Dans une étude récente publiée dans la revue Natureune grande équipe de chercheurs des États-Unis a utilisé le séquençage de l'acide ribonucléique (ARN) unicellulaire combiné à une hybridation in situ par fluorescence à haute résolution pour déterminer l'identité des différents types de cellules qui se coordonnent spatialement pour donner naissance au complexe structure morphologique du cœur.
Étude : Les communautés cellulaires spatialement organisées forment le cœur humain en développement. Crédit d'image : Beerkoff/Shutterstock
Sommaire
Arrière-plan
Chaque structure complexe du cœur humain joue des rôles spécifiques qui contribuent à une fonction cardiaque efficace, et l'interruption de l'une de ces fonctions peut entraîner des déficiences congénitales telles que des cardiopathies congénitales chez les enfants et des maladies cardiaques telles que des valvulopathies et des cardiomyopathies chez les adultes. Cependant, malgré le rôle essentiel du cœur dans le corps humain, l’organisation et la fonction des structures cardiaques ainsi que la manière dont elles interagissent les unes avec les autres restent mal comprises.
À propos de l'étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé une approche de séquençage d’ARN unicellulaire (scRNAseq) ainsi qu’une hybridation in situ en fluorescence multiplexée robuste aux erreurs (MER-FISH). Cette stratégie leur a permis de combiner les transcriptomes unicellulaires et la biologie spatiale et de visualiser, analyser et quantifier les transcriptions d'ARN d'un grand nombre de gènes provenant d'une seule cellule.
Ils ont commencé par identifier les lignées cellulaires qui faisaient partie du cœur en développement, ce qui a permis de déterminer comment les différents types de cellules cardiaques s’assemblent en structures complexes et se coordonnent pour réguler la fonction du cœur humain. Le scRNAseq a été réalisé en répétition et analysé pour détecter les cœurs humains à différents stades de croissance, à partir de neuf semaines et jusqu'à 16 semaines après la conception.
Les cellules individuelles obtenues, au nombre de plus de 140 millions, ont été classées par transcription en cinq compartiments cellulaires : cardiomyocytes, endothéliaux, mésenchymateux, neuronaux et sanguins. Au sein de ces compartiments cellulaires, l’analyse des marqueurs génétiques a permis d’identifier 12 classes de cellules, suivies d’analyses de regroupement identifiant 39 populations et 75 sous-populations de cellules.
MER-FISH a ensuite été utilisé pour cartographier spatialement les cellules cardiaques et explorer les mécanismes cellulaires par lesquels le remodelage et la morphogenèse du cœur, y compris le développement de la paroi ventriculaire, étaient dirigés. L’organisation des cellules identifiées grâce au scRNAseq, notamment lors des périodes de développement telles que le compactage de la paroi myocardique, a été explorée grâce à l’imagerie MER-FISH.
L’étude visait ensuite à déchiffrer l’assemblage de ces cellules cardiovasculaires spécifiques en quartiers cellulaires qui se rassemblent pour former les structures multicellulaires qui contribuent à la fonction cardiaque. Les scientifiques ont également exploré la complexité organisationnelle et cellulaire de régions spécifiques, telles que les ventricules, en explorant les cellules des ventricules qui ont été identifiées, isolées et cartographiées à l'aide de MER-FISH. De plus, des modèles murins ont été utilisés pour interroger les interactions entre les cellules. in vivo expériences, et des cellules souches pluripotentes provenant d'humains ont été utilisées pour évaluer la même chose dans in vitro expériences.
un, À gauche, schéma d'expérience. À droite, scRNA-seq identifie une gamme diversifiée de cellules cardiaques distinctes qui créent le cœur humain en développement, comme le montre l'approximation et la projection multiples uniformes (UMAP) d'environ 143 000 cellules. b, Le schéma montre comment 238 gènes spécifiques aux cellules cardiaques ont été identifiés spatialement à l'aide de MERFISH. Des points pseudo-colorés marquent l'emplacement des molécules individuelles de dix transcrits d'ARN spécifiques. cEnviron 250 000 cellules cardiaques identifiées par MERFISH ont été regroupées en populations cellulaires spécifiques, comme le montre l'UMAP, et colorées en conséquence. d. dLes cellules MERFISH identifiées ont été cartographiées spatialement sur une section frontale d'un cœur de 13 pcw (à gauche) et présentées selon les principales classes de cellules (à droite). eL'intégration conjointe entre MERFISH et les ensembles de données scRNA-seq correspondant à l'âge a permis le transfert d'étiquettes cellulaires et l'imputation du gène MERFISH. FLa carte thermique de cooccurrence montre la correspondance des annotations cellulaires des cellules MERFISH avec celles transférées à partir de l'ensemble de données scRNA-seq de 13 pcw. g, Les performances d'imputation génique ont été validées spatialement en comparant les profils d'expression génique normalisés des gènes marqueurs mesurés par MERFISH avec les profils d'expression génique imputés correspondants. Épi, épicardique ; VM, valvule mitrale ; P-RBC, plaquettes-globules rouges ; TV, valve tricuspide. Barre d'échelle, 250 µm (g). Illustration dans un a été créé à l'aide de BioRender (https://www.biorender.com).
Résultats
Les résultats ont révélé que divers types de cellules cardiaques appartenaient à des sous-populations spécifiques faisant partie de communautés spécifiques, avec une spécialisation fonctionnelle définie en fonction de la région anatomique dans laquelle elles étaient présentes et de l'écosystème cellulaire. Les lignées de cardiomyocytes constituaient le plus grand compartiment cellulaire identifié à l'aide de MER-FISH. L’étude a également révélé que les cellules appartenant à des compartiments cellulaires non cardiomyocytes subissaient également une ségrégation en populations et sous-populations et contribuaient à la formation de structures et de régions spécifiques du cœur.
Les sous-populations de cardiomyocytes dans les régions ventriculaires ont montré la capacité de construire des structures laminales complexes dans la paroi ventriculaire et de former des communautés cellulaires avec d'autres sous-populations de cellules cardiaques. Par ailleurs, le in vivo et in vitro les expériences menées pour comprendre les interactions entre les cellules ont révélé que l'organisation spatiale des sous-populations de cellules cardiaques au cours de la morphogenèse de la paroi ventriculaire s'effectuait par diverses voies de signalisation.
L’étude a également révélé des régions cardiaques composées de combinaisons spatialement organisées de populations cellulaires séparées, appelées communautés cellulaires. Ces communautés cellulaires variaient en nombre et en types de populations cellulaires, et au sein de ces communautés, les voisins de chaque cellule cardiaque dans un rayon de 150 micromètres étaient définis. Ces populations de cellules en interaction avaient également des voies de signalisation cellulaire distinctes.
Conclusions
Dans l’ensemble, l’étude a révélé que les cardiomyocytes constituaient le plus grand compartiment de types de cellules dans le cœur en développement et que tous les types de cellules présentaient des distributions structurelles et régionales distinctes dans le cœur. Des populations cellulaires spécifiques ont également formé des communautés cellulaires dans diverses combinaisons, les voies de signalisation entre les populations cellulaires au sein de la communauté définissant leur structure et leur fonction. L’étude a aidé à comprendre le développement de la structure complexe du cœur humain, ouvrant ainsi la voie au traitement des maladies cardiaques structurelles.
