Bien que le corps humain soit symétrique extérieurement sur l’axe gauche-droite, il existe des asymétries gauche-droite remarquables dans la forme et le positionnement de la plupart des organes internes, y compris le cœur, les poumons, le foie, l’estomac et le cerveau.
L’asymétrie gauche-droite est connue pour être établie au début de l’embryogenèse par un petit groupe de cellules appelé organisateur gauche-droite. Au sein de cet organisateur, des cils mobiles, des structures ressemblant à des cheveux à la surface des cellules, battent rapidement pour créer un flux directionnel de liquide extracellulaire vers la gauche, qui est le premier signe extérieur d’une différence gauche-droite.
Ce flux précoce s’est avéré essentiel à la distinction entre la droite et la gauche; cependant, la façon dont ce flux est détecté et traduit en asymétrie gauche-droite est inconnue.
Une nouvelle étude menée par des chercheurs du Massachusetts General Hospital (MGH) révèle maintenant que les cils de l’organisateur fonctionnent comme les créateurs du flux – ils agissent également comme des capteurs des forces biomécaniques exercées par le flux pour façonner le plan corporel gauche-droit du embryon en développement.
Les résultats ont été publiés dans la revue La science.
« Près de 25 ans de travail par de nombreux groupes [has] ont montré que les cils et le flux dans l’organisateur sont absolument essentiels pour établir l’asymétrie gauche-droite du corps », déclare Shiaulou Yuan, Ph.D., chercheur au Centre de recherche cardiovasculaire du Massachusetts General Hospital et professeur adjoint de médecine à la Harvard Medical School, et auteur principal de l’étude. »Mais nous n’avons pas eu les bons outils ou techniques pour étudier définitivement comment tout cela fonctionne. »
Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont utilisé le poisson zèbre comme modèle de développement gauche-droite et ont utilisé une nouvelle boîte à outils optique composée d’une microscopie personnalisée et d’une analyse d’apprentissage automatique.
Leur approche était unique car ils ont développé et déployé des pincettes optiques – un outil biophysique qui utilise la lumière pour maintenir et déplacer des objets microscopiques similaires à un rayon tracteur – qui permettaient pour la première fois de délivrer avec précision une force mécanique sur les cils d’un animal vivant intact.
En utilisant ces outils, les chercheurs ont découvert que les cils sont des mécanocapteurs de surface cellulaire qui sont importants pour l’asymétrie gauche-droite du corps en développement et des organes tels que le cœur.
En utilisant des pincettes optiques pour appliquer une force mécanique sur les cils dans l’organisateur gauche-droite du poisson zèbre, ils ont montré qu’un sous-ensemble de cils organisateurs détectent et traduisent les forces d’écoulement en signaux de calcium qui contrôlent le développement gauche-droite chez le poisson zèbre.
Les défauts d’asymétrie gauche-droite sont associés à de nombreux troubles humains, notamment le syndrome d’hétérotaxie, la dyskinésie ciliaire primaire et les cardiopathies congénitales.
« Les connaissances tirées de cette étude font non seulement progresser notre compréhension des processus cellulaires fondamentaux qui régissent le développement du corps humain, mais elles peuvent également ouvrir de nouvelles voies pour le développement de nouveaux diagnostics de ces troubles », déclare Yuan. « De plus, ce travail pourrait ouvrir la voie à des thérapies ciblées sur la signalisation et la mécanodétection des cils pour améliorer les résultats. »
Yuan et ses collègues continuent d’étudier les mécanismes moléculaires qui régissent la détection de la force des cils. Ils continuent également à développer de nouvelles stratégies pour visualiser et manipuler la signalisation des cils, dans le but à long terme de développer de nouveaux outils pour le traitement des troubles associés aux cils.
« Ces résultats, et les outils qui les ont rendus possibles, ont ouvert une nouvelle fenêtre sur le modèle de développement de l’embryon et ont également ouvert la boîte de Pandore », déclare Scott E. Fraser, professeur principal de biologie et de bio-ingénierie à l’Université de Southern. Californie et co-auteur de cette étude. « Cela nous rappelle que nous avons tellement plus à apprendre sur l’impact de la signalisation et de la mécanobiologie des cils sur le développement et la maladie. »
Parmi les autres auteurs du MGH et de la Harvard Medical School figurent Lydia Djenoune, Mohammed Mahamdeh et Christopher Nguyen. D’autres auteurs incluent Thai V. Truong de l’Université de Californie du Sud, et Martina Brueckner et Jonathon Howard de l’Université de Yale.
Plus d’information:
Lydia Djenoune et al, Cilia fonctionnent comme des mécanocapteurs médiés par le calcium qui instruisent l’asymétrie gauche-droite, La science (2023). DOI : 10.1126/science.abq7317