Comment les noyaux cellulaires organisent les yeux et le cerveau
Dans le cadre de travaux menés à la fois à l'UC Santa Barbara et au Physics of Life Excellence Cluster de l'Université technique de Dresde, le biophysicien Otger Campàs et son groupe de recherche ont découvert que les noyaux cellulaires contrôlent l'architecture et la mécanique des tissus oculaires et cérébraux au cours du développement embryonnaire. Ces résultats ajoutent un nouveau rôle au noyau cellulaire dans l'organisation des tissus, bien au-delà de son rôle établi dans la régulation génétique.
Image microscopique d'une rétine de poisson-zèbre en développement, avec les noyaux cellulaires (bleu) et les membranes (jaune).
Rana Amini/Campàs Lab.
"Nous mesurions la rigidité des tissus dans la rétine du poisson zèbre et nous avons réalisé qu'elle dépendait de l'agencement des noyaux. C'était totalement inattendu, car on pense que la mécanique des tissus dépend des interactions à la surface des cellules, mais pas des organites à l'intérieur des cellules", a déclaré M. Campàs, aujourd'hui professeur et titulaire de la chaire de dynamique des tissus au pôle d'excellence "Physique du vivant" de l'université technique de Dresde, dont il est également le directeur général. Cette recherche, publiée dans la revue Nature Materials, représente une voie inexplorée pour comprendre comment les cellules orchestrent le développement embryonnaire.
L'architecte caché
À l'intérieur de chaque cellule, des structures individuelles connues sous le nom d'organites remplissent des fonctions essentielles, mais on ignore comment ces organites contribuent à la formation des tissus et des organes. À l'instar des usines ou des routes dans les villes, une myriade d'organites accomplissent des tâches à l'intérieur des cellules pour leur permettre de fonctionner correctement. Parce qu'ils sont confinés à l'intérieur des cellules, on ne pensait pas que les organites jouaient un rôle direct dans la construction des organes au cours de l'embryogenèse. Jusqu'à aujourd'hui.
Le noyau de la cellule est un organite connu pour traiter l'information dans les cellules, les gènes s'activant et se désactivant en fonction des signaux reçus. Cependant, le noyau est également l'organite le plus grand et le plus rigide des cellules, et il pourrait affecter la structure physique du tissu en plus du traitement de l'information. Fasciné par le rôle que pouvait jouer le noyau dans la formation des tissus, M. Campàs a décidé d'étudier le rôle des noyaux dans la formation des organes.
Des travaux antérieurs de son groupe avaient montré que les collectifs cellulaires agissaient comme une mousse pendant le développement, qui pouvait être soit bloquée pour "geler" l'architecture du tissu et en fixer la forme, soit "fondue" pour permettre aux tissus de s'écouler et de se modeler.
"En étendant le modèle de mousse active, nous avons identifié un nouveau mode de transition solide-fluide, régi par la taille relative du noyau et des cellules", a déclaré Sangwoo Kim, coauteur principal de l'étude.
Lorsque les auteurs ont étudié la taille du noyau par rapport à celle des cellules dans les tissus oculaires et cérébraux, à la fois dans des contextes expérimentaux et théoriques, ils ont constaté que si le noyau occupait une grande partie de l'espace cellulaire, la rigidité du tissu était directement contrôlée par le noyau. En outre, ils ont également constaté que lorsque les noyaux se tassaient si fortement, ils ordonnaient les cellules en réseaux presque cristallins.
"Lorsque les noyaux commencent à interagir mécaniquement, la mécanique tissulaire et l'ordonnancement cellulaire ne sont pas dictés par la surface de la cellule, mais plutôt contrôlés par le noyau lui-même", a déclaré M. Campàs. "Il s'agit d'un organite qui détermine la rigidité de l'ensemble du tissu. Leur étude remet en question le statu quo et révèle un nouveau rôle pour les noyaux dans le contrôle de l'organisation et de la mécanique des tissus.
Pour étudier l'influence de la taille du noyau cellulaire sur la formation des organes, les chercheurs ont utilisé le poisson zèbre. Ces vertébrés constituent un modèle inestimable pour explorer les questions de développement, car ils sont totalement transparents pendant leurs stades embryonnaires et mûrissent rapidement, ce qui permet de visualiser la formation des organes en 3D.
"Nous avons donc effectué des mesures structurelles et des quantifications des mouvements cellulaires, en nous concentrant sur le développement de la rétine et du cerveau du poisson zèbre", explique Rana Amini, co-auteur principal de l'étude.
Grâce à ces mesures, les auteurs ont démontré que les changements de taille des cellules et des noyaux au cours des étapes clés du développement "coincent" les noyaux en place, car ils sont étroitement entourés par leurs voisins. Au cours de cette transition, les noyaux s'emboîtent parfaitement, comme des grains de café dans un bocal, et cette organisation pourrait être importante pour le fonctionnement de l'œil. Dans nos yeux, l'agencement des cellules semble très structuré, affichant souvent un ordre très régulier, "cristallin", nécessaire au traitement des signaux visuels. Chez le poisson zèbre, ce n'est pas différent, et l'ordre cristallin des cellules semble résulter de l'enchevêtrement des noyaux au cours du développement de l'œil.
Au-delà de l'œil, l'équipe a également constaté que les tissus cérébraux se bloquent au niveau des noyaux, ce qui révèle un nouveau rôle du noyau dans le contrôle de l'architecture de plusieurs tissus neuronaux. Ces travaux mettent également en évidence le rôle potentiel des défauts au niveau nucléaire dans l'apparition de maladies associées à une architecture tissulaire déficiente. Cette nouvelle pièce du puzzle nous rapproche de la compréhension de la manière dont les cellules construisent les organes au cours du développement embryonnaire.
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.
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