Une recherche cartographie pour la première fois la gastrulation humaine, étape importante du développement embryologique

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La gastrulation est le processus fondamental chez tous les animaux multicellulaires à travers lequel le plan corporel de base est d’abord établi. Il est essentiel pour générer une diversité cellulaire coordonnée avec une structuration spatiale. La compréhension de ce processus chez l’homme est relativement limitée et basée principalement sur des échantillons historiques, des modèles expérimentaux, ou, plus récemment, des échantillons cultivés in vitro. Des chercheurs ont, dans une nouvelle étude, caractérisé de manière résolue spatialement le profil transcriptionnel unicellulaire d’un embryon humain entier gastrulant.

Figure 1 – Gastrula humaine. A : Schéma montrant une vue latérale d’un embryon humain CS 7 intact. Diagrammes schématiques du disque embryonnaire disséqué montrant la strie primitive et le nœud d’une vue dorsale (B) et ventrale (C). D : Image de l’embryon humain CS7 à l’échelle avec une règle de 1 cm. E : Images d’un embryon humain CS 7. Panneau de gauche, vue latérale d’un embryon intact ; panneau du milieu, vue dorsale du disque embryonnaire ; panneau de droite, vue ventrale du disque embryonnaire (barre d’échelle = 500 µm).


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En raison d’échantillons plus facilement disponibles, les études se sont jusqu’à présent concentrées sur la première semaine après la conception et sur les stades ultérieurs au-delà d’un mois de grossesse, au cours desquels les organes se forment et mûrissent. Cependant, il y a actuellement très peu de compréhension des événements qui se déroulent dans les jours intermédiaires, ce qui inclut l’étape cruciale de la gastrulation qui se produit peu de temps après l’implantation de l’embryon dans l’utérus.

L’analyse d’un échantillon unique par des chercheurs du Département de physiologie, d’anatomie et de génétique de l’Université d’Oxford et de Helmholtz Zentrum München aide à combler cette lacune dans nos connaissances sur l’embryogenèse humaine précoce. Leurs découvertes, publiées dans la revue Nature, contribueront à l’amélioration des modèles expérimentaux de cellules souches.

La gastrulation et la différentiation cellulaire

La gastrulation est l’une des étapes les plus critiques du développement et a lieu environ entre les jours 14 et 21 après la fécondation. Un embryon monocouche est transformé en une structure multicouche connue sous le nom de gastrula. Au cours de cette étape, les trois principales couches cellulaires qui donneront plus tard naissance aux tissus, organes et systèmes du corps humain se forment. Le chercheur principal, le professeur Shankar Srinivas, a déclaré: “Notre corps est composé de centaines de types de cellules. C’est à ce stade que les bases sont posées pour générer l’immense variété de cellules dans notre corps – c’est comme une explosion de diversité de types cellulaires”.

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L’étude est une étape importante pour la biologie du développement, car les échantillons humains obtenus de manière éthique à ces stades précoces sont exceptionnellement rares. L’équipe de recherche collaborative a obtenu l’échantillon par l’intermédiaire de la Human Developmental Biology Resource, d’une donneuse anonyme qui a généreusement donné son consentement éclairé pour l’utilisation à des fins de recherche de matériel embryonnaire résultant de l’interruption de sa grossesse. L’échantillon est estimé à environ 16 à 19 jours après la fécondation. Le chercheur principal, le Dr Richard Tyser, a déclaré: “Il s’agit d’un stade de développement si précoce que de nombreuses personnes n’auraient pas su qu’elles étaient enceintes. C’est la première fois qu’un embryon à ce stade de développement est caractérisé de manière aussi détaillée à l’aide de la technologie moderne”. Pour mieux comprendre le développement humain ou développer des traitements pour des blessures ou des maladies, les scientifiques expérimentent des cellules souches humaines en laboratoire.

Le professeur Srinivas a déclaré: “Si vous voulez transformer une cellule souche en, disons, une cellule cardiaque, le meilleur moyen est d’apprendre comment cela se passe dans la nature et de recréer cela en laboratoire. Mais si vous ne savez pas ce qui se passe dans la nature, alors vous devez essentiellement deviner. Cette étude est précieuse car elle offre un aperçu unique d’une étape centrale mais inaccessible de notre développement”. Les chercheurs ne peuvent légalement cultiver des embryons humains que jusqu’à l’équivalent de 14 jours de développement, juste avant le début de la gastrulation, il n’est donc actuellement pas possible d’étudier ce stade sur des embryons humains cultivés. Par conséquent, notre connaissance des événements au-delà de 14 jours après la fécondation est largement basée sur des études sur des modèles animaux tels que la souris et le poulet.

Le Dr Tyser a déclaré: “Notre nouvel échantillon est le pont qui relie le tout premier stade de développement aux stades ultérieurs lorsque les organes commencent à se former. Ce lien chez l’humain était auparavant une boîte noire, nous avons donc dû nous appuyer sur d’autres organismes modèles comme la souris. De manière rassurante, nous avons maintenant pu montrer que la souris modélise le développement d’un humain au niveau moléculaire. De tels modèles fournissaient déjà des informations précieuses, mais maintenant, cette recherche peut être encore enrichie par le fait que nous sommes en mesure d’éclairer cette boîte noire et de voir de plus près comment elle fonctionne chez l’homme”. En utilisant la technique puissante du séquençage de cellule unique pour profiler de près les cellules individuelles de l’embryon, les chercheurs ont pu identifier 11 types cellulaires distincts. Alors que la plupart de ces cellules étaient encore immatures, ils ont découvert la présence à la fois de cellules sanguines et de cellules germinales primordiales qui donnent naissance aux gamètes (ovule et spermatozoïdes). Notamment, l’équipe n’a trouvé aucune preuve de cellules neuronales matures ou d’autres types de cellules associées au système nerveux central.

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Cette étude détaillant les types de cellules dans la gastrula pourrait alimenter un débat en cours dans la communauté scientifique autour de la reconsidération de la «règle des 14 jours», qui fixe une limite à la culture d’embryons humains intacts.

Accès aux données

Dans le cadre de l’engagement de l’Université d’Oxford en faveur de la recherche ouverte, l’équipe a mis les données brutes à la disposition des chercheurs du monde entier avant leur publication. Le professeur Srinivas a déclaré: “De nombreuses personnes ont déjà demandé nos données moléculaires et les ont utilisées dans leurs propres analyses. Les images de l’embryon sont également très précieuses et ont suscité beaucoup d’intérêt car elles font partie des images les plus claires de ce stade particulier de développement”. Pour rendre encore plus accessible ces précieuses informations, l’équipe a créé un site Web interactif pour la communauté scientifique et le grand public. Le Dr Tyser a déclaré: “Nous avons rendu très facile l’accès à ces données pour que les gens puissent aller voir un gène d’intérêt et voir où il est exprimé dans l’embryon humain à ce stade”.


Pour aller plus loin, voir la publication :  Tyser, R.C.V., Mahammadov, E., Nakanoh, S. et al. Single-cell transcriptomic characterization of a gastrulating human embryo. Nature 600, 285–289 (2021). doi : 10.1038/s41586-021-04158-y

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