Embryogenèse en 4D : un atlas du développement pour les gènes et les cellules
Une nouvelle technologie d'imagerie permet de dépasser les limites de la 2D et de capturer simultanément l'activité de 500 gènes dans des tissus entiers
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Comment un minuscule amas de cellules devient-il un embryon doté d'une tête, d'un tronc et d'une queue ? Et comment des milliers de gènes coordonnent-ils ce développement ? Une nouvelle méthode d'imagerie permet de visualiser l'activité de milliers de gènes simultanément dans l'ensemble de l'embryon de poisson zèbre. Grâce à cette technologie, une équipe de chercheurs de l'université de Bâle a créé un atlas de tous les gènes et cellules impliqués dans la transformation d'un amas de cellules en embryon.
L'interaction entre les gènes et les cellules au cours du développement d'un œuf fécondé en un embryon est extrêmement complexe. Les méthodes précédentes ne capturaient l'activité des gènes qu'en tranches 2D, ce qui rendait impossible la visualisation de l'embryon entier et n'offrait qu'un niveau de détail spatial limité, manquant souvent les schémas subcellulaires.
La nouvelle méthode permet désormais à l'équipe de recherche du professeur Alex Schier, du Biozentrum de l'université de Bâle, de visualiser les activités de milliers de gènes dans l'ensemble de l'embryon et de les relier à la maturation et au mouvement des cellules. Il en résulte un atlas complet des premiers stades du développement, ainsi que de nouvelles connaissances sur la manière dont les gènes et les cellules façonnent l'embryon en croissance. L'étude a été publiée dans Science.
Un atlas 4D pour les gènes et les cellules
La question centrale est la suivante : "Comment des milliers de gènes fonctionnent-ils ensemble ? Comment des milliers de gènes fonctionnent-ils ensemble dans un embryon et comment leur activité est-elle liée au mouvement des cellules ?", explique le Dr Yinan Wan, premier auteur de l'étude. Pour répondre à cette question, l'équipe a mis au point une nouvelle technologie d'imagerie appelée weMERFISH. Elle permet de mesurer directement l'activité de près de 500 gènes dans des tissus entiers avec une résolution subcellulaire.
À partir de ces mesures, les chercheurs ont créé un atlas du développement embryonnaire précoce. "En combinant les données antérieures sur les cellules individuelles avec nos mesures de l'activité des gènes, nous avons pu calculer les schémas spatiaux de milliers de gènes et l'activité d'environ 300 000 régions régulatrices potentielles", explique M. Wan. Les données sont librement accessibles sur la plateforme web MERFISHEYES. "L'atlas est conçu comme une ressource pour les biologistes du développement du monde entier.
Quand le temps devient visible dans l'espace
Les images ne fournissent pas seulement des clichés statiques, mais permettent de tirer des conclusions sur les processus spatiaux et temporels. Par exemple, lors de la formation de la queue, les chercheurs ont observé que les cellules le long de l'axe du corps sont disposées selon une séquence de stades de développement : à l'extrémité de la queue se trouvent des cellules souches immatures, tandis que plus loin vers l'avant, on trouve des cellules de plus en plus matures, telles que les cellules musculaires. "Dans un sens, on peut voir le temps dans l'espace", explique Wan.
"Il a également été surprenant de constater que les changements dans l'activité des gènes s'alignent sur la façon dont les cellules se déplacent dans l'embryon, reliant ainsi la dynamique de l'expression des gènes aux mouvements morphogénétiques.
Des frontières nettes sans tri cellulaire
Grâce à l'atlas, les chercheurs ont également pu préciser comment se forment des frontières nettes entre différents tissus, par exemple entre les muscles et les tissus de la colonne vertébrale. Ils ont découvert une zone de cellules dans laquelle l'activité de nombreux gènes change radicalement et diffère d'un côté à l'autre.
Une comparaison des stades précoces et tardifs a montré que ces gènes sont initialement actifs des deux côtés, mais qu'ils ne le sont plus que d'un seul côté. Et il n'y a pratiquement pas de cellules qui franchissent cette limite. "Ces frontières n'apparaissent pas parce que les cellules sont mélangées puis triées, mais principalement parce que les cellules changent leur programme génétique", explique Alex Schier.
Une base pour de futures études
Avec weMERFISH, l'atlas MERFISHEYES et l'intégration de l'imagerie en direct, les chercheurs disposent désormais d'un nouvel outil. Il permet l'analyse conjointe de l'activité et de la régulation des gènes, ainsi que du mouvement des cellules dans l'ensemble de l'embryon.
À l'avenir, l'équipe de Schier prévoit d'étudier d'autres stades de développement afin de compléter l'image du développement précoce des vertébrés. "À long terme, nous voulons comprendre quelles combinaisons d'activité génétique et de comportement cellulaire sont nécessaires à la formation d'un organe ou d'un tissu spécifique", explique M. Schier. "Un jour, nous découvrirons peut-être combien de façons il existe de construire un cœur ou une moelle épinière.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Yinan Wan, Jakob El Kholtei, Ignatius Jenie, Mariona Colomer-Rosell, Jialin Liu, Qinghua Zhang, Joaquin Navajas Acedo, Lucia Y. Du, Mireia Codina-Tobias, Mengfan Wang, Wei Zheng, Edward Lin, Tzy-Harn Chuang, Oded Mayseless, Ahilya Sawh, Susan E. Mango, Guoqiang Yu, Bogdan Bintu, Alexander F. Schier; "Whole-embryo spatial transcriptomics at subcellular resolution from gastrulation to organogenesis"; Science, Volume 391
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