Des scientifiques du groupe Ebisuya de l'EMBL de Barcelone, avec des collaborateurs de RIKEN, de l'Université de Kyoto et de l'hôpital Meijo de Nagoya, au Japon, ont étudié des modèles oscillants d'expression génique, coordonnés dans le temps et l'espace dans un tissu cultivé in vitro, pour explorer les causes moléculaires d'un maladie héréditaire humaine rare connue sous le nom de dysostose spondylocostale. Leurs résultats sont publiés dans Nature.
Horloge de segmentation
Notre colonne vertébrale est une structure hautement répétitive – 33 vertèbres de haut en bas. Cet arrangement est créé dans l'embryon par la formation séquentielle d'une longue rangée de structures appelées somites (voir image), qui donnent ensuite naissance aux vertèbres et aux côtes. Ce modèle périodique de somites est créé par un groupe de gènes connus sous le nom d'horloge de segmentation. Les interactions moléculaires au sein de la cellule font osciller l'expression de ces gènes, l'activité des gènes augmentant et diminuant de façon régulière au fil du temps (voir le film ci-dessous). Pour chaque oscillation, un autre somite se forme. Des erreurs dans cette horloge de segmentation peuvent provoquer des troubles héréditaires des vertèbres, tels que la dysostose spondylocostale (SCD).
La dynamique de l'horloge de segmentation humaine et des maladies apparentées ne peut pas être étudiée directement dans les embryons humains, donc le chercheur de l'EMBL Mitsuhiro Matsuda et ses collaborateurs ont essayé de créer un système pour étudier ce processus en laboratoire. Ils ont créé des lignées cellulaires qui manquaient chacune d'un gène supposé être la mutation causale de la SCD – qui peut être causée par n'importe lequel de plusieurs gènes – chez différents patients. Ils ont cultivé ces cellules pour créer des versions simplifiées d'un embryon qui présentent bon nombre des mêmes caractéristiques. Alors que les cellules dépourvues d'un gène appelé HES7 n'ont pas montré d'oscillations, les cellules dépourvues des gènes DLL3 et LFNG ont étonnamment montré des oscillations intactes. Cependant, malgré les oscillations qui se produisent dans ces lignées cellulaires au niveau unicellulaire, elles ne se coordonnent pas correctement à travers le tissu pour former des oscillations collectives synchronisées ou des ondes progressives d'activité génique.
D'autres tests
Ces expériences ont démontré que le système de culture que les scientifiques ont créé pouvait révéler des mutations SCD qui avaient été conçues pour des cellules autrement saines. Mais qu'en est-il du test direct des cellules des patients? Ils ont établi une nouvelle lignée cellulaire à partir d'un patient présentant une mutation dans DLL3 et l'ont testée in vitro. Comme prévu, cette lignée cellulaire n'a pas pu montrer les vagues qui se déplacent. Pour fournir la preuve la plus forte que la mutation DLL3 en était la cause, les chercheurs ont utilisé l'outil d'édition de gènes CRISPR-Cas9 pour corriger la mutation du patient. Cela a rétabli la synchronisation normale de l'horloge de segmentation dans le tissu in vitro, prouvant que cette mutation spécifique était responsable.
L'horloge de segmentation, mécanisme sous-jacent aux structures périodiques de la colonne vertébrale, a été récapitulée in vitro. Nous avons également réussi à évaluer séparément deux propriétés importantes de l'horloge de segmentation: l'oscillation et la synchronisation. HES7, DLL3 et LFNG étaient déjà connus comme des gènes responsables de SCD. Mais, pour de nombreux patients SCD, les gènes responsables sont encore inconnus. Notre prochain objectif est d'identifier un nouveau gène causal de la SCD en utilisant notre nouveau modèle in vitro. «
Miki Ebisuya, chef de groupe EMBL
La source:
Laboratoire européen de biologie moléculaire
Référence de la revue:
Matsuda, M., et al. (2020) Récapitulant l'horloge de segmentation humaine avec des cellules souches pluripotentes. La nature. doi.org/10.1038/s41586-020-2144-9.
