Chez l’homme, la grossesse dure environ neuf mois. Chez la souris, seulement 20 jours, et chez le rhinocéros, jusqu’à 17 mois. Bien que de nombreuses espèces de mammifères passent par les mêmes étapes au cours du développement de l’embryon, la vitesse de développement diffère considérablement d’un animal à l’autre. Un autre exemple d’événement qui diffère dans le temps d’une espèce à l’autre est la formation de l’axe du corps des vertébrés, la colonne vertébrale. La formation des segments corporels qui donneront naissance aux vertèbres et aux côtes, appelés somites, est contrôlée par un mécanisme appelé horloge de segmentation. L’horloge de segmentation est un groupe de gènes qui oscille. Chaque oscillation contrôle la formation d’une paire de somites. La fréquence des oscillations diffère selon les espèces, prenant deux à trois fois plus de temps chez l’homme que chez la souris.
L’horloge de segmentation est un système pratique pour étudier les différences entre les espèces, et le groupe Ebisuya l’étudie depuis longtemps, révélant récemment que les différences de vitesse de réaction biochimique sont responsables des différences entre les horloges de la souris et de l’homme. Cependant, afin d’établir s’il s’agit d’un principe général de développement, les chercheurs ont dû élargir les espèces étudiées, jusqu’ici relativement limitées à l’homme et à la souris.
Aujourd’hui, des chercheurs du groupe Ebisuya ont récapitulé en laboratoire l’horloge de segmentation de quatre nouvelles espèces de mammifères, en plus de la souris et de l’homme : ouistiti, lapin, bovin et rhinocéros. Ce travail a été réalisé en collaboration avec des groupes de recherche basés en Europe, au Japon et aux États-Unis.
Qu’est-ce qu’un zoo de cellules souches ?
Un zoo de cellules souches est comme une bibliothèque de cellules souches de plusieurs espèces pour étudier et comparer différents événements de développement. Le groupe de collaboration a collecté des cellules souches embryonnaires et des cellules souches pluripotentes induites de ouistitis, de lapins, de bovins et de rhinocéros, qui ont ajouté à la bibliothèque déjà existante d’humains et de souris. Cet échantillonnage diversifié d’espèces est sans précédent pour les études sur le développement et vise à constituer une plate-forme de comparaison des processus de développement.
« Nous voulions créer une plate-forme de cellules de plusieurs espèces de mammifères pour étudier pourquoi leur temps de développement est différent. Nous voulions avoir une gamme aussi large que possible, nous avons donc choisi des espèces avec des poids corporels allant de 50 grammes à 2 tonnes, des durées de gestation de 20 jours à 17 mois, et trois histoires évolutives ou phylogénies différentes : Primates (humain et marmouset), Glires (souris et lapin) et Ongulés (bovins et rhinocéros). » a déclaré Jorge Lázaro, étudiant pré-doctoral au groupe Ebisuya et premier auteur de l’article.
Le groupe s’est concentré sur l’étude des différences dans l’horloge de segmentation des quatre nouvelles espèces. Ils ont appliqué des protocoles expérimentaux pour différencier les cellules souches pluripotentes embryonnaires et induites en cellules pré-somitiques de type mésoderme, les cellules qui donneront naissance à la colonne vertébrale, aux côtes et aux muscles du squelette.
« Notre zoo de cellules souches sert de plate-forme idéale pour étudier la cause des différences interspécifiques dans la période d’horloge de segmentation, ainsi que pour déterminer s’il existe une relation générale entre le rythme de segmentation et les caractéristiques de l’organisme. » a déclaré Miki Ebisuya, chef de groupe à l’EMBL de Barcelone et au Cluster of Excellence Physics of Life, TU Dresden.
Corréler l’horloge de segmentation
La durée de la gestation, ainsi que de nombreux autres paramètres corporels, sont connus pour s’adapter au poids corporel de l’animal. Les espèces plus grandes ont tendance à avoir une période de gestation plus longue. Le groupe a donc émis l’hypothèse que les différences d’horloge de segmentation pourraient être liées au poids corporel. Cependant, étonnamment, ils n’ont trouvé aucune corrélation entre le poids corporel moyen de chacune des espèces et sa période d’horloge de segmentation. De même, la durée de la gestation n’était pas corrélée avec la période de l’horloge de segmentation.
Au lieu de cela, le groupe a découvert que la période de l’horloge de segmentation était fortement corrélée à la durée de l’embryogenèse. L’embryogenèse est le temps qui s’écoule entre la fécondation et la fin de l’organogenèse, lorsque tous les organes sont formés dans un embryon. Cela pourrait signifier que l’horloge de segmentation peut servir de bon système pour comprendre comment le temps de développement embryonnaire général est établi à travers les espèces.
De plus, le groupe a découvert que les trois histoires évolutives différentes – Primates, Glires et Ongulés – correspondaient respectivement à des périodes d’horloge de segmentation lente, rapide et intermédiaire, indiquant une relation entre le rythme de développement et les groupes évolutifs.
Dans des études précédentes, le groupe Ebisuya avait déjà découvert que les vitesses de réaction biochimiques évoluaient avec la période d’horloge de segmentation. Cependant, ces études se sont concentrées sur des souris et des humains. Le groupe a maintenant étendu les espèces étudiées et a confirmé que les quatre nouveaux mammifères présentent également des différences dans les vitesses de réactions biochimiques, très bien corrélées avec la période d’horloge de segmentation. Cela indique que les changements dans les taux biochimiques pourraient être un mécanisme général pour contrôler le rythme de développement.
De plus, ils ont découvert que les gènes liés aux processus biochimiques présentent un schéma d’expression en corrélation avec la période d’horloge de segmentation, fournissant un indice concret d’un mécanisme moléculaire potentiel sous-jacent aux différences de vitesse de développement entre les espèces.
« Notre objectif est de continuer à ajouter des espèces dans notre zoo de cellules souches », a déclaré Ebisuya. « Si nous voulons confirmer si les résultats de nos recherches pourraient constituer un principe universel du développement des mammifères, nous devons agrandir le zoo et inclure un plus large éventail d’espèces et de phylogénies. »
Dans l’étude actuelle publiée dans Cell Stem Cell, le groupe s’est concentré sur l’horloge de segmentation, mais l’approche du zoo de cellules souches ouvre la possibilité d’étudier d’autres temps biologiques tels que la fréquence cardiaque ou la durée de vie. Plus les chercheurs en sauront sur le fonctionnement du temps biologique, plus ils pourront le contrôler. Par exemple, dans le domaine des organoïdes, si l’on pouvait accélérer le temps nécessaire au développement des organoïdes, cela pourrait accélérer les études de médecine régénérative.
« Un autre aspect que j’aime beaucoup dans le zoo de cellules souches est la possibilité d’apprendre de différentes espèces en dehors de l’homme et de la souris », a déclaré Lázaro. « De nombreux animaux ont des caractéristiques particulières qui les rendent intéressants à étudier, mais pour des raisons pratiques ou éthiques, nous n’y avons pas accès en laboratoire. Des caractéristiques comme par exemple la taille d’un rhinocéros ou le long cou des girafes. Qui sait, peut-être que dans notre prochain projet, nous pourrons utiliser des cellules souches pour essayer de comprendre comment les girafes développent leur long cou – et des somites plus longs ! »
