Dans une étude récente publiée dans Nature Recherche cardiovasculairedes chercheurs californiens ont utilisé l’analyse multimodale unicellulaire chez la souris pour étudier les mécanismes par lesquels le diabète sucré maternel contribue aux anomalies congénitales du fœtus.
Ils ont découvert qu’au cours de l’embryogenèse, le diabète maternel modifie le paysage épigénomique des progéniteurs cardiaques et cranio-faciaux, entraînant des anomalies du développement.
Étude: Des analyses multimodales unicellulaires révèlent une base épigénomique et transcriptomique des malformations congénitales dans le diabète maternel. Crédit d’image : photo adriatique/Shutterstock.com
Sommaire
Arrière-plan
Les déficiences congénitales cardiaques et cranio-faciales coexistent souvent en raison de progéniteurs partagés et de signalisation réciproque entre ces cellules. Plusieurs facteurs génétiques et environnementaux peuvent influencer les handicaps congénitaux chez la progéniture.
Le diabète sucré prégestationnel (PGDM) est l’un de ces facteurs associés à une multiplication par cinq de l’incidence de ces anomalies. De même, l’exposition à l’acide rétinoïque (AR) peut avoir un impact négatif sur les régions cardiaques et cranio-faciales.
Bien que les mécanismes liant l’hyperglycémie aux handicaps congénitaux ne soient pas entièrement compris, le stress oxydatif et les altérations des métabolites conduisant à des changements épigénomiques sont impliqués.
Pour répondre à cette question, les chercheurs de la présente étude ont eu recours à l’analyse unicellulaire au cours du développement de la souris pour étudier les altérations épigénomiques spécifiques aux cellules et les mécanismes potentiels conduisant à des déficiences congénitales associées au diabète maternel.
À propos de l’étude
La présente étude a utilisé les souches de souris suivantes : C57BL/6J de type sauvage, RARE-hsp68LacZ et B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm6(CAG-ZsGreen1)Hze/J (Ai6), Mef2c-AHF-Cre et Alx3. –Cré. Pour comprendre comment le PGDM affecte le développement cardio-pharyngé embryonnaire, le diabète sucré a été induit chez des souris femelles en utilisant de la streptozotocine administrée par voie intrapéritonéale (STZ) pendant cinq jours.
Des femelles hyperglycémiques (> 250 mg/dl) ont été accouplées avec des mâles non traités et les embryons résultants ont été extraits au jour embryonnaire 10,5. Des souris traitées avec le véhicule (VEH) ont été utilisées comme témoins. La morphologie cardiaque a été visualisée par micro-tomodensitométrie.
En outre, le séquençage de l’ARN unicellulaire (scRNA-seq) et le test de séquençage unicellulaire de la chromatine accessible par la transposase (scATAC-seq) ont été réalisés sur les régions cardio-pharyngées des embryons disséqués.
L’appel de pointe a été effectué pour chaque cluster scATAC-seq et des régions de chromatine différentiellement accessibles (DAR) ont été identifiées. Divers outils bioinformatiques ont été utilisés à différentes étapes de l’analyse, notamment Seurat, l’analyse pondérée du réseau de co-expression génique (WGCNA), Cell Ranger et ArchR.
De plus, des expériences d’hybridation in situ, un test de luciférase et une coloration X-gal ont été réalisés sur les tissus. Aucun des échantillons n’a été exclu de l’analyse statistique et trois embryons indépendants ont été analysés dans le cadre des expériences d’expression génique.
Résultats
Par rapport aux témoins, les embryons de souris traitées au STZ ont montré une fréquence accrue de défauts dans le septum ventriculaire conotroncal, le septum auriculaire, la voie d’éjection (OFT), le tube neural, le crâne et le visage. L’analyse scATAC-seq suggère que le PGDM affecte la distribution des populations cellulaires dans les anomalies cardiaques et craniofaciales.
Une augmentation significative a été observée du nombre de progéniteurs mésodermiques cardio-pharyngés, ainsi qu’une diminution des dérivés de la crête neurale et des cardiomyocytes différenciés. Au total, 4 324 DAR ont été identifiés, principalement dans les progéniteurs cardio-pharyngés mésodermiques (48,8 %) et les cellules dérivées de la crête neurale (48,5 %).
Les résultats suggèrent que le PGDM induit des changements spécifiques aux cellules dans l’accessibilité de la chromatine embryonnaire. Des altérations transcriptomiques et épigénomiques ont été observées dans les cellules PA4/PA6 de l’arc pharyngé 2 (PA2) et Six2-high, indiquant un statut moins différencié.
En outre, l’analyse multimodale des cellules de la crête neurale à une résolution unicellulaire a montré qu’un sous-ensemble relativement indifférencié de cellules de la crête neurale PA2 est modifié épigénétiquement par le PGDM. Cela entraîne une dérégulation transcriptionnelle des gènes associés à la structuration, à la migration cellulaire et à la différenciation cellulaire.
L’examen des éléments régulateurs au sein de ces types de cellules spécifiques a révélé une dérégulation de la signalisation de la PR et de l’homéobox en aval (Hox) gènes dans AHF2 (abréviation de champ cardiaque antérieur 2) et PA2. Cette activité aberrante de la PR a conduit à une dérégulation de la structuration et à la perte de signatures de transcription spécifiques aux cellules.
De plus, il a été constaté que le diabète maternel induisait des changements épigénomiques. Il a augmenté la « postériorisation » chez les progéniteurs cardiaques exprimant une protéine nommée Alx3 (abréviation de aristaless-like homeobox 3), en particulier dans le sous-ensemble AHF2 nouvellement identifié, affectant la configuration antéro-postérieure (AP).
Selon l’étude, les cellules AHF2 Alx3-positives contribuent à des défauts spécifiques dans la région OFT et l’oreillette. Dans des conditions hyperglycémiques, les cellules AHF2 évoluent vers un état de type squelettique avec une augmentation Hoxb1 (gène homeobox B1), suggérant un mécanisme potentiel de structuration anormale A – P dans le développement cardiaque.
Conclusion
En conclusion, l’étude montre que bien que toutes les cellules embryonnaires subissent une exposition environnementale similaire sous la forme de PGDM et d’hyperglycémie associée, seul un petit sous-ensemble de cellules présente une vulnérabilité épigénomique, expliquant potentiellement les déficiences congénitales craniofaciales et cardiaques de la progéniture.
Il démontre l’utilité de l’analyse multimodale unicellulaire comme outil pour étudier l’impact des facteurs environnementaux sur le développement embryonnaire. Des recherches supplémentaires doivent être menées pour déterminer pourquoi seuls certains types de cellules présentent une sensibilité accrue à l’influence de l’environnement par rapport à d’autres.
De plus, compte tenu de l’augmentation de l’incidence mondiale du PGDM, il serait important d’étudier plus en profondeur les mécanismes sous-jacents aux changements épigénomiques et transcriptomiques associés à cette maladie afin de faciliter la mise en œuvre d’approches thérapeutiques potentielles au cours du développement fœtal.
