Image de microscopie confocale d’une tête de poisson zèbre adulte avec les cellules dérivées de la crête neurale en rouge. Le laboratoire Crump a utilisé le séquençage unicellulaire pour comprendre comment ces cellules construisent et réparent le squelette de la tête, ce qui a des implications pour la compréhension des défauts de naissance craniofaciaux chez l’homme et l’amélioration de la réparation des tissus squelettiques. Crédit : Image de Hun-Jhen Chen/Crump Lab
Les cellules de la crête neurale crânienne, ou CNCC, contribuent à bien plus de parties du corps que leur humble nom ne le suggère. Ces remarquables cellules souches forment non seulement la majeure partie du crâne et du squelette facial chez tous les vertébrés, des poissons aux humains, mais elles peuvent également générer tout ce qui va des branchies à la cornée. Pour comprendre cette polyvalence, les scientifiques du laboratoire de Gage Crump ont créé une série d’atlas au fil du temps pour comprendre les décisions moléculaires par lesquelles les CNCC s’engagent à former des tissus spécifiques chez le poisson zèbre en développement. Leurs conclusions, publiées dans Nature Communicationspeuvent fournir de nouvelles informations sur le développement normal de la tête, ainsi que sur les anomalies crânio-faciales.
“Les CNCC fascinent depuis longtemps les biologistes par l’incroyable diversité des types de cellules qu’ils peuvent générer. En étudiant ce processus chez le poisson zèbre, génétiquement traçable, nous avons identifié un grand nombre de commutateurs potentiels qui permettent aux CNCC de former ces types de cellules très différents”, a déclaré Gage Crump, professeur de biologie des cellules souches et de médecine régénérative à la Keck School of Medicine de l’Université de Toronto. USC.
Dirigée par le post-doc Peter Fabian et les doctorants Kuo-Chang Tseng, Mathi Thiruppathy et Claire Arata, l’équipe de scientifiques a marqué de façon permanente les CNCC avec une protéine fluorescente rouge afin de garder la trace des types de cellules issus des CNCC tout au long de la vie du poisson zèbre. Ils ont ensuite utilisé un type d’approche puissant, connu sous le nom de “génomique unicellulaire”, pour identifier l’ensemble complet des gènes actifs et l’organisation de l’ensemble des cellules. ADN à travers des centaines de milliers de CNCC individuels. La quantité massive de données générées a nécessité que les scientifiques développent un nouvel outil informatique pour leur donner un sens.
Nous avons créé un type d’analyse informatique que nous avons appelé “Constellations”, car le résultat visuel final de la technique rappelle les constellations d’étoiles dans le ciel”, a déclaré Fabian. “Contrairement à l’astrologie, notre algorithme Constellations peut réellement prédire l’avenir des cellules et révéler les gènes clés qui contrôlent probablement leur développement.”
Grâce à cette nouvelle approche bioinformatique, l’équipe a découvert que les CNCC ne partent pas avec toutes les informations nécessaires pour fabriquer l’immense diversité de types de cellules. Au contraire, ce n’est qu’après s’être dispersés dans l’embryon que les CNCC commencent à réorganiser leur matériel génétique pour se préparer à devenir des tissus spécifiques. Constellations a identifié avec précision les signes génétiques qui indiquent ces destins spécifiques pour les CNCC. Des expériences réelles ont confirmé que Constellations a correctement identifié le rôle d’une famille de gènes “FOX” dans la formation du cartilage facial, ainsi qu’une fonction précédemment non appréciée des gènes “GATA” dans la formation des types de cellules respiratoires branchiales qui permettent aux poissons de respirer.
“En menant l’une des études unicellulaires les plus complètes à ce jour sur une population de cellules de vertébrés, nous avons non seulement obtenu des informations importantes sur le développement de la tête des vertébrés, mais aussi créé un outil de calcul très utile pour étudier le développement et la régénération des systèmes d’organes dans tout le corps”, a déclaré Crump.
Référence : “Lifelong single-cell profiling of cranial neural crest diversification in zebrafish” par Peter Fabian, Kuo-Chang Tseng, Mathi Thiruppathy, Claire Arata, Hung-Jhen Chen, Joanna Smeeton, Nellie Nelson et J. Gage Crump, 10 janvier 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-27594-w
Les autres co-auteurs du laboratoire Crump sont Hung-Jhen Chen, étudiant en doctorat, Joanna Smeeton, post-doc, et Nellie Nelson, technicienne de recherche. Joanna Smeeton est maintenant professeur adjoint à l’Université d’Ottawa. Université de Columbiaet Nelson est étudiant en doctorat à l’Université de Californie, Irvine.
La recherche a été financée par les National Institutes of Health (subventions NIDCR R35 DE027550, NIDCR K99 DE029858, NIDCR F31 DE029682-02, NICHD T32 HD060549).
