Des chercheurs de la faculté de médecine de l’université Johns Hopkins ont cartographié les variations des cellules souches humaines, ce qui explique comment les cellules d’un individu peuvent façonner une « danse développementale » unique au niveau moléculaire, contrôlant ainsi la création du cerveau et du corps. Ces résultats nous permettent de mieux comprendre les origines et les implications des variations cellulaires chez les individus et pourraient faire progresser la conception de thérapies et de méthodes individualisées pour reconstruire les organes humains malades ou endommagés.
L’étude, publiée le 10 septembre dans Rapports sur les cellules souchesLes chercheurs ont utilisé des cellules souches pluripotentes induites humaines, un type de cellules souches équivalent aux cellules du développement embryonnaire précoce qui peuvent développer plusieurs types de tissus. L’étude des cellules pluripotentes de plusieurs donneurs a montré comment les facteurs génétiques et épigénétiques (ADN non nucléaire) contribuent à la variation individuelle du développement cérébral précoce.
« L’intégralité de chaque corps humain est créée à partir d’une seule cellule, et lorsque les cellules de l’embryon en développement commencent à se diviser, elles exécutent une chorégraphie génétiquement programmée pour construire le nouvel être humain », explique Carlo Colantuoni, Ph.D., professeur adjoint aux départements de neurologie et de neurosciences de la faculté de médecine de l’université Johns Hopkins.
Mais, note Colantuoni, bien que cette danse du développement comporte des étapes majeures qui sont cohérentes dans toute la population humaine (et dans le règne animal), cette étude a découvert des modèles moléculaires et des traits d’expression génétique qui modifient les étapes humaines conservées et créent un développement individuel unique.
Dans cette étude, des chercheurs de l’université Johns Hopkins et de l’université Yale ont utilisé un processus connu sous le nom de « reprogrammation cellulaire », dans lequel des cellules matures peuvent revenir à leur état pluripotent embryonnaire – une technique qui a remporté un prix Nobel en 2012. Plus précisément, les chercheurs ont prélevé des cellules de peau d’adultes et les ont ramenées à un état embryonnaire précoce. Appelées cellules souches pluripotentes induites (iPSC), elles ont le potentiel de se développer en n’importe quelle cellule du corps humain.
Les chercheurs ont laissé les cellules souches embryonnaires pluripotentes se développer et interagir sans contrainte, ce qui a permis aux cellules de révéler leur nature et leur individualité inhérentes. Le séquençage de l’ARN, qui examine la quantité d’ARN produite par chaque gène, a donné aux chercheurs une perspective moléculaire détaillée sur le fonctionnement des cellules. Ensuite, en combinant les données d’ARN des cellules souches embryonnaires pluripotentes avec celles des embryons de souris en développement, les chercheurs ont cartographié les variations des cellules des donneurs sur le paysage du développement des mammifères. Cela a permis d’observer des différences systématiques dans la façon dont les cellules humaines individuelles évoluent au début du développement – différences également observées dans les données publiques de 100 donneurs de cellules souches humaines.
Les chercheurs ont observé deux types de modèles, ou rythmes, de la danse du développement émergeant des données d’ARN. Le premier type de modèle était cohérent chez tous les donneurs individuels, définissant de grands modules responsables de la création d’éléments du corps humain tels que le cerveau, le cœur et le foie. Les modèles du deuxième type étaient plus subtils, plus récents en termes d’évolution et présents uniquement dans les cellules d’individus spécifiques, quelle que soit la fonction finale des cellules.
Il est intéressant de noter que les nouveaux modèles qui montrent des variations individuelles dans la chorégraphie programmée humaine étaient présents non seulement dans les cellules observées en laboratoire, mais aussi dans les cellules matures du corps des donneurs. Les chercheurs affirment que cela indique que les variations observées dans le développement cellulaire, chacune spécifique à une personne en particulier, ont influencé les étapes suivies par les cellules du donneur au cours du développement précoce.
Par extension logique, expliquent les scientifiques, leurs découvertes indiquent non seulement les étapes uniques que suivent les cellules d’un individu, mais aussi que ces cellules détiennent des informations sur la santé ou le risque de maladies d’une personne au cours de sa vie. Colantuoni affirme que ces découvertes pourraient ouvrir la voie à des approches individualisées en médecine régénérative qui soient plus précises.
« Nous préconisons l’étude des cellules souches pluripotentes induites et de leurs dérivés pour comprendre le risque de chaque patient de développer une maladie complexe et les traitements spécifiques qui seront les plus efficaces pour cet individu », explique Colantuoni. « Nous envisageons un avenir dans lequel les antécédents médicaux traditionnels d’un patient, la séquence du génome et les cellules vivantes seront systématiquement utilisés ensemble pour établir un diagnostic et personnaliser le traitement des patients. »
Selon Colantuoni, les scientifiques commencent tout juste à découvrir les mécanismes moléculaires spécifiques qui sous-tendent les différences dans le développement cellulaire humain. D’autres études sur des groupes de donneurs plus nombreux et plus variés sont nécessaires pour comprendre les effets à long terme sur la santé des cellules en développement d’un individu qui évoluent au rythme de leur propre tambour.
Le financement de cette recherche a été assuré par les subventions NCI/NIH R01CA177669, P30CA006973, U01CA212007 et U01CA253403, et le prix Catalyst de l’Université Johns Hopkins remporté par EJF R01NS116418, R01HG010898, MH116488 et U01MH124619, attribué à NS Le partage et la visualisation des données via NeMO Analytics ont été soutenus par les subventions R24MH114815 et R01DC019370.
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