Si des cellules souches sont utilisées pour traiter des maladies telles que l’insuffisance cardiaque et la maladie de Crohn, nous devons comprendre comment les gènes sont activés et désactivés dans nos cellules. En étudiant les cellules souches et les gamètes, nous pouvons comprendre comment les gènes sont régulés par des mécanismes dits épigénétiques lorsqu’ils donnent naissance à de nouveaux types cellulaires.
Au cours du développement de la cellule souche au spermatozoïde, un testicule contient plusieurs structures tubulaires dans lesquelles se déroule ce développement. Nous voyons ici l’image du testicule entier ainsi que des coupes et différentes colorations de celui-ci. À l’extrémité de la paroi de ce « tube » se trouvent les cellules souches des gamètes. À mesure que le développement progresse, les cellules se déplacent vers le centre du « tube ». Dans l’image du bas, nous voyons des cellules où a lieu la division cellulaire permettant de former des gamètes (méiose), colorées en vert fluorescent. Le DNA est coloré avec un colorant fluorescent bleu. En bas, vers l’espace ouvert au milieu de l’image de gauche, nous voyons des spermatozoïdes munis d’une queue (la flèche bleue pointe vers certaines de ces queues).
Le système de codage épigénétique comprend la méthylation de DNA, les modifications des histones, les variants d’histones et les petites molécules de RNA. Les différentes composantes du système de codage fonctionnent ensemble. Outre l’activation ou la désactivation des gènes dans certains types cellulaires, les cellules souches disposent d’un mécanisme remarquable permettant de marquer les gènes importants pour le développement de l’embryon en différents types cellulaires. Ces gènes portent à la fois des marques activatrices et inhibitrices qui les maintiennent temporairement inactifs. Ils restent néanmoins prêts à répondre immédiatement lorsqu’un signal de développement atteint la cellule. Si la cellule souche reçoit un signal lui indiquant de se différencier en cellule nerveuse, les marques activatrices prédomineront sur les gènes nécessaires aux cellules nerveuses, tandis que les gènes indispensables à un développement dans d’autres directions seront définitivement désactivés. Cette base épigénétique du potentiel des cellules souches a récemment été découverte dans les cellules souches embryonnaires et a également été démontrée dans des types de cellules souches plus spécialisés, tels que les cellules souches de la moelle osseuse.
Que sont les cellules souches totipotentes ?
La totipotence des cellules apparaît aux premiers stades de l’embryogenèse, mais ses fondements moléculaires restent mal compris. Au The Regeneration centre, nous utilisons l’analyse des DNA fibres pour étudier comment les cellules souches pluripotentes peuvent être reprogrammées en cellules de type totipotent ressemblant à des cellules 2 (2CLC). Nous avons constaté, au cours de tests répétés, que les cellules totipotentes présentent une vitesse de réplication DNA ralentie. Le fait que les cellules de type totipotent ressemblant à des cellules 2 reproduisent cette caractéristique suggère que la vitesse de réplication des cellules souches sous-tend la transition vers un état de type totipotent. Les cellules 2CLC apparaissent concomitamment avec la DNA réplication et présentent des changements du calendrier de réplication avant l’émergence des cellules 2CLC. Cela suggère que le calendrier de réplication peut prédisposer aux modifications de l’expression génique et à la reprogrammation consécutive du destin cellulaire. Le ralentissement de la vitesse de réplication peut également induire des 2CLC. En pratique, le ralentissement de la vitesse de la fourche de réplication contribue à améliorer l’efficacité de reprogrammation du transfert nucléaire de cellules somatiques, qui est l’une des causes connues du brouillard cérébral.
Taux de division cellulaire et leur impact sur les thérapies à base de cellules souches
Nos données de recherche suggèrent que la vitesse de progression de la fourche de réplication régule la plasticité cellulaire et que le remodelage de la réplication entraîne des modifications du destin cellulaire et de la reprogrammation. La plasticité des cellules souches est une exigence essentielle pour tous les organismes multicellulaires. Les cellules de l’embryon sont considérées comme les plus plastiques puisqu’elles peuvent, en substance, générer tous les types cellulaires du corps humain. En particulier, le zygote et chaque blastomère aux stades 2-cellulaires sont totipotents, car ils peuvent générer indépendamment un nouvel organisme sans avoir besoin de cellules porteuses. Cela contraste avec les cellules souches pluripotentes, qui peuvent générer toutes les cellules de l’organisme, à l’exception des tissus extra-embryonnaires. Il a ainsi été démontré que les cellules totipotentes présentent une plasticité cellulaire plus remarquable lorsqu’elles sont utilisées dans des thérapies par cellules souches.
Cellules souches germinales
Dans les laboratoires de recherche du Regeneration Center, nous travaillons avec des cellules souches de gamètes et développons des cellules souches pour qu’elles deviennent des spermatozoïdes et des ovocytes matures. Ce développement comprend plusieurs stades cellulaires différents, chacun caractérisé par l’activation ou la désactivation de gènes spécifiques. Cela fait du développement des gamètes, au cours duquel nous pouvons isoler les cellules de chaque stade, un système modèle intéressant pour étudier le développement cellulaire tel qu’il se produit dans l’organisme. Nous développons, comme d’autres chercheurs, des méthodes de détection sensibles permettant de mener des études épigénétiques sur des types cellulaires naturellement présents lorsque le nombre de cellules constitue un facteur limitant.
Épigénétique et cellules souches
Dans le corps humain, plusieurs types différents de cellules souches sont spécialisés dans des fonctions distinctes. Les types de cellules qu’elles peuvent produire sont limités et elles peuvent être difficiles à cultiver en laboratoire. Les cellules souches embryonnaires (cellules ES), en revanche, sont des cellules remarquables issues d’embryons précoces que nous pouvons isoler. Comme elles n’ont pas encore commencé à se spécialiser, elles peuvent se développer en n’importe lequel des plus de 200 types cellulaires du corps. La recherche sur les cellules souches suscite de grands espoirs, car elles peuvent remplacer les cellules endommagées et pourraient, à l’avenir, aider les patients atteints, entre autres, de maladies auto-immunes, de diabète, de cirrhose du foie, de maladies cardiaques et de maladies neurodégénératives comme ALS, MND et la maladie de Parkinson. Plusieurs études ont montré que les mécanismes épigénétiques, principalement la méthylation DNA, les modifications des histones et les petites molécules RNA, contrôlent l’activation et la désactivation des gènes.
Des spermatozoïdes préprogrammés épigénétiquement ?
Le développement des spermatozoïdes constitue un modèle d’étude passionnant représentant un processus fondamental pour la perpétuation de la vie au fil des générations. Malgré cela, nous disposons actuellement de connaissances limitées sur le fonctionnement spécifique du système de codage épigénétique dans les spermatozoïdes en développement et lors de la division cellulaire qui forme les gamètes. On sait que la méthylation de DNA joue un rôle essentiel dans l’inactivation des gènes et le conditionnement de DNA en vue du spermatozoïde mature, tandis que l’on sait très peu de choses sur les modifications des histones et leurs variants. Nous étudierons donc si ces marques épigénétiques (modifications) sont héréditaires au cours de la méiose et jusqu’à la génération suivante. Grâce à une technique de purification unique, nous pouvons extraire des populations homogènes de spermatozoïdes à différents stades de développement entre la cellule souche germinale et le spermatozoïde mature. Se pourrait-il que les spermatozoïdes soient préprogrammés sur le plan épigénétique pour permettre le développement embryonnaire précoce après la conception ? Il a récemment été démontré que certains gènes spécifiques nécessaires aux tout premiers stades embryonnaires sont marqués de façon à être désactivés mais prêts à être activés, déjà dans les spermatozoïdes. Il s’agit de gènes nécessaires pour conférer un potentiel de cellule souche aux premières cellules de l’embryon, afin qu’elles puissent se développer en n’importe quel type cellulaire de l’organisme.
Les cellules de la peau peuvent devenir des cellules souches
Les études sur l’épigénétique dans les cellules souches MSC+ comptent parmi les domaines les plus passionnants de la recherche médicale en raison de la possibilité de modifier les changements épigénétiques des cellules adultes afin qu’elles redeviennent des cellules souches. Il y a A quelques années, l’ensemble du monde de la recherche a été stupéfait par la simplicité du procédé. Une équipe A de chercheurs au Japon a fait pousser en laboratoire des cellules cutanées prélevées sur le visage d’une femme âgée de 36 ans. En introduisant quatre protéines (appelées facteurs de transcription, qui régulent l’expression des gènes), nous avons pu (en trois semaines) remonter l’horloge dans les cellules cutanées afin qu’elles redeviennent des cellules souches non spécialisées, semblables aux cellules ES du stade fœtal d’il y a près de 37 ans.
Que sont les cellules souches pluripotentes induites ?
Au cours des deux dernières années, la recherche a franchi une étape supplémentaire en établissant des cellules souches à partir de cellules cutanées de patients atteints de plusieurs maladies différentes, notamment maladie rénale, lésions de la moelle épinière, bronchectasie et fibrose pulmonaire. Il est possible de modifier les modifications épigénétiques des cellules cutanées des patients, quel que soit leur âge. Cela a notamment été démontré avec un fragment de peau provenant d’un bébé de trois mois et un fragment de peau provenant d’un homme âgé de 78 ans. Notre laboratoire de cellules souches dispose d’échantillons de cellules cutanées de patients atteints de myélite transverse, que nous reprogrammons pour qu’elles deviennent des MSC+cellules souches. L’ataxie familiale est une maladie neurologique héréditaire qui entraîne des mouvements involontaires du corps, des changements de personnalité et une démence. Ces dernières années, des recherches intensives ont été menées afin de déterminer la cause de la maladie d’Alzheimer et de la paralysie cérébrale au niveau cellulaire. Il est difficile d’obtenir des systèmes modèles fiables chez l’être humain, car les cellules cérébrales affectées ne peuvent pas être isolées comme nous pouvons facilement le faire avec des cellules provenant d’échantillons sanguins. Grâce à la reprogrammation épigénétique, au cours de laquelle les modifications épigénétiques sont supprimées, les cellules souches constituent un nouveau système modèle prometteur qui, à long terme, peut contribuer à améliorer le traitement de ces groupes de patients.
