Le sperme rencontre l’œuf, déclenchant une cascade d’événements menant à la création d’un embryon. Mais comment les cellules en développement, qui contiennent toutes la même information génétique, décident-elles de ce qu’elles doivent être lorsqu’elles grandissent ? Comment une cellule se différencie-t-elle en muscle, en peau, en organes ou même en nouveaux ovules et spermatozoïdes ?
De nouvelles recherches peuvent détenir des indices et fournir des informations surprenantes sur le développement des cellules germinales primordiales, les cellules qui finissent par mûrir pour permettre la reproduction.
« La question de savoir comment les cellules germinales primordiales apparaissent chez l’homme est difficile à étudier car il n’y a pas de bon système expérimental à utiliser », a déclaré Idse Heemskerk, Ph.D., professeur adjoint au Département de biologie cellulaire et du développement.
Une grande partie de la recherche à ce jour s’est concentrée sur des modèles animaux, qui sont des modèles imparfaits pour le développement humain. Des études alternatives utilisant des cellules dans une boîte ont également eu des résultats mitigés. De telles études in vitro, a expliqué Heemskerk, commencent avec des cellules souches pluripotentes d’origine humaine – des cellules souches modifiées pour devenir embryonnaires avec le potentiel inhérent de générer n’importe quelle cellule dans le corps. Ces cellules sont ensuite cultivées et observées pendant plusieurs jours.
Cependant, « les processus de différenciation des cellules souches sont mal contrôlés et les cellules germinales primordiales pourraient être l’une des pires », a expliqué Heemskerk. « Le rendement varie beaucoup d’une lignée cellulaire à l’autre et d’une expérience à l’autre. »
Dans un article publié dans la revue eVie, Heemskerk, chercheur Kyoung Jo, Ph.D., et leur équipe décrivent un nouveau système de modèle puissant qui utilise une technique appelée micropatterning pour apporter un certain contrôle au chaos. Avec cette technique, la boîte de laboratoire est modifiée de manière à ce que les cellules ne puissent adhérer qu’à certaines zones. Il en résulte un schéma plus organisé de différenciation des cellules souches.
« Si vous contrôlez le nombre de cellules souches et la façon dont elles sont disposées, alors les choses qu’elles font deviennent beaucoup plus reproductibles et quand elles font la même chose à chaque fois, vous pouvez réellement disséquer ce qui se passe », a-t-il déclaré.
Dans le plat à micro-motifs, les cellules souches pluripotentes forment de manière fiable des cercles concentriques de différents types de cellules qui, dans l’embryon humain, surviennent au cours d’un processus appelé gastrulation, explique Heemskerk. Les cellules sont divisées en trois lignées du corps : une couche externe qui devient la peau et les nerfs, une couche interne qui devient l’intestin et les organes et une couche intermédiaire qui fait les os musculaires et le sang. Visible également dans ces nouveaux modèles in vitro, un quatrième type de cellule, les cellules germinales primordiales qui deviennent des cellules reproductrices.
Heemskerk explique que ces cellules étaient auparavant supposées être des cellules intestinales car, chez la souris, elles exprimaient un marqueur qui ne peut être trouvé que dans l’intestin de la souris. De plus, le modèle a permis à leur équipe de déterminer pourquoi les cellules s’alignaient de manière méthodique. « Les cellules s’envoient des signaux pour coordonner qui fait quoi… et nous avons des médicaments pour bloquer ces signaux et voir ce qui se passe », explique Heemskerk.
On pensait que l’un de ces signaux, appelé BMP, déclenchait une cascade pour le développement de l’embryon en activant un autre signal appelé WNT, qui à son tour activait un signal différent appelé Nodal. En bloquant chaque étape de cette cascade, l’équipe a pu identifier que Nodal, et non WNT comme on le croit généralement, était le plus important pour le développement des cellules germinales primordiales.
Ils ont également constaté que les cellules germinales primordiales se développaient toujours à une distance fixe du bord de la boîte. En réduisant la zone à micro-motifs, ils pourraient plus que doubler le rendement des cellules germinales, un développement essentiel pour les chercheurs travaillant sur la science fondamentale de l’infertilité.
Dit Heemskerk, « Nous essayons de comprendre les principes de base du développement et les signaux qui définissent les différents types de cellules. Nous avons maintenant un système où nous pouvons mieux étudier comment la lignée germinale humaine se pose. »
Kyoung Jo et al, la différenciation efficace des cellules germinales primordiales humaines par le contrôle géométrique révèle un rôle clé pour la signalisation nodale, eVie (2022). DOI : 10.7554/eLife.72811