Après la fécondation, un embryon humain s’implante dans l’utérus (jour 6-12) et la gastrulation commence peu de temps après, la séquence primitive apparaissant vers le jour 14. La gastrulation attribue le destin cellulaire et les coordonnées spatiales aux cellules épiblastiques, posant les bases de l’humain corps. Crédit : Dr Guojun Sheng ; Crédit pour le croquis « Fœtus dans l’utérus » de Léonard de Vinci : Royal Collection Trust / © Sa Majesté la reine Elizabeth II 2021
Dans leur publication en Science, le professeur Guojun Sheng (Université de Kumamoto, Japon), le professeur Alfonso Martinez Arias (Universidad Pompeu Fabra, Espagne) et le professeur Ann Sutherland (University of Virginia Health System, USA) offrent un aperçu phylogénétique et ontogénétique de la séquence primitive et de son rôle dans la médiation gastrulation des amniotes (animaux vertébrés qui se développent sur terre) et discuter des implications des modèles à base de cellules souches embryonnaires de l’embryogenèse précoce des mammifères sur la fonction de cette structure.
La plupart des animaux sont à symétrie bilatérale et sont organisés à l’aide de deux systèmes de coordonnées de base. Le premier donne aux cellules des identités spatiales le long des axes antéropostérieur (tête-à-queue) et dorsoventral (arrière-avant). La seconde organise les cellules en groupes (c’est-à-dire en couches germinales).
Chez la plupart des animaux, y compris l’homme, il existe trois couches germinales : l’ectoderme (source de la peau, du système nerveux, des yeux, etc.), le mésoderme (source des muscles, des os, des vaisseaux, etc.) et l’endoderme (source des intestins, des poumons, du foie, du pancréas, etc.)
L’une des périodes de développement les plus critiques se produit lorsqu’un petit nombre de cellules pluripotentes et en division initient le processus de différenciation dans ces deux systèmes de coordonnées. Dans le développement humain, cela se produit environ deux semaines après la fécondation par un processus appelé gastrulation et est associé à une structure embryonnaire appelée strie primitive, une structure au début du développement qui initie la symétrie bilatérale et la formation de la couche germinale.
Comme un rocher dévalant le flanc d’une montagne, une cellule gastrulante s’embarque dans un journal de non-retour, aboutissant à sa différenciation terminale en l’une des centaines de lignées cellulaires qui composent les tissus et organes humains.
Grâce aux percées techniques dans le rajeunissement des cellules différenciées dans un état naïf initiées par des scientifiques comme John Gurdon et Shinya Yamanaka (lauréats du prix Nobel 2012), les chercheurs du monde entier sont désormais capables de cultiver des cellules humaines (et d’autres mammifères) pluripotentes pré-gastrulation en laboratoire , et grâce à l’ajout progressif d’indices biochimiques, guident ces cellules pour qu’elles se différencient en l’une des centaines de lignées cellulaires. Cependant, la culture de ces cellules en tissus ou organes fonctionnels a rarement été couronnée de succès.
L’une des raisons de cet échec est que l’organogenèse (le processus de formation des organes) in vivo commence immédiatement après la gastrulation lorsque des cellules d’origines de couches germinales différentes et d’identités de coordonnées spatiales coopèrent pour fabriquer des organes rudimentaires. Grâce à des interactions réciproques ultérieures, ces cellules subissent une prolifération spécifique à un organe et à une espèce, une organisation tridimensionnelle et une différenciation terminale avant d’atteindre la maturité fonctionnelle. Reproduire (récapituler) de tels rudiments d’organes in vitro est donc devenu le Saint Graal de la recherche en biologie des cellules souches et en médecine régénérative.
Pour y parvenir, il faudrait récapituler la gastrulation et sa séquence primitive associée. Cependant, ni la gastrulation ni la séquence primitive n’ont été rigoureusement analysées dans le développement humain, et les vues comparatives de la gastrulation animale et de la séquence primitive dans la littérature sont souvent mal décrites.
Maintenant, grâce à une revue systématique de recherches antérieures, le professeur Sheng et ses collègues fournissent la preuve que la séquence primitive n’est pas une caractéristique conservée dans le développement des amniotes, et que les séquences primitives des mammifères et des oiseaux ont évolué indépendamment, en utilisant différents mécanismes supracellulaires qui conduisent à leur émergence morphologique.
Les chercheurs soulignent qu’en plus de favoriser l’émergence des couches germinales de l’épiblaste (cellules pluripotentes), le rôle principal de la gastrulation est de conférer aux cellules nouvellement formées dans chaque couche germinale un système de coordonnées pour organiser les destins cellulaires primaires et les primordiums des organes. et les tissus qui sont relatifs les uns aux autres dans l’espace.
Leurs analyses de différents paramètres biomécaniques entre plusieurs modèles in vivo et in vitro prédisent qu’un plan corporel rudimentaire de mammifère peut se former en l’absence d’une séquence primitive. Ils suggèrent également que la « règle des 14 jours » (où un embryon humain ne peut pas être cultivé 14 jours après la fécondation ou après l’apparition de la séquence primitive), qui est actuellement utilisée dans de nombreux pays comme la clé de contrôle éthique dans la recherche en embryologie humaine, doit être réévalué et un jalon alternatif doit être sélectionné à travers une discussion consensuelle entre les différentes parties prenantes pour garantir la rigueur scientifique et éthique.
Référence : « La séquence primitive et les principes cellulaires de la construction d’un corps amniote par gastrulation » par Guojun Sheng, Alfonso Martinez Arias et Ann Sutherland, 3 décembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abg1727
