La transmission changeante des stimuli physiques joue un rôle clé dans la différenciation cellulaire.
Des chercheurs de l’Université métropolitaine de Tokyo ont découvert comment la spongiosité et le caractère collant des noyaux de cellules souches contrôlent la manière dont ils se « différencient » en cellules spécialisées. Ils ont découvert que le noyau commence comme un solide mais devient plus fluide avec le temps. Moins de force est transmise à ses parties internes, laissant les cellules s’engager dans une certaine voie de différenciation. La façon dont les cellules souches choisissent et s’en tiennent aux voies de différenciation continue d’être une question cruciale pour la science médicale.
Mouvement d’une minuscule bille inerte à l’intérieur du noyau cellulaire à différentes étapes du processus de différenciation. Il est clair que le bourrelet est plus mobile au bout de quelques jours. Crédit : Université métropolitaine de Tokyo
Une grande partie de notre compréhension des matériaux biologiques et des systèmes vivants est biochimique, un patchwork complexe de voies reliant une vaste gamme de produits chimiques complexes. Cependant, le domaine rapidement émergent de la mécanobiologie adopte une approche différente, en examinant comment les matériaux vivants réagissent à physique stimuli, comme la douceur de l’intérieur et de l’extérieur d’une cellule. Les mélanges complexes tels que l’intérieur d’une cellule ont à la fois un caractère spongieux et solide (élasticité) et un caractère collant et liquide (viscosité), se résumant à une description plus complète de la façon dont les matériaux réagissent aux forces. C’est ce qu’on appelle la viscoélasticité.
Les modules de stockage et de perte changent au fur et à mesure que la cellule se différencie. La signification statistique des différences est indiquée dans le tableau (plus d’étoiles signifie une plus grande probabilité qu’il y ait eu un changement). Crédit : Université métropolitaine de Tokyo
La même chose s’applique non seulement aux cellules, mais aux choses dont elles sont faites. Une équipe dirigée par le professeur agrégé Hiromi Miyoshi de l’Université métropolitaine de Tokyo s’est penchée sur les noyaux des cellules souches mésenchymateuses humaines, un type de cellule qui peut mûrir (ou « se différencier ») en un large éventail de types de cellules, notamment les muscles, les graisses, os et cartilage. Ils ont introduit de minuscules billes inertes dans les noyaux où on les a vus se tortiller sous l’action de l’énergie thermique dans l’environnement. L’équipe a étudié ce mouvement et mesuré la viscoélasticité de l’intérieur des noyaux, une méthode connue sous le nom de micro-rhéologie. La technique donne deux grandeurs, les modules de stockage et de perte, qui correspondent à l’élasticité et à la viscosité des matériaux. Ils ont concentré leur attention sur les noyaux qui se sont différenciés en ostéoblastes (cellules osseuses). C’était la première fois que la viscoélasticité des noyaux était suivie tout au long du processus de différenciation dans les cellules souches humaines.
Au fur et à mesure que les cellules devenaient plus différenciées et spécialisées, l’équipe a découvert que les noyaux devenaient moins solides et plus liquides. Lorsqu’une boule de matière solide est fourrée, la force est transmise directement à son noyau. Ce n’est pas le cas lorsqu’il est plus visqueux qu’élastique. Au fur et à mesure qu’il devient plus fluide, le noyau devient moins sensible aux forces extérieures au fur et à mesure qu’il se différencie, s’engageant de plus en plus dans la voie de différenciation qu’il a choisie, un équilibre entre ce que l’on appelle la plasticité (réactivité au changement) et l’homéostasie (résistance au monnaie). En regardant la distribution de ADN dans le noyau, ils ont découvert qu’une grande partie du changement dans la nature viscoélastique des noyaux est liée à l’agrégation de la chromatine, des structures à plusieurs composants constituées d’ADN et de protéines.
Pendant longtemps, on a cru que l’agrégation de la chromatine avait tout à voir avec la suppression de certains gènes. L’ADN dans la chromatine est le livret d’instructions pour la synthèse des protéines ; la condensation de la chromatine, c’est comme coller des pages ensemble pour les rendre illisibles. Maintenant, les découvertes de l’équipe montrent qu’il sert également un objectif complètement différent, en ajustant soigneusement la réactivité du noyau aux forces externes, en particulier en s’assurant qu’il peut s’engager dans une certaine voie de différenciation. Leurs découvertes sont une étape importante dans la compréhension du fonctionnement complexe d’un système fascinant qui sous-tend le développement d’une grande partie du corps humain.
Référence : « Intranuclear mesoscale viscoelastic changes during osteoblastic differenciation of human mesenchymal stem cells » par Kojiro Matsushita, Chiharu Nakahara, Shun Kimura, Naoya Sakamoto, Satoshi Ii et Hiromi Miyoshi, 25 novembre 2021, Le Journal de la FASEB.
DOI : 10.1096/fj.202100536RR
Ce travail a été soutenu par JSPS KAKENHI Grant Number JP18H03521, AMED PRIME (18gm5810012h9904), Tokyo Metropolitan Government Advanced Research Grant Number R2-2, et une Grant-in-Aid for Research de la Faculty of Systems Design, Tokyo Metropolitan University.
