue ne subsiste après la naissance. Chez les planaires, elles sont encore présentes à l’âge adulte, où elles deviennent de cellules souches pluripotentes adultes ou néoblastes. Les scientifiques croient que ces néoblastes détiennent le secret de la régénération.

Un conglomérat de cellules avec différentes propriétés

Bien que les néoblastes aient fait l’objet de recherches scientifiques depuis la fin des années 1800, ce n’est qu’au cours des deux dernières décennies que les scientifiques ont pu caractériser cette population cellulaire puissante en utilisant des tests fonctionnels et des techniques moléculaires. Leurs efforts ont montré que cette population cellulaire apparemment homogène était en fait un conglomérat de différents sous-types, avec différentes propriétés et différents modèles d’expression génique.

«Nous pourrions devoir transplanter plus d’une centaine de cellules individuelles en autant de vers pour en trouver un qui soit réellement pluripotent et puisse régénérer l’organisme», explique Sánchez Alvarado. « C’est beaucoup de travail, juste pour trouver la cellule qui correspond à la définition fonctionnelle d’un vrai néoblaste et si nous voulons le définir moléculairement en identifiant les gènes que la cellule exprime, nous devons détruire la cellule pour la traiter. il n’y avait aucun moyen de le faire et garder la cellule en vie pour la suivre pendant la régénération. »

Comment les identifier ?

Sánchez Alvarado et son équipe ont commencé à chercher une caractéristique distinctive qui pourrait identifier cette cellule insaisissable. Une caractéristique qui a longtemps été utilisée pour distinguer les néoblastes des autres cellules est un marqueur de cellule souche connu sous le nom piwi-1, donc An Zeng, Ph.D., a décidé de les identifier.

Premièrement, il a séparé les cellules qui ont exprimé ce marqueur de celles qui ne l’ont pas fait. Puis il a remarqué que les cellules pouvaient être séparées en deux groupes – un qui exprimait des niveaux élevés de piwi (appelé piwi-haut) et un autre qui exprimait de faibles niveaux de piwi (appelé piwi-bas). Lorsque Zeng a étudié les membres de ces deux groupes, il a trouvé que seuls ceux qui étaient hauts correspondent à la définition moléculaire des néoblastes.

« Ce type d’analyse quantitative simultanée de l’expression des gènes et des niveaux de protéines n’avait jamais été fait auparavant chez les planaires », explique Sánchez Alvarado. «Nous n’aurions pas pu le faire sans les étonnantes installations de soutien scientifique de Stowers, notamment la biologie moléculaire, la cytométrie de flux, la bio-informatique et les groupes d’imagerie. Plusieurs chercheurs avaient supposé que toutes les cellules exprimant le piwi-1 étaient de vrais néoblastes, et non quelle quantité de marqueur elles ont exprimé; nous avons démontré que cela avait de l’importance.  »

Ensuite, Zeng a sélectionné environ 8 000 cellules piwi-haut et analysé leurs modèles d’expression génique. À sa grande surprise, les cellules ne sont pas tombées dans seulement un ou deux, mais 12 sous-groupes différents. Grâce à un processus d’élimination, Zeng a exclu tous les sous-groupes ayant des signatures génétiques indiquant que les cellules étaient destinées à une tâche particulière, comme les muscles ou la peau. Cela lui laissait deux sous-groupes qui pouvaient encore être pluripotents, qu’il a nommé Nb1 et Nb2.

Des cellules régénératrices très puissantes

Les cellules du sous-groupe Nb2 ont exprimé un gène codant pour un membre de la famille des protéines tétraspanines, un groupe de protéines évolutivement anciennes et mal comprises qui siègent à la surface des cellules. Zeng a fait un anticorps qui pouvait s’accrocher à cette protéine, tirant les cellules d’un mélange d’autres néoblastes suspectés. Il a ensuite transplanté la cellule purifiée dans un planaire qui avait été soumis à des niveaux létaux de rayonnement. Non seulement ces cellules ont repeuplé et sauvé les animaux irradiés, mais elles l’ont fait 14 fois plus efficacement que les cellules purifiées par d’anciennes méthodes.

« Nous nous sommes enrichis d’une population de cellules souches pluripotentes, ce qui ouvre la voie à un certain nombre d’expériences qui n’étaient pas possibles auparavant », explique Sánchez Alvarado. « Le fait que le marqueur que nous avons découvert ait été exprimé non seulement chez les planaires mais aussi chez les humains, suggère qu’il existe des mécanismes que nous avons conservés et que nous pouvons exploiter. J’espère que ces premières données seront largement applicables à tout organisme qui a compté sur les cellules souches pour devenir ce qu’ils sont aujourd’hui, et cela s’applique essentiellement à tout le monde. »

Source : Stowers Institute for Medical Research