Les scientifiques découvrent comment le poisson zèbre bascule entre la division cellulaire et la différenciation directe pour reconstruire les organes sensoriels, ce qui remet en question les vues à long terme sur la régénération des tissus.
Étude: La prolifération cellulaire des tiges et des progénitrices est régulée indépendamment par les gènes de cyclind spécifiques au type cellulaire. Crédit d'image: Anusorn Nakdee / Shutterstock.com
Dans une étude récente publiée dans la revue Communications de la natureles chercheurs du Stowers Institute for Medical Research aux États-Unis ont étudié les mécanismes par lesquels les gènes des cellules souches modulent la régénération dans les neuromastes de la ligne latérale du poisson zèbre (organes sensoriels). Plus précisément, l'étude a mis à profit l'édition de gène CRISPR de pointe, le séquençage d'ARN unique et l'imagerie en direct pour étudier comment deux gènes de cycline D distincts, CCNDX et CCND2Arégulent des populations de cellules distinctes pendant le développement et la régénération de ces organes sensoriels.
Les résultats de l'étude révèlent que CCNDX et CCND2A fonction via des voies indépendantes mais complémentaires – le premier module la division des cellules progénitrices, tandis que le second entraîne l'amplification de la prolifération des cellules souches. Même lorsqu'une voie est perdue, l'autre peut en partie compenser, mais la régénération se déroule via un mécanisme limité et moins robuste. Par exemple, dans CCNDX Mutants, la différenciation directe peut générer des cellules ciliées sans division; Cependant, moins de cellules et un défaut de polarité prononcé se produisent, avec environ 70% des cellules ciliées régénérées présentant un biais postérieur. Ce défaut de polarité est mécaniquement lié à une expression réduite de HES2.2qui inhibe normalement EMX2un maître régulateur de la polarité des cellules capillaires. Ensemble, ces gènes garantissent un maintien robuste des tissus, offrant de nouvelles directions thérapeutiques pour la recherche sur la régénération sensorielle.
Sommaire
Arrière-plan
Le renouvellement des tissus et la régénération sont des processus fondamentaux essentiels pour maintenir la vie. Ces processus en constante évolution reposent sur des soldes délicats entre les populations de cellules souches, qui se reconstituent progressivement au fil du temps, et les cellules progénitrices, qui mûrissent en formes spécialisées en réponse aux exigences physiologiques.
Des décennies de recherche ont révélé que les protéines de la cycline D, connues principalement pour leur rôle crucial dans la régulation de la progression du cycle cellulaire, ont des effets modulatoires substantiels sur la prolifération cellulaire. Malheureusement, les associations mécanistes entre les populations de cellules souches spécifiques et l'utilisation des protéines de la cycline D restent mal comprises. Décroisser ces associations peut ouvrir la porte à de nouvelles thérapies régénératives, particulièrement pertinentes dans la population mondiale de plus en plus vieillissante d'aujourd'hui, qui connaît une baisse de la capacité sensorielle.
Des recherches récentes visent à tirer parti du poisson zèbre, un organisme modèle bien étudié réputé pour ses capacités régénératives, pour répondre à cette question. En particulier, la ligne latérale sensorielle du poisson zèbre est connue pour régénérer rapidement les cellules après une blessure. Cette ligne se compose de cellules de cheveux, de soutien et de manteau, essentielles pour détecter le mouvement de l'eau. Compte tenu de leur analogie fonctionnelle avec l'oreille interne humaine, ces modèles sont utilisés pour mieux comprendre la régénération sensorielle.
À propos de l'étude
La présente étude a utilisé plusieurs souches larvaires de poisson zèbre transgéniques pour élucider les mécanismes sous-jacents à la régénération dans le système sensoriel de la ligne latérale. L'étude se concentre sur deux gènes cycline D: CCNDX et CCND2A.
En tirant parti de l'édition de gènes CRISPR-CAS9 et CRISPR-CAS12A, poisson zèbre transgénique avec CCNDX et / ou CCND2A Les éliminations ont ensuite été observées (via SCRNA-Seq) pour élucider leurs différences d'expression des gènes et d'états cellulaires. Ces tests ont été reproduits plus de 10 000 cellules et ont été complétés par la modélisation de la vitesse de l'ARN en utilisant les algorithmes de l'abstraction de graphiques basés sur Scvelo et de partition (PAGA).
Les chercheurs ont commencé par traiter les larves de poisson zèbre avec de la néomycine, un antibiotique (ototoxine) qui déclenche la mort rapide des cheveux (et la régénération ultérieure) le long de l'organe de ligne latérale. L'observation via des tests ARN-seq (SCRNA-Seq) à un seul cellule (SCRNA-SEQ) en combinaison avec l'imagerie de 5-Ethynyl-2'-désoxyuridine (EDU) et l'imagerie en accéléré (Eclipse Nikon Ti2; 42 heures à 28,5 ° C) a entraîné l'identification de deux populations de cellules nucléaires de la cellule proliférante (PCNA), une seule CCNDX et l'autre par CCND2A.
Enfin, la modélisation des protéines utilisant les plates-formes Robetta et Mol * 3D a été réalisée pour comparer la conservation structurelle des protéines cycline D à travers les espèces transgéniques de poisson zèbre. Les analyses statistiques comprenaient l'analyse de la variance (ANOVA) et les tests t pour la différence inter-traitement signalant un rapport significatif (p <0,05).
Résultats de l'étude
Les tests de traitement de la néomycine ont révélé la présence de deux populations de cellules indépendantes impliquées dans la régénération des neuromastes. L'analyse SCRNA-SEQ a révélé ces populations: 1. Auto-renouvellement des populations de cellules souches qui expriment CCND2Aet 2. cellules progénitrices qui mûrissent dans des cellules ciliées sensorielles qui expriment CCNDX.
Notamment, CCNDX Les souches de knock-out ont démontré la régénération des cheveux même en l'absence de CCNDX expression. Pourtant, ces cellules ciliées étaient souvent mal orientées, peut-être à cause de la modification HES2.2 et EMX2 activité (gènes impliqués dans la polarité des cellules ciliées). Surtout, exprimant CCND2A sous CCNDX Le promoteur, un sauvetage génétique artificiel, a pu restaurer à la fois le nombre et l'orientation des cellules ciliées CCNDX-Mutants (p <0,0001), marquant une démonstration mécaniste plutôt qu'une compensation physiologique.
En revanche, CCND2A-Les mutants déficientes ont montré une réduction de la prolifération des cellules souches pendant le développement, mais la régénération a été moins affectée, ce qui suggère que d'autres cyclines peuvent compenser pendant la réparation des tissus, sans induire des défauts de polarité. Plus précisément, l'étude rapporte une régulation à la hausse de CCND1 Pendant la régénération dans CCND2A mutants, potentiellement compensant la perte de CCND2A Fonction (figure supplémentaire 5n – P). Cette régulation indépendante suggère que la régénération sensorielle peut se produire même si une population (voie) est compromise. Par exemple, cinq jours après la fertilisation (DPF), CCNDX Les mutants ont montré significativement réduit les cellules progénitrices de l'EDU + réduites par rapport à leurs frères et sœurs de type sauvage (p = 0,0001), tandis que l'amplification du nombre de cellules est restée inchangée (p = 0,35).
Cette constatation que les cellules ciliées du poisson zèbre peuvent se régénérer par une différenciation directe sans prolifération des progéniteurs représente un décalage de paradigme dans la biologie régénérative, ce qui remet en question l'opinion de longue date que la prolifération est essentielle pour la régénération tissulaire.
Enfin, cette étude a révélé l'importance de la «signalisation des encoches» dans la régénération sensorielle. Cette voie de communication cellulaire à cellule hautement conservée, essentielle au développement et à l'homéostasie tissulaire, s'est avérée supprimer CCNDX expression, avec son inhibition conduisant à une prolifération accrue des progéniteurs uniquement dans CCNDX-Intacte des poissons, confirmant ainsi une boucle de régulation étroite entre l'activité des encoches, l'expression de la cycline D et la capacité de régénération.
Conclusions
Cette étude représente une progression significative dans notre compréhension de la biologie régénérative, démontrant pour la première fois que, contrairement aux hypothèses antérieures, toutes les cellules proliférantes dans les tissus régénératives ne sont pas régulées de manière similaire. Il met en évidence l'importance future de la régulation du cycle cellulaire sur mesure, en tirant parti des deux CCNDX et CCND2A Pour les résultats optimaux de régénération sensorielle.
Ces résultats pourraient accélérer le développement de thérapies en médecine régénérative. Cependant, il est important de noter que CCNDX est absent chez les mammifères, ces résultats ne sont donc directement applicables qu'aux espèces non mammifères. Comme pour toutes les études scientifiques fondamentales sur des modèles animaux, les résultats doivent être pris en compte dans le contexte de la biologie du poisson zèbre, et leur applicabilité aux humains nécessitera des recherches supplémentaires.
