Le cerveau de tous les animaux d’ordre supérieur est rempli d’un large éventail de types de neurones, avec des formes et des fonctions spécifiques. Pourtant, lorsque ces cerveaux se forment au cours du développement embryonnaire, il n’y a initialement qu’un petit groupe de types de cellules avec lesquels travailler. Alors, comment les neurones se diversifient-ils au cours du développement de l’embryon ? Les chercheurs savent que les cellules souches neurales appelées neuroblastes se divisent plusieurs fois pour produire séquentiellement des neurones de fonction spécialisée, mais les mécanismes de ce processus et la façon dont le moment varie pour différents gènes et types de neurones ne sont toujours pas entièrement compris.
Dans un nouvel article publié dans eVieAlokananda Ray, candidat au doctorat à l’époque de l’étude et maintenant diplômé, et Xin Li (GNDP), professeur adjoint de biologie cellulaire et du développement à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont fait la lumière sur le processus dans le médulle optique de Drosophila melanogaster, la mouche des fruits.
Au fur et à mesure que les neuroblastes se divisent et se différencient, ils expriment des facteurs de transcription qui dirigent finalement les cellules filles sur le type de neurone à être. Parce qu’ils s’expriment d’une manière particulière selon le moment où ils se séparent, ces facteurs de transcription, appelés facteurs de transcription temporels, agissent comme un marqueur qui indique aux chercheurs à quel stade précis se trouve le neuroblaste et leur permet de reconstituer l’ordre des événements dans ce cascade de neurogenèse. Les chercheurs se sont concentrés sur deux TTF différents dans le cerveau de la mouche des fruits, appelés eyeless et sloppy-paired, pour mieux comprendre comment les différences dans l’expression des TTF conduisent à des destins neuronaux différents.
« Les systèmes nerveux se diversifient d’un petit pool de cellules souches neurales à la grande diversité de neurones que nous voyons dans les cerveaux adultes d’animaux d’ordre supérieur », a déclaré Ray. « Nous voulions vraiment comprendre les mécanismes moléculaires qui conduisent la transition de ces neuroblastes de l’expression d’un facteur de transcription temporel au facteur de transcription suivant, qui détermine finalement quel type de neurones deviendront ces descendants. »
Les chercheurs ont utilisé la génétique et un certain nombre de techniques, notamment des dosages de rapporteurs, la coloration des anticorps et la microscopie pour mesurer le schéma d’expression des gènes dans la moelle optique des cerveaux des mouches des fruits au cours du développement. Typiquement, les régions de l’ADN qui sont considérées comme « importantes » sont les séquences qui contiennent des gènes. Cependant, grâce à ces expériences, les chercheurs ont découvert que deux régions non codantes proches des gènes appariés bâclés étaient essentielles pour s’assurer que les TTF appariés bâclés s’exprimaient au bon moment et en quantité. Les chercheurs ont ensuite supprimé ces régions d’ADN non codantes, appelées activateurs, en utilisant la technique d’édition de gènes CRISPR pour voir comment le cerveau des mouches était affecté, et ont découvert que les mouches avec des activateurs supprimés montraient une absence totale d’expression du TTF apparié bâclé. dans les neuroblastes médullaires.
« À l’extérieur, nous ne voyons pas de changements morphologiques résultant de la suppression des amplificateurs appariés bâclés, mais les neurones générés au stade apparié bâclé seront absents du cerveau, et je pense que les neurones générés dans les étapes ultérieures seront également perdus », dit Li.
La deuxième découverte majeure de l’article était qu’un mécanisme appelé signalisation Notch fonctionne avec les TTF précédents pour activer l’expression des prochains TTF en question. Les chercheurs ont déterminé que non seulement la signalisation Notch est importante pour réguler l’expression du TTF, mais que la façon dont elle régule dépend de l’endroit où se trouvent les cellules dans la cascade de neurogenèse. En d’autres termes, une fois qu’un certain nombre d’un type de neurone spécifique a été fabriqué, la signalisation Notch régule la transition de sorte que les neuroblastes commencent à se différencier en un type de neurone différent.
« Un TTF est nécessaire pour activer le prochain TTF, mais cela seul n’est pas suffisant pour provoquer la transition », a expliqué Li. « Après chaque cycle cellulaire, la signalisation Notch activera davantage le TTF suivant jusqu’à ce qu’un certain niveau soit atteint, moment auquel il réprimera le TTF précédent, puis la transition vers l’étape TTF suivante se produira. Fondamentalement, ce mécanisme couple la structuration temporelle dans ces cellules souches neurales avec la génération du nombre approprié de neurones à chaque étape temporelle. »
Bien que les TTF varient d’un animal à l’autre, la signalisation Notch est hautement conservée, ce qui signifie que la compréhension des mécanismes moléculaires qui régulent la différenciation des neurones chez la mouche peut potentiellement se traduire chez d’autres animaux d’ordre supérieur. Les résultats de cette étude éclairent certains des mécanismes sous-jacents à la diversité des neurones dans le cerveau, mais les chercheurs ont déclaré qu’il reste encore beaucoup à explorer.
« L’identification des déterminants moléculaires, ou activateurs, qui sont nécessaires pour que la transition se produise de l’absence d’yeux à l’appariement bâclé nous donne des idées sur la façon dont d’autres transitions peuvent également être régulées », a expliqué Ray. « Nous allons essayer d’identifier d’autres activateurs que les TTF précédents se lient pour activer l’expression de facteurs ultérieurs. »
Plus d’information:
Alokananda Ray et al, Un mécanisme de transcription dépendant de Notch contrôle l’expression des facteurs de structuration temporelle dans la médulla de Drosophila, eVie (2022). DOI : 10.7554/eLife.75879