Au fur et à mesure qu’un embryon humain se développe, un ensemble de molécules dirige les cellules à mesure qu’elles se multiplient et prennent des identités et des positions spatiales spécifiques au sein de l’embryon. Dans une étape cruciale connue sous le nom de gastrulation, ces molécules de signalisation guident une seule couche de cellules souches embryonnaires pour former trois couches de types cellulaires distincts qui deviendront plus tard différentes parties du corps.
Aujourd’hui, les chercheurs du iPS Cell Research Center aux instituts Gladstone ont montré que les jonctions étroites entre les cellules peuvent jouer un rôle essentiel dans la gastrulation chez les embryons humains.
« Cette étude a des implications passionnantes sur la façon dont nous concevons des modèles de gastrulation et d’autres techniques de laboratoire pour différencier les cellules souches en types de cellules spécialisées », déclare Shinya Yamanaka, MD, PhD, chercheur principal chez Gladstone et auteur principal de l’étude publiée dans la revue. Cellule de développement. « Mieux nous comprenons les mécanismes de signalisation dans les embryons, plus nous pouvons facilement récapituler ces processus de manière robuste et reproductible. »
L’équipe applique déjà leurs résultats pour développer de nouvelles techniques de transformation des cellules souches d’une boîte en ovules humains – une stratégie qui pourrait un jour être utilisée pour la fécondation in vitro.
Découverte en marge
La gastrulation jette les bases du développement de tout le corps humain. Les chercheurs ont trouvé des moyens de recréer une version simplifiée de ce processus fondamental dans un plat en commençant par une couche de cellules souches pluripotentes induites, ou cellules iPS ; des cellules adultes qui ont été reprogrammées pour imiter les cellules souches embryonnaires, ce qui signifie qu’elles peuvent se différencier pour devenir n’importe quel type de cellule dans le corps.
Ensuite, les scientifiques ajoutent une protéine appelée BMP4, une molécule de signalisation clé dans la gastrulation, qui amène les cellules de la boîte à commencer à former les trois couches de cellules présentes dans l’embryon. Cependant, étant donné que toutes les cellules semblent recevoir le même signal BMP4, on ne sait pas pourquoi certaines se transforment en un type de cellule tandis que d’autres deviennent des types de cellules différents.
Cela a été une sorte de gratte-tête dans le domaine. Toutes ces cellules interprètent différemment le même signal de BMP4, ou elles ne reçoivent pas vraiment le même signal. »
Ivana Vasic, PhD, auteur principal de l’étude et ancien chercheur postdoctoral aux instituts Gladstone
Lors de la création d’un modèle de gastrulation en laboratoire, Vasic a observé que les cellules iPS regroupées dans le plat contiennent des protéines qui sont les éléments constitutifs des jonctions serrées, qui sont des barrières entre les cellules. Mais elle a également remarqué que les jonctions serrées ne s’assemblent pas toujours.
Yamanaka, Vasic et leur équipe ont découvert que la croissance des cellules dans un espace moins confiné permettait aux jonctions serrées de s’assembler de manière cohérente. Lorsqu’ils ont ajouté du BMP4 aux cellules non confinées, ils ont eu leur moment « aha »: seules les cellules au bord du cluster ont reçu suffisamment de BMP4 pour activer des voies moléculaires qui les pousseraient à devenir différents types de cellules de couche.
« Les jonctions étroites entre les cellules adjacentes semblent les rendre imperméables aux signaux de BMP4 », explique Vasic. « Mais les cellules périphériques n’ont pas de copain avec lequel former des jonctions étroites sur leur côté extérieur, ce qui signifie qu’elles reçoivent les signaux les plus forts de BMP4. »
Pour confirmer l’importance des jonctions serrées dans la gastrulation, les chercheurs ont utilisé la technologie d’édition du génome CRISPR pour supprimer la production de TJP1, une protéine cruciale pour la formation de jonctions serrées dans les cellules iPS. Lorsqu’ils ont appliqué BMP4 à des cellules dépourvues de la protéine TJP1, chaque cellule a été activée, pas seulement les cellules périphériques.
« Nous avons montré que la suppression des jonctions serrées faisait réagir toutes les cellules au BMP4 », explique Yamanaka, qui est également professeur d’anatomie à l’UC San Francisco, ainsi que directeur émérite et professeur au Center for iPS Cell Research and Application (CiRA ), Université de Kyoto, au Japon. « Cela suggère que les jonctions serrées empêchent les cellules de répondre aux signaux dans les modèles de gastrulation, et plus fondamentalement, que la structure des cellules est très importante pour la façon dont elles reçoivent les signaux de différenciation. »
« D’une manière générale, cette étude démontre comment les perturbations des propriétés innées des cellules iPS peuvent moduler leur sensibilité aux signaux extracellulaires et modifier leur trajectoire de destin cellulaire », déclare Todd McDevitt, PhD, ancien chercheur principal chez Gladstone et auteur principal de l’étude. « Ce principe pourrait changer la donne pour libérer le potentiel des cellules iPS afin de produire des populations plus homogènes de cellules différenciées pour des applications thérapeutiques. »
Créer des ovules dans un plat
L’équipe a ensuite examiné de plus près l’identité des cellules qui avaient été activées par BMP4 après avoir perturbé la formation de jonctions serrées.
« Nous sommes tombés sur une découverte très excitante : il s’avère que nous pourrions créer un type spécial de cellule appelée cellule germinale primordiale », explique Vasic. « Ce sont des cellules souches produites en laboratoire qui ressemblent aux précurseurs humains des spermatozoïdes et des ovules. »
Les chercheurs ont longtemps cherché une méthode fiable pour générer des cellules germinales primordiales, mais ont eu du mal à les produire à partir de cellules iPS. Vasic et ses collègues avaient découvert que la suppression de TJP1 pourrait constituer la base d’une nouvelle méthode pour produire efficacement ces cellules uniques.
Aujourd’hui, Vasic a fondé une nouvelle société, Vitra Labs, pour appliquer cette méthode dans une éventuelle nouvelle stratégie de traitement de l’infertilité féminine.
« Nous essayons essentiellement de récapituler le processus biologique de la production d’œufs, afin de pouvoir générer des œufs que les gens pourraient utiliser pour la fécondation in vitro », explique Vasic. « C’est un peu la cerise sur le gâteau de notre étude. »
