Découverte des origines embryonnaires des cellules souches pluripotentes adultes


Les cellules souches sont une merveille biologique. Ils peuvent réparer, restaurer, remplacer et régénérer les cellules. Chez la plupart des animaux et des humains, ces cellules se limitent à régénérer uniquement le type de cellule auquel elles sont attribuées. Ainsi, les cellules souches capillaires ne feront que fabriquer des cheveux. Les cellules souches intestinales ne feront que fabriquer des intestins. Mais, de nombreux invertébrés éloignés ont des populations de cellules souches qui sont pluripotentes chez les animaux adultes, ce qui signifie qu’ils peuvent régénérer pratiquement n’importe quel type de cellule manquant, un processus appelé régénération du corps entier.

Même si ces cellules souches pluripotentes adultes (aPSC) se trouvent dans de nombreux types d’animaux différents (tels que les éponges, les hydres, les vers plats planaires, les vers acoel et certaines ascidies), le mécanisme de leur fabrication n’est connu chez aucune espèce.

Dans une nouvelle étude en Cellule des chercheurs du Département de biologie de l’organisme et de l’évolution de l’Université de Harvard ont identifié le mécanisme cellulaire et la trajectoire moléculaire de la formation des aPSC chez le ver acoel, Hofstenia miamia.

H. Miami, également connu sous le nom de ver panthère à trois bandes, est une espèce qui peut se régénérer complètement à l’aide d’aPSC appelés «néoblastes». Hacher H.Miami en morceaux et chaque morceau fera pousser un nouveau corps comprenant tout, de la bouche au cerveau. L’auteur principal, le professeur Mansi Srivastava, a recueilli H.Miami sur le terrain il y a de nombreuses années en raison de sa capacité de régénération. Une fois de retour au laboratoire, H.Miami a commencé à produire de nombreux embryons qui pourraient facilement être étudiés.

Une étude précédente de Srivastava et du chercheur postdoctoral co-auteur Lorenzo Ricci a développé un protocole de transgenèse dans H. Miami. La transgenèse est un processus qui introduit quelque chose dans le génome d’un organisme qui ne fait normalement pas partie de ce génome. Cette méthode a permis à l’auteur principal Julian O. Kimura (PhD ’22) de poursuivre sa question sur la fabrication de ces cellules souches.

« Une caractéristique commune aux animaux capables de se régénérer est la présence de cellules souches pluripotentes dans le corps adulte », a déclaré Kimura. « Ces cellules sont responsables de la reconstitution des parties du corps manquantes lorsque l’animal est blessé. En comprenant comment les animaux aiment H.Miami fabriquer ces cellules souches, j’ai senti que nous pouvions mieux comprendre ce qui confère à certains animaux des capacités de régénération. »

Il existe certaines caractéristiques unificatrices de ces populations de cellules souches chez les animaux adultes, telles que l’expression d’un gène appelé Piwi. Mais dans aucune espèce jusqu’à présent, personne n’a été en mesure de comprendre comment ces cellules souches sont fabriquées en premier lieu. « Ils ont principalement été étudiés dans le contexte d’animaux adultes », a déclaré Srivastava, « et chez certaines espèces, nous savons un peu comment ils pourraient fonctionner, mais nous ne savons pas comment ils sont fabriqués. »

Les chercheurs savaient que les nouveau-nés de vers contiennent des aPSC, ils ont donc pensé qu’ils devaient être fabriqués pendant l’embryogenèse. Ricci a utilisé la transgenèse pour créer une lignée qui faisait briller les cellules embryonnaires en vert fluorescent en raison de l’introduction de la protéine Kaede dans la cellule. Kaede est photo-convertible, ce qui signifie que le fait de faire briller un faisceau laser avec une longueur d’onde très spécifique sur le vert le convertira en une couleur rouge. Vous pouvez ensuite zapper les cellules avec un laser pour transformer les cellules vertes individuelles de l’embryon en une couleur rouge.

« L’utilisation d’animaux transgéniques avec photo-conversion est une toute nouvelle tournure que nous avons imaginée en laboratoire pour comprendre le sort des cellules embryonnaires », a déclaré Srivastava. Kimura a appliqué cette méthode pour effectuer le traçage de la lignée en laissant les embryons se développer et en observant ce qui se passe.

Kimura a suivi le développement de l’embryon alors qu’il se séparait d’une seule cellule en plusieurs cellules. La division précoce de ces cellules est marquée par un clivage stéréotypé, ce qui signifie que les cellules d’embryon à embryon se divisent exactement selon le même schéma, de sorte que les cellules peuvent être nommées et étudiées de manière cohérente. Cela a soulevé la possibilité que chaque cellule ait peut-être un but unique. Par exemple, au stade de huit cellules, il est possible que la cellule du coin supérieur gauche fabrique un certain tissu, tandis que la cellule inférieure droite fabrique un autre tissu.

Pour déterminer la fonction de chaque cellule, Kimura a systématiquement effectué une photo-conversion pour chacune des cellules de l’embryon précoce, créant une carte du destin complet au stade de huit cellules. Il a ensuite suivi les cellules au fur et à mesure que le ver devenait un adulte qui portait toujours l’étiquette rouge. Le processus répétitif consistant à suivre chaque cellule individuelle encore et encore sur de nombreux embryons a permis à Kimura de retracer où chaque cellule fonctionnait.

Au stade embryonnaire à seize cellules, il a trouvé une paire de cellules très spécifique qui a donné naissance à des cellules qui semblaient être des néoblastes. « Cela nous a vraiment enthousiasmés », a déclaré Kimura, « mais il y avait toujours la possibilité que les néoblastes proviennent de sources multiples dans l’embryon précoce, pas seulement les deux paires trouvées au stade de seize cellules. Trouver des cellules qui ressemblaient simplement à des néoblastes en apparence n’était pas une preuve définitive qu’ils étaient vraiment des néoblastes, nous devions montrer qu’ils se comportaient également comme des néoblastes. »

Pour être certain, Kimura a mis cet ensemble particulier de cellules, appelé 3a/3b dans H.Miami, en procès. Pour être des néoblastes, les cellules doivent satisfaire à toutes les propriétés connues des cellules souches. La descendance de ces cellules fabrique-t-elle de nouveaux tissus pendant la régénération ? Les chercheurs ont découvert que oui, seule la descendance de ces cellules fabriquait de nouveaux tissus pendant la régénération.

Une autre propriété déterminante est le niveau d’expression des gènes dans les cellules souches, qui doivent avoir des centaines de gènes exprimés. Pour déterminer si 3a/3b correspondent à cette propriété, Kimura a pris la progéniture avec 3a/3b brillant en rouge et toutes les autres cellules brillant en vert et a utilisé une machine de tri qui séparait les cellules rouges et vertes. Il a ensuite appliqué la technologie de séquençage unicellulaire pour demander quels gènes sont exprimés dans les globules rouges et dans les globules verts. Ces données ont confirmé qu’au niveau moléculaire, seule la descendance des cellules 3a/3b correspondait aux cellules souches et non la descendance d’une autre cellule.

« C’était la confirmation définitive du fait que nous avons trouvé la source cellulaire de la population de cellules souches dans notre système », a déclaré Kimura. « Mais, ce qui est important, connaître la source cellulaire des cellules souches nous donne désormais un moyen de capturer les cellules à mesure qu’elles mûrissent et de définir les gènes impliqués dans leur fabrication. »

Kimura a généré un énorme ensemble de données sur le développement embryonnaire au niveau de la cellule unique détaillant quels gènes étaient exprimés dans toutes les cellules des embryons du début à la fin du développement. Il a permis aux cellules 3a/3b converties de se développer un peu plus, mais pas jusqu’au stade de l’éclosion. Il a ensuite capturé ces cellules en utilisant la technologie de tri. Ce faisant, Kimura a pu définir clairement quels gènes étaient spécifiquement exprimés dans la lignée des cellules qui fabriquent les cellules souches.

« Notre étude révèle un ensemble de gènes qui pourraient être des contrôleurs très importants pour la formation de cellules souches », a déclaré Kimura. « Les homologues de ces gènes jouent un rôle important dans les cellules souches humaines et cela est pertinent pour toutes les espèces. »

« Julian a commencé dans mon laboratoire en voulant étudier comment les cellules souches sont fabriquées dans l’embryon », a déclaré Srivastava, « et c’est une histoire incroyable que lorsqu’il a obtenu son diplôme, il l’avait compris. »

Les chercheurs prévoient de continuer à creuser plus profondément dans le mécanisme de fonctionnement de ces gènes dans les cellules souches de Hofstenia miamia, ce qui aidera à dire comment la nature a développé un moyen de fabriquer et de maintenir des cellules souches pluripotentes. Connaître les régulateurs moléculaires des aPSC permettra aux chercheurs de comparer ces mécanismes entre les espèces, révélant comment les cellules souches pluripotentes ont évolué chez les animaux.

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