Une question clé qui reste sans réponse en biologie et en biophysique est de savoir comment les formes tridimensionnelles des tissus apparaissent au cours du développement animal. Des équipes de recherche de l'Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) de Dresde, en Allemagne, du pôle d'excellence Physics of Life (PoL) de la TU Dresden et du Center for Systems Biology Dresden (CSBD) ont désormais découvert un mécanisme par lequel les tissus peuvent être « programmés » pour passer d'un état plat à une forme tridimensionnelle. Pour y parvenir, les chercheurs ont étudié le développement de la mouche à fruits Drosophila et de sa poche alaire, qui passe d'une forme de dôme peu profonde à un pli courbé et devient plus tard l'aile d'une mouche adulte. Les chercheurs ont développé une méthode pour mesurer les changements de forme tridimensionnelle et analyser le comportement des cellules au cours de ce processus. En utilisant un modèle physique basé sur la programmation de forme, ils ont découvert que les mouvements et les réarrangements des cellules jouent un rôle clé dans la formation du tissu. Cette étude, publiée dans Progrès scientifiquesmontre que la méthode de programmation de forme pourrait être un moyen courant de montrer comment les tissus se forment chez les animaux.
Les tissus épithéliaux sont des couches de cellules étroitement connectées et constituent la structure de base de nombreux organes. Pour créer des organes fonctionnels, les tissus changent de forme en trois dimensions. Bien que certains mécanismes des formes tridimensionnelles aient été explorés, ils ne suffisent pas à expliquer la diversité des formes des tissus animaux. Par exemple, au cours d'un processus de développement d'une mouche à fruits appelé éversion du disque alaire, l'aile passe d'une simple couche de cellules à une double couche. On ne sait pas comment la poche du disque alaire subit ce changement de forme, passant d'un dôme radialement symétrique à une forme de pli incurvé.
Les équipes de recherche de Carl Modes, chef de groupe au MPI-CBG et au CSBD, et de Natalie Dye, chef de groupe au PoL et précédemment affiliée au MPI-CBG, ont voulu découvrir comment ce changement de forme se produit. « Pour expliquer ce processus, nous nous sommes inspirés de feuilles de matériaux inanimés « programmables en forme », comme les hydrogels minces, qui peuvent se transformer en formes tridimensionnelles par des contraintes internes lorsqu'ils sont stimulés », explique Natalie Dye, et poursuit : « Ces matériaux peuvent modifier leur structure interne sur toute la feuille de manière contrôlée pour créer des formes tridimensionnelles spécifiques. Ce concept nous a déjà aidé à comprendre comment les plantes poussent. Les tissus animaux, en revanche, sont plus dynamiques, avec des cellules qui changent de forme, de taille et de position. »
Pour voir si la programmation de forme pouvait être un mécanisme permettant de comprendre le développement animal, les chercheurs ont mesuré les changements de forme des tissus et les comportements cellulaires lors de l'éversion du disque alaire de la drosophile, lorsque la forme du dôme se transforme en une forme de pli incurvé.
En utilisant un modèle physique, nous avons montré que les comportements cellulaires collectifs programmés suffisent à créer les changements de forme observés dans la poche du disque alaire. Cela signifie que les forces externes des tissus environnants ne sont pas nécessaires et que les réarrangements cellulaires sont le principal moteur du changement de forme de la poche.
Jana Fuhrmann, chercheuse postdoctorale dans le groupe de recherche de Natalie Dye
Pour confirmer que les cellules réorganisées sont la principale raison de l'éversion de la poche, les chercheurs ont testé ce phénomène en réduisant le mouvement des cellules, ce qui a à son tour entraîné des problèmes avec le processus de mise en forme des tissus.
Abhijeet Krishna, doctorant dans le groupe de Carl Modes au moment de l'étude, explique : « Les nouveaux modèles de programmabilité des formes que nous avons développés sont liés à différents types de comportements cellulaires. Ces modèles incluent à la fois des effets uniformes et dépendants de la direction. Bien qu'il existait auparavant des modèles de programmabilité des formes, ils ne prenaient en compte qu'un seul type d'effet à la fois. Nos modèles combinent les deux types d'effets et les relient directement aux comportements cellulaires. »
Natalie Dye et Carl Modes concluent : « Nous avons découvert que le stress interne provoqué par les comportements cellulaires actifs est ce qui façonne la poche du disque alaire de la drosophile pendant l'éversion. Grâce à notre nouvelle méthode et à un cadre théorique dérivé de matériaux à forme programmable, nous avons pu mesurer les motifs cellulaires sur n'importe quelle surface de tissu. Ces outils nous aident à comprendre comment les tissus animaux transforment leur forme et leur taille en trois dimensions. Dans l'ensemble, nos travaux suggèrent que les premiers signaux mécaniques aident à organiser le comportement des cellules, ce qui conduit ultérieurement à des changements de forme des tissus. Nos travaux illustrent des principes qui pourraient être utilisés plus largement pour mieux comprendre d'autres processus de modelage des tissus. »
