Qu’est-ce qui fait avancer la vie ? Les mitochondries peuvent garder le temps pour les cellules | Magazine Quanta

Tout comme les personnes vivant dans des lieux différents semblent fonctionner à des rythmes différents, les espèces varient également. Ils vieillissent à leur propre rythme : certains, comme la mouche des fruits, atteignent l'âge adulte afin de pouvoir se reproduire avant que leur source de nourriture éphémère ne disparaisse, tandis que des créatures comme les humains mûrissent lentement au fil des décennies, en partie parce que la construction d'un cerveau vaste et complexe l'exige. Et au tout début de la vie d'un embryon, de petites modifications dans le moment et la manière dont les différents tissus se développent peuvent modifier considérablement la forme d'un organisme - un mécanisme que l'évolution exploite pour créer de nouvelles espèces. Cependant, ce qui détermine le rythme de croissance d’un organisme reste un mystère.

"Notre connaissance de ce qui contrôle le timing du développement est vraiment à la traîne par rapport à d'autres domaines de la biologie du développement", a déclaré Margarete Díaz Cuadros, qui dirige des recherches axées sur le rythme de développement au Massachusetts General Hospital de Boston.

Les biologistes du développement ont connu un énorme succès dans l'identification réseaux de gènes régulateurs qui communiquent entre eux – des systèmes en cascade de boucles de rétroaction qui activent ou désactivent les gènes exactement au bon moment et au bon endroit pour construire, disons, un œil ou une jambe. Mais la similarité hautement conservée de ces réseaux de gènes entre espèces contraste avec d’énormes différences dans le calendrier du développement. Les souris et les humains, par exemple, utilisent les mêmes ensembles de gènes pour créer des neurones et construire des colonnes vertébrales. Pourtant, le cerveau et la colonne vertébrale d'une souris se révèlent très différents de ceux d'un humain, car le moment où ces gènes sont actifs est différent, et on ne sait pas pourquoi.

"La régulation génétique ne semble pas tout expliquer sur le timing du développement", a déclaré Pierre Vanderhaeghen, qui étudie l'évolution et le développement du cerveau à la KU Leuven en Belgique. "Maintenant, c'est un peu provocateur car d'une certaine manière, en biologie, tout devrait s'expliquer par la régulation des gènes, directement ou indirectement."

De nouvelles explications sur ce qui fait vivre la vie émergent d'innovations - comme les progrès de la culture de cellules souches et la disponibilité d'outils pour manipuler le métabolisme, initialement développés pour étudier le cancer - qui permettent désormais aux chercheurs de suivre et de jouer avec le rythme de développement des premiers stades de la vie. les embryons et les tissus plus en détail. Dans une série d'articles au cours des dernières années, notamment une publication clé En juin, plusieurs équipes de recherche ont convergé indépendamment sur des liens fascinants entre le rythme du développement, le rythme des réactions biochimiques et les taux d'expression des gènes qui sous-tendent ces réactions biochimiques.

Leurs découvertes mettent en évidence un métronome commun : les mitochondries, qui pourraient être le chronomètre de la cellule, donnant le rythme à une variété de processus de développement et biochimiques qui créent et maintiennent la vie.

Un neurone garde le temps

Il y a plus de dix ans, Vanderhaeghen a réalisé une expérience qui a jeté les bases des études modernes sur la manière dont le rythme de développement est maintenu. Le neurobiologiste était en son laboratoire belge faire pousser des cellules souches dans des boîtes de Pétri et observer combien de temps il leur a fallu pour passer d'ardoises cellulaires vierges à des neurones à part entière se connectant et communiquant avec les autres. Il pensait pouvoir trouver des indices sur l’origine et l’évolution du cerveau humain en comparant ces cellules souches de souris et humaines prêtes à devenir des neurones.

La première chose qu’il a remarquée, c’est que les cellules souches de souris se différenciaient en cellules cérébrales matures en une semaine environ – plus rapidement que les cellules souches humaines, qui prenaient leur temps à se développer sur trois à quatre mois.

Mais ces cellules se développeraient-elles de la même manière dans un cerveau en croissance plutôt que dans une assiette isolée ? Pour le savoir, il a transplanté un neurone de souris dans un cerveau de souris vivant. La cellule a suivi la même chronologie que les neurones de la souris hôte, se différenciant après environ une semaine. Puis il a essayé la même chose avec un neurone humain, en l’implantant dans le cerveau d’une souris. À sa grande surprise, le neurone humain gardait son propre temps. Il a mis près d'un an à mûrir malgré son environnement rodentiel.

"Cela nous a fourni une première réponse importante, à savoir que quel que soit le mécanisme de synchronisation, une grande partie semble se trouver dans les neurones eux-mêmes", a déclaré Vanderhaeghen. "Même si vous retirez les cellules de la boîte de Pétri et les placez dans un autre organisme, elles conserveront toujours leur propre chronologie."

Pourtant, jusqu’à il y a quelques années, on ne savait pratiquement rien du mécanisme cellulaire sous-jacent.

Vanderhaeghen a commencé à réfléchir à l’origine des éléments constitutifs d’un neurone. "Fabriquer des neurones, c'est comme construire un bâtiment extrêmement compliqué", a-t-il déclaré. "Il faut une bonne logistique." Les cellules ont besoin non seulement d’énergie mais aussi d’une source de matières premières pour croître et se diviser.

Il soupçonnait que les mitochondries pourraient fournir ces éléments constitutifs. Les organites sont essentiels à la croissance et au métabolisme d’une cellule. Ils produisent de l’énergie, ce qui leur vaut le surnom de « centrale électrique de la cellule », et produisent également des métabolites essentiels à la construction des acides aminés et des nucléotides et à la régulation de l’expression des gènes.

L’opinion classique sur les mitochondries est qu’elles ne changent pas au cours de la vie d’une cellule. "Ils sont juste de jolies petites saucisses pittoresques dans la cellule, et ils fournissent de l'énergie", a déclaré Vanderhaeghen. Mais quand lui et Ryohei Iwata, un chercheur postdoctoral dans son laboratoire, a examiné de plus près le développement des neurones et a constaté que les mitochondries avaient également besoin de temps pour se développer.

De jeunes neurones, ont-ils rapporté dans Sciences, avaient peu de mitochondries, et celles dont ils disposaient étaient fragmentées et généraient peu d’énergie. Puis, à mesure que les neurones mûrissaient, les mitochondries augmentaient en nombre, en taille et en activité métabolique. De plus, les changements se sont produits plus rapidement chez les souris que chez les humains. Essentiellement, le système a évolué : la maturation des mitochondries est restée synchronisée avec la maturation des neurones chez les deux espèces.

La découverte a semblé importante à Vanderhaeghen et Iwata. Et cela les a amenés à se demander si les mitochondries pourraient être le rythme silencieux à l’origine des grandes différences de rythme de développement entre les espèces.

Comment faire pousser une colonne vertébrale

L’un des modèles classiques pour étudier le rythme du développement embryonnaire est la structuration de la colonne vertébrale. Tous les vertébrés ont une colonne vertébrale composée d'une chaîne de segments vertébraux, mais les espèces varient en nombre et en taille. Une question naturelle se pose donc sur les mécanismes de développement qui donnent naissance à cette caractéristique essentielle des vertébrés et à ses nombreuses variations à travers le règne animal.

En 1997, le biologiste du développement Olivier Pourquié, maintenant à la Harvard Medical School, a découvert pour la première fois un oscillateur moléculaire appelé horloge de segmentation qui pilote le mécanisme qui structure la colonne vertébrale des vertébrés. En travaillant avec des embryons de poulet, son équipe de recherche a identifié les acteurs clés qui s'expriment rythmiquement lors de la formation de chaque segment vertébral dans le tissu embryonnaire. L'horloge de segmentation déclenche des oscillations de l'expression des gènes, provoquant une fluctuation de la réactivité des cellules à un signal de front d'onde qui se déplace de la tête à la queue. Lorsque le front d’onde rencontre des cellules réactives, un segment se forme. De cette manière, le mécanisme d’horloge et de front d’onde contrôle l’organisation périodique de la colonne vertébrale.

Les gènes qui orchestrent l’horloge de segmentation sont conservés d’une espèce à l’autre. Cependant, la période d’horloge – le temps entre deux pics d’oscillation – ne l’est pas. Pendant de nombreuses années, les généticiens du développement ne parvenaient pas à expliquer cela : ils ne disposaient pas des outils génétiques nécessaires pour manipuler avec précision l’horloge d’un embryon en croissance. Ainsi, vers 2008, Pourquié a commencé à développer des méthodes pour mieux disséquer le mécanisme en laboratoire.

À l’époque, « cela ressemblait à de la pure science-fiction », dit-il. Mais l'idée est devenue plus plausible au cours de la décennie suivante, lorsque le laboratoire de Pourquié et d'autres dans le monde ont appris à cultiver des cellules souches embryonnaires et à même construire des organoïdes – comme une rétine, un intestin ou un mini-cerveau – dans un plat.

Pourquié et Diaz Cuadros, alors étudiant diplômé, ont trouvé un moyen de reproduire l'horloge dans des cellules souches de souris et humaines. Lors des premières expériences, ils ont observé que la période d’horloge dure environ deux heures chez la souris, alors qu’il faut environ cinq heures pour terminer une oscillation dans les cellules humaines. C’était la première fois que quelqu’un identifiait la période de l’horloge de segmentation chez l’homme.

D'autres laboratoires ont également vu le potentiel de ces progrès dans la biologie des cellules souches pour résoudre des questions de longue date sur le calendrier du développement. En 2020, deux groupes de recherche – dont un dirigé par Miki Ebisuya au Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire de Barcelone et l'autre par James Briscoe au Francis Crick Institute de Londres – a découvert de manière indépendante que les processus moléculaires de base de la cellule suivent le rythme de son développement. Ils ont publié des études côté by côté in Sciences.

L'équipe d'Ebisuya souhaitait comprendre les différences dans le taux de réactions moléculaires (expression des gènes et dégradation des protéines) qui déterminent chaque cycle d'horloge. Ils ont constaté que les deux processus fonctionnaient deux fois plus rapidement dans les cellules de souris que dans celles humaines.

Briscoe s'est plutôt penché sur le développement précoce de la moelle épinière. Comme le cycle de l’horloge de segmentation, le processus de différenciation des neurones – y compris l’expression des séquences génétiques et la dégradation des protéines – était proportionnellement étendu chez l’homme par rapport à la souris. "Il faut deux à trois fois plus de temps pour atteindre le même stade de développement en utilisant des cellules souches embryonnaires humaines", a déclaré Briscoe.

C'était comme si, à l'intérieur de chaque cellule, un métronome faisait tic-tac. À chaque mouvement du pendule, divers processus cellulaires – expression des gènes, dégradation des protéines, différenciation cellulaire et développement embryonnaire – ont tous suivi le rythme et sont restés dans le temps.

Mais était-ce une règle générale pour tous les vertébrés, au-delà des souris et des humains ? Pour le savoir, l'étudiant diplômé d'Ebisuya Jorge Lázaro a créé un « zoo de cellules souches », abritant des cellules provenant d’une variété de mammifères : souris, lapins, bovins, rhinocéros, humains et ouistitis. Lorsqu’il a reproduit l’horloge de segmentation de chaque espèce, il a constaté que la vitesse des réactions biochimiques restait en rythme avec la période de l’horloge de segmentation de chacune d’elles.

De plus, les tempos de l’horloge ne s’adaptaient pas à la taille des animaux. Les cellules de souris oscillaient plus rapidement que les cellules de rhinocéros, mais les cellules humaines oscillaient plus lentement que les cellules de rhinocéros, et les cellules de ouistiti avaient les oscillations les plus lentes de toutes.

Les résultats, publié dans Cellule souche cellulaire en juin, a suggéré que la vitesse des réactions biochimiques pourrait être un mécanisme universel de régulation du temps de développement.

Ils ont également repoussé les limites d’un aspect important mais négligé du dogme central de la biologie moléculaire. "Nous parlons de transcription, de traduction et de stabilité des protéines", a déclaré Diaz-Cuadros. Tout le monde pensait qu'ils étaient les mêmes chez toutes les espèces de mammifères ou de vertébrés, "mais maintenant ce que nous disons, c'est que la vitesse du dogme central est spécifique à l'espèce, et je pense que c'est assez fascinant".

Faire ou défaire une protéine

L’horloge doit donc provenir d’un mécanisme qui détermine le rythme des réactions biochimiques entre les espèces. Thérèse Rayon voulait découvrir ses origines quand elle j'ai observé la différenciation des motoneurones dans son laboratoire de Londres, où elle a étudié avec Briscoe.

Elle a génétiquement modifié des neurones de souris et d'humains en développement pour exprimer une protéine fluorescente, qui brille lorsqu'elle est excitée par un laser à la bonne longueur d'onde. Elle a ensuite observé la dégradation des protéines introduites. À sa grande surprise, les mêmes protéines fluorescentes se sont désagrégées plus rapidement dans les cellules de souris que dans les cellules humaines, suivant ainsi le développement des neurones. Cela lui suggérait que quelque chose dans l’environnement intracellulaire donnait le tempo de la dégradation.

« Si vous demandiez à un biologiste : « Comment déterminez-vous la stabilité d'une protéine ? ils vous diraient que cela dépend de la séquence », a déclaré Rayon, qui dirige désormais son propre laboratoire à l'Institut Babraham à Cambridge, en Angleterre. « Cependant, nous avons constaté que ce n’est pas le cas. Nous pensons que ce pourrait être la machinerie qui dégrade les protéines qui pourrait jouer un rôle.

Mais elle et son groupe ne recherchaient qu’un seul type de cellule. Si les types de cellules dans divers tissus se développaient à des rythmes différents, leurs protéines se dégraderaient-elles également à des rythmes différents ?

Michael Dorrity au Laboratoire européen de biologie moléculaire d'Heidelberg, il approfondissait cette question en réfléchissant à la manière dont la température affecte le développement. De nombreux animaux, des insectes aux poissons, se développent plus rapidement lorsqu’ils sont élevés à des températures plus élevées. Curieusement, il a observé que chez les embryons de poisson zèbre élevés dans un environnement chaud, le rythme de développement de certains types de cellules s’accélérait plus rapidement que celui d’autres.

In une préimpression » a-t-il posté l'année dernière, il s'est concentré sur une explication concernant la machinerie qui fabrique et dégrade les protéines. Certains types de cellules nécessitent un plus grand volume ou des protéines plus complexes que d’autres. En conséquence, certains types de cellules « exercent une charge chronique sur ces mécanismes de contrôle de la qualité des protéines », a-t-il déclaré. Lorsque la température augmente, ils n’ont pas la capacité de répondre aux besoins plus élevés en protéines, et leur horloge interne ne parvient donc pas à s’accélérer et à suivre le rythme.

En ce sens, les organismes ne maintiennent pas une seule horloge unifiée, mais disposent de plusieurs horloges pour de nombreux tissus et types de cellules. D'un point de vue évolutif, il ne s'agit pas d'un bug mais d'une caractéristique : lorsque les tissus se développent de manière désynchronisée les uns par rapport aux autres, les parties du corps peuvent croître à des rythmes différents, ce qui peut conduire à l'évolution de divers organismes, voire de nouvelles espèces.

C'était comme s'ils avaient découvert le bouton de réglage du métronome interne de la cellule, qui leur permet d'accélérer ou de ralentir le rythme du développement embryonnaire. "Ce ne sont pas les différences dans l'architecture de régulation des gènes qui expliquent ces différences temporelles", a déclaré Pourquié. Les conclusions ont été publié dans Nature plus tôt cette année.

Ce bouton de réglage métabolique ne se limitait pas à l’embryon en développement. Iwata et Vanderhaeghen, quant à eux, ont découvert comment utiliser des médicaments et la génétique pour jouer avec le rythme métabolique des neurones en maturation – un processus qui, contrairement à celui de l'horloge de segmentation, qui ne dure que quelques jours, prend plusieurs semaines ou mois. Lorsque les neurones de souris étaient obligés de générer de l’énergie plus lentement, ils mûrissaient également plus lentement. À l’inverse, en déplaçant pharmacologiquement les neurones humains vers une voie plus rapide, les chercheurs pourraient accélérer leur maturation. Les conclusions ont été publié dans Sciences en janvier.

Pour Vanderhaeghen, la conclusion de leurs expériences est claire : « Le taux métabolique détermine le rythme du développement. »

Pourtant, même si le métabolisme est le régulateur en amont de tous les autres processus cellulaires, ces différences doivent revenir à la régulation génétique. Il est possible que les mitochondries influencent le moment de l'expression des gènes du développement ou de ceux impliqués dans la machinerie de fabrication, de maintenance et de recyclage des protéines.

Une possibilité, spécule Vanderhaeghen, est que les métabolites des mitochondries soient essentiels au processus qui condense ou dilate l'ADN replié dans les génomes afin qu'il puisse être transcrit pour construire des protéines. Peut-être, a-t-il suggéré, ces métabolites limitent le taux de transcription et déterminent globalement le rythme auquel les réseaux de régulation génétique sont activés et désactivés. Ce n’est cependant qu’une idée qui nécessite un déballage expérimental.

Il y a aussi la question de savoir ce qui fait fonctionner les mitochondries en premier lieu. Diaz Cuadros pense que la réponse doit résider dans l’ADN : « Quelque part dans leur génome, il doit y avoir une différence de séquence entre la souris et l’humain qui code pour cette différence de taux de développement. »

"Nous ne savons toujours pas où se situe cette différence", a-t-elle déclaré. "Nous en sommes malheureusement encore très loin."

Trouver cette réponse peut prendre du temps, et comme l’horloge mitochondriale, le progrès scientifique progresse à un rythme qui lui est propre.

Corrections, 18 septembre 2023
Dans l’introduction, une phrase a été révisée pour clarifier que c’est le taux d’expression des gènes, et non le taux métabolique global, qui contribue à orienter le rythme du développement. L'article a également été mis à jour pour corriger quelles espèces du zoo de cellules souches présentent les oscillations d'horloge de segmentation les plus rapides et les plus lentes.