Un voyage dans le temps à l'origine des cellules souches
Les protéines qui régulent les cellules souches animales sont beaucoup plus anciennes que les animaux eux-mêmes
Une nouvelle étude publiée dans Nature Communications révèle que des protéines essentielles impliquées dans la régulation des cellules souches animales sont beaucoup plus anciennes qu'on ne le pensait, précédant l'origine des animaux qui ont probablement évolué il y a plus de 700 millions d'années. L'équipe de recherche internationale comprenait des scientifiques du groupe du Dr Georg Hochberg de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre en Allemagne et était dirigée par le professeur Ralf Jauch de l'université de Hong Kong et le Dr Alex de Mendoza de l'université Queen Mary de Londres, au Royaume-Uni.
Alors que la plupart des cellules animales sont spécialisées et ont des rôles fixes, comme les cellules de la peau, les cellules nerveuses ou les cellules sanguines, les cellules souches pluripotentes sont capables à la fois de s'auto-renouveler et de se différencier en cellules spécialisées en cas de besoin. Ces deux potentiels, l'autorenouvellement et la différenciation, sont étroitement contrôlés par une combinaison de facteurs de régulation internes et externes.
L'étude s'est concentrée sur deux protéines cruciales impliquées dans la régulation des cellules souches : les facteurs de transcription SOX et POU : Les facteurs de transcription SOX et POU. SOX et POU jouent un rôle essentiel dans le maintien du caractère "souche" des cellules et on pensait qu'il s'agissait d'une innovation spécifique aux animaux. Ce point de vue est aujourd'hui contredit. En utilisant la phylogénétique moléculaire, l'équipe de recherche a identifié ces protéines chez les choanoflagellés, qui sont considérés comme les plus proches parents unicellulaires des animaux et qui se sont séparés de l'arbre généalogique animal il y a plus de 700 millions d'années.
"Notre découverte est l'équivalent moléculaire de la mise au jour d'un fossile de transition, qui éclaire les origines énigmatiques des animaux", explique le Dr Mathias Girbig, coauteur de l'étude et chercheur à l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre.
De la phylogénétique à la validation fonctionnelle
"Remarquablement, lorsque nous les avons testées dans des cultures de cellules souches de souris, nous avons constaté que les protéines SOX des choanoflagellés pouvaient remplacer fonctionnellement leurs homologues de souris, ce qui démontre leur capacité à activer les programmes génétiques complexes nécessaires à la formation des cellules souches", explique le Dr Ya Gao, chercheur postdoctoral à l'Université de Hong Kong et coauteur principal de l'étude. Pour étudier plus en détail l'histoire évolutive de ces protéines, les chercheurs ont utilisé une technique appelée reconstruction de la séquence ancestrale.
"Imaginons que nous disposions d'un arbre généalogique de protéines provenant de diverses espèces, vivantes ou éteintes. À l'aide d'algorithmes informatiques sophistiqués, nous pouvons remonter dans cet arbre et prédire à quoi ressemblaient les protéines de nos anciens ancêtres. Nous produisons ensuite ces anciennes protéines pour étudier leurs propriétés biochimiques en laboratoire", explique Mathias Girbig. "En d'autres termes, cette méthode est comme une machine à remonter le temps moléculaire, car elle nous permet de déduire et de faire revivre les séquences protéiques d'ancêtres disparus depuis longtemps.
Il est important de noter que ces protéines anciennes reconstruites, tout comme leurs homologues existants, pouvaient également induire la reprogrammation des cellules souches dans les cellules de souris. Cela a confirmé que les caractéristiques moléculaires permettant aux protéines Sox d'induire la "stemness" sont véritablement ancestrales, antérieures à l'évolution des animaux eux-mêmes.
"Nous avons été surpris de constater que les propriétés biochimiques de base des protéines SOX, qui sont essentielles à la fonction des cellules souches chez les animaux, étaient déjà présentes dans les organismes unicellulaires qui existaient avant l'évolution des animaux. Cette conservation fonctionnelle sur plus de 700 millions d'années d'évolution est vraiment fascinante, surtout si l'on considère que les choanoflagellés n'ont pas de cellules souches", conclut Mathias Girbig.
Implications pour la compréhension de l'évolution animale
Georg Hochberg, chef du groupe de recherche à l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre, note que "nos résultats suggèrent que l'évolution des cellules souches animales pourrait avoir impliqué la réaffectation d'outils moléculaires préexistants, plutôt que l'invention de mécanismes entièrement nouveaux".
Il est intéressant de noter que si les protéines SOX ont fait preuve d'une remarquable conservation fonctionnelle, d'autres facteurs de transcription (protéines POU) provenant d'organismes unicellulaires ne possédaient pas certaines propriétés essentielles de leurs homologues animaux. Cela suggère que l'émergence des cellules souches animales a probablement impliqué à la fois la cooptation d'anciennes fonctions moléculaires et l'évolution de nouvelles interactions protéine-protéine.
"Cette étude met en évidence la puissance de la combinaison de l'analyse évolutive et des expériences fonctionnelles pour comprendre les origines des systèmes biologiques complexes", commente le professeur Ralf Jauch de l'université de Hong Kong, qui a coordonné ce projet de recherche et supervisé les travaux sur la biologie des cellules souches.
Georg Hochberg ajoute : "Cette recherche ne fait pas seulement progresser notre compréhension de la biologie des cellules souches, elle offre également de nouvelles perspectives sur l'évolution de la multicellularité animale - l'une des transitions majeures dans l'histoire de la vie sur Terre. Ces connaissances pourraient avoir des implications considérables dans des domaines allant de la biologie du développement à la médecine régénérative."
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.
Publication originale
Ya Gao, Daisylyn Senna Tan, Mathias Girbig, Haoqing Hu, Xiaomin Zhou, Qianwen Xie, Shi Wing Yeung, Kin Shing Lee, Sik Yin Ho, Vlad Cojocaru, Jian Yan, Georg K. A. Hochberg, Alex de Mendoza, Ralf Jauch; "The emergence of Sox and POU transcription factors predates the origins of animal stem cells"; Nature Communications, Volume 15, 2024-11-14
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