Une nouvelle façon de penser l’évolution de l’architecture des orgues

Au cœur de chaque embryon en développement réside le mystère de l'auto-organisation : comment un organisme parvient-il à se façonner alors même qu'il est en train de fabriquer ses parties ?

En employant une approche holistique plutôt que réductionniste pour étudier la formation des tissus, les chercheurs ont révélé comment les molécules de signalisation influencent les processus biophysiques qui façonnent l’organe en développement. Ces processus sont décrits dans une étude en Science dirigé par Alan Rodrigues et Amy Shyer, codirecteurs du Laboratoire de Morphogenèse de l'Université Rockefeller.

À la base de ce travail se trouve un changement fondamental de mentalité qui cherche à fournir un contexte plus large et sensé pour l’étude du développement des organes, qui pourrait même se traduire par un diagnostic et un traitement plus efficaces de nombreuses maladies humaines.

“La question qui anime une grande partie de notre travail est de savoir comment des milliers de cellules se rassemblent pour générer les motifs ordonnés observés dans les tissus”, explique Rodrigues. “Nos résultats indiquent qu'il existe un ordre émergent au-delà des molécules et des cellules individuelles qui doit être pris en compte.”

Une vue d’ensemble du développement des organes

Les travaux antérieurs sur le développement des organes se sont fortement appuyés sur les morphogènes, des molécules de signalisation qui jouent un rôle central dans l’influence de l’identité et du comportement des cellules. Des études fondamentales ont démontré que divers morphogènes, lorsqu'ils sont mutés, peuvent conduire à des organes malformés (travaux qui ont abouti à un prix Nobel).

Mais la plupart des travaux sur les morphogènes se sont concentrés sur la façon dont ces molécules de signalisation fonctionnent au niveau génétique ou moléculaire, cellule par cellule, en partant du principe que la chorégraphie complexe de la formation des tissus se résume aux gènes exprimés dans chaque cellule individuelle. Rodrigues et Shyer soupçonnaient qu'un examen plus large de groupes entiers de cellules destinées à former des tissus – une vue à partir de ce que l'on appelle l'échelle cellulaire collective ou niveau supracellulaire – pourrait contribuer dans une large mesure à expliquer ce qui est resté jusqu'ici inexplicable.

“Les morphogènes sont essentiels au développement, mais de nombreuses questions restent sans réponse sur la manière dont ils participent à la formation des tissus, en particulier lorsque des collectifs de milliers de cellules sont impliqués”, explique Shyer. “Nous avons cherché à penser au-delà de la cellule individuelle et à examiner la formation des tissus à plus grande échelle.”

Pour démontrer l'importance de cette vue d'ensemble du développement des organes, Rodrigues et Shyer se sont tournés vers la peau de poulet en développement comme modèle. Les chercheurs ont choisi leur système pour son niveau idéal de complexité : la peau se développe comme une feuille plate parsemée d'une série de bosses, ce qui signifie qu'elle est assez simple à travailler mais suffisamment compliquée pour servir de modèle aux subtilités inhérentes aux organes humains. . En étudiant le tissu embryonnaire cutané au-delà de l’échelle d’une cellule, l’équipe espérait identifier comment de nouvelles structures sont créées dans un organe.

Les structures de la peau se rassemblent au cours d’une fenêtre critique environ une semaine après le développement de l’embryon de poulet, analogue à environ un mois après le développement humain in utero. “C'est une étape unique et cruciale, où un humain est presque impossible à distinguer d'une vache, d'une souris ou d'un poulet. C'est à ce moment-là que l'on obtient l'architecture tissulaire qui persiste tout au long de notre vie”, a expliqué Rodrigues. “Les vertébrés se ressemblent remarquablement à ce stade, ce qui suggère que des principes profonds et conservés sont présents.”

Viscosité, élasticité et activité mécanique

Après avoir identifié les points d’inflexion clés dans le développement de la peau embryonnaire, l’équipe a commencé à l’analyser à l’échelle cellulaire collective. Les auteurs se sont concentrés sur la caractérisation des changements qui émergent dans les propriétés matérielles et mécaniques des collectifs de cellules dermiques lorsqu'ils sont exposés à des morphogènes : viscosité, élasticité et activité mécanique.

Se concentrer sur des collectifs de cellules, plutôt que sur des cellules individuelles, offre un moyen d'observer des caractéristiques fonctionnellement significatives qui autrement seraient manquées. Une seule cellule cardiaque ne peut pas pomper le sang et un seul neurone ne peut pas écrire un opéra ; le cœur et le cerveau ne fonctionnent pleinement que grâce à une action collective qui dépasse d’une manière ou d’une autre les capacités de ses unités constitutives. Ceux qui étudient des systèmes aussi complexes appellent de tels phénomènes des propriétés émergentes, car ces capacités ne résident pas dans un seul composant, mais émergent uniquement à travers leurs interrelations dynamiques.

L’équipe a émis l’hypothèse que les propriétés émergentes des collectifs cellulaires pourraient se refléter dans des propriétés physiques telles que la viscosité, l’élasticité et l’activité mécanique. “Le défi que nous voulions relever était de capturer expérimentalement et donc de plaider en faveur de l'existence de ces propriétés émergentes au niveau cellulaire collectif”, explique Rodrigues.

En collaboration avec les co-premiers auteurs Sichen Yang et Karl Palmquist, qui ont tous deux mené leurs études supérieures à Rockefeller, l'équipe a développé des techniques pour mesurer les propriétés physiques supracellulaires. Un test impliquait la microscopie à force atomique, qui teste les propriétés matérielles d'un tissu dans son ensemble en le poussant avec une sonde et en mesurant sa dureté. “Ce qui est bien avec l'échelle cellulaire collective, c'est que vous pouvez réellement la tirer et la pousser”, explique Shyer. “C'est une façon très tactile de faire les choses.”

L’équipe a également utilisé un autre test, appelé fusion sphéroïde, dans lequel ils ont caractérisé la façon dont deux groupes de cellules « sphéroïdes » fusionnaient lorsqu’ils étaient placés l’un à côté de l’autre. “Lorsque deux gouttes de pluie entrent en contact, elles fusionnent rapidement en une grosse gouttelette, indiquant leur fluidité. En revanche, lorsque deux boules de billard sont placées l'une à côté de l'autre, elles restent séparées, indiquant leur nature solide”, explique Shyer. Lorsque les sphéroïdes étaient traités avec un morphogène spécifique, la protéine morphogénétique osseuse (BMP), les amas de cellules fusionnaient comme de l’eau. Cependant, lorsque les sphéroïdes ont été traités avec un morphogène différent, le facteur de croissance des fibroblastes (FGF), ils n’ont fusionné que partiellement comme deux boules d’argile, indiquant une solidité accrue.

Ensuite, en collaboration avec Pearson Miller, mathématicien appliqué et membre du Flatiron Institute, l'équipe a commencé à explorer comment de tels changements dans les propriétés physiques supracellulaires pourraient être responsables de la création de nouvelles structures. L’équipe a combiné des modèles biophysiques quantitatifs avec des données expérimentales pour prouver qu’un noyau solide entouré d’une marge fluide active émerge dans une géométrie mécaniquement instable. Cette instabilité se résout d’elle-même et, ce faisant, crée une saillie qui s’élève hors du plan de la peau.

Influencé par la réflexion à l'échelle subcellulaire, le domaine avait supposé que ces saillies étaient basées sur la migration de cellules individuelles ou sur la prolifération locale. En revanche, cette étude suggère que l’action physique clé responsable de la création de nouvelles structures organiques se joue à l’échelle supracellulaire.

“Cela suffit pour générer la forme de la peau et du follicule”, explique Shyer. “Donc, ce que nous constatons, c'est que les morphogènes n'orchestrent pas directement la sculpture des organes. Leur influence est médiée par des propriétés et des processus supracellulaires, ce que nous commençons seulement à apprécier.”

Quand il n'y a pas d'arme fumante

Bien que ces découvertes n’aient pu émerger qu’en prenant en compte des propriétés au-delà de la cellule unique, Shyer note que les morphogènes jouent un rôle clé au niveau cellulaire. “Des changements moléculaires se produisent bien entendu dans chaque cellule lorsqu'elle est traitée avec du BMP ou du FGF”, dit-elle.

En effet, l’équipe a caractérisé les caractéristiques moléculaires au sein des collectifs cellulaires et a découvert des changements clés dans le cytosquelette ainsi que dans la composition et l’arrangement de la matrice extracellulaire. De plus, le séquençage unicellulaire a révélé qu’un seul morphogène modifie probablement l’expression de dizaines, voire de centaines de gènes. Parallèlement, d’un point de vue matériel, la contribution de ces changements moléculaires se manifeste à l’échelle supracellulaire.

Le déplacement de l’attention vers l’échelle cellulaire collective pourrait avoir des implications sur la santé humaine. Par exemple, parce qu’une tumeur en plein essor partage des caractéristiques avec une structure embryonnaire, les chercheurs utilisent désormais leur méthode pour explorer les tumeurs cancéreuses.

“Notre hypothèse est que nous ne comprendrons pas pleinement pourquoi une seule cellule mutée forme une tumeur à moins d'étudier le tissu tumoral au niveau supracellulaire”, explique Rodrigues. Dans cette optique, l’équipe étudie actuellement comment leurs méthodes pourraient éclairer l’étude du cancer de l’ovaire.

Adopter une approche supracellulaire pourrait ouvrir la voie à de nouvelles modalités de diagnostic et de traitement des maladies. “Il se pourrait que le réglage subtil de centaines de gènes se fonde dans des propriétés matérielles et mécaniques émergentes qui contribuent à la dégradation des tissus sains”, explique Rodrigues.

“Le nombre relativement limité de propriétés supracellulaires potentielles peut constituer un point d'appui indispensable pour traiter les nombreux domaines pathologiques pour lesquels il n'existe pas d'arme moléculaire unique.”