Des tubes lisses de nos artères et veines aux poches texturées de nos organes internes, nos corps sont constitués de tissus disposés selon des formes complexes qui aident à remplir des fonctions spécifiques.
Mais comment les cellules se replient-elles si précisément dans des configurations aussi compliquées au cours du développement ? Quelles sont les forces fondamentales qui animent ce processus ?
Un laps de temps des canaux semi-circulaires se formant dans l’oreille interne d’un embryon de poisson zèbre âgé de deux jours. Image : Akankshi Munjal/Acquis à l’aide de Zeiss LSM 710 et rendu 3D avec FlouRender
Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard Medical School ont découvert un processus mécanique par lequel des feuilles de cellules se transforment en canaux semi-circulaires délicats et bouclés de l’oreille interne.
Publié dans Cellule, la recherche, réalisée chez le poisson zèbre, révèle que le processus implique une combinaison d’acide hyaluronique, produit par les cellules, qui gonfle avec de l’eau, et de minces connecteurs entre les cellules qui dirigent la force de ce gonflement pour façonner le tissu.
Bien que menés chez le poisson zèbre, les travaux révèlent un mécanisme de base sur la façon dont les tissus prennent des formes, un mécanisme qui est susceptible d’être conservé chez les vertébrés, selon les chercheurs, et qui pourrait également avoir des implications pour la bio-ingénierie.
Un modèle de transparence
auteur principal de l’étude Sean Megason, professeur de biologie des systèmes à l’Institut Blavatnik du HMS, et son équipe étudient comment les cellules se développent en structures tridimensionnelles complexes. Pour répondre à cette question, ils se sont tournés vers un organisme modèle classique et idéal : le poisson zèbre.
« Ils sont transparents, nous les collons donc simplement au microscope et examinons tout ce processus, d’une seule cellule à une larve qui peut nager et qui a toutes ses parties », a expliqué le premier auteur de l’étude. Akankshi Munjal, qui a mené la recherche en tant que chercheur postdoctoral au HMS et est maintenant professeur adjoint de biologie cellulaire à l’Université Duke.
Ces parties comprennent les canaux semi-circulaires, trois tubes remplis de liquide dans l’oreille interne qui sont nécessaires à l’équilibre et à l’orientation dans l’espace. On sait peu de choses sur la formation des canaux semi-circulaires, en partie parce que chez de nombreuses espèces, ils sont masqués par l’oreille moyenne et externe. Chez le poisson zèbre, cependant, les canaux se trouvent près de la surface, permettant aux chercheurs de les observer se développer au microscope.
« C’était une opportunité passionnante pour nous de voir comment un organe tridimensionnel se forme à partir d’une simple feuille de cellules », a déclaré Munjal. « Nous pourrions examiner l’oreille interne de l’embryon avec une accessibilité complète. »
« L’oreille interne est un modèle de la façon dont les cellules travaillent ensemble pour créer des structures complexes nécessaires au fonctionnement des organismes », a ajouté Megason. « Nous y sommes allés en pensant que c’était une belle structure, mais sans savoir ce que nous allions trouver. »
Ce qu’ils ont trouvé les a surpris.
La pensée conventionnelle est que les protéines actine et myosine agissent comme de minuscules moteurs à l’intérieur des cellules, les poussant et les tirant dans différentes directions pour plier un tissu dans une forme spécifique. Cependant, les chercheurs ont découvert que les canaux semi-circulaires du poisson zèbre se forment selon un processus nettement différent. Au cours du développement, les cellules produisent de l’acide hyaluronique, qui est peut-être le plus connu comme agent antirides dans les produits de beauté. Une fois dans la matrice extracellulaire, l’acide gonfle, un peu comme une couche dans une piscine. Ce gonflement crée suffisamment de force pour déplacer physiquement les cellules voisines, mais comme la pression est la même dans toutes les directions, les chercheurs se sont demandé comment le tissu finissait par s’étirer dans une direction et pas dans une autre pour former une forme allongée. L’équipe a découvert que cela est accompli par de minces connecteurs entre les cellules – surnommés cytocinches – qui contraignent la force.
« C’est comme si vous deviez mettre un corset sur un ballon d’eau et le déformer en une structure oblongue », a déclaré Munjal. Cette combinaison de gonflement et de serrage façonne progressivement une feuille de cellules initialement plate en tubes.
Une simple feuille de cellules se transforme progressivement en un tube qui forme les canaux semi-circulaires. Crédit image : Akankshi Munjal/Cell 2021
« Notre travail montre une nouvelle façon de faire les choses », a déclaré Megason, ajoutant qu’il espère que cela encouragera les gens à envisager des mécanismes supplémentaires pouvant être impliqués dans la formation des tissus. « Les cellules doivent utiliser de nombreuses forces différentes pour accomplir ce dont elles ont besoin, et le temps nous dira exactement quel est l’équilibre entre les approches moléculaires de l’actine et de la myosine et les approches plus physiques de la pression. »
Leur découverte a probablement des implications plus larges, ont ajouté Megason et Munjal.
Les gènes qui contrôlent la production d’acide hyaluronique dans les canaux semi-circulaires du poisson zèbre sont également présents dans les canaux semi-circulaires des mammifères, suggérant qu’un processus similaire pourrait se produire. De plus, l’acide hyaluronique se trouve dans plusieurs parties du corps humain, y compris la peau et les articulations, ce qui indique qu’il peut jouer un rôle dans la formation de nombreux tissus et organes, une voie pour de futures recherches.
Si cela s’avère être le cas, l’étude des gènes impliqués dans la production d’acide hyaluronique pourrait aider les chercheurs à comprendre les anomalies congénitales des organes où l’acide hyaluronique stimule le développement.
« Il s’agit probablement d’un mécanisme répandu et conservé à travers les espèces et les organes », a déclaré Munjal.
Le mécanisme pourrait également être appliqué à la bio-ingénierie, où les chercheurs tentent de pousser les cellules souches à former des bourgeons, des tubes et d’autres formes compliquées, dans le but ultime de cultiver des organes en laboratoire.
Les organes cultivés en laboratoire sont toujours un travail en cours, a noté Megason, mais une étape clé sera d’analyser la façon dont les organes se forment à l’intérieur d’un organisme. « Nous essayons de disséquer les étapes de la fabrication d’un organe complexe tel que l’oreille interne in vivo, puis de comprendre quantitativement ces étapes », a déclaré Megason. « Nous espérons que cela jettera les bases pour que les cellules se développent selon le modèle et la forme que nous voulons. »
La source: HMS
