Les chercheurs ont découvert à la fois le mécanisme mathématique et biologique derrière les structures robustes aux limites cellulaires trouvées dans les tissus tels que les reins et les glandes nasales. L’équipe espère que leurs nouvelles connaissances pourront aider à développer de nouvelles façons de traiter les pathologies associées et à construire de meilleurs modèles biologiques pour de futures études.
Nos cellules se présentent sous toutes sortes de formes et de tailles. Des neurones qui traversent le système nerveux central aux globules blancs sphériques qui nous protègent des infections, la forme et la structure d’une cellule sont essentielles à sa fonction dans notre corps. Les structures entre les cellules peuvent également varier et ont également une utilité cruciale.
L’une de ces structures intermédiaires est le motif « robuste » ou « ondulé » que l’on trouve couramment entre les cellules épithéliales, le type de cellule qui recouvre votre peau et la plupart des autres organes et vaisseaux sanguins. Au microscope, ces motifs peuvent sembler assez indisciplinés, mais pour le professeur Takashi Miura de la faculté des sciences médicales de l’université de Kyushu, c’est un sujet de fascination.
« Cela ressemble presque aux dents imbriquées d’une fermeture éclair. Les chercheurs décrivent également ces structures comme des limites cellulaires interdigitées », explique Miura, qui a dirigé l’étude publiée dans iScience. « De nombreuses cellules ont des limites cellulaires interdigitées. Par exemple, les podocytes rénaux qui fonctionnent comme des filtres pour générer de l’urine ont des schémas d’interdigitation très complexes. Les cellules épidermiques des feuilles végétales ressemblent à un puzzle afin de réduire le stress mécanique sur les parois cellulaires. »
Une fonction essentielle des cellules épithéliales est de faciliter le transport de molécules et de fluide entre lesdites limites cellulaires, un processus connu sous le nom de transport paracellulaire. Des travaux récents ont proposé que l’interdigitation de la frontière améliore l’efficacité du transport. Cependant, la façon exacte dont ces structures se forment et sa signification physiologique ne sont pas encore entièrement comprises.
« Nous avons commencé par étudier l’interdigitation dans les cellules MDCK, un type de cellule épithéliale originaire des reins et couramment utilisée dans l’étude de la formation de motifs épithéliaux », déclare Miura. « Nous avons trouvé quelque chose d’inattendu lorsque nous avons décomposé mathématiquement le modèle de frontière cellule-cellule. Il s’avère que ces structures apparemment aléatoires ne sont pas du tout aléatoires et qu’elles sont en fait mises à l’échelle mathématiquement. En d’autres termes, le modèle a une auto-similarité – si vous avez agrandi la frontière, elle conserve les mêmes caractéristiques que le motif d’origine »
L’équipe a ensuite exploré des modèles mathématiques établis pour comprendre comment et pourquoi les modèles d’interdigitation ont cette forme distinctive. Après un certain nombre d’hypothèses de travail, ils ont atterri sur un modèle appelé le modèle Edwards-Wilkinson.
« Le modèle d’Edwards-Wilkinson est utilisé pour simuler mathématiquement une frontière secouant de manière aléatoire avec une fonction de minimisation de la longueur de cette frontière. La mise à l’échelle des frontières cellulaires que nous avons trouvée s’intègre dans ce modèle », poursuit Miura. « Après cela, notre prochaine étape consistait à trouver le mécanisme moléculaire responsable de cette dynamique. »
L’équipe s’est concentrée sur le rôle de l’actomyosine, le complexe protéique actine-myosine responsable de presque tout ce qui nécessite de la force dans les activités cellulaires. En observant de près, ils ont identifié des protéines de myosine spécifiques qui se localiseraient sur la limite cellulaire de flexion.
Miura explique que leurs nouvelles découvertes leur donnent une meilleure compréhension des principes fondamentaux de la dynamique cellulaire et contribuent à la tendance plus large de développer les fondements mathématiques de la biologie.
« Les mathématiques ont toujours été inextricablement liées dans les domaines de la chimie et de la physique. La décomposition mathématique des processus fondamentaux en biologie est encore un domaine relativement nouveau qui s’est considérablement développé au cours des 20 dernières années », conclut-il. « Je pense que cela montre que le domaine de la biologie mûrit. Au fur et à mesure que nous développons ce domaine, cela nous donnera de nouvelles perspectives sur les principes fondamentaux de la vie et la beauté des modèles biologiques. »
Plus d’information:
Takashi Miura & collegaues, Mécanisme de formation d’interdigitations à la limite apicale de la cellule MDCK, iScience (2023). DOI : 10.1016/j.isci.2023.106594. www.cell.com/iscience/fulltext … 2589-0042(23)00671-5
Fourni par l’Université de Kyushu