Les cellules germinales, les cellules reproductrices qui finissent par devenir des ovules et des spermatozoïdes, sont mises de côté au début du développement embryonnaire, lorsque l’embryon n’est qu’une boule creuse de cellules appelée gastrula. Cela signifie que les cellules transférant l’information génétique à la prochaine génération sont déjà avec nous à la naissance.
Il y a beaucoup de questions que les chercheurs essaient encore de comprendre sur l’immortalité de la lignée germinale. « Peu de gens apprécient vraiment le mystère fou de la façon dont les cellules germinales ont duré 1,5 milliard d’années », déclare Yukiko Yamashita, membre du Whitehead Institute. Des chercheurs de l’Institut Whitehead, dont Yamashita et la directrice de l’Institut Whitehead, Ruth Lehmann, étudient les nombreux aspects des cellules germinales qui les distinguent des autres types de cellules. Ils posent des questions sur la façon dont les cellules germinales migrent à travers l’embryon pour rencontrer les gonades en développement, et comment les cellules germinales donnent finalement naissance aux ovules et au sperme.
Une question centrale dans les travaux de Yamashita et de Lehmann est de savoir comment les cellules germinales utilisent un système de régulation unique pour maintenir le potentiel de se diviser en n’importe quel type de cellule, sans le faire pendant des décennies. Lorsque les cellules germinales produisent une progéniture, le programme de vieillissement est réinitialisé et les cellules de la progéniture recommencent. Cette caractéristique contraste fortement avec la plupart des cellules non reproductrices du corps, qui se différencient en types de cellules spécialisées, vieillissent et finissent par mourir.
Apprendre comment les cellules germinales maintiennent leur ADN afin de produire des ovules et des spermatozoïdes en forme, génération après génération, peut donner un aperçu de la façon dont les autres cellules du corps vieillissent. En comprenant mieux comment les cellules germinales sont maintenues, il pourrait un jour être possible de ralentir ou d’inverser les processus de vieillissement dans d’autres cellules.
Création de la lignée germinale
Au début du développement embryonnaire, la lignée germinale est séparée des cellules qui composent le reste du corps, appelées cellules somatiques. Les cellules mises de côté sont les prédécesseurs des cellules germinales matures qui peuvent fabriquer des ovules ou des spermatozoïdes, et ces cellules immatures sont appelées cellules germinales primordiales.
Lehmann a découvert de nombreux aspects de la façon dont le destin des cellules germinales est attribué en étudiant les mouches des fruits femelles. En tant qu’étudiant diplômé, Lehmann a identifié et caractérisé les gènes essentiels à la bonne formation de la lignée germinale. Les précurseurs des cellules germinales se forment à une extrémité – l’extrémité arrière – d’un embryon de mouche précoce.
Lehmann a découvert qu’un gène qu’elle a nommé Oskar joue un rôle clé dans l’assemblage des ingrédients nécessaires aux cellules germinales à cet endroit. Oskar aide à ensemencer les granules de germe, des structures semblables à des gouttelettes uniques à la lignée germinale qui se forment lorsque l’ARN et les protéines s’assemblent. Les granules germinales régulent la traduction de l’ARN en protéine, contrôlant ainsi l’expression des gènes et aidant les cellules germinales à se former et à se développer correctement.
Les cellules germinales primordiales se forment avant que l’embryon ne commence à fabriquer un tractus reproducteur. Au fur et à mesure que les gonades – ovaires ou testicules – se développent, les cellules germinales primordiales doivent migrer à travers l’embryon pour les atteindre. Les chercheurs du Whitehead Institute ont aidé à découvrir comment les cellules sont guidées dans ce voyage et deviennent des cellules capables de fabriquer des ovules ou du sperme. Le laboratoire de Lehmann a trouvé des facteurs impliqués dans cette migration. Par exemple, ils ont identifié la molécule de signalisation qui fournit une piste de fil d’Ariane aux précurseurs de cellules germinales à suivre jusqu’à leur destination.
Dans des travaux récents, le laboratoire de Lehmann a découvert comment le corps de la mouche signale aux précurseurs des cellules germinales de se différencier en cellules germinales matures au bon moment et au bon endroit – dans l’appareil reproducteur, une fois que les ovaires sont prêts à héberger des œufs – ainsi que quels signaux gardent le précurseurs de mûrir trop tôt.
Dirigés par l’ancien post-doctorant du laboratoire Lehmann Torsten Banisch, les chercheurs ont identifié les cellules de l’essaim, dont la fonction était auparavant inconnue, comme un relais critique qui transmet des signaux aux précurseurs des cellules germinales qui leur signalent de mûrir. Si l’un de ces processus tourne mal – si les cellules migrent au mauvais endroit, mûrissent au mauvais moment ou ne reçoivent pas le signal de maturation – la mouche risque de perdre sa lignée germinale et de devenir stérile.
Maintenir une lignée germinale saine
Nous pensons généralement à la division cellulaire comme à une cellule se divisant en deux copies identiques. Cependant, les cellules peuvent se diviser de manière asymétrique, créant deux cellules filles qui ne sont pas identiques l’une à l’autre. Yamashita étudie les cellules germinales chez les mouches des fruits mâles et a découvert que les cellules germinales en division remplissent l’une des cellules résultantes uniquement des meilleurs composants au détriment de l’autre cellule. Par exemple, Yamashita a découvert que l’une des cellules résultantes recevrait les copies de l’autre de certaines séquences génétiques qui, autrement, pourraient être perdues avec l’âge au cours de nombreuses divisions cellulaires.
Le laboratoire a également découvert que les paires de chromosomes sont triées de manière non aléatoire en cellules germinales en division, sur la base desquelles le plus de copies des séquences génétiques doivent être conservées au fil des générations. Leur découverte montre que c’est une façon pour la lignée germinale d’empêcher la perte de séquences génétiques importantes avec le vieillissement. La cellule qui obtient tous les meilleurs matériaux continue de se diviser, gardant la lignée germinale saine et en forme pendant des générations. Les cellules souches en dehors de la lignée germinale se divisent également de manière asymétrique, afin de permettre à certains de leurs descendants de mûrir tandis que d’autres maintiennent le pool de cellules souches. Les travaux de Yamashita sur les cellules germinales mettent en lumière cette biologie plus large, en explorant divers mécanismes qui permettent la division cellulaire asymétrique.
Pour d’autres types de cellules, sacrifier la moitié de leurs cellules comme le fait la lignée germinale pour maintenir sa santé serait trop gourmand en ressources pour se permettre – chaque cellule est nécessaire pour faire fonctionner le corps – et ainsi, au fil de nombreuses divisions, les cellules de notre corps se dégradent à mesure que nous âge. Les cellules germinales sont une petite population cellulaire qui peut se permettre de ne laisser survivre que la crème de la crème. En fait, elles doivent faire la fine bouche pour que leurs descendants continuent à se diviser longtemps après la mort des autres cellules du corps. Découvrir les processus comme celui-ci que les cellules germinales utilisent pour maintenir leur immortalité pourrait également fournir des informations sur d’autres types de cellules immortelles, comme les cancers.
Lehmann a également découvert certaines des façons dont les cellules germinales sont capables de se maintenir à travers les générations. Ses recherches ont mis en lumière la manière dont les cellules germinales des mouches protègent leurs génomes des éléments transposables ou des «gènes sauteurs». Ce sont des séquences d’ADN qui peuvent se déplacer vers de nouvelles positions dans le génome, ce qui peut entraîner des mutations ou une modification de la taille du génome. Les cellules germinales doivent être protégées contre de telles modifications de leurs génomes, car celles-ci seront transmises à la progéniture ou pourraient dégrader la lignée germinale jusqu’à l’infertilité, mettant fin à l’immortalité des cellules. Lehmann a découvert comment les cellules germinales empêchent de tels changements.
Lehmann étudie également l’hérédité des composants non ADN dans la lignée germinale maternelle. Toutes les cellules germinales doivent conserver soigneusement leur ADN afin qu’il puisse être transmis à la génération suivante. Le travail de la lignée germinale maternelle ne s’arrête pas là, cependant; les ovules doivent transmettre non seulement l’ADN de la mère, mais aussi les nutriments, les organites de départ et les composants cellulaires – tels que l’ARN – sur lesquels les premiers stades de l’embryon s’appuient pour fonctionner avant de pouvoir accélérer la production de leurs propres composants.
Un organite qui intéresse particulièrement Lehmann est la mitochondrie, une structure qui fournit de l’énergie aux cellules. Les mitochondries ont leur propre génome, qui leur est propre, et les mutations de l’ADN mitochondrial peuvent provoquer des maladies graves. Le laboratoire de Lehmann étudie comment la lignée germinale maternelle empêche la transmission de mutations dangereuses dans le génome mitochondrial.
Alors que Yamashita et Lehmann continuent d’étudier les façons complexes dont les cellules germinales préservent leur immortalité, ils espèrent découvrir des informations sur le vieillissement et le rajeunissement cellulaires.