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En 2006, des scientifiques ont découvert un moyen de «reprogrammer» des cellules matures – des cellules de peau adultes, par exemple – en cellules souches qui pourraient, en principe, donner naissance à n’importe quel tissu ou organe du corps. Plusieurs ont supposé que ce n’était qu’une question de temps avant que cette technique révolutionnaire ne parvienne à la clinique et inaugure une révolution de la médecine régénérative.

La conversion peut faire muter l’ADN mitochondrial

Étant donné que le même patient serait à la fois le donneur et le receveur des cellules dérivées de ces cellules souches pluripotentes induites (iPSCs), ces cellules seraient considérées comme faisant partie du patient par le système immunitaire, et ne seraient donc pas sujettes à des problèmes de rejet rencontrés par les greffes conventionnelles.
Mais les iPSCs ne sont pas apparus comme la panacée qui avait été envisagée à l’origine, en raison de revers imprévus, notamment de la découverte préclinique surprenante selon laquelle les greffes de cellules dérivées des iPSCs sont souvent rejetées, même après avoir été réintroduites dans l’organisme d’où proviennent ces cellules.
Mais une nouvelle étude de l’Université de San Francisco, en collaboration avec le laboratoire de génomique des transplantations de l’Institut national du cœur et du sang (NHLBI) et de l’Université de Stanford, montre que le processus de conversion peut faire muter l’ADN présent dans de minuscules structures cellulaires appelées mitochondries. Ces mutations peuvent alors déclencher une réponse immunitaire qui amène les souris et les humains à rejeter les iPSC, et plus généralement les greffes de cellules souches.
«Le rôle des mitochondries a été largement ignoré dans le domaine de la médecine régénérative, mais des travaux antérieurs dans notre laboratoire avaient suggéré qu’elles pouvaient affecter les greffes de cellules souches, a déclaré Tobias Deuse auteur principal de la nouvelle étude. «Il est important que nous comprenions leur rôle afin de pouvoir contrôler de manière fiable la qualité de nos cellules modifiées et de nous assurer que les produits à base de cellules souches peuvent être transplantés chez des patients sans provoquer de rejet.»

Le fardeau d’une seule mutation mitochondriale peut être énorme

Souvent appelées « centrales énergétiques » des cellules, les mitochondries produisent l’énergie qui alimente presque tous les processus biologiques de la Terre (les bactéries, qui n’ont pas de mitochondries, sont l’exception). Mais les mitochondries sont spéciales pour une autre raison: elles contiennent leur propre génome.
Le génome humain «nucléaire», appelé ainsi parce qu’il réside dans le noyau de la cellule, contient plus de 20 000 gènes codants pour des protéines et 3 milliards de bases dans l’ADN – l’alphabet chimique de quatre lettres qui constitue le code génétique. Le génome humain mitochondrial, en revanche, ne contient que 13 gènes codants pour des protéines et moins de 17 000 bases. Toutefois, dans les tissus à forte demande énergétique, le minuscule génome mitochondrial peut contribuer de manière disproportionnée à la teneur en protéines totales des cellules.
«Dans les cellules qui effectuent beaucoup de travail, comme les cellules du muscle cardiaque, jusqu’à un tiers des molécules d’ARNm productrices de protéines de la cellule sont d’origine mitochondriale. Cela signifie que le fardeau d’une seule mutation mitochondriale peut être énorme. Vous ne vous retrouvez pas avec quelques protéines pouvant potentiellement provoquer une réponse immunitaire – vous en avez des milliers », a déclaré Sonja Schrepfer professeure de chirurgie et auteure principale de cette nouvelle étude.

Prouver que des mutations mitochondriales peuvent déclencher une réponse immunitaire

Pour montrer que de telles mutations mitochondriales peuvent déclencher une réponse immunitaire, les scientifiques ont créé des cellules souches hybrides avec l’ADN nucléaire d’une souche de souris et l’ADN mitochondrial d’une autre. Ils ont transplanté ces cellules chez des souris avec un ADN nucléaire identique, mais dont l’ADN mitochondrial différait d’une seule base dans deux gènes codants pour une protéine.
Quelques jours après la greffe, ils ont recueilli les cellules immunitaires des souris et les ont exposées à divers fragments de protéines mitochondriales. Les seules protéines qui ont déclenché une réponse sont celles produites par les deux gènes mitochondriaux «étrangers».
Bien que des expériences similaires ne puissent pas être réalisées chez l’homme, les scientifiques ont été en mesure de concevoir une solution de contournement intelligente. «Nous avons recruté des patients transplantés du foie et du rein et conçu des expériences qui tiraient parti des différences des séquences naturelles dans l’ADN mitochondrial des donneurs et des receveurs», a déclaré Deuse.
Comme dans les expériences sur la souris, les chercheurs ont isolé les cellules immunitaires de chaque greffé – trois et six mois plus tard dans ce cas – et les ont exposées à des fragments de protéines mitochondriales. Les résultats étaient identiques: les cellules immunitaires du receveur n’étaient déclenchées que par les protéines mitochondriales «étrangères» provenant du donneur d’organe.
« Chez la souris et l’homme, même une mutation mitochondriale est suffisante pour avoir une réponse immunitaire reconnaissable », a déclaré Schrepfer. Mais il restait une question importante: les cellules dérivées d’iPSC se comporteraient-elles de la même manière que les cellules du foie et des reins?
Il s’avère que le processus de conversion iPSC est hautement mutagène et donne lieu à de nombreuses nouvelles mutations mitochondriales activant le système immunitaire, a déclaré Deuse. «Dans des conditions physiologiques normales, l’ADN mitochondrial est 10 à 20 fois plus susceptible à la mutation que l’ADN nucléaire. La transformation des cellules adultes en cellules souches est un processus rigoureux. Nous nous attendions donc à des taux de mutation aussi élevés ou plus élevés.  »

Les mitochondries n’ont pas la machinerie moléculaire qui répare l’ADN

De plus, contrairement au noyau, les mitochondries n’ont pas la machinerie moléculaire qui répare l’ADN. Au lieu de cela, le corps dépend du système immunitaire pour trouver et détruire les cellules qui produisent des protéines mitochondriales inconnues – un signe clair que l’ADN mitochondrial a muté. Mais les cellules qui deviennent des iPSC sont reprogrammées et développées en dehors du corps, et ne subissent pas ce processus d’élimination par le système immunitaire, a déclaré Shrepfer.
«Nous ne fabriquons pas d’iPSC dans un organisme, nous les fabriquons dans une boîte de Pétri en l’absence de surveillance immunitaire. Plus nous cultivons ces cellules, plus il y a de chances que de nouvelles mutations soient introduites ou que de très rares mutations déjà présentes soient amplifiées. Cela rend les iPSC plus susceptibles d’être rejetés lors de la transplantation ».
« Cette étude révèle un nouveau mécanisme possible par lequel les greffes sont rejetées et qui pourrait être utilisé à l’avenir pour développer de meilleurs agents diagnostiques et immunosuppresseurs », a déclaré Valantine, chercheur principal du Laboratoire de génomique des greffes d’organes dans la branche cardiovasculaire du NHLBI, fait partie des National Institutes of Health.

Il existe un moyen de rendre « invisible » au système immunitaire les transplantations d’iPSC

Mais les transplantations d’iPSC ne sont pas condamnées, affirment Deuse et Schrepfer, qui avaient auparavant découvert un moyen de rendre les iPSC «invisibles» au système immunitaire – une technique qui pourrait garantir que les iPSC et autres cellules souches présentant des mutations mitochondriales ne soient pas rejetées.
Mais sans cette sorte de voile d’invisibilité, cette nouvelle étude suggère que les cliniciens devront peut-être effectuer un dépistage minutieux des mutations mitochondriales avant d’administrer des thérapies à base de cellules souches.
Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Nature Biotechnology.
Source : University of California San Francisco
Crédit photo : Pixabay