La chorégraphie du fuseau lors des divisions des cellules souches

Publié par Adrien le 30/04/2021 à 09:00
Source: CNRS INSB
La position correcte du fuseau lors d'une division cellulaire asymétrique, celle des cellules souches, assure le bon destin des cellules filles. Les microtubules astraux, filaments semi-flexibles très dynamiques, contribuent à générer les forces impliquées. Dans cet article publié dans la revue EMBO reports, les scientifiques ont mesuré les comportements individuels de ces filaments, déchiffrant les multiples régulations à l'oeuvre. Pour cela, ils ont combiné expérimentations in vivo sur l'organisme modèle nématode et vision par ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...).

Lors des divisions asymétriques, il est essentiel de positionner le fuseau mitotique correctement, de manière décalée par rapport au centre de la cellule. Le fuseau joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) le premier rôle durant la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par...) cellulaire. Il permet la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) des chromosomes grâce aux microtubules connectant les centrosomes situés aux pôles du fuseau et les chromosomes situés au milieu. De plus, sa position finale dicte celle du sillon initiant la cytocinèse, c'est-à-dire le partage du contenu de la cellule et de sa membrane. Dans le cas des cellules à caractère souche, qui sont polarisées, les deux cellules filles n'héritent pas des mêmes contenus et ont donc des destins différents. L'une garde un caractère souche et l'autre se différencie en tissu.

Ce processus est très courant dans le règne animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un...), y compris chez l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...). Cependant, un défaut de positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre...) du fuseau fausse le destin cellulaire et conduit éventuellement à une prolifération anormale jusqu'au développement d'un cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement...).


(A) (Gauche) Les forces de poussée dominent en métaphase et maintiennent le fuseau au centre de la cellule. (Droite) Les forces de traction dominent en anaphase et conduisent au déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) postérieur du fuseau.

(B) Les scientifiques ont démontré un triple contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) des forces de traction qui positionnent le fuseau, grâce à trois mécanismes indépendants: (gauche) la position du fuseau dicte le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de contacts dans la région postérieure, créant une boucle de rétrocontrôle ; (milieu) la polarité régule (Les régules sont des alliages d'étain ou de plomb et d'antimoine.) les forces de traction en modulant le taux d'attachement des dynéines aux microtubules, celui-ci étant plus élevé du côté postérieur ; (droite) la progression mitotique régule les forces à travers le taux de détachement de la dynéine, c'est-à-dire la durée de traction sur le microtubule.

(C) (De gauche à droite) Les scientifiques ont utilisé l'organisme modèle nématode (Caenorhabditis elegans) duquel ils ont extrait les oeufs. Ils ont alors imagé par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...) l'embryon (Un embryon (du grec ancien ἔμϐρυον / émbruon) est...) à une cellule après avoir marqué les microtubules en modifiant un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la...) correspondant pour le rendre fluorescent. Les images sont alors débruitées et les contacts des microtubules détectés par une analyse d'images adaptée. Une étude statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) de ces contacts mesurés permet de cartographier, le long de l'axe de l'embryon et au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), les contacts brefs révélant les forces de traction (carte d'illustration) et les contacts longs révélant les forces de poussée.

© Hélène Bouvrais & Jacques Pécréaux.

Les scientifiques utilisent un organisme modèle classique pour étudier la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) de ce positionnement: l'embryon polarisé à une cellule du nématode Caenorhabditis elegans, un petit ver (Les vers constituent un groupe très hétérogène d'animaux invertébrés...) non pathogène (Le terme pathogène (du grec παθογ?νεια !...) et naturellement présent dans les sols de nos régions. Dans cette cellule, les pronoyaux ainsi que les centrosomes, et ensuite le fuseau, effectuent un ballet complexe. Ils se déplacent depuis l'extrémité postérieure de la cellule vers le centre pour ensuite retourner du côté postérieur. Cette chorégraphie très stéréotypée doit être respectée afin que la cellule fille postérieure garde un caractère souche (elle donnera en particulier la lignée germinale) alors que la cellule antérieure en se divisant conduira à la formation d'une partie des tissus du ver.

Les microtubules astraux (qui émanent des centrosomes pour rejoindre la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus...) de la cellule) sont très dynamiques, alternant élongation et raccourcissement. Ils génèrent des forces positionnant le fuseau, soit en poussant contre la périphérie de la cellule, soit en transmettant des forces de traction générées par le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) moléculaire dynéine situé de manière transitoire à la périphérie cellulaire. Les acteurs de ces forces sont bien connus mais leur coordination reste incomprise.

Ces travaux proposent un triple contrôle des forces de traction, par la polarité, la position du fuseau elle-même et la progression temporelle au cours de la division, ces contrôles agissant indépendamment les uns des autres. La seule asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes...) antéro-postérieure du taux d'attachement de la dynéine au microtubule est suffisante pour provoquer le déplacement postérieur du fuseau, reflétant la polarité. Le contrôle positionnel ne renforce ce déséquilibre qu'en fin de séparation des chromatides soeurs (anaphase). Le contrôle temporel, pour sa part, est fonction de la durée de traction de la dynéine, qui augmente au cours de la division. Enfin, ces mesures suggèrent que les forces de poussée, constantes et symétriques durant la mitose (Du grec mitos qui signifie le filament (référence a l'aspect des chromosomes en...), sont dominantes lorsque les chromosomes sont "à l'équateur" de la cellule (métaphase) et contribuent au maintien du fuseau au centre de la cellule. Au contraire, pendant l'anaphase, les forces de traction dominent et permettent le déplacement postérieur du fuseau.

Ces travaux combinent des approches innovantes d'analyse d'images par ordinateur et l'étude statistique des contacts des microtubules à la périphérie de la cellule, grâce à leur marquage fluorescent. Deux populations de contacts ont été mesurées en conditions physiologiques, révélant pour l'une la distribution des forces de traction, pour l'autre celle des forces de poussée. Ceci a été rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) possible par une approche résolument interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.), depuis une innovation brevetée par le laboratoire dans le pilotage des microscopes jusqu'à la conception de logiciels d'analyse de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) cellulaire basée sur les images.

Ces résultats montrent une robustesse de positionnement du fuseau mitotique qui émerge de réseaux d'acteurs dynamiques (microtubules, moteurs), capables de s'adapter aux forces générées et de sonder la position du fuseau. Ils suggèrent aussi que les divisions symétriques et asymétriques pourraient partager les mêmes mécanismes de positionnement du fuseau, plus ou moins dominants suivant le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...) cellulaire.

Pour en savoir plus:
The coordination of spindle-positioning forces during the asymmetric division of the C. elegans zygote.
Hélène Bouvrais, Laurent Chesneau, Yann Le Cunff, Danielle Fairbrass, Nina Soler, Sylvain Pastezeur, Thierry Pécot, Charles Kervrann, Jacques Pécréaux.
EMBO reports 26 avril 2021. https://doi.org/10.15252/embr.202050770

laboratoire:
Institut de Génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est...) et Développement de Rennes (IGDR) - CNRS/Univ. Rennes 1.
2 avenue (Une avenue est une grande voie urbaine. Elle est en principe plantée d'arbres, et conduit à un...) du Professeur Léon Bernard.
35043 Rennes Cedex.
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