L'étude du développement embryonnaire est une discipline complexe et très encadrée, visant à comprendre les processus fondamentaux qui régissent la formation d'un organisme à partir d'une seule cellule. L'expression des gènes à un moment et un endroit précis est essentielle pour le développement d’un embryon. Afin d’éviter des malformations ou la mort de l'embryon dans les cas les plus extrêmes, les gènes contrôlant le développement doivent être activés au bon endroit et au bon moment. Ce mécanisme délicat implique l’action de protéines à l'intérieur du noyau des cellules appelées facteurs de transcription. Ces facteurs interagissent brièvement (quelques secondes) avec des séquences particulières dans l’ADN qui sont proches des gènes pour décider si un gène doit être activé ou désactivé.
Les Défis de la Recherche sur l'Embryon Humain
La recherche sur l’embryon humain est très encadrée et régie par des règles strictes de bioéthique. Elle est autorisée en France depuis 2013, sous conditions et sous contrôle de l’Agence de biomédecine (en savoir plus sur la recherche sur l’embryon & les cellules souches embryonnaires). Ainsi, dans un grand nombre de pays, il est interdit de cultiver et d’utiliser des embryons humains au-delà de 14 jours après la fécondation. Face à ces contraintes, les chercheurs ont orienté leurs études vers d’autres mammifères, notamment la souris, pour comprendre les processus fondamentaux mis en jeu lors du développement embryonnaire.
Nouvelles Approches pour l'Étude des Embryons Synthétiques
Si d’énormes progrès ont été réalisés au cours des dernières décennies, la compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans l’émergence et l’organisation des types cellulaires au sein de l’embryon reste superficielle. Récemment, une percée majeure a été réalisée par deux autres laboratoires. Ceux-ci ont réussi l’exploit de reconstruire, à partir de cellules souches embryonnaires, des embryons synthétiques qui récapitulent presque parfaitement le développement de la souris jusqu’au stade fœtal. Mais avec moins de 1% de réussite, la procédure est complexe et fait intervenir un appareillage sophistiqué.
Des scientifiques de l’Institut Pasteur, de l’Inserm et de l’École Polytechnique, en collaboration avec le Centre Helmholtz et l’Université de Copenhague, ont développé une nouvelle approche pour générer des embryons synthétiques de souris. Elle repose sur le seul traitement des cellules souches embryonnaires de souris par une molécule chimique pendant un temps court. Celle-ci inhibe l’accrochement d’une petite protéine, appelée SUMO, à d’autres protéines de la cellule. L’unité Organisation nucléaire et oncogenèse de l’Institut Pasteur et de l’Inserm étudie depuis longtemps la SUMOylation. « Nous avons émis l’hypothèse que des cellules souches embryonnaires pourraient entrer dans un état instable si elles sont privées de SUMOylation et placées dans un environnement favorable, SUMO ne jouant alors plus son rôle de garde du corps de l’identité cellulaire. Pour éprouver cette hypothèse, les scientifiques ont soumis des cellules souches embryonnaires de souris à une molécule qui inhibe l’action de la protéine SUMO. On savait qu’il était possible de faire revenir des cellules matures différenciées à l’état de cellules souche en agissant sur la chromatine. L’efficacité et la grande simplicité d’utilisation de cette approche ouvrent la voie à l’utilisation de molécules régulant l’état chromatinien, avec l’espoir de reconstruire un jour des modèles fidèles d’organes et d’embryons.
Cette avancée permet de recréer in vitro des amas cellulaires de souris mimant sous certains aspects l’organisation de vrais embryons, offrant ainsi un nouvel outil de recherche qui permet d’éviter la manipulation d’embryons.
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Micro-environnements Nucléaires et Régulation Génique
Une des stratégies qui permet de surfer dans la complexité de la régulation génique au cours du développement est l’organisation du noyau en micro-environnements. Ceux-ci réunissent et concentrent des facteurs de transcription et leurs régions d’ADN cibles, afin de faciliter leur interaction. Cependant, cette organisation du noyau reste méconnue : quelles sont les propriétés physiques de ces micro-environnements ? Comment sont déterminées leur localisation et leur composition ? Quand et comment ces micro-environnements se forment-ils au cours du développement ? La dotation ATIP-Avenir permettra à Albert Tsai de s’installer à Montpellier pour créer son équipe de recherche. Son équipe suivra les différents composants des micro-environnements au cours du développement en combinant les outils génétiques avancés disponibles chez la drosophile, la microscopie optique à haute résolution et la physique statistique. Ces techniques permettront de caractériser les ingrédients importants à la formation des micro-environnements, de comprendre quand et comment ceux-ci se forment, et comment ils impactent l’expression génétique pour aboutir au développement d’un organisme.
L'Étude de l'Expression Génique à l'Échelle de la Cellule Unique
Pour répondre aux enjeux des transitions agroécologique et climatique, il faut pouvoir sélectionner les animaux sur de nombreux critères souvent très hétérogènes, comme la thermorégulation, l’efficacité alimentaire, la résistance aux parasites et aux pathogènes, les problèmes de reproduction. Il faut donc que les mesures phénotypiques soient très variées. Or, certaines, comme les mesures de réponse à des infections virales, sont difficilement réalisables sur des animaux en élevage et posent des problèmes éthiques, logistiques et économiques. L’utilisation de cellules souches embryonnaires pluripotentes, dites «ES », est une piste prometteuse pour contourner ces difficultés. Les cellules ES permettent en effet d’obtenir in vitro une grande variété de lignages cellulaires représentatifs de la variété des tissus animaux, sur lesquels on peut faire de nombreuses mesures à haut-débit au laboratoire. Cependant, la culture des cellules ES chez les animaux d’élevage reste difficile à mettre en œuvre.
Afin d’optimiser la dérivation de cellules ES à partir de cellules d’embryons de porc, les chercheurs INRAE, en collaboration avec une équipe de recherche allemande, ont caractérisé les cellules ES de l’embryon et les molécules nécessaires à leur survie et leur prolifération.Pour cela, les chercheurs ont utilisé une technologie de pointe qui permet d’étudier l’ensemble des informations cellulaires issues des gènes (expression des gènes) à l’échelle de cellules uniques. Ils ont caractérisé ces informations pour 35 000 cellules embryonnaires, issues d’embryons de porcs âgés entre 5 et 11 jours après fécondation (avant l’implantation). Ils ont alors pu, par des approches statistiques et d’intelligence artificielle, identifier de nouvelles sous-populations de cellules embryonnaires, importantes pour la sécrétion de molécules nécessaires à l’implantation, qui contribuent ensuite au développement du placenta embryonnaire. Ils ont de plus observé, de façon originale, l’existence de deux types de cellules ES embryonnaires : l’une très précoce et très labile, que l’on retrouve aussi chez l’homme avant l’implantation, et une autre, plus tardive et plus stable dans le temps, qui persiste plusieurs jours avant l’implantation. La dynamique de ces deux populations cellulaires a été associée à des modifications importantes de l’activité sécrétrice de l’utérus maternel.
Ainsi, grâce à l’analyse de ces 35 000 cellules, les chercheurs ont pu identifier de nouvelles molécules biologiques cruciales pour la biologie des cellules pluripotentes embryonnaires.Ces résultats originaux permettent 1) de mieux comprendre la biologie de l’embryon précoce de mammifère, en miroir des connaissances actuelles sur les cellules embryonnaires humaines et 2) d’optimiser les conditions de dérivation et de culture des cellules pluripotentes embryonnaires porcines. Ces avancées permettront d’obtenir des lignées de cellules souches embryonnaires porcines, qui permettront, à partir d’un faible nombre d’embryons, de mieux phénotyper in vitro les populations animales et de faire le lien avec les génotypes, pour mieux sélectionner les futurs animaux de demain et ainsi répondre aux grands enjeux des transitions agroécologique et climatique.
Pour caractériser l’expression des gènes dans chaque cellule de l’embryon, les chercheurs ont utilisé la technologie dite de microfluidique en goutte. Chaque cellule est isolée dans une goutte avec des réactifs permettant de mesurer l’expression de ses gènes sans interférer avec les autres cellules. Chaque cellule est ensuite analysée pour retrouver celles qui sont semblables et les regrouper en populations cellulaires. Il est ensuite possible de comparer les populations cellulaires entre elles et d’identifier des molécules produites par leurs gènes qui sont importantes pour leur biologie.
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La Mécanobiologie : Un Pont entre Forme et Fonction
Le développement embryonnaire est le fruit de deux types de processus morphogénétiques : des processus biomécaniques, donnant à l’organisme sa forme géométrique, et des processus biochimiques de différenciation, donnant aux différents tissus et organes leurs fonctions physiologiques. Les premiers ont été abondamment étudiés avant la découverte du génome, alors que les seconds ont focalisé l’attention des biologistes du développement depuis la deuxième moitié du siècle dernier. Les deux ont commencé à être couplés pour l’étude du contrôle génétique de la morphogenèse biomécanique durant les années 90. Aujourd’hui, on découvre que les contraintes mécaniques exercent en retour un contrôle sur la différenciation biochimique des cellules. L’étude de cette interaction relève du tout nouveau domaine de la biologie que l’on nomme aujourd’hui la « mécanobiologie ».
L'Importance des Forces Physiques dans la Morphogenèse
Chez la drosophile, le tube gastrique et le mésoderme se constituent pratiquement au même moment, par la formation de deux types de tubes. Le premier se forme à la fois depuis le pôle antérieur et depuis le pôle postérieur de l’embryon. Ces deux parties s’allongent et finissent par fusionner au centre de l’embryon pour former le tube gastrique. Quelles forces physiques sont à l’œuvre pour générer de tels changements morphologiques, de telles courbures du tissu embryonnaire ? Il ne s’agit pas, dans ce cas précis, d’une croissance tissulaire régulée de façon différentielle en fonction de la localisation sur l’embryon comme aurait pu le proposer d’Arcy Thomson, car les cellules ne se divisent pas à ce stade du développement chez l’embryon de drosophile. Les forces sont en réalité générées par une protéine, qui se trouve être un véritable petit moteur à l’échelle moléculaire : la myosine-II. Cette molécule vient, sous l’effet de signaux biochimiques génétiquement régulés, s’accumuler sur la surface externe du mésoderme. En interagissant avec les polymères d’actine, la myosine-II provoque une contraction de la surface externe du mésoderme. Celle-ci diminue alors en comparaison de la surface interne, et cela induit la courbure nécessaire à l’invagination du mésoderme. On voit ici une interaction de l’échelle biochimique microscopique vers la forme physique macroscopique, permise par la myosine-II.
Mécanotransduction et Différenciation Cellulaire
La différenciation des cellules passe par l’expression de seulement certaines parties du génome, permettant de produire des protéines assurant la fonction de ces cellules. Ainsi, le tissu mésodermique qui s’invagine est par exemple caractérisé par la production de Twist, un facteur de transcription. Or, nous avons pu mesurer dans l’embryon mutant de snail décrit ci-dessus (chez lequel il n’y a pas invagination du mésoderme) que la production de Twist chute très rapidement dans le mésoderme non invaginé. Cependant, si l’on réactive l’invagination par la stimulation mécanique douce précédemment décrite, on réactive alors la production de Twist. Celle-ci se fait donc en réponse aux contraintes mécaniques développées par le mouvement d’invagination. Un tel processus permet la coordination entre morphogenèse biochimique et morphogenèse biomécanique. Seules les cellules qui se seront invaginées subiront des contraintes mécaniques, donc exprimeront Twist et se différencieront en mésoderme.
Nous avons pu montrer que cette même propriété est à l’œuvre, et vitale, dans la différenciation fonctionnelle du tube gastrique antérieur de l’embryon de drosophile. En effet, Twist est aussi exprimé dans le futur endoderme antérieur de l’embryon de drosophile et est impliqué dans la spécification de cet autre feuillet embryonnaire. Or, la production de Twist est aussi mécaniquement induite dans le futur tube gastrique antérieur par sa compression causée par le mouvement de convergence extension de la gastrulation. On le voit, la forme des tissus, ou plus exactement les contraintes de déformation associées à leurs changements de forme, jouent un rôle clef, et vital pour le développement des processus de différenciation de nature biochimique de l’organisme. Dans un certain nombre de cas, ces processus dits de « mécanotransduction » ont pu être mis en évidence, in vitro (sur molécules uniques) ou in cellulo (en culture cellulaire).
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