L'une des questions les plus anciennes en biologie est de savoir comment un être vivant qui commence comme une masse embryonnaire de cellules uniformes se transforme au fil du temps en un organisme avec divers tissus, chacun avec son propre modèle et ses caractéristiques uniques. La réponse expliquerait comment un léopard obtient ses taches, un zèbre obtient ses rayures, les arbres obtiennent leurs branches et bien d'autres mystères du développement des modèles en biologie. Depuis plus d'un demi-siècle, l'explication privilégiée est un modèle élégant basée sur la signalisation chimique proposée par le mathématicien Alan Turing, qui a eu beaucoup de succès.
Mais un nombre croissant de scientifiques soupçonnent que la théorie de Turing n'est qu'une partie de l'histoire. "À mon avis, nous avons été aveuglés sur l'étendue de son application simplement à cause de sa beauté", a déclaré Amy Shyer, biologiste du développement à l'Université Rockefeller. Selon elle, les forces physiques de contraction et de compression qui agissent sur les cellules lors de leur croissance et de leur division pourraient également jouer un rôle central.
Et maintenant, elle en a la preuve. Dans un article publié dans Cellule en mai, Shyer, son co-auteur principal et collègue biologiste du développement Alain Rodrigues et leurs collègues ont montré que les forces mécaniques pouvaient induire la peau de poulet embryonnaire à créer des follicules pour la croissance des plumes. Tout comme la tension superficielle peut attirer l'eau dans des perles sphériques sur une surface de verre, les tensions physiques au sein d'un embryon peuvent également créer des schémas qui guident la croissance et l'activité des gènes dans les tissus en développement.
Au fur et à mesure qu'un organisme grandit et se développe, les cellules de ses tissus tirent et poussent les unes sur les autres et sur l'échafaudage protéique de soutien (matrice extracellulaire) auquel elles sont intimement liées. Certains chercheurs soupçonnent que ces forces, associées à des changements dans le pression et rigidité des cellules, pourrait diriger la formation de motifs compliqués. Jusqu'à présent, cependant, aucune étude n'a été en mesure de distinguer l'effet de ces forces physiques du ragoût chimique dans lequel elles mijotent.
Extraire un motif
Dans le laboratoire de morphogenèse de l'Université Rockefeller qu'ils dirigent conjointement, Shyer et Rodrigues ont prélevé la peau d'un embryon de poulet et désintégré le tissu pour séparer les cellules. Ensuite, ils ont placé une goutte de la solution cellulaire dans une boîte de Pétri et l'ont laissé croître en culture. Ils ont observé les cellules de la peau s'auto-organiser en un anneau sur le fond de la boîte, comme une version 2D de la boule de cellules que devient normalement l'embryon. Pulsant et se contractant, les cellules tirent sur les fibres de collagène de la matrice extracellulaire qu'elles assemblent autour d'elles. Pendant 48 heures, les fibres ont progressivement tourné, se sont regroupées puis se sont écartées, formant des grappes de cellules qui deviendraient des follicules de plumes.
"C'était une configuration expérimentale si propre et simple, où vous pouviez voir un beau motif sortir et le contrôler quantitativement", a déclaré Brian Camley, un biophysicien de l'Université Johns Hopkins qui n'a pas participé à l'étude.
Plus tard, en ajustant le taux de contraction cellulaire et d'autres variables, les chercheurs ont montré que la tension physique dans la masse embryonnaire affectait directement le schéma. "Je pense que la plus grande surprise a été la façon dont les cellules ont interagi avec la matrice extracellulaire de cette manière très dynamique, afin de créer ces modèles", a déclaré Rodrigues. "Nous avons réalisé que c'est une danse réciproque entre les deux."
"Cela suggère que la contractilité pourrait être suffisante pour entraîner la formation de motifs", a déclaré Camley. "C'est une toute nouvelle pièce essentielle."
La mécanique d'abord, les gènes ensuite ?
Le mathématicien D'Arcy Wentworth Thompson a proposé que les forces physiques pourraient diriger le développement jusqu'en 1917. Dans son livre Sur la croissance et la forme, Thompson a décrit comment les forces de torsion régissent la formation des cornes et des dents, comment les œufs et autres structures creuses émergent, et même les similitudes entre les méduses et les gouttes de liquide.
Mais les idées de Thompson ont ensuite été éclipsées par l'explication de Turing, qui se connectait plus facilement à la compréhension émergente des gènes. Dans un article de 1952, "The Chemical Basis of Morphogenesis", publié deux ans avant sa mort, Turing a suggéré que des motifs tels que des taches, des rayures et même des formes sculptées d'os dans le squelette étaient le résultat d'un gradient tourbillonnant de produits chimiques appelés morphogènes qui interagissaient les uns avec les autres en se diffusant de manière inégale dans les cellules. Agissant comme un modèle moléculaire, les morphogènes déclencheraient des programmes génétiques qui provoquaient le développement de doigts, de rangées de dents ou d'autres parties.
La théorie de Turing était appréciée des biologistes pour sa simplicité, et elle est rapidement devenue un principe fondamental de la biologie du développement. "Il existe encore une vision moléculaire et génétique solide de la plupart des mécanismes de la biologie", a déclaré Rodrigues.
Mais quelque chose manquait à cette solution. Si les morphogènes chimiques sont le moteur du développement, a déclaré Shyer, les scientifiques devraient être en mesure de montrer que l'un précède l'autre - d'abord les produits chimiques, puis le modèle.
Elle et Rodrigues n'ont jamais pu le montrer en laboratoire. En 2017, ils ont pris de petites tranches de peau d'embryon de poulet et ont observé de près le tissu se regroupant en préparation pour former un follicule. Pendant ce temps, ils ont suivi l'activation des gènes impliqués dans la formation des follicules. Ce qu'ils ont découvert, c'est que l'expression des gènes s'est produite à peu près au même moment où les cellules se sont regroupées, mais pas avant.
"Au lieu de" l'expression des gènes d'abord, puis la mécanique plus tard ", c'était un peu comme si la mécanique générait ces formes", a déclaré Shyer. Plus tard, ils ont montré que même la suppression de certains des produits chimiques régulateurs des gènes ne perturbait pas le processus. "Cela a ouvert une porte pour dire:" Hé, quelque chose d'autre pourrait se passer ici "", a-t-elle déclaré.
La matière molle active de la biologie
Shyer et Rodrigues espèrent que leurs travaux et leurs recherches futures aideront à élucider le rôle de la physique et son interaction avec les produits chimiques et les gènes au cours du développement.
"Nous réalisons que toute l'expression moléculaire des gènes, la signalisation et la production de forces dans le mouvement cellulaire sont inextricablement liées les unes aux autres", a déclaré Edwin Munro, un biologiste moléculaire de l'Université de Chicago qui n'a pas participé à l'étude.
Munro pense que le rôle de la matrice extracellulaire est plus important que ne le réalisent actuellement les scientifiques, bien que la reconnaissance de son rôle plus central dans le développement se renforce. Des recherches récentes ont établi un lien entre les forces de la matrice extracellulaire et le développement des œufs de mouches des fruits, par exemple.
Rodrigues a accepté. "C'est comme si les cellules et la matrice extracellulaire formaient un matériau en soi", a-t-il déclaré. Il décrit ce couplage des cellules contractiles et de la matrice extracellulaire comme une "matière molle active" et pense qu'il indique une nouvelle façon de penser la régulation du développement embryonnaire passant par les forces extracellulaires. Dans des travaux futurs, lui et Shyer espèrent élucider plus de détails sur les forces physiques en développement et les fusionner avec la vision moléculaire.
"Nous avions l'habitude de penser que si nous étudiions simplement le génome avec de plus en plus de profondeur et de rigueur, tout cela serait clair", a déclaré Shyer, mais "les réponses aux questions importantes pourraient ne pas être au niveau du génome". Autrefois, il semblait que les décisions de développement étaient prises par l'interaction des gènes et de leurs produits dans les cellules, mais la vérité émergente est que "la prise de décision peut se produire en dehors de la cellule, à travers les interactions physiques des cellules entre elles".
