Les premiers jours après la fertilisation, une fois qu'un sperme de spermatozoïdes rencontre un œuf, sont enveloppés de mystère scientifique.
Le processus de la façon dont une humble cellule devient un organisme fascine les scientifiques de toutes les disciplines. Pour certains animaux, l'ensemble du processus de multiplication cellulaire, la génération de cellules spécialisées et leur organisation dans un embryon multicellulaire ordonné se déroule dans l'environnement protecteur de l'utérus, ce qui rend les observations et les études directes difficiles. Cela rend difficile pour les scientifiques de comprendre ce qui peut aller mal au cours de ce processus, et comment des facteurs de risque spécifiques et l'environnement environnant peuvent empêcher la formation d'embryons.
Les scientifiques de l'UC Santa Cruz ont pu concevoir des modèles cellulaires d'embryons sans jamais expérimenter avec des embryons réels, leur permettant d'imiter les premiers jours après que deux cellules de reproduction sexuelle se réunissent. Ils utilisent des méthodes d'ingénierie basées sur CRISPR pour inciter les cellules souches à s'organiser en structures de type embryon « programmables », également appelées embryoïdes, qui peuvent être utilisées pour étudier le rôle de certains gènes dans le développement précoce. Ces structures ne sont pas des embryons réels mais des assemblages de cellules cultivées en laboratoire qui s'auto-organisent de manière à imiter certains aspects des premiers stades de développement. Leurs résultats sont publiés dans le premier journal des cellules souches Cellule souche.
En tant que scientifiques, nous souhaitons recréer et réutiliser des phénomènes naturels, comme la formation d'un embryon, dans le plat pour permettre des études qui sont autrement difficiles à faire avec les systèmes naturels. Nous voulons savoir comment les cellules s'organisent en un modèle de type embryon, et ce qui pourrait mal tourner lorsqu'il y a des conditions pathologiques qui empêchent un animal de se développer avec succès. «
Ali Shariati, professeur adjoint de génie biomoléculaire et auteur principal de l'étude
Co-développement cellulaire
Shariati est un expert en génie des cellules souches, un domaine qui utilise des cellules souches – des cellules non spécialisées qui peuvent former tout type de cellule telles que les cellules intestinales ou cérébrales – pour étudier et résoudre des problèmes biologiques et de santé.
Ce projet, dirigé par le savant postdoctoral de l'UCSC Gerrald Lodewijk et l'ancienne élève de génie biomoléculaire et l'étudiant diplômé de Caltech actuel Sayaka Kozuki, ont utilisé des cellules souches de souris qui sont généralement cultivées en laboratoire pour les guider pour former des éléments de base de l'embryon.
L'équipe a utilisé une version de la technologie CRISPR connue sous le nom d'éditeur d'épigénome, qui ne coupe pas l'ADN mais modifie plutôt la façon dont elle est exprimée. Ils ont ciblé les régions du génome connues pour être impliquées dans le développement d'un embryon précoce. Cela leur a permis de contrôler quels gènes ont été activés et d'induire la création de principaux types de cellules nécessaires pour un développement précoce.
« Nous utilisons les cellules souches, qui sont comme une toile vierge, et les utilisons pour induire différents types de cellules à l'aide de nos outils CRISPR », a déclaré Lodewijik.
Cette méthode avait l'avantage de permettre à différents types de cellules de «co-développer», ce qui ressemble plus à la formation d'embryons naturels que les approches chimiques que d'autres scientifiques ont utilisées pour développer différents types de cellules.
« Ces cellules co-développent ensemble, tout comme elles le feraient dans un embryon réel, et établissent que l'histoire des voisins », a déclaré Shariati. « Nous ne changeons pas leur génome et ne les exposons pas à des molécules de signalisation spécifiques, mais activons plutôt les gènes existants. »
L'équipe a constaté que 80% des cellules souches s'organisent en une structure qui imite la forme la plus élémentaire d'un embryon après quelques jours, et la plupart subissent l'activation des gènes qui reflète le processus de développement qui se produit dans les organismes vivants.
« La similitude est remarquable dans la façon dont les cellules s'organisent, ainsi que la composition moléculaire », a déclaré Shariati. « (Les cellules nécessitent) très peu d'entrée de notre part – c'est comme si les cellules savaient déjà quoi faire, et nous leur donnons juste un peu de guidage. »
Les chercheurs ont observé que les cellules ont montré un comportement collectif dans le mouvement et l'organisation ensemble.
« Certains d'entre eux commencent à faire cette migration en rotation, presque comme le comportement collectif des oiseaux ou d'autres espèces », a déclaré Shariati. « Grâce à ce comportement collectif et à cette migration, ils peuvent former ces schémas embryonnaires fascinants. »
Modèles « programmables »
Le fait d'avoir un modèle de base précis qui reflète l'embryon précoce des organismes vivants pourrait permettre aux scientifiques de mieux étudier et d'apprendre à traiter les troubles du développement ou les mutations.
« Ces modèles ont une représentation plus complète de ce qui se passe dans les premiers stades de développement et peut capturer les antécédents », a déclaré Lodewijik.
La programmation CRISPR permet non seulement aux scientifiques d'activer les gènes au début du processus d'expérimentation, mais leur permet également d'activer ou de modifier les gènes importants pour d'autres parties du développement. Cela permet aux modèles d'embryons d'être «programmables», ce qui signifie qu'ils peuvent être relativement facilement influencés par un niveau de contrôle élevé pour cibler et tester l'impact de plusieurs gènes à mesure que le modèle d'embryon se développe, illuminant qui ont des effets délétères lorsqu'ils sont allumés ou désactivés.
Par exemple, les chercheurs ont démontré comment certains tissus se forment ou sont entravés pendant le développement précoce, mais leurs méthodes pourraient être utilisées pour étudier un large éventail de gènes et leurs effets en cascade sur les types de cellules.
« Je pense que c'est le travail pionnier de cette étude – la programmabilité et que nous ne comptons pas sur des facteurs extrinsèques pour ce faire, mais plutôt un contrôle à l'intérieur de la cellule », a déclaré Shariati.
Les chercheurs sont intéressés par la façon dont cette approche pourrait être utilisée pour étudier d'autres espèces, permettant un aperçu de leur formation d'embryons sans jamais utiliser leurs embryons réels.
Cette recherche pourrait permettre l'étude des goulots d'étranglement qui conduisent la reproduction à échouer aux premiers stades. Parmi les mammifères, les humains ont plus de défis de reproduction en ce que les embryons humains ne parviennent souvent pas à implanter ou à établir la forme organisationnelle précoce correcte. Comprendre pourquoi c'est le cas pourrait aider à progresser vers l'amélioration de la fertilité humaine.
