Comment les cellules souches savent-elles quoi devenir ?
Près de trois décennies après que les scientifiques ont isolé les premières cellules souches embryonnaires humaines, les chercheurs travaillent toujours dur pour comprendre précisément comment une seule cellule indifférenciée peut devenir l’un des quelque 200 types de cellules qui composent le corps humain.
Une nouvelle étude offre des informations clés, décrivant comment les unités de stockage cellulaires appelées « corps P » influencent fortement le destin d'une cellule. En manipulant les corps P, les scientifiques ont pu créer efficacement des types de cellules difficiles à développer en laboratoire, notamment des « cellules germinales » (les cellules qui précèdent les spermatozoïdes et les ovules) et des cellules « totipotentes », qui peuvent devenir n'importe quel type de cellule du corps.
J’aime y voir une alchimie cellulaire. Si nous parvenons à comprendre comment manipuler le destin cellulaire – pour amener un type de cellule à devenir un autre type de cellule – tout un monde d’applications s’ouvrira. Notre document en jette les bases. »
Justin Brumbaugh, co-auteur principal et professeur adjoint de biologie moléculaire, cellulaire et développementale, CU Boulder
Les résultats, publiés le 28 octobre dans la revue Biotechnologie naturellepourrait aider à mieux comprendre comment les embryons se forment et comment la maladie apparaît. Ils pourraient également ouvrir de nouvelles voies pour développer des traitements de fertilité, régénérer des organes et tester de nouveaux médicaments, a déclaré le co-auteur principal Bruno Di Stefano, professeur adjoint au Centre de cellules souches et de médecine régénérative du Baylor College of Medicine.
« Il est très utile de comprendre, au niveau le plus élémentaire, le fonctionnement de la biologie », a déclaré Di Stefano.
Ouvrir les coffres
Pour l’étude, l’équipe de recherche a examiné les cellules souches embryonnaires humaines, de souris et de poulet alors qu’elles franchissaient diverses étapes de différenciation. Ils se sont concentrés sur les corps P, ou corps de traitement, des amas d'acide ribonucléique (ARN) et de protéines trouvés dans le cytoplasme des cellules d'une variété d'espèces vertébrées.
Roy Parker, professeur de biochimie à la CU Boulder, a découvert les corps P en 2003. Depuis lors, des études ont associé la dérégulation du corps P à des maladies, notamment la maladie de Parkinson et certains cancers.
Les scientifiques pensaient auparavant que les corps P servaient de sorte de tiroir à déchets pour la cellule, où l'ARN – la molécule pédagogique qui indique à une cellule quels gènes exprimer – était caché et dégradé lorsqu'il n'était pas utilisé.
La nouvelle étude a révélé que les corps P ressemblent davantage à des bacs de stockage organisés qu’à un tiroir à déchets, avec différents types de cellules contenant différents types d’ARN qui, s’ils étaient libérés, auraient guidé la cellule vers un destin différent.
« Notre travail montre que les corps P séquestrent les produits de certains gènes pour amortir leur fonction et diriger les changements d'identité cellulaire », a déclaré Brumbaugh.
De manière critique, les chercheurs ont découvert que s’ils perturbaient les corps P ou ouvraient le conteneur de stockage, ils pourraient rendre ces instructions à nouveau lisibles et rembobiner les cellules à un stade de développement antérieur, plus malléable.
Si l’on considère les étapes de développement comme un arbre à l’envers, avec une seule cellule au sommet, descendant à travers un tronc et se ramifiant en cellules de plus en plus spécialisées (peau, poumon, neurone, etc.), les chercheurs ont pu guider les cellules situées aux extrémités des branches vers le tronc où elles pourraient être plus facilement poussées pour devenir autre chose.
Ce faisant, ils ont pu guider efficacement des cellules plus matures pour qu’elles deviennent des cellules ressemblant à des cellules germinales primordiales (PGCLC), des cellules cultivées en laboratoire qui imitent les cellules germinales ou des cellules de type totipotentes.
« Les cellules de type totipotentes sont en quelque sorte le Saint Graal pour la biologie des cellules souches », a déclaré Brumbaugh. « Être capable de créer ces types de cellules et de les étudier est quelque chose d'extrêmement difficile. »
Ramifications potentielles pour la santé humaine
Les chercheurs imaginent un jour où les cellules germinales développées en laboratoire via ce processus pourraient former des spermatozoïdes ou des ovules pour faciliter de nouveaux traitements de fertilité.
Et, en théorie, les cellules totipotentes, dérivées de quelque chose d'aussi simple qu'une cellule de la peau, pourraient être utilisées pour régénérer des organes ou des tissus ravagés par une maladie.
À plus court terme, les cellules de développement précoce générées en laboratoire pourraient être d’une valeur inestimable pour comprendre les origines de la maladie.
Par exemple, les scientifiques pourraient prélever un neurone sur une personne atteinte de la maladie de Parkinson, le ramener à ses premiers stades de développement et examiner ce qui n'a pas fonctionné. Ou encore, ils pourraient examiner des cellules germinales cultivées en laboratoire pour explorer ce qui pourrait conduire à l'infertilité ou à des malformations congénitales.
Les développeurs de médicaments pourraient également utiliser ces cellules pour créer des tissus spécialisés destinés aux tests de médicaments, ont indiqué les chercheurs.
L’étude a également révélé que les ARN non codants appelés microARN jouent un rôle essentiel dans la détermination des ARN stockés à l’intérieur des corps P. La modulation de ces microARN pourrait conduire à de nouvelles thérapies.
Des recherches supplémentaires sont déjà en cours.
« C'est passionnant de comprendre comment les choses fonctionnent », a déclaré Di Stefano. « Maintenant que nous savons ce qui motive ce processus, nous pouvons le manipuler. »
