Le poisson zèbre révèle comment la bioélectricité façonne le développement musculaire

Une question restée sans réponse dans le cahier de laboratoire d’un biologiste depuis 40 ans a enfin été expliquée, grâce à un petit poisson incapable de remuer la queue.

Une nouvelle recherche de l’Université de l’Oregon décrit comment les cellules nerveuses et musculaires communiquent via des signaux électriques au cours du développement – ​​un phénomène connu sous le nom de bioélectricité.

La communication, qui s’effectue via des canaux spécialisés entre les cellules, est essentielle au bon développement et au bon comportement. L’étude identifie des gènes spécifiques qui contrôlent le processus et détermine ce qui se passe en cas de problème.

Cette découverte offre des indices sur les origines génétiques des troubles musculaires chez l’homme et aborde des questions de longue date en biologie du développement.

“C’est une question à laquelle beaucoup d’entre nous se demandent depuis de très nombreuses années, et maintenant nous l’avons compris.” a déclaré Judith Eisen, neuroscientifique à l’UO qui, dans les années 1980, a repéré un modèle de communication entre les cellules musculaires du poisson zèbre qu’elle ne pouvait pas expliquer.

Eisen et ses collègues rapportent leurs conclusions dans un article publié le 26 juin dans Biologie actuelle.

Le travail relie trois générations de neuroscientifiques de l’UO et donne une leçon à tous les chercheurs : conservez ces cahiers de laboratoire. Eisen a déterré ses cahiers à couverture rigide originaux lorsqu’elle a emménagé dans un laboratoire temporaire pour la rénovation d’un bâtiment il y a quelques années. Les croquis et les notes sténographiques qu’elle a enregistrés à l’encre il y a des années sont toujours d’actualité.

Un mystère musclé

En 1983, Eisen était chercheuse postdoctorale au laboratoire de Monte Westerfield, commençant tout juste sa carrière à l’UO. Elle faisait partie d’un petit groupe de scientifiques travaillant à faire du poisson zèbre un nouvel organisme modèle, dans l’espoir d’utiliser ces petits poissons chatoyants pour sonder des questions sur le développement des animaux vertébrés.

Des organismes modèles comme les souris, les mouches des fruits et les vers permettent aux scientifiques de réaliser des expériences impossibles chez l’homme, répondant ainsi à des questions biologiques fondamentales et fournissant des conseils pour des tests plus ciblés chez l’homme.

Le poisson zèbre était un ajout prometteur à la scène. Le poisson zèbre et les humains partagent de nombreux gènes, ce qui rend le poisson utile pour tester les fondements génétiques des maladies et affections humaines. Et comme les embryons de poisson zèbre sont transparents, les scientifiques peuvent observer leur développement en temps réel au microscope.

Mais à l’époque, tout était nouveau dans ce système. Les biologistes ont dû trouver comment prendre soin des poissons en laboratoire et les utiliser efficacement dans des expériences.

Un jour, Eisen et Westerfield utilisaient un colorant jaune pour mettre en évidence les cellules nerveuses individuelles du poisson zèbre, afin de les observer au microscope. Les cellules qu’ils voulaient atteindre ne pouvaient être accessibles qu’en insérant une pipette remplie de colorant brillant dans les muscles. Ainsi, certains colorants ont également fini par se mélanger aux cellules musculaires.

Eisen et Westerfield ont été intrigués par la façon dont le colorant se propageait à travers les cellules musculaires. Il s’est propagé de cellule à cellule d’une manière qui suggérait que les cellules partageaient des messages directement, via un canal de connexion physique entre elles, plutôt que via des messagers chimiques à plus longue portée.

Cela ne correspondait pas à la compréhension de la manière dont les cellules musculaires adultes communiquent entre elles. Mais on commençait à prendre conscience dans ce domaine que les connexions entre les cellules musculaires pouvaient être importantes au cours du développement musculaire.

Eisen a dessiné ce qu’elle a vu dans son carnet de laboratoire, tout comme Westerfield. Mais il n’y avait pas de bonne façon d’approfondir le sujet, a déclaré Eisen. Si les scientifiques de l’époque savaient que ces types de canaux de communication existaient, ils ne connaissaient pas les gènes qui les créaient, ni les outils pour savoir ce qu’ils faisaient. C’était donc une impasse.

Eisen est passée à d’autres questions, apportant des contributions majeures au domaine de la biologie du développement au cours de sa carrière. En avril 2024, elle a été intronisée à l’Académie nationale des sciences, l’une des distinctions les plus prestigieuses pour un scientifique.

Au cours des 40 dernières années, Eisen et ses collègues de l’UO, aux côtés de scientifiques du monde entier, ont continué à développer le poisson zèbre comme organisme modèle. Les progrès des technologies génétiques ont fait de ce petit poisson un allié encore plus puissant pour comprendre la biologie.

Un poisson qui ne savait pas nager

Il y a quelques années, l’observation d’Eisen a refait surface dans le laboratoire d’un autre neuroscientifique de l’UO, Adam Miller.

Miller a été recruté à l’Université de l’Oregon par Eisen et ses collègues pour créer un groupe de recherche axé sur la communication électrique entre les cellules. Son laboratoire étudie la manière dont les circuits neuronaux établissent des connexions et créent des comportements. Un domaine d’intérêt concerne les jonctions lacunaires, des canaux physiques qui permettent aux signaux électriques de se déplacer directement entre les cellules. Ces voies de communication sont particulièrement importantes au cours du développement précoce, alors que les nombreux systèmes du corps se mettent en place et s’organisent.

Le poisson zèbre est l’espèce idéale pour étudier la communication électrique. Grâce à leurs embryons transparents, “nous pouvons imager l’électricité circulant à travers les cellules en temps réel”, a déclaré Rachel Lukowicz-Bedford, postdoctorante au laboratoire de Miller.

En recherchant le poisson zèbre présentant différentes mutations de jonctions lacunaires, Lukowicz-Bedford a fait une découverte intrigante : un poisson zèbre qui ne pouvait pas bouger correctement sa queue. Habituellement, un embryon de poisson zèbre se retourne et agite spontanément sa queue, mais ces poissons ne l’ont pas fait.

En effectuant des expériences pour comprendre pourquoi, l’équipe a réalisé que ce poisson pourrait être un lien possible avec les observations d’Eisen dans les cellules musculaires dans les années 1980.

Chez le poisson zèbre en bonne santé, les chercheurs peuvent observer les signaux électriques se propager à travers les jonctions lacunaires entre les cellules musculaires, comme un panache de colorant alimentaire se diffusant dans une tasse d’eau. Chez les poissons porteurs de cette mutation, les signaux ne circulent pas. La mutation nuisait à la communication électrique entre les cellules via les jonctions lacunaires.

Et cette rupture de communication a conduit à un développement musculaire inapproprié, a montré l’équipe. Chez un poisson zèbre ordinaire en bonne santé, les fibres musculaires sont droites et ordonnées. Chez ce poisson zèbre porteur de cette mutation, les fibres musculaires sont froissées et ondulées, comme des banderoles en papier crépon.

Les chercheurs ont attribué ce changement à une mutation d’un gène spécifique. Grâce à une série d’expériences, ils ont montré que ce gène, lorsqu’il fonctionne normalement, constitue les canaux de jonction lacunaire entre les cellules musculaires qui permettent au système nerveux de coordonner l’activité des muscles en développement précoce. Et sans signalisation électrique appropriée au bon moment du développement, les fibres musculaires ne peuvent pas s’organiser correctement, provoquant des fibres musculaires froissées et de graves défauts musculaires.

“Nous avons compris que ce canal de jonction lacunaire est un conduit : il permet à l’électricité des cellules nerveuses d’être envoyée vers les fibres musculaires”, a déclaré Lukowicz-Bedford.

Cette découverte répond à la question vieille de plusieurs décennies d’Eisen, esquissée dans un cahier de laboratoire qu’elle possède toujours : le colorant jaune se déplaçait entre les cellules musculaires à cause de ces canaux de communication spécifiques.

Mais plus qu’une curiosité, ces résultats peuvent aider les scientifiques à mieux comprendre le développement musculaire chez l’homme. Dans les troubles dans lesquels les muscles ne se développent pas correctement, des canaux de jonction lacunaires défectueux pourraient en être une des causes, un lien jusqu’alors inconnu.

“Le gène que nous avons étudié dans cet article n’est pas un gène étrange du poisson zèbre ; on le trouve également chez les humains”, a déclaré Lukowicz-Bedford. “En utilisant le poisson zèbre, nous pouvons rechercher ce gène dont la fonction est fondamentalement inconnue chez l’homme et comprendre ce qu’il fait dans son contexte. Nous avons pu découvrir la fonction d’un gène qui était vraiment insaisissable.”

La recherche montre également que la signalisation électrique entre différents systèmes est essentielle au développement. Une communication similaire est probablement également en jeu dans le développement d’autres systèmes corporels, suggèrent les chercheurs – elle n’est probablement pas spécifique aux seuls muscles.

“Le transfert de bioélectricité d’un système organique à un autre est essentiel au développement et au fonctionnement de l’adulte”, a déclaré Miller. “Trouver les gènes qui permettent que cela se produise, comprendre comment ils fonctionnent et exactement ce qui ne va pas lorsque la communication est perturbée fournira de nouvelles informations sur la maladie humaine.”