La question du développement organique occupe une place centrale de la recherche en biologie. Les scientifiques s’attachent notamment à étudier et comprendre le processus selon lequel de nombreux tissus et cellules différents peuvent émerger à partir d’un seul ovule fécondé. Récemment, des biologistes ont réussi à observer et retracer, cellule par cellule, l’histoire du développement de plusieurs embryons.
Comment un ovule fécondé peut-il aboutir à la formation d’un organisme complet ? C’est la question à laquelle ont répondu trois équipes internationales de biologistes en combinant une technologie de séquençage à cellule unique avec de puissants outils de modélisation informatique. Dans trois publications parues dans le journal Science, les chercheurs expliquent comment ils ont capturé l’activité génomique dans des cellules embryonnaires de poissons-zèbres et de grenouilles, pour les assembler et retracer l’évolution de ces embryons.
« Ma première réaction a été « Wow ! » » explique Robert Zinzen, biologiste du développement au Berlin Institute for Medical Systems Biology. La semaine dernière, deux publications, parues également dans Science, retraçaient l’historique génomique cellule par cellule de planaires (des vers plats structurellement simples), tandis que l’organisme se régénérait après avoir été scindé en deux. « Chez les vertébrés, la complexité est bien plus élevée » précise Zinzen. Les chercheurs ont retracé l’émergence structurelle de plusieurs milliers de cellules ainsi que celle de leur descendance. « Je pense que le futur de la biologie du développement sera de régulièrement utiliser le séquençage à cellule unique sur des embryons » explique Detlev Arendt, biologiste du développement évolutif à l’European Molecular Biology Laboratory (Allemagne).
Pour ce faire, les scientifiques ont dissous des embryons à des stades différents dans des solutions spécifiques, puis les ont centrifugés pour les séparer en cellules individuelles. Pour chaque cellule, ils ont analysé la séquence de chaque brin d’ARN messager (ARNm) – les ARNm contiennent des séquences génétiques, obtenues à partir de l’ADN, destinées à être traduites en protéines dans la cellule. À l’université d’Harvard, les chercheurs se sont concentrés sur les poissons-zèbres et les grenouilles, deux vertébrés étudiés depuis plusieurs dizaines d’années.
Dans cette vidéo, Leonid Peshkin, biologiste du développement à l’université d’Harvard, présente la dynamique de l’expression génomique des cellules individuelles durant l’embryogenèse des vertébrés (des sous-titres en anglais peuvent être affichés) :
Concernant les poissons-zèbres, l’équipe a analysé 92’000 cellules, compilant les données des ARNm relatives à sept stades embryonnaires différents : entre 4h et 24h après fécondation (stade où les organes basiques commencent à apparaître). Le modèle d’activité génomique de chaque cellule révèle sa direction de développement ainsi que sa structure finale. Pour retracer l’évolution des cellules et leurs lignées, les biologistes ont intégré des traceurs génétiques à certaines d’entre elles, sous la forme de petites séquences d’ADN injectées dans le cytoplasme (milieu intra-cellulaire) embryonnaire.
Tandis que les cellules se sont continuellement divisées dans l’embryon en développement, les séquences d’ADN sont parvenues jusqu’au noyau et ont été incorporées aux chromosomes. Au terme de l’expérience, chaque lignée cellulaire possédait une combinaison unique de traceurs génétiques. En fusionnant ces données avec les profils d’activité génomique établis, les chercheurs ont pu retracer l’évolution de ces cellules à travers le temps et voir comment, à partir un ovule fécondé, celles-ci se sont diversifiées en tissus spécialisés comme le cœur, les nerfs ou la peau.
Une autre équipe s’est quant à elle servie d’une modélisation informatique pour suivre la trace des cellules de poisson-zèbre. Après avoir échantillonné les cellules toutes les 45 minutes durant 9h, d’un embryon au stade précoce de développement, le logiciel a reconstruit l’histoire de chaque cellule en analysant l’activité génomique de cellules différenciées et en la comparant avec celle de cellules d’un embryon au stade de développement plus avancé. Se faisant, le logiciel a été capable de remonter l’historique cellulaire au cours de chaque stade embryonnaire jusqu’à revenir à la cellule indifférenciée de départ. Cette reconstruction a montré comment l’embryon unicellulaire a débouché sur 25 types cellulaires différents.
Les résultats se sont montrés surprenants. Pendant longtemps, les biologistes ont pensé que lorsqu’une cellule commence à se différencier en un type cellulaire particulier, elle ne peut changer en cours de route. Cependant, l’analyse de l’activité génomique de certaines cellules de poisson-zèbre a montré que ces dernières avaient modifié leur différenciation au cours de leur évolution. « Tout ceci est bien plus complexe que nous le pensions » explique Sean Megason, biologiste du développement à l’université d’Harvard.
Concernant la grenouille Xenopus tropicalis, les chercheurs ont utilisé le séquençage ARN unicellulaire sur dix stades embryonnaires différents entre 5h et 22h après fécondation. Ils ont ainsi pu analysé l’ARNm de 137’000 cellules. L’activité génomique de celles-ci a montré que même lorsque l’embryon de grenouille apparaît comme une masse cellulaire informe, les cellules présentent déjà des signes de différenciation.
Cette vidéo résume et explique les résultats obtenus par les chercheurs :
Les biologistes ont également traquer l’activité de certains gènes du poisson-zèbre dont la mutation est connue pour perturber le développement organique. Les différentes mutations observées ont complètement éliminé certains types cellulaires spécifiques – vraisemblablement ceux directement affectés par le gène muté – mais la plupart des autres cellules se sont différenciées presque normalement.
« Ce n’est que la pointe de l’iceberg concernant l’analyse de l’effet des mutations sur le développement » explique Arendt. Ces résultats pourraient servir de marche à suivre pour les scientifiques et bio-ingénieurs souhaitant développer de nouveaux types cellulaires, de la même manière que le font les embryons. « Ces résultats sont un vrai tour de force et constituent une avancée majeure dans la compréhension des questions les plus fondamentales en biologie du développement » conclut David Kimelman (Université de Washington).
