Des scientifiques de l’EMBL Barcelone ont récapitulé pour la première fois en laboratoire la manière dont les structures cellulaires qui donnent naissance à notre colonne vertébrale se forment de manière séquentielle.
Chez tous les vertébrés, la colonne vertébrale est l’élément de soutien fondamental du squelette. Elle sert non seulement d’emplacement pour la fixation des muscles, mais elle protège également la moelle épinière et les racines nerveuses. On sait que des troubles héréditaires rares sont causés par des défauts dans son développement. Des chercheurs du groupe Ebisuya du Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) de Barcelone ont maintenant créé un modèle 3D de la colonne vertébrale. in vitro qui imite la formation des structures précurseurs de la colonne vertébrale au cours du développement embryonnaire humain.
La colonne vertébrale est composée de 33 vertèbres, qui se forment à partir de paires de structures précurseurs appelées somites. Les somites donnent naissance non seulement à nos vertèbres, mais aussi à nos côtes et à nos muscles squelettiques. Pour garantir la formation correcte de ces structures, le développement des somites est strictement réglementé, et chaque paire de somites apparaît à un moment précis du développement. L’horloge de segmentation, un ensemble de gènes qui génère des ondes oscillatoires, contrôle ce processus, chaque onde donnant naissance à une nouvelle paire de somites.
Une paire de somites. Le bleu est un marqueur nucléaire (DAPI) et le rouge est un marqueur apical (ZO-1). Crédit : Groupe Ebisuya/EMBL
“Pour la première fois, nous avons pu créer des paires périodiques de somites matures humains liées à l’horloge de segmentation en laboratoire”, a déclaré Marina Sanaki-Matsumiya, premier auteur de l’étude publiée dans la revue. Nature Communications aujourd’hui (28 avril 2022.) Grâce à cette approche, les chercheurs ont développé un système de classification 3D des somites. in vitro modèle de formation des somites humains, également appelé “somitogenèse”.
Création d’un processus de somitogenèse robuste
L’équipe a cultivé des cellules souches pluripotentes humaines induites (hiPSC) en présence d’un cocktail de molécules de signalisation qui induisent la différenciation cellulaire. Trois jours plus tard, les cellules ont commencé à s’allonger et à créer des axes antérieur (en haut) et postérieur (en bas). À ce moment-là, les scientifiques ont ajouté du Matrigel au mélange de culture. Le matrigel est ce que certains scientifiques appellent la poudre magique : un mélange de protéines qui est essentiel à de nombreux processus de développement. Ce processus a finalement conduit à la formation des somitoïdes -. in vitro équivalents des structures précurseurs des somites humains.
Vidéo time-lapse de la formation répétitive de somites. Crédit : Groupe Ebisuya/EMBL
Pour vérifier si l’horloge de segmentation régule la somitogenèse dans ces somitoïdes, les chercheurs ont surveillé les profils d’expression des éléments suivants HES7le gène central impliqué dans le processus. Ils ont trouvé des preuves évidentes d’oscillations, en particulier lorsque la somitogenèse était sur le point de commencer. Les somites qui se sont formés présentaient également des marqueurs clairs d’épithélisation – une étape importante de leur maturation.
La taille des somites est importante
Le groupe Ebisuya étudie comment et pourquoi les humains sont différents des autres espèces en ce qui concerne le développement embryonnaire. L’un des systèmes modèles qu’il utilise pour comprendre les différences entre espèces est l’horloge de segmentation. En 2020, le groupe a découvert que la période d’oscillation de l’horloge de segmentation humaine est plus longue que celle de l’horloge de segmentation de la souris.
L’étude actuelle montre également un lien entre la taille des somites et l’horloge de segmentation. “Les somites générés avaient une taille constante, indépendamment du nombre de cellules utilisées pour le somitoïde initial. La taille des somites n’augmentait pas, même si le nombre de cellules initiales augmentait”, explique Sanaki-Matsumiya. “Cela suggère que les somites ont une taille préférée spécifique à l’espèce, qui pourrait être déterminée par les interactions locales entre les cellules, l’horloge de segmentation ou d’autres mécanismes.”
Pour approfondir cette étude, Miki Ebisuya et son groupe prévoient maintenant de cultiver des somitoïdes de différentes espèces et de les comparer. Les chercheurs travaillent déjà sur plusieurs espèces de mammifères, dont des lapins, des bovins et des rhinocéros, créant ainsi un “zoo de cellules souches” dans le laboratoire.
“Notre prochain projet se concentrera sur la création de somitoïdes de différentes espèces, la mesure de leur prolifération cellulaire et la vitesse de migration des cellules pour établir ce qui et comment la somitogenèse est différente entre les espèces”, a déclaré Ebisuya.
Référence : “Formation périodique de somites épithéliaux à partir de cellules souches pluripotentes humaines” 28 avril 2022, Nature Communications.
DOI :10.1038/s41467-022-29967-1
