Des cytonèmes insaisissables guident le développement neuronal et fournissent une « voie express » de signalisation

Les scientifiques du St. Jude Children's Research Hospital ont découvert que les cytonèmes (projections fines, longues et ressemblant à des poils sur les cellules) sont importants au cours du développement neuronal. Les cytonèmes relient les cellules communiquant sur de grandes distances, mais sont difficiles à capturer par microscopie dans les tissus de vertébrés en développement.

Les chercheurs sont les premiers à trouver un moyen de visualiser comment les cytonèmes transportent les molécules de signalisation au cours du développement du système nerveux des mammifères. Les résultats ont été publiés dans Cellule.

“Nous avons montré que les cytonèmes constituent une voie express directe pour le transport du signal”, a déclaré l'auteur correspondant Stacey Ogden, Ph.D., Département de biologie cellulaire et moléculaire de St. Jude.

“Les cellules doivent communiquer entre elles au cours du développement et de l'homéostasie des tissus et être capables d'atteindre plus que leurs voisins. Nous avons identifié une façon dont les signaux sont chargés dans les cytonèmes pour être transportés vers les populations cellulaires répondantes et avons démontré que la structuration des tissus ne se produit pas. correctement lorsque ce mode de dispersion du signal est compromis.

La transmission express du signal prépare le système nerveux au succès

Les chercheurs du laboratoire d'Ogden ont été les premiers à visualiser les cytonèmes de mammifères dans le système nerveux en développement en combinant des techniques de microscopie modernes avec des préparations d'échantillons optimisées.

“Pendant longtemps, visualiser ces structures dans les tissus en développement des mammifères a été un défi”, a déclaré Ogden. “Mais nous avons finalement trouvé un moyen.”

En utilisant leurs nouvelles méthodes, les scientifiques ont capturé des images de la façon dont les cytonèmes agissent comme un système « express » capable de sauter les cellules intermédiaires pour transmettre directement des signaux à des cellules plus éloignées, semblable à un métro express qui ne s'arrête qu'aux stations principales. L’une des stations majeures est la notocorde, qui produit un signal jouant un rôle crucial dans l’organisation du développement de la moelle épinière. L'équipe d'Ogden a capturé des images du processus de transport se déroulant dans les cytonèmes provenant de la notocorde.

Lorsque les chercheurs ont empêché les protéines de signalisation de pénétrer dans les cytonèmes, le développement neuronal a été perturbé dans les modèles murins, provoquant des anomalies neurologiques majeures.

“Il s'agit de la première démonstration de ces processus de transport basés sur le cytonème se produisant au cours du développement d'un tissu complexe de mammifère tel que le tube neural”, a déclaré Ogden. “Ensuite, nous avons montré que lorsque nous réduisons le nombre de cytonèmes ou diminuons la capacité des cellules à charger des protéines de signalisation dans ces structures, nous obtenons des défauts de développement.”

Le transport du cytonème aide à établir le gradient

Le développement des mammifères est un processus soigneusement guidé qui doit être coordonné pour que tous les organes et tissus se forment correctement. Les cellules savent notamment quand adopter un destin spécifique en répondant à des seuils distincts de protéines de signalisation appelées morphogènes.

Les cellules répondront différemment à ces signaux selon un gradient de signalisation, prenant différentes caractéristiques en réponse à des concentrations élevées et faibles d'un morphogène particulier. Un bon gradient est nécessaire au développement ; un mauvais dégradé peut être synonyme de désastre.

Malgré leur importance, la manière dont ces modèles de morphogènes sont créés dans les domaines des cellules organisatrices reste un mystère. La simple diffusion peut expliquer certains de ces gradients, mais pas tous. Les déficits neurologiques créés lorsque les scientifiques ont bloqué l’entrée des signaux dans les cytonèmes fournissent des preuves qui soutiennent le rôle clé de la signalisation des cytonèmes lors de la structuration des morphogènes.

“Ces déficits sont réellement la première preuve directe que la signalisation basée sur le cytonème joue un rôle clé dans la structuration du tube neural”, a déclaré Ogden.

Transporter le « hérisson sonique » à travers les cytonèmes

Le groupe de St. Jude a clarifié une façon dont un gradient du morphogène Sonic Hedgehog se forme dans le tube neural. Sonic Hedgehog était déjà connu comme une molécule de signalisation essentielle dans le développement neuronal, mais son chemin pour atteindre ses cellules cibles a été difficile à déterminer. L’étude a identifié les cytonèmes comme contributeurs clés à une solution qui crée le gradient de signalisation Sonic Hedgehog. De manière correspondante, lorsque Sonic Hedgehog ne pouvait pas être chargé en cytonèmes, sa fonction de signalisation était compromise.

“Dans le domaine de la recherche sur la signalisation morphogène, nous avons toujours voulu savoir comment un signal provient d'une population de cellules pour se propager à travers une population de cellules réceptrices afin de créer un gradient”, a déclaré Odgen. “C'est vraiment passionnant de montrer que les cellules qui produisent des signaux morphogènes jouent un rôle actif en les amenant là où elles doivent passer par les cytonèmes. La cellule de signalisation ne fabrique pas seulement le morphogène, mais elle aide également à transmettre physiquement le signal. “

Ce qui reste incertain, c’est l’ampleur du développement du transport express des protéines de signalisation par le cytonème.

“Ici, nous avons utilisé Sonic Hedgehog comme modèle”, a déclaré Ogden. “Mais nous avons également des preuves que ces structures peuvent être importantes pour transporter d'autres signaux cruciaux au cours du développement du tube neural. Maintenant que nous avons développé un système pour visualiser ces cytonèmes, nous pouvons commencer à découvrir la véritable étendue de leur fonction.”