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Les forces secrètes qui donnent forme à la vie

Développement embryon du poisson-zèbre

Au début, un embryon ne possède ni avant, ni arrière, ni queue, ni tête. C’est une simple sphère de cellules. Mais bientôt l’amas lisse commence à se transformer. Un liquide s’accumule au centre de la sphère. Les cellules s’écoulent comme du miel pour prendre leur place dans le futur organisme. Des feuillets cellulaires se plient à la manière d’un origami pour former un cœur, un intestin, un cerveau.

Rien de tout cela ne se produirait sans les forces qui compriment, tordent et tirent l’organisme en cours de développement pour lui donner forme. Même lorsqu’il atteindra l’âge adulte, ses cellules continueront à répondre aux poussées et aux tractions des autres cellules et de l’environnement.

Pourtant, la façon dont le corps et les tissus prennent forme reste « l’une des questions les plus importantes et malgré tout encore mal comprise de notre époque », déclare la biologiste du développement Amy Shyer, qui étudie la morphogenèse à l’université Rockefeller, à New York. Pendant des décennies, les biologistes se sont concentrés sur la façon dont les gènes et autres biomolécules façonnent les organismes, principalement parce que les outils pour analyser ces signaux sont faciles d’accès et en constante amélioration. L’influence des forces mécaniques a reçu beaucoup moins d’attention.

Mais ne considérer que les gènes et les biomolécules, c’est « comme essayer d’écrire un livre avec seulement la moitié des lettres de l’alphabet », explique Xavier Trepat, mécanobiologiste à l’Institut de bio-ingénierie de Catalogne, à Barcelone.

Au cours des vingt dernières années, de plus en plus de scientifiques se sont intéressés au rôle des forces mécaniques à différents stades de développement et dans divers organes et organismes. Les chercheurs ont commencé à éclairer les mécanismes par lesquels les cellules perçoivent les forces, y répondent ou en exercent. Pour ce faire, ils ont inventé des outils et des techniques ad hoc, impliquant des lasers, des micropipettes, des particules magnétiques et des microscopes adaptés. La plupart des équipes analysent les signaux mécaniques en utilisant des cellules ou des tissus cultivés in vitro. Mais quelques-unes étudient des organismes entiers et mettent parfois en évidence des mécanismes différents de ceux qui sont à l’œuvre dans des tissus isolés. Ces études in vivo s’accompagnent de nombreux défis, comme la mesure de forces infimes dans des tissus complexes, mais elles sont essentielles pour comprendre le rôle des forces dans la sculpture du vivant, explique Roberto Mayor, biologiste du développement à l’University College de Londres.

Une poignée de scientifiques commencent à surmonter ces défis et ont mis en évidence les forces cruciales qui façonnent le vivant, depuis les premiers stades de l’existence d’un embryon jusqu’aux maladies plus tardives. Finalement, ces informations pourraient les aider à concevoir de meilleures réponses à des problèmes tels que l’infertilité ou le cancer.

« Les forces interviennent à chaque fois que la forme est en jeu », résume Thomas Lecuit, biologiste du développement à l’Institut de biologie du développement de Marseille.

Au commencement était la force

Mais revenons au commencement. Avant qu’un embryon puisse prendre forme, il doit rompre la symétrie de l’amas sphérique initial de cellules. Après avoir élucidé les mécanismes génétiques et chimiques de contrôle de ce processus, les scientifiques en dévoilent aujourd’hui progressivement les aspects mécaniques. « Petit à petit, une image plus large du rôle des forces mécaniques dans le développement apparaît », explique Jean-Léon Maître, biologiste à l’Institut Curie, à Paris. Par exemple, des propriétés physiques telles que la pression des fluides et la densité cellulaire sont essentielles pour la création de l’avant, l’arrière, la tête et la queue des embryons des mammifères.

Pour arriver à cette conclusion, le groupe de Jean-Léon Maître a étudié la façon dont une grande cavité emplie de fluide, appelée « blastocèle », se développe dans la sphère initiale de cellules composant l’embryon de souris au tout premier stade [la morula, qui compte seize cellules, ndt]. Lorsque cette cavité se forme, les cellules qui deviendront le fœtus sont repoussées d’un côté [le tout étant entouré d’une couche de cellules appelée « trophoblaste », qui deviendra le placenta, ndt]. Cette première rupture de symétrie garantit que l’embryon, alors appelé « blastocyste », s’implante correctement dans la paroi utérine, et détermine également quel côté sera le dos et quel côté sera le ventre. Restait à comprendre comment se crée et se positionne le blastocèle.

En observant ce processus de segmentation en détail, l’équipe de Jean-Léon Maître a découvert quelque chose d’inattendu. « Nous avons vu des centaines de petites poches d’eau d’une taille de l’ordre du micromètre se former entre les cellules, raconte le biologiste. Elles sont éphémères : on les rate si on ne prend pas de clichés assez rapidement. » Le fluide formant ces « bulles » interstitielles provient du liquide entourant l’embryon, poussé à l’intérieur par la concentration plus élevée de molécules d’eau à l’extérieur. Ensuite, le liquide de ces petites bulles individuelles se regroupe dans une seule grande cavité, probablement à travers les espaces intercellulaires, pense Jean-Léon Maître.

Les chercheurs en ont confirmé ce mécanisme en examinant les protéines qui se trouvent dans l’espace interstitiel et qui, en s’accrochant les unes aux autres, permettent aux cellules de rester fermement collées entre elles. À mesure que les bulles apparaissent, ces protéines d’adhésion semblent se briser alors que les cellules sont séparées les unes des autres. Les cellules présentant moins de protéines d’adhésion sont plus faciles à séparer.

C’est la première observation que le fluide sous pression sculpte l’embryon en rompant les liens entre les cellules, déclare Jean-Léon Maître. Mais pourquoi les cellules se sépareraient-elles pour construire l’embryon ? « Cela semble clairement contre-productif et risqué », juge le chercheur. Il émet l’hypothèse que cette stratégie a été conservée par l’évolution non parce qu’elle est la meilleure solution au problème mais parce qu’elle est « assez bonne ». Il espère qu’une meilleure compréhension de la mécanique de l’embryon, que l’équipe étudie actuellement avec des cellules humaines, pourra aider les centres de fécondation in vitro à identifier quels embryons implanter pour maximiser les chances de grossesse.

Plus tard au cours du développement, la symétrie des embryons se rompt dans une autre direction, ce qui différencie la tête de la queue. Otger Campàs, biophysicien à l’université de Californie, à Santa Barbara, a suivi le processus de croissance de la queue chez des embryons de poisson-zèbre (Danio rerio). Son équipe a étudié les forces en jeu en injectant des gouttelettes d’huile chargées de nanoparticules magnétiques dans les espaces intercellulaires. Les chercheurs ont ensuite appliqué un champ magnétique pour déformer les gouttelettes en vue de mesurer la réaction des tissus à la poussée.

Cellules d'embryon de poisson-zèbre
Pour pousser et tirer sur les cellules de cet embryon de poisson-zèbre, les scientifiques ont déformé une gouttelette chargée de nanoparticules magnétiques (en jaune) à l’aide d’un champ magnétique.

Ils ont découvert que le bout de la queue en cours de développement est dans un état que les physiciens qualifient de « fluide » : les cellules glissent librement, et lorsqu’on les presse, le tissu se déforme facilement. Plus on s’éloigne de l’extrémité de la queue, plus le tissu devient rigide. « Nous savions qu’il se solidifiait, mais nous ignorions par quel mécanisme », se souvient Otger Campàs.

Il n’y avait rien dans le milieu intercellulaire susceptible d’apporter de la rigidité, aucune molécule formant une matrice structurelle. Mais lorsque les chercheurs ont mesuré les espaces entre les cellules, ils ont découvert qu’ils étaient plus larges dans le bout fluide de la queue, et plus petits en direction de la tête. À mesure que les cellules s’accumulent, le tissu se solidifie. Otger Campàs compare cette transition à des grains de café dans un sac : les grains glissent librement quand le sac est presque vide, mais à mesure que ce dernier se remplit, ils deviennent si serrés que le sac devient rigide comme une brique. Otger Campàs prévoit d’étudier si ce mécanisme sous-tend la formation d’autres structures embryonnaires, comme les bourgeons des membres.

Former des cœurs et des cerveaux

Une fois que l’embryon en développement s’est dessiné, les organes individuels commencent à se former. « Fondamentalement, nous comprenons mal comment se forme un organe interne – à l’exception de l’intestin », explique Timothy Saunders, biologiste du développement à l’université nationale de Singapour.

Cela commence à changer. L’équipe de Timothy Saunders a par exemple examiné la formation du cœur chez des embryons de la drosophile, ou mouche du vinaigre. Un événement crucial survient lorsque deux morceaux de tissu s’assemblent pour former un tube qui deviendra le cœur. Chacun contient deux types de cellules du myocarde. Les morceaux doivent se fermer en s’appariant correctement pour qu’un cœur sain émerge. « Nous avons souvent constaté des défauts d’alignement qui ont ensuite été corrigés, précise Timothy Saunders. Mais qu’est-ce qui régit cette correction ? »

Il s’est avéré qu’il s’agit d’une force provenant de l’intérieur des cellules cardiaques elles-mêmes. On savait qu’au cours du processus de fermeture, une protéine nommée myosine II, une proche cousine de la protéine responsable de la contraction des cellules musculaires, se déplace dans un mouvement de va-et-vient entre le centre et la périphérie de chaque cellule. Shaobo Zhang, alors étudiant de troisième cycle, et aujourd’hui post-doctorant à l’université de Californie à San Francisco, se demandait si la myosine était capable d’engendrer une force qui tire sur les cellules appariées, ce qui aurait rompu toute liaison entre des types de cellules différents.

Pour tester sa théorie, Shaobo Zhang a séparé des cellules appariées à l’aide d’un laser. Les cellules se sont éloignées l’une de l’autre brusquement, comme lorsqu’on coupe un élastique tendu avec des ciseaux. « On voyait un beau recul », se rappelle Timothy Saunders. Mais lorsque l’équipe a séparé des cellules dépourvues de myosine II, rien ne se passait. Un peu comme les doigts qui étirent un élastique, la myosine engendre la force nécessaire pour tirer de l’intérieur sur les liaisons entre cellules. Une fois leurs liens rompus, les cellules mal assorties ont alors une autre chance de trouver leur bonne partenaire.

La simple prolifération de cellules peut aussi suffire à indiquer aux cellules comment s’organiser, ainsi que l’ont découvert des chercheurs de l’université de Cambridge, au Royaume-Uni, chez des embryons de grenouille Xenopus. L’équipe, dirigée par le biophysicien Kristian Franze (qui dirige également l’Institut de physique médicale et d’ingénierie des microtissus de l’université d’Erlangen-Nuremberg, en Allemagne), savait déjà que lorsque l’œil et le cerveau se connectent, les neurones de l’œil envoient leurs axones (les longs prolongements cellulaires qui permettent aux neurones de se connecter entre eux) le long d’une voie définie par la rigidité du tissu cérébral. Les axones de l’œil suivent les tissus plus souples vers un nœud central du cerveau en développement.

Pour déterminer quand et comment cette voie se forme, l’équipe a construit un microscope adapté avec lequel elle a pu simultanément observer le processus in vivo et mesurer la rigidité du tissu à l’aide d’une sonde minuscule. Les chercheurs ont vu le gradient de rigidité apparaître environ quinze minutes avant que les axones n’arrivent pour le suivre, explique Kristian Franze.

Comment ce gradient se forme-t-il ? Comme pour les queues de poisson-zèbre en développement, les tissus plus rigides dans le cerveau des grenouilles semblaient contenir une plus grande densité de cellules. Lorsque l’équipe a bloqué la division cellulaire dans les embryons, le gradient de rigidité n’est jamais apparu et les axones n’ont pas trouvé leur chemin. Remplir un espace de cellules semble donc être un moyen rapide et efficace de guider le câblage du système nerveux.

Une pression continue

Les organismes pleinement développés sont eux aussi soumis à des forces lorsqu’ils poursuivent leur croissance ou affrontent une maladie. Par exemple, lorsque le corps grandit, la peau se développe pour le couvrir. Les chirurgiens en tirent parti pour la reconstruction mammaire, qui nécessite de la peau supplémentaire afin de couvrir l’implant : ils insèrent d’abord un « ballon » et le gonflent progressivement avec du sérum physiologique pendant plusieurs mois, en étirant la peau existante, jusqu’à ce qu’il y ait suffisamment de nouvelle peau pour une deuxième intervention chirurgicale.

Mais comment les cellules de la peau réagissent-elles à cette pression et se multiplient-elles ? Mariaceleste Aragona, spécialiste des cellules souches, a abordé la question dans le cadre d’un post-doctorat sous la direction de Cédric Blanpain, directeur du laboratoire de cellules souches et cancer à la faculté de médecine de Bruxelles. Elle a implanté une petite boule d’hydrogel autoexpansible sous la peau de souris. Tandis que l’hydrogel absorbait du fluide, jusqu’à atteindre un volume final de 4 millilitres, la peau s’étirait autour de lui. Un jour après avoir implanté l’hydrogel, Mariaceleste Aragona a vu les cellules souches sous la couche externe de la peau commencer à se multiplier, fournissant la matière première qui pourrait se différencier en une nouvelle peau.

Mais toutes les cellules souches n’ont pas proliféré en réponse à l’étirement. Seule une sous-population, jusqu’alors indéfinie, a commencé à produire de nouvelles cellules souches. « Nous ignorons toujours pourquoi », indique Mariaceleste Aragona, aujourd’hui à l’université de Copenhague. La compréhension de ce phénomène pourrait déboucher sur des méthodes pour favoriser la croissance de la peau dans le cadre de la reconstruction chirurgicale ou de la cicatrisation des plaies, ajoute Cédric Blanpain.

Les propriétés mécaniques des tissus jouent également un rôle dans la croissance cellulaire anormale, par exemple lors d’un cancer. « Les tumeurs solides sont plus rigides que les tissus normaux », précise Xavier Trepat. Cela s’explique en partie par l’excès d’un maillage fibreux autour des cellules appelé « matrice extracellulaire », et aussi par la prolifération des cellules cancéreuses elles-mêmes, indique-t-il.

« La rigidité rend les cellules cancéreuses plus malignes, ajoute Xavier Trepat, et si les chercheurs arrivaient à comprendre pourquoi, ils pourraient concevoir des traitements qui modifient ces propriétés physiques et rendent les cancers moins dangereux. »

Dans une étude connexe, Elaine Fuchs, chercheuse à l’université Rockefeller, et Vincent Fiore, post-doctorant, ont identifié des forces mécaniques qui expliquent pourquoi certains cancers de la peau sont bénins et d’autres malins. Les cellules souches de la peau donnent naissance à deux types différents de cancer : le carcinome basocellulaire, qui ne se propage pas au-delà de la peau, et le carcinome épidermoïde invasif. Chacun appuie sur la membrane basale sous-jacente, une couche de protéines structurelles qui sépare les couches externes de la peau des tissus plus profonds. La tumeur basocellulaire bénigne traverse rarement la membrane basale, mais son homologue plus agressive s’échappe souvent pour infiltrer le système vasculaire et se loger dans d’autres parties du corps.

En travaillant sur la peau de souris, les biologistes ont découvert que la tumeur bénigne entraîne la formation d’une membrane basale plus épaisse et plus souple, qui retient les cellules tumorales comme un gant lorsqu’elles appuient vers le bas. La tumeur agressive quant à elle favorise l’apparition d’une membrane basale plus fine.

Par ailleurs, une force dirigée vers le bas aide également les tumeurs invasives à s’échapper dans les tissus profonds. Les carcinomes épidermoïdes forment une couche rigide de cellules cutanées différenciées appelée « perle de kératine ». En appuyant sur le dessus du carcinome, la perle aide la tumeur à traverser la fragile membrane basale, comme un poing à travers du verre. Avant ces travaux, explique Elaine Fuchs, les chercheurs partaient du principe que les cellules cutanées différenciées, celles qui ont une identité fixe, ne produisaient pas de forces mécaniques. « C’est, je pense, la principale surprise », déclare-t-elle.

Elaine Fuchs et Vincent Fiore prévoient d’étudier ensuite comment les cellules perçoivent ces forces mécaniques et la façon dont elles convertissent cette force en une expression de gènes susceptible de produire davantage de membrane basale ou de favoriser la différenciation.

Comprendre comment les forces et l’expression des gènes sont liées est essentiel, explique Alan Rodrigues, biologiste du développement à l’université Rockefeller. Et pas seulement pour le cancer de la peau. « La grande question concernant les forces mécaniques est en fait de comprendre comment elles s’appliquent aux molécules », dit-il.

D’autres chercheurs se penchent également sur ce lien. « La réponse n’est pas aussi simple que “les gènes font tout” ou “la mécanique fait tout”, déclare Thomas Lecuit. Ce sera un dialogue intéressant entre les deux. »

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Professeur de qi gong et de tai chi chuan, créateur de l'école Nuage~Pluie