Chaque jour, votre corps remplace des milliards de cellules et pourtant, vos tissus restent parfaitement organisés. Comment est-ce possible?
Une équipe de chercheurs de Helen F. Graham Cancer Center & Research Institute de Christianacare et de l'Université du Delaware croient avoir trouvé une réponse. Dans une nouvelle étude publiée aujourd'hui dans la revue scientifique Biologie de la celluleils montrent que seulement cinq règles de base peuvent expliquer comment le corps maintient la structure complexe de tissus comme ceux du côlon, par exemple, même si ses cellules meurent constamment et sont remplacées.
Cette recherche est le produit de plus de 15 ans de collaboration entre les mathématiciens et les biologistes du cancer pour débloquer les règles qui régissent la structure tissulaire et le comportement cellulaire.
« Il peut s'agir de la version biologique d'un plan », a déclaré Bruce Boman, MD, Ph.D., chercheur principal au CAWLEY Center for Translation Cancer Research and professessing dans les départements des sciences biologiques et des sciences mathématiques de l'Université du Delaware.
Tout comme nous avons un code génétique qui explique comment nos gènes fonctionnent, nous pouvons également avoir un «code tissulaire» qui explique comment notre corps reste si précisément organisé au fil du temps. «
Bruce Boman, Cawley Center for Translation Cancer Research, Christianacare
Les mathématiques rencontrent la médecine
Les chercheurs ont utilisé la modélisation mathématique, créant une simulation informatique de la façon dont les cellules se comportent pour voir si un petit nombre de règles pourrait expliquer la structure hautement organisée de la muqueuse du côlon. C'est un endroit idéal pour étudier: les cellules du côlon se renouvellent tous les quelques jours, mais la forme globale et la structure restent remarquablement stables.
Après avoir exécuté de nombreuses simulations et affiner leurs modèles, l'équipe a identifié cinq règles biologiques de base qui semblent régir la structure et le comportement des cellules:
- Dusiminage de la division cellulaire.
- L'ordre dans lequel les cellules se divisent.
- Les cellules de direction se divisent et se déplacent.
- Combien de fois les cellules se divisent.
- Combien de temps une cellule vit avant sa mort.
« Ces règles fonctionnent ensemble comme la chorégraphie », a déclaré Gilberto Schleiniger, Ph.D., professeur au Département des sciences mathématiques de l'Université du Delaware. « Ils contrôlent où vont les cellules, lorsqu'ils se divisent et combien de temps ils restent et c'est ce qui permet aux tissus d'apparence et de travailler comme ils le devraient. »
Décodage des tissus humains
Les chercheurs pensent que ces règles peuvent s'appliquer non seulement au côlon, mais à de nombreux tissus différents à travers la peau du corps, le foie, le cerveau et au-delà. S'il est vrai, ce « code tissulaire » pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre comment les tissus guérissent après une blessure, comment les malformations congénitales se produisent et comment les maladies comme le cancer se développent lorsque ce code est perturbé.
Boman l'a expliqué de cette façon: « Vos tissus ne se contentent pas de grandir et de rétrécir au hasard. Ils savent à quoi ils ressemblent, et ils savent comment revenir à cet état, même après des dommages. Ce niveau de précision a besoin d'un ensemble d'instructions. Ce que nous avons trouvé est un candidat solide pour ces instructions. »
Ce travail a également des implications importantes pour l'atlas cellulaire humain, une collaboration scientifique mondiale travaillant pour cartographier tous les types de cellules du corps humain. Bien que l'atlas vise à cataloguer ce qu'est chaque cellule et ce qu'il fait à un moment donné, cette nouvelle recherche offre un cadre dynamique pour comprendre comment ces cellules restent organisées au fil du temps. En identifiant les règles simples et universelles qui régissent le comportement cellulaire et la structure des tissus, les résultats pourraient aider à guider les efforts futurs non seulement pour décrire les cellules, mais prédire comment elles se comportent en santé et en maladie.
Implications pour la maladie et la découverte
L'une des raisons pour lesquelles l'équipe s'est tournée vers des modèles mathématiques, plutôt que des expériences de biologie traditionnelles, est qu'il est extrêmement difficile d'observer comment chaque cellule dans un tissu se comporte en temps réel. Mais avec des modèles informatiques, les chercheurs peuvent exécuter des simulations qui révèlent des modèles et une dynamique cachés à la vue.
Ce type de collaboration entre la biologie et les mathématiques reflète un changement plus large dans la façon dont les scientifiques abordent des problèmes complexes. Il s'aligne également sur les priorités nationales: l'initiative « Règles de vie » de la National Science Foundation met les chercheurs aux chercheurs pour découvrir les principes fondamentaux qui régissent les systèmes vivants. Cette étude est un pas fort dans cette direction.
Les prochaines étapes de l'équipe comprennent le test des prédictions du modèle expérimentalement, les affiner avec des données supplémentaires et l'exploration de sa pertinence pour la biologie du cancer, en particulier comment les perturbations du code tissulaire peuvent entraîner une croissance ou des métastases tumorales.
« Ce n'est que le début », a déclaré Schleiniger. « Une fois que vous pouvez identifier les règles, vous pouvez commencer à poser des questions entièrement nouvelles, et peut-être même apprendre à réparer ce qui ne va pas. »
