06 Mar Au fond du terrier du lapin
Un système innovant de l’Institut Weizmann permettant de suivre les premiers stades du développement embryonnaire, appliqué pour la première fois à des lapins, pourrait fournir des informations fascinantes sur la formation de l’embryon humain.
Au tout début de leur parcours de développement, les embryons de différentes espèces partagent une similitude frappante. En fait, même les chercheurs les plus expérimentés ont du mal à dire si un embryon au stade de la gastrulation – l’un des premiers stades du développement embryonnaire – deviendra une créature qui parle, qui couine ou qui gazouille.
Les embryons des différentes espèces commencent leur vie à partir de points de départ différents et, bien sûr, se développent pour devenir des espèces dotées d’organes, de caractéristiques et de tailles qui leur sont propres. Mais à un moment donné, ils présentent étonnamment des formes remarquablement similaires. Les biologistes décrivent ce phénomène à l’aide du modèle du sablier : Comme le sable qui s’écoule de bulbe en bulbe, le développement des embryons de chaque espèce de vertébrés – y compris les mammifères, les poissons, les oiseaux et les reptiles – passe par un goulot d’étranglement étroit, à l’issue duquel ils sont tous presque identiques.
(de gauche à droite) Ofir Raz, Prof. Amos Tanay, Dr. Yoav Mayshar et Dr. Yonatan Stelzer
Étant donné qu’il est très difficile d’étudier les embryons humains au stade le plus précoce de leur développement, les scientifiques ont recours à des modèles animaux, principalement des souris. Mais après près d’un siècle de recherches approfondies sur les embryons de souris, qui ont donné lieu à de nombreuses découvertes importantes, nous en savons encore très peu sur le tout début de la vie humaine. En outre, il est loin d’être certain que le modèle de développement embryonnaire de la souris soit suffisamment similaire au même processus chez l’homme.
Une étude réalisée par des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences, récemment publiée dans Cell, propose une nouvelle approche pour comprendre le mystère de la création des embryons. Cette étude réalisée par les docteurs Yonatan Stelzer et Yoav Mayshar, du Département de Biologie Cellulaire Moléculaire de Weizmann, et Ofir Raz et le Prof. Amos Tanay, des Départements d’Informatique et de Mathématiques Appliquées et de Biologie Cellulaire Moléculaire, révèle de nouvelles informations sur les premiers stades du développement embryonnaire et pourrait aider à répondre à d’autres questions clés sur le sujet. Les chercheurs ont utilisé un système qu’ils avaient mis au point dans le cadre d’une étude antérieure menée sur des souris et qui, pour la première fois, décrivait avec succès le processus de développement embryonnaire au fil du temps. Le système repose sur des informations recueillies auprès de dizaines de milliers de cellules individuelles, ainsi que sur des photos et des mesures physiques d’embryons individuels. Les chercheurs ont réussi à prendre un grand nombre de ces clichés pour créer une sorte de film qui montre, heure après heure, comment un embryon se forme.
Dans la présente étude, ils ont utilisé le même système pour relever un défi de taille, que les scientifiques avaient été contraints d’ignorer jusqu’à présent : le fait que le développement embryonnaire de la souris diffère de celui de la plupart des autres mammifères, y compris l’homme. Alors que les embryons de souris forment un cylindre allongé au cours de la gastrulation, les embryons des autres mammifères ressemblent à un disque presque plat. Cette différence géométrique fondamentale dicte les différents emplacements des cellules et tissus embryonnaires aux moments critiques où les cellules se différencient en futures cellules nerveuses, cellules reproductrices ou celles qui formeront le système digestif.
Les différences et les similitudes entre les embryons de souris et ceux d’autres mammifères soulèvent des questions fascinantes qui, jusqu’à présent, étaient difficiles à aborder : En quoi les embryons cylindriques de souris et les embryons en forme de disque se ressemblent-ils en termes d’expression génétique et de développement cellulaire, et en quoi diffèrent-ils ? Comment les gènes et les cellules de créatures aussi différentes convergent-ils et affichent-ils un comportement similaire à un certain moment du développement ? Et existe-t-il une espèce qui pourrait servir de modèle, mieux que la souris, pour percer les secrets du développement humain ?
Pour trouver des réponses, les chercheurs sont descendus dans le terrier du lapin. Bien que les lapins soient très différents des souris – encore plus qu’il n’y paraît à l’œil non averti – ils partagent certaines caractéristiques qui en font des modèles animaux précieux. Dans un premier temps, les chercheurs ont répété le processus qu’ils avaient mis en œuvre sur les souris, en cartographiant l’expression génétique et le développement des cellules et des tissus au fur et à mesure de leur évolution. Ils ont ensuite commencé à identifier les caractéristiques précises de chaque cellule et de chaque tissu en développement.
(de gauche à droite) Embryons humains, de lapin et de souris au même stade de développement : la gastrulation (vers le 18e jour du développement embryonnaire humain, vers le 7,5-8e jour de la grossesse pour les lapins et les souris). À ce stade, les embryons de l’homme, du lapin et de la plupart des autres vertébrés forment un disque presque plat, tandis que ceux de la souris ont la forme d’un cylindre allongé. Les images des embryons de lapin et de souris ont été générées dans le cadre de la présente recherche ; l’image de l’embryon humain provient de : Richard CV Tyser et al. « Single-Cell Transcriptomic Characterization of a Gastrulating Human Embryo ». Nature 600 (2021) : 285-89
« Nous avons utilisé des modèles informatiques pour identifier les gènes et caractériser les types de cellules activées au cours des premières étapes du développement embryonnaire du lapin », explique le Prof. Tanay. « Des outils technologiques de pointe nous ont permis d’atteindre, en un temps relativement court, les plus hauts niveaux de détail et de précision, qu’il avait fallu des décennies pour obtenir dans les études sur le développement embryonnaire des souris ».
Une fois cette mission complexe achevée, les chercheurs disposaient de deux « films » qui leur permettaient de comparer en temps réel le développement embryonnaire des deux espèces. Cette comparaison extrêmement significative a donné lieu à des résultats éclairants. Tout d’abord, les scientifiques ont trouvé des similitudes frappantes entre la souris et le lapin dans l’expression des gènes responsables du développement des tissus au stade de convergence décrit par le modèle du sablier – et ils ont réussi à identifier environ 75 gènes qui sont des facteurs clés dans ce processus. Cette découverte valide le modèle du sablier et montre que, malgré les formes géométriques très différentes des embryons, leurs gènes et leurs cellules se comportent de manière remarquablement similaire. Les chercheurs disposent ainsi d’un premier indice sur les processus évolutifs qui, au cours de la gastrulation, préservent chez les différentes espèces une forme embryonnaire similaire à partir de laquelle se développe ensuite une grande variété de formes.
Les chercheurs ont également identifié des différences considérables entre les souris et les lapins en ce qui concerne le développement des cellules reproductrices précoces, qui deviendront plus tard l’ovule et le spermatozoïde – des différences qui sont d’une importance capitale pour la nature et les scientifiques, car elles sont essentielles pour maintenir la continuité entre les générations. Une meilleure compréhension du développement de ces cellules chez le lapin pourrait permettre de mieux comprendre le même processus chez l’homme. Une autre différence majeure entre les souris et les lapins a été trouvée dans les tissus extra-embryonnaires, qui sont vitaux pour le bon développement de l’embryon : le placenta et le sac vitellin.
« Cette étude présente des outils informatiques et théoriques qui constituent un terrain fertile pour de futures recherches », conclut le Dr. Stelzer. « La capacité de comparer les espèces à des moments correspondants du développement embryonnaire est extrêmement importante pour comprendre les processus évolutifs. En outre, les nouvelles informations sur les lapins, qui sont apparemment plus pertinentes pour les humains que les données glanées sur les souris au fil des ans, peuvent éclairer les premiers stades du développement embryonnaire humain et contribuer à la recherche appliquée et médicale. »
La Science en Chiffres
L’existence de l’état phylotypique – le stade auquel tous les embryons de vertébrés convergent vers une forme similaire – montre que le développement embryonnaire a été conservé au cours de l’évolution sur plus de 500 millions d’années.
