De nouvelles recherches révèlent à quel point le métabolisme d'acide rétinoïque ajusté permet de repousser les membres complexes, ouvrant de nouvelles possibilités de médecine régénérative.
Étude: Une dégradation de l'acide rétinoïque est nécessaire pour l'identité positionnelle proximodistale pendant la régénération des membres axolotl. Crédit d'image: Bigzumi / Shutterstock
Dans une étude récente publiée dans la revue Communications de la natureLes chercheurs aux États-Unis ont exploré comment la famille du Cytochrome P450 26 Sous-famille B Member 1 (CYP26B1) médié par l'acide rétinoïque (RA) régule l'identité proximodistale (PD) pendant la régénération des membres axolotl.
L'étude aborde également des questions non résolues sur la façon dont les gradients de RA sont établis pendant la régénération et comment ces mécanismes pourraient se traduire par de futures applications de médecine régénérative.
Sommaire
Arrière-plan
Imaginez perdre un membre et le regarder repousser parfaitement, os par os et articulation par articulation. Bien que cela ressemble à de la science-fiction pour les humains, les axolotles (un type de salamandre) le font régulièrement. Ils régénèrent les membres avec une précision remarquable, restaurant les segments corrects de l'épaule (stylopod) à la main (autopod). Cette capacité dépend du blastème, un groupe de cellules de type tige qui «se souviennent» de leur position d'origine. La RA influence cette mémoire, mais la façon dont ses niveaux sont contrôlés pendant la régénération reste incertaine. Comprendre ces contrôles pourrait transformer la médecine régénérative. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour décoder les mécanismes moléculaires guidant l'identité de position. Les auteurs notent également que si l'importance de la PR dans l'identité positionnelle est établie, que la synthèse de RA soit classée le long de l'axe des membres ou est uniforme et contrôlée par la dégradation localisée reste une question ouverte.
À propos de l'étude
L'étude a utilisé des axolotles avec des membres amputés à des niveaux définis dans la loi proximale (PD), notamment le stylopod supérieur (US), le stylopod inférieur (LS), le zeugopode supérieur (UZ) et l'autopode (A), pour étudier la signalisation RA. La réaction en chaîne de polymérase de transcription inverse quantitative (qRT-PCR), la réaction en chaîne d'hybridation, l'hybridation in situ (HCR-fish) et le séquençage d'acide ribonucléique à cellule unique (SCRNA-Seq) ont été utilisées pour évaluer l'expression des gènes. Les enzymes et les gènes impliqués dans la synthèse de la PR, notamment la dégradation de la rétindéhyde déshydrogénase 1 (RALDH1), RALDH2 et RALDH3, tels que le récepteur du CYP26A1 et le CYP26B1 et la RA et les blastèmes distaux (DBS).
Pour manipuler les niveaux de PR, les animaux ont été traités avec du talarozole (TAL, également connu sous le nom de R115866), un inhibiteur des enzymes CYP26, à des concentrations de 0,1 micromolaire (μM), 1 μM et 5 μM. L'activité RA a été mesurée à l'aide d'élément sensible à la RA: des animaux rapporteurs de la protéine fluorescente verte améliorée (rares: EGFP). Dans certaines expériences, TAL a été combiné avec le disulfiram (DIS), un inhibiteur de Pan-Raldh, ou AGN 193109 (RAA), un antagoniste du récepteur de l'acide pan-rétinoïque (RAR). L'expression des gènes de motifs Meis homéobox 1 et 2 (Meis1, MEIS2), des gènes de cluster Homeobox A (Hoxa9, Hoxa11, Hoxa13) et une courte stature homéobox (Shox, Shox2) a été évaluée. Les répétitions palindromiques courtes régulières en grappes / protéine 9 associées à CRISPR 9 (CRISPR / CAS9) ont été utilisées pour générer des animaux knockout Shox (Shox – / -) pour évaluer son rôle fonctionnel.
Le membre antérieur d'Ambystoma mexicanum (axolotl, variante albinos), une salamandre néoténique (Ambystomatidae). Crédit d'image: Guillermo Guerao Serra / Shutterstock
Résultats de l'étude
L'étude a confirmé que la signalisation RA varie le long de l'axe PD, avec des niveaux plus élevés dans le PBS par rapport à DBS. L'expression du CYP26B1 était significativement plus élevée dans le mésenchyme de DBS. En revanche, Meis1 et Meis2, qui sont des gènes sensibles à la RA liés à l'identité proximale, ont été enrichis en PBS. HOXA13 était fortement exprimé dans DBS. Ces modèles d'expression correspondaient aux positions des segments des membres et ont été conservés de manière évolutive.
L'inhibition de la dégradation de la PR avec une signalisation de RA a augmenté TAL, tel que visualisé par RARE: les journalistes EGFP, et les duplications des membres proximaux induits des amputations distales. Le traitement TAL a fait régénérer les DBS ou les zeugopodes au lieu d'autopodes. À 1 μm de TAL, 66,7% des DB ont développé des duplications complètes de stylopodes. En revanche, les membres amputés proximalement traités avec la même concentration de TAL se régénéraient normalement, bien que des doses plus élevées ont altéré la régénération. Ces effets ont confirmé que le CYP26B1 régule les concentrations de RA critiques pour la structuration spécifique au segment.
Les DB traités par TAL ont montré une expression réduite de HoxA13 et une augmentation de l'expression de Meis1. Le séquençage de l'ARN a révélé une reprogrammation transcriptionnelle dose-dépendante, avec des DB traités par TAL adoptant des profils d'expression similaires au PBS traité par diméthyl sulfoxyde (DMSO). Parmi les gènes exprimés différentiellement figuraient Shox et Shox2, qui sont sensibles à la RA et enrichis en PBS. L'expression de Shox était inversement corrélée avec HOXA13 et co-localisée avec Meis1, suggérant qu'elle agit en aval de la signalisation RA et de Meis1. Les auteurs notent que Meis1 est probablement en amont de Shox dans cette cascade régulatrice, soutenue par l'analyse du promoteur, et que les cellules exprimant Shox et Hoxa13 étaient mutuellement exclusives.
Des études fonctionnelles utilisant des animaux knock-out Shox induites par CRISPR / CAS9 ont révélé que les axolotles Shox – / – ont développé des stylopodes et des zeugopodes raccourcis, avec une ossification endochondrale altérée. La coloration histologique et l'analyse de l'hématoxyline et de l'éosine ont montré des chondrocytes immatures qui n'ont pas réussi à mûrir en os. Cependant, l'autopode n'est pas affecté. Malgré ces défauts squelettiques, les animaux de shox – / – régénèrent les membres, confirmant que le shox n'est pas essentiel pour la régénération mais est crucial pour modéliser les segments squelettiques proximaux. L'étude a également observé que l'expression de Shox2 peut compenser partiellement la perte de Shox dans certains contextes, bien que les défauts proximaux persistent, et que la formation des chondrocytes dans des éléments distaux est indépendante de Shox.
L'expression de Shox a été principalement observée dans les cellules mésenchymateuses et a été activée dans des DB traités par TAL. Lorsque TAL a été co-administré avec DIS ou RAA, la proxialisation du DBS a été bloquée, montrant que la synthèse de RA et la signalisation médiée par les récepteurs sont nécessaires pour cet effet. De plus, chez les animaux Shox – / – traités avec des talons, des duplications des membres se sont produites, mais les segments dupliqués ont été sous-développés, ce qui indique que le shox est nécessaire pour exécuter, mais non initié, la structuration proximale induite par RA.
Bien que l'étude présente des preuves solides que la dégradation de la RA médiée par le CYP26B1 contrôle l'identité segmentaire, il examine également que les régulateurs en amont du CYP26B1 (tels que HoxA11, HoxA13 ou Signals FGF) pendant la régénération restent à déterminer.
Conclusions
Pour résumer, cette étude démontre que la dégradation de l'acide rétinoïque (RA) dépendant du CYP26B1 est cruciale pour l'établissement de l'identité de la MP pendant la régénération des membres axolotl. En ajustant les niveaux de PR dans le blastème, le CYP26B1 permet une activation spécifique au segment des gènes de motifs. Des niveaux élevés de PR favorisent l'identité proximale via MeIS1 et Shox, tandis que la dégradation de la RA prend en charge l'identité distale marquée par HOXA13. Le shox est essentiel pour la formation et l'ossification des éléments stylopodiaux et zeugopodiaux, mais n'est pas requis pour la formation des autopodes ou la régénération globale.
Les résultats sont également cohérents avec un modèle de seuil spécifique au segment pour l'identité de position (similaire au modèle de drapeau français), bien que le document met en évidence les incertitudes quant à savoir si la synthèse de RA elle-même est uniforme ou classée le long de l'axe PD. Ces idées soulignent l'importance du métabolisme localisé de la PR dans la régénération des structures complexes et peuvent éclairer les stratégies régénératives futures en médecine et biologie du développement.
