Cartographie des cellules dans l’hydre « immortelle » régénérante

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cgelinas
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Cartographie des cellules dans l’hydre « immortelle » régénérante

Message par cgelinas »

25 juillet 2019


Résumé rapide

  • Des chercheurs ont utilisé des techniques de séquençage unicellulaire pour suivre la trajectoire de développement de 25 000 cellules Hydra
  • L’étude donne aux chercheurs une « carte moléculaire unicellulaire » à haute résolution des trois lignées de développement de cellules souches chez Hydra
  • Les cellules souches d’Hydra existent dans un état continu de renouvellement, donnant à l’organisme une immortalité biologique et des capacités de régénération

Contrairement aux cellules souches d’un humain adulte, les cellules souches d’une hydre adulte – un petit invertébré d’eau douce apparenté aux méduses et aux coraux – sont dans un état constant de renouvellement, ce qui lui confère des capacités de régénération étonnantes et une immortalité presque biologique. Environ 100 000 cellules composent le corps de l’Hydre, et étonnamment, ces cellules se renouvellent tous les 20 jours grâce au puits sans fond de cellules souches de l’Hydre.

Mais comment ces cellules souches produisent-elles des cellules spécialisées chez l’animal, comme des neurones ou des cellules de la peau? Quels arbres de décision génétique les cellules souches Hydra utilisent-elles?

Dans une étude paru dans Science, la professeure adjointe Celina Juliano, du Département de biologie moléculaire et cellulaire, et ses collègues ont utilisé des techniques de séquençage unicellulaire pour explorer la trajectoire génétique de près de 25 000 cellules Hydra. L’étude a été dirigée par Stefan Siebert, un scientifique du projet au Juliano Lab, en collaboration avec Jeff Farrell, post-doctorant à l’Université Harvard.

« La beauté du séquençage unicellulaire et la raison pour laquelle c’est un si gros problème pour les biologistes du développement est que nous pouvons réellement capturer les gènes qui sont exprimés lorsque les cellules se différencient des cellules souches en leurs différents types de cellules », a déclaré Juliano.

L’étude donne aux biologistes du développement une « carte moléculaire unicellulaire » à haute résolution des trois lignées de développement de cellules souches chez Hydra.

Hydra « occupe une position informative dans l’arbre de vie animal », a déclaré Siebert. « Des ensembles de données comme le nôtre nous aideront à mieux comprendre les importants réseaux de régulation des gènes qui étaient en place au début de l’évolution et qui sont partagés entre les animaux et nous. »

La recherche fournit également la première carte d’expression génique du système nerveux Hydra. Comprendre comment l’hydre régénère l’ensemble de son système nerveux pourrait nous aider à mieux comprendre les maladies neurodégénératives chez l’homme et ouvrir la porte à de nouvelles thérapies.

Les trois fontaines de l’éternelle jeunesse

Hydra renouvelle continuellement ses cellules à partir de trois populations de cellules souches différentes, connues sous le nom de cellules épithéliales endodermiques, épithéliales ectodermiques et interstitielles. Pour retracer la différenciation des cellules souches individuelles, Juliano et ses collègues ont utilisé une technique appelée Drop-seq, qui a été développée par le laboratoireMcCarroll de l’Université Harvard.

À l’aide de cellules Hydra, de billes à code-barres et de dispositifs microfluidiques, les chercheurs ont analysé des ensembles de molécules d’ARN messager, appelées transcriptomes, provenant de cellules Hydra individuelles et les ont regroupées par type de cellule en fonction des gènes exprimés par chaque cellule.

« Le séquençage unicellulaire est une technologie révolutionnaire qui nous donne accès à des informations qui sont généralement masquées lors du séquençage de tissus entiers », a déclaré Siebert. « Drop-seq est une version très rentable de ce type de protocole nous permettant d’analyser les cellules d’un organisme entier. »

Juliano et ses collègues ont commencé drop-seq runs sur les cellules Hydra il y a plus de deuxans. Une bouteille de champagne vide et festive se trouve sur une étagère dans le bureau de Juliano et marque la date de la première course Drop-seq du laboratoire, le 24 février 2017. Farrell a écrit sur la bouteille: « Il ne reste plus une goutte. »

Un arbre de décision cellulaire
Des trois lignées de cellules souches différentes chez Hydra, Juliano a déclaré que la lignée interstitielle est probablement la plus intéressante. Les cellules interstitielles donnent naissance à divers types de cellules dans Hydra, y compris les neurones, les cellules glandulaires, les nématocytes (cellules urticantes dans les tentacules Hydra) et les cellules germinales par un processus semblable à un arbre de décision.

« En construisant un arbre de décision pour la lignée interstitielle, nous avons trouvé de manière inattendue des preuves que la voie de différenciation cellulaire des neurones et des glandes partage un état cellulaire commun », a déclaré Juliano. « Ainsi, les cellules souches interstitielles semblent passer par un état cellulaire qui a à la fois un potentiel glandulaire et neuronal avant de prendre une décision finale. »

La carte moléculaire unicellulaire a également permis à Juliano et à ses collègues d’identifier les gènes susceptibles de contrôler ces processus de prise de décision, qui feront l’objet d’études futures.

« Ce projet a marqué le début de ce qui, j’en suis sûr, sera pour moi un intérêt de toute une vie pour la biologie de l’hydre », a déclaré Farrell. « C’était un défi analytique passionnant. Auparavant, j’ai travaillé sur les cours de temps de développement, mais Hydra se régénère constamment et toute la différenciation se produit dans un seul échantillon, de sorte que notre analyse a dû découvrir les informations temporelles cachées.

Se régénérer pour lutter contre les blessures et un jour, la maladie humaine?

Juliano et ses collègues fournissent également plus d’informations sur le système nerveux Hydra dans l’étude. Compte tenu des capacités de régénération étonnantes de l’animal – si vous en coupez une en deux, il régénérera son corps et son système nerveux en environ deux jours – Juliano et ses collègues sont curieux de savoir comment le système nerveux Hydra réagit aux blessures.

« Tous les organismes partagent la même voie de réponse aux blessures, mais chez certains organismes comme Hydra, cela conduit à la régénération », a déclaré Abby Primack, co-auteur de l’étude, étudiante diplômée en biochimie, moléculaire, cellulaire et développementale. « Dans d’autres organismes, comme les humains, une fois que notre cerveau est blessé, nous avons du mal à récupérer parce que le cerveau n’a pas le type de capacités de régénération que nous voyons chez Hydra. »

Si les chercheurs peuvent mieux comprendre et exploiter cet exploit biologique de neurogenèse illimitée, cela pourrait aider à éclairer les thérapies et les traitements pour les humains atteints de maladies neurodégénératives.

Parmi les autres co-auteurs de l’étude de l’UC Davis, citons l’étudiant diplômé Jack Cazet et la spécialiste junior Yashodara Abeykoon et la professeure adjointe Christine Schnitzler, de l’Université de Floride.




Source: Collège des sciences biologiques




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Fichiers joints
Pour retracer la différenciation des cellules souches individuelles, Juliano et ses collègues ont utilisé une technique appelée Drop-seq, qui a été développée par le laboratoire McCarroll de l’Université Harvard. David Slipher/UC Davis
Pour retracer la différenciation des cellules souches individuelles, Juliano et ses collègues ont utilisé une technique appelée Drop-seq, qui a été développée par le laboratoire McCarroll de l’Université Harvard. David Slipher/UC Davis
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En laboratoire, Juliano et ses collègues utilisent des tamis lorsqu’ils traitent avec Hydra. David Slipher/UC Davis
En laboratoire, Juliano et ses collègues utilisent des tamis lorsqu’ils traitent avec Hydra. David Slipher/UC Davis
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Contrairement aux cellules souches d’un humain adulte, les cellules souches d’une hydre adulte sont dans un état constant de renouvellement. Stefan Siebert et Yashodara Abeykoon
Contrairement aux cellules souches d’un humain adulte, les cellules souches d’une hydre adulte sont dans un état constant de renouvellement. Stefan Siebert et Yashodara Abeykoon
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L’étude a été dirigée par Stefan Siebert, un scientifique du projet dans le laboratoire de la professeure adjointe Celina Juliano. David Slipher/UC Davis
L’étude a été dirigée par Stefan Siebert, un scientifique du projet dans le laboratoire de la professeure adjointe Celina Juliano. David Slipher/UC Davis
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Hydra possède des cellules souches qui existent dans un état continu de renouvellement et semblent détenir dans leur code génomique la clé de l’immortalité biologique. Stefan Siebert
Hydra possède des cellules souches qui existent dans un état continu de renouvellement et semblent détenir dans leur code génomique la clé de l’immortalité biologique. Stefan Siebert
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Claude Gélinas, Éditeur
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