Seulement deux semaines après la fécondation, les premiers signes de la formation des 3 axes du corps humain (tête/queue, ventral/dorsal et droite/gauche) commencent à apparaître. À ce stade, connu sous le nom de gastrulation, une feuille de cellules plate et sans relief se plie en un modèle vivant pour le corps, une transformation éphémère en axes et en couches qui détermineront le développement de chaque tissu. Ce moment crucial est cependant depuis longtemps hors de portée de la science, car il se produit trop tôt et trop profondément dans l’utérus pour être étudié directement.
Aujourd’hui, une nouvelle étude révèle que cette étape cruciale du développement humain est guidée par une interaction précise entre les signaux chimiques et les forces physiques. Publié dans Cellule souchel'article présente un outil d'embryon synthétique basé sur la lumière qui permet aux chercheurs d'activer des protéines clés du développement connues pour initier la gastrulation. Lorsque l’équipe a utilisé la lumière pour déclencher l’une de ces protéines, BMP4, elle a découvert que les signaux chimiques seuls ne suffisaient pas : la transformation ne commençait que lorsque les cellules étaient également dans des conditions mécaniques correctes. Les résultats révèlent une interdépendance fondamentale entre la mécanique tissulaire et la signalisation moléculaire, offrant un modèle plus fidèle du développement humain précoce et une base potentielle pour les futures thérapies régénératives et de fertilité.
Nous pouvons désormais générer une auto-organisation et différents types de cellules, simplement en les mettant en lumière. Cela nous a permis de faire une découverte majeure sur le rôle des forces mécaniques dans le développement embryonnaire. »
Ali H. Brivanlou, chef du Laboratoire d'embryologie synthétique, Université Rockefeller
Les progrès de l’optogénétique apportent un nouvel éclairage
La gastrulation commence par une rupture de symétrie. Une feuille uniforme de cellules embryonnaires s'organise selon un axe tridimensionnel de la tête à la queue, le plan spatial qui détermine l'endroit où la tête, la colonne vertébrale et les membres finiront par se former. Brivanlou et ses collègues élucident le mystère de cette étape clé du développement depuis des décennies, à l'aide de modèles animaux et d'études en laboratoire sur des cellules souches embryonnaires humaines. « La gastrulation se produit dans l'utérus peu de temps après l'implantation, elle ne peut donc pas être étudiée sans l'utilisation de cellules souches pluripotentes humaines, in vitro« , explique Riccardo De Santis, directeur du Centre de ressources sur les cellules souches pluripotentes humaines de Rockefeller et co-premier auteur de cette étude, avec le physicien théoricien Laurent Jutras-Dubé. « Notre objectif était d'ouvrir une fenêtre sur un moment de développement qui ne pourrait autrement être étudié. in vivo« .
Des travaux antérieurs ont démontré que les molécules de signalisation biochimiques, telles que la BMP4, influencent le comportement des cellules et des tissus pour réguler le développement embryonnaire. Mais des études sur des embryons de grenouilles et de poulets suggèrent que ce n’est qu’une partie de l’histoire. La tension mécanique, la géométrie des tissus et diverses forces physiques semblent également jouer un rôle dans le développement des embryons animaux. « De nombreuses données arrivent enfin et il est désormais clair que le rôle de la signalisation mécanique a été sous-estimé », déclare De Santis.
De Santis a développé un outil optogénétique qui permet à l'équipe d'étudier l'interaction entre les signaux biochimiques et les forces mécaniques, dans le contexte du développement humain. En concevant des cellules souches embryonnaires humaines pour qu'elles réagissent à la lumière, son système a permis aux chercheurs d'activer les gènes du développement avec une précision extraordinaire. Lorsqu’elles sont exposées à une longueur d’onde spécifique de lumière, les cellules ont été conçues pour activer un interrupteur génétique qui active en permanence BMP4. Cette configuration a également permis aux scientifiques de choisir exactement quand et où le signal est activé dans l'amas de cellules embryonnaires, leur permettant ainsi de tester, pour la première fois, comment la géométrie des tissus et le stress mécanique à n'importe quel endroit physique de l'embryon pourraient influencer le développement.
La montée des forces mécaniques
Lorsque l’équipe a utilisé ce système basé sur la lumière pour activer la signalisation BMP4 dans les cellules souches humaines, le rôle des forces mécaniques est rapidement devenu clair. Dans les cultures où la BMP4 a été déclenchée dans des environnements non confinés et à faible tension, la gastrulation n’a jamais complètement fusionné. La BMP4 seule était suffisante pour donner naissance à des types de cellules extra-embryonnaires, comme celles qui forment l'amnios, mais l'échantillon n'a pas réussi à générer le mésoderme et l'endoderme, les couches qui constituent les organes du corps. Cela démontre que les morphogènes seuls ne suffisent pas à accomplir la gastrulation.
Mais lorsque l’équipe a pointé sa « télécommande » vers les bords des colonies cellulaires confinées et vers les cellules noyées dans des hydrogels induisant des tensions, les couches manquantes de la gastrulation ont commencé à se former. D'autres expériences ont révélé comment la tension mécanique via YAP1 ajuste les voies de signalisation biochimiques en aval médiées par WNT et Nodal, qui indiquent aux cellules quels types de tissus devenir. Une étude précédente dirigée par Francesco Piccolo, associé de recherche principal, en collaboration avec feu Jim Hudspeth, chef du laboratoire de neurosciences sensorielles de Rockefeller, a démontré que les niveaux nucléaires de la protéine mécanosensorielle YAP1 jouent un rôle crucial dans la régulation de l'auto-organisation dans les micromodèles (Piccolo et al., 2022). La présente étude a révélé que le YAP1 nucléaire agit comme un frein moléculaire de la gastrulation, empêchant ces transformations de se produire trop tôt. Les résultats suggèrent que la gastrulation ne peut commencer que lorsque les signaux moléculaires et la tension mécanique alignent les cellules, semble-t-il, doivent être à la fois préparées chimiquement et physiquement amorcées.
« Il y a eu tellement de belles biologies moléculaires sur l'embryon, tellement de travaux incroyables sur la signalisation. Mais nous avons, en tant que domaine, négligé les forces physiques », déclare Brivanlou. « Il est désormais clair que, sans forces mécaniques, nous ne pouvons pas générer de cellules permettant un développement embryonnaire adéquat. »
Les résultats démontrent non seulement la puissance des outils optogénétiques et l’importance des forces mécaniques, mais fournissent également un nouveau cadre pour comprendre comment les embryons humains s’organisent dès les premiers stades. Pour compléter les expériences, Laurent Jutras-Dubé a développé un modèle mathématique agissant comme un « jumeau numérique » d'un embryon en développement. Cette simulation informatique montre comment les signaux biochimiques tels que BMP4, WNT et NODAL se déplacent dans les tissus et interagissent avec les forces physiques. En utilisant des mesures réelles de tension mécanique, le modèle peut prédire comment les modèles de signalisation et l'organisation des tissus conduisent à des couches cellulaires spécifiques. Les simulations correspondent étroitement à ce qui a été observé expérimentalement, démontrant que les signaux biochimiques et la tension mécanique doivent fonctionner ensemble pour que cette cascade de signalisation embryonnaire s'auto-organise. Cette approche intégrée fournit un moyen quantitatif de comprendre comment l'embryon évolue au cours du développement précoce. Construits sur une plate-forme de micropuces, ces embryons synthétiques améliorés s'appuient sur des travaux marquants du laboratoire Brivanlou qui, en 2014, a été le premier à montrer que les cellules souches embryonnaires humaines cultivées sur des micropuces pouvaient s'auto-organiser en « gastruloïdes » bidimensionnels qui imitent les premiers schémas de développement.
Ensuite, l’équipe envisage d’explorer l’existence possible d’un organisateur mécanique, une contrepartie basée sur la force des centres de signalisation classiques qui façonnent l’embryon précoce. Ils soupçonnent qu’en plus des signaux chimiques, l’embryon doit satisfaire à des conditions physiques spécifiques pour franchir les étapes de son développement – un état que les auteurs appellent compétence mécanique. « L'existence d'un organisateur mécanique est un concept provocateur qui pourrait s'avérer transformateur », déclare De Santis.
Au-delà de son impact conceptuel, l’embryon optogénétique télécommandé offre une plate-forme d’expérimentation sans précédent, permettant un contrôle par la lumière des signaux de développement dans des microenvironnements modifiés. De tels systèmes pourraient faire progresser la médecine régénérative et la santé reproductive, depuis le perfectionnement des thérapies à base de cellules souches qui s'activent à la demande jusqu'à la compréhension des raisons pour lesquelles les grossesses précoces échouent parfois. « Notre travail se concentre sur la biologie fondamentale et la science fondamentale, mais les implications sont vraiment importantes en termes de soutien à la fertilité », explique De Santis. « Lorsque nous améliorons notre compréhension des règles sous-jacentes de l'embryogenèse, nous pouvons utiliser ces informations pour offrir aux gens les meilleures opportunités de fonder de futures familles. »
Le présent ouvrage offre déjà une vision sans précédent de là où nous avons tous commencé. « Parfois, les scientifiques se perdent dans les outils, les puces et les lumières, et nous oublions que ce type de recherche est spécial », explique Brivanlou. « Quand je regarde la gastrulation, j'ai l'impression de regarder un miroir qui reflète mon propre passé. C'est plus que de la science. C'est l'occasion de regarder d'où nous venons tous, cette étape magique de développement qui fait de nous ce que nous sommes. »
