Une nano-machine cellulaire pour rendre un processus morphogénétique irréversible
Publié par Isabelle le 01/09/2019 à 14:00
Source: CNRS INSB
Il existe un paradoxe apparent en biologie, à savoir que l'élasticité intrinsèque des tissus devrait s'opposer aux forces mécaniques induisant la morphogenèse progressive des organes. Aussi, une déformation permanente ne peut s'observer que s'il existe un mécanisme qui bloque les formes cellulaires dans les états transitoires. Les chercheurs ont pu identifier un tel mécanisme dont ils ont disséqué la micromécanique cellulaire. Ce travail est publié dans la revue Nature.


Figure: Gauche: L'embryon de C. elegans avec ses filaments d'actine dans l'épiderme en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé...). En haut, embryon sauvage qui s'allonge normalement. L'actine est organisée en câbles parallèles. En bas, embryon avec perte de fonction pour deux protéines régulant les propriétés mécaniques des cellules, qui s'allonge puis revient à sa taille initiale (rétraction). Les câbles d'actine sont désorganisés, moins parallèles. Droite: Schéma symbolisant comment l'allongement est stabilisé au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) par un mécanisme à cliquet. En haut: Grâce à une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) dentée, la remontée du seau se fait étape par étape et est verrouillée par un cliquet. Si le bonhomme lâche la barre, le seau reste suspendu. En bas: La remontée du seau n'est plus verrouillée parce que la roue n'est plus adaptée pour bloquer le cliquet. Si le bonhomme lâche la barre, le seau retombe au fond du puits.
© A. Lardennois & M. Labouesse.

Cinq sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...), dont deux reposant sur des stimuli mécaniques (toucher et ouïe), régissent nos interactions avec l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les...). De même, nos cellules sont toutes régulièrement soumises à des forces mécaniques externes d'origines variées qui peuvent en modifier la forme, la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce...), la migration, ou leurs fonctions physiologiques. Plusieurs maladies ainsi que certaines formes de cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de telle manière...), sont avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) dues à une mauvaise réponse au stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes environnementales. Dans le langage...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...). Mieux comprendre comment nos cellules sentent et répondent à ces stimuli mécaniques est donc essentiel.

Afin d'étudier comment les forces mécaniques influencent le comportement des cellules, les chercheurs ont étudié l'élongation embryonnaire du ver (Les vers constituent un groupe très hétérogène d'animaux invertébrés qui partagent une caractéristique commune,...) Caenorhabditis elegans (C. elegans), facile à étudier in vivo en laboratoire. Au cours de la deuxième partie de son élongation embryonnaire, l'embryon de C. elegans s'étire pour devenir deux fois plus long dans l'axe tête-queue dans un processus impliquant l'apport mécanique extrinsèque de contractions musculaires qui déforment l'épithélium externe (épiderme). Ce processus dure un peu plus d'une heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) et a lieu sans division cellulaire. Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...) les chercheurs ont cherché à comprendre comment les contractions répétées des muscles selon ce même axe tête-queue pouvaient bien favoriser l'allongement progressif de tout l'embryon. En première approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une...), l'idée que des déformations répétées de l'épiderme puissent doubler la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) de l'embryon semblait contradictoire avec le fait qu'un muscle (Les muscles sont une forme contractile des tissus des animaux. Ils forment l'un des quatre types majeurs de tissus, les autres étant le tissu épithélial, le tissu...) reprend sa forme originelle après une contraction en raison de l'élasticité du système. Leur prédiction a été qu'il pourrait exister un mécanisme permettant de bloquer transitoirement la forme de l'embryon après chaque contraction musculaire.

Pour valider cette prédiction, ils ont développé une démarche expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et...) interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) alliant génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.), biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) cellulaire et physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...). Ils ont également rationalisé le lien entre déformation et l'élongation de la forme de l'embryon par une modélisation mathématique.

Ce travail a permis d'identifier la nature moléculaire de la machinerie de blocage de la forme. Partant d'une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de...) connue pour réguler certaines propriétés mécaniques des cellules (une protéine kinase), les chercheurs ont pu identifier un nouveau partenaire (une protéine du cytosquelette membranaire, l'alpha-spectrine), et montrer que l'absence conjointe de ces deux facteurs conduit l'embryon à s'allonger puis à revenir à sa taille initiale (rétraction). Grâce à des approches génétiques et à l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main,...) à haute résolutionin vivo, ils ont établi que ces deux protéines orchestrent la réorganisation du cytosquelette d'actine (réseau intracellulaire conférant rigidité et élasticité à la cellule) de l'épiderme à l'aide de protéines capables de couper puis de coiffer les filaments d'actine. Leurs données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) suggèrent fortement que ces protéines contrôlant la réorganisation du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) d'actine permettent de bloquer la forme des cellules selon un processus apparenté à un mécanisme à cliquet (voir figure) et soulignent l'importance de la (visco)-plasticité physique dans la modification de la forme des cellules. L'idée que la plasticité pourrait être importante en biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.) cellulaire est apparue récemment, mais sa base moléculaire n'avait pas encore été caractérisée.

Ces découvertes ont des implications potentielles pour toutes les configurations anatomiques où des cellules contractiles sont en contact avec un épithélium, ce qui est le cas de la plupart de nos organes. Ainsi les contractions des cellules contractiles pourraient, par un processus comparable à celui décrit dans cette étude, influer sur la morphogenèse de l'organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction physiologique. Certains organes assurent simultanément plusieurs fonctions, mais dans ce cas, une fonction est...), ou les processus de cicatrisation après blessure (Une blessure est une lésion, physique ou psychique, faite involontairement ou dans l'intention de nuire.). De même, dans la mesure où il est fort probable que des tumeurs apparaissent à côté des cellules qui se contractent, les propriétés des cellules tumorales pourraient s'en trouver modifiées ce qui pourrait augmenter leur invasivité. Ainsi, d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) mécanique, la caractérisation plus poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de...) du nanosystème décrit dans ce travail pourrait aider à mieux comprendre la morphogenèse et la tumorigenèse des organes des vertébrés (Les vertébrés forment un sous-embranchement du règne animal. Ce taxon, qui dans sa version moderne exclut les myxines, est considéré comme...).

En savoir plus:
An actin-based viscoplastic lock ensures progressive body-axis elongation.
Lardennois A, Pásti G, Ferraro T, Llense F, Mahou P, Pontabry J, Rodriguez D, Kim S, Ono (Ono est une localité du sud-est de la Côte d'Ivoire et appartenant au département de Grand-Bassam, Région du Sud-Comoé. La localité de Ono est un chef-lieu de commune.) S, Beaurepaire E, Gally C, Labouesse M.
Nature. 2019 Aug 28. doi: 10.1038/s41586-019-1509-4. [Epub ahead of print]

Contact chercheur:
Michel Labouesse
Chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au Laboratoire de biologie du développement - IBPS (CNRS / Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) / Inserm)
michel.labouesse at sorbonne-universite.fr
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