Comment se forment les vertébrés ?

Un mécanisme physique simple, assimilable à un jeu de "pliages", permet de passer en une seule étape d'une masse de cellules informe à un embryon organisé selon le plan d'ensemble des vertébrés. Telle est la principale conclusion des travaux d'une équipe rassemblant des physiciens du Laboratoire matière et systèmes complexes (CNRS/Université Paris Diderot) et un biologiste du Laboratoire de biologie du développement (CNRS/UPMC). Grâce à des observations microscopiques et à des expériences de micromécanique, ils ont découvert que le patron guidant ces repliements est présent dès les premières étapes du développement. C'est le long de discontinuités entre domaines de cellules aux propriétés différentes que se formeront les plis donnant sa forme à l'animal. Ces travaux permettent de mieux comprendre le mécanisme de formation des vertébrés, et donc la façon dont ils sont apparus lors de l'évolution. Ils sont publiés sur le site de la revue European Physical Journal E, le 12 février 2015.


Comment l'évolution a-t-elle fabriqué une structure aussi complexe qu'un vertébré, organisé selon un axe antéro-postérieur, marqué dorsalement par le système nerveux, par le tube digestif du côté ventral, et présentant une symétrie droite-gauche presque parfaite ? Et comment, lors du développement embryonnaire, passe-t-on d'une masse de cellules ronde à un embryon organisé ? En travaillant sur des embryons de poulet, une équipe rassemblant physiciens et biologiste est parvenue à expliquer cette transition par un mécanisme physique assez simple.

Les chercheurs ont travaillé sur l'embryon de poulet car il est, à ce stade du développement, le modèle le plus proche de l'embryon humain. De plus, sa structure plane (un disque) facilite l'observation et la modélisation des mouvements de cellules. Cet embryon est formé de quatre anneaux concentriques. Au microscope, chaque anneau apparaît comme un ensemble de cellules de taille homogène, la taille de ces cellules augmentant du centre vers les anneaux périphériques, avec une variation "en marches d'escalier" d'un anneau à l'autre (1). Non seulement ces domaines cellulaires formeront des tissus différents (nerveux, musculaire, digestif...) mais, comme l'ont découvert les scientifiques en filmant le développement de l'embryon, c'est aussi à la frontière entre deux anneaux successifs que l'embryon se plie systématiquement, dès le 2e jour de son développement. De ces plis résulte une forme en trois dimensions, typique des vertébrés.

En mesurant la rigidité des tissus, les chercheurs ont ensuite confirmé que ces frontières entre domaines cellulaires constituent de véritables discontinuités. La rigidité est d'autant plus importante que les cellules sont petites, vers le centre de l'embryon. Ainsi, dès qu'une force adéquate est appliquée, les régions périphériques plus molles (les flancs) s'enroulent "naturellement" autour de la région centrale, plus dure (le futur système nerveux central). La force en question est générée par la migration de certaines cellules, qui allonge l'embryon.

Ainsi, ces travaux proposent une explication pour coupler la différenciation des cellules et la morphogénèse (l'acquisition par l'embryon de sa forme), de sorte qu'un animal bien formé, ayant des territoires aux fonctions différentes et physiquement séparés, émerge "naturellement". La compréhension de ce processus comble un vide conceptuel entre une masse informe de cellules et un "archétype d'animal", et aide à mieux comprendre comment les vertébrés ont émergé au cours de l'évolution.

Note:
(1) la taille des cellules varie brutalement d'un anneau à l'autre, passant de 5 à 10 puis 15 et 20 micromètres de diamètre.