2.4: Une introduction à la biologie moléculaire du développement

Des études dans le domaine de la biologie moléculaire du développement donnent un aperçu des changements qui se produisent au niveau cellulaire au cours de la différenciation et du développement. Les chercheurs examinent les mécanismes physiques et chimiques qui régulent les fonctions cellulaires. Cela aide à comprendre comment les cellules donnent naissance à des tissus spécialisés dans l’embryon en maturation et comment des défauts au niveau moléculaire peuvent conduire à des états pathologiques.

Cette vidéo présente un bref historique de la biologie moléculaire du développement, présente les principales questions posées par les scientifiques dans ce domaine, décrit certains outils disponibles pour répondre à ces questions et discute de quelques applications de laboratoire actuelles.

Commençons par passer en revue quelques études marquantes dans l’histoire de la recherche en biologie moléculaire du développement.

En 1957, Conrad Waddington a publié un livre intitulé « The Strategy of the Genes » dans lequel il a tenté d’expliquer comment le destin cellulaire est décidé. Sur la base d’études de transplantation de tissus précédemment menées, il a présenté un modèle conceptuel décrivant qu’une cellule est comme une bille qui descend une colline, et que le chemin qu’elle emprunte pour atteindre le fond déterminera son état différencié final. Cette idée que des types de cellules distincts résultent de cellules indifférenciées recevant des signaux différents au cours du développement est devenue connue sous le nom de « paysage épigénétique ».

À peu près à la même époque, Rita Levi-Montalcini et Stanley Cohen ont observé que la transplantation de tumeurs dans des embryons de poussins entraînait une croissance rapide des neurones. Ils ont émis l’hypothèse qu’une substance sécrétée par les tumeurs provoquait cette croissance et ont identifié la protéine comme facteur de croissance nerveuse, ou NGF. Peu de temps après, Cohen a découvert un autre facteur de croissance qui était sécrété par les glandes salivaires de souris et favorisait la croissance des cellules épithéliales. Il a identifié cette protéine comme le facteur de croissance épidermique, ou EGF.

Plus tard, en 1969, Lewis Wolpert a proposé une théorie sur la façon dont une certaine classe de molécules de signalisation, connues sous le nom de morphogènes, agissent directement sur les cellules pour induire des réponses spécifiques à des concentrations variables. Il a utilisé les couleurs du drapeau français pour modéliser les états cellulaires, le rouge servant d’état par défaut lorsqu’aucun signal n’est présent. À partir de là, de faibles concentrations de morphogènes, indiquées en blanc, pourraient activer un gène, tandis que des concentrations élevées de morphogènes, indiquées en bleu, pourraient activer un gène différent.

Poursuivant ces travaux, Christiane Nusslein-Volhard a identifié en 1988 le premier morphogène connu en effectuant des criblages génétiques sur des mouches. Elle a utilisé des anticorps pour montrer qu’une protéine, connue sous le nom de Bicoid, forme un gradient de concentration le long de l’axe antéro-postérieur de l’embryon en développement et contrôle l’expression des gènes importants pour l’organisation des régions de la tête et du thorax.

Au début des années 1990, Peter Lawrence et Gin’s Morata ont utilisé leurs propres travaux sur les mouches pour étendre la théorie des gradients de morphogènes. Ils ont émis l’hypothèse qu’un ensemble de cellules est responsable de l’organisation d’un compartiment particulier de l’organisme. Au fur et à mesure que le développement progresse, les signaux moléculaires ordonnent à ces cellules de se diviser et de construire d’autres compartiments, jusqu’à ce que l’organisme entier soit formé.

Maintenant que nous avons passé en revue quelques faits saillants de l’histoire, examinons quelques questions fondamentales posées par les biologistes du développement actuels.

Pour commencer, certains chercheurs se concentrent sur l’identification des molécules qui régulent le développement. Par exemple, ils pourraient étudier des facteurs de croissance individuels ou des combinaisons de facteurs de croissance qui provoquent une réponse cellulaire spécifique, comme la différenciation ou la migration.

D’autres biologistes du développement étudient comment ces molécules régulent le processus de développement. Ils pourraient étudier comment la concentration d’un signal moléculaire peut ordonner à une cellule de se différencier ou de migrer. Ils s’interrogent également sur la façon dont les cellules communiquent avec d’autres cellules voisines et examinent les molécules de signalisation qui diffusent sur une courte distance et agissent localement, appelées facteurs paracrines.

Enfin, certains biologistes du développement veulent comprendre comment les cellules réagissent aux signaux externes. Ils peuvent étudier les changements à l’intérieur de la cellule elle-même, tels que l’augmentation ou la diminution de l’expression de gènes particuliers, en examinant les niveaux de leurs protéines codées. D’autres se concentrent sur les changements externes, tels que les modifications de la forme ou de la taille des cellules.

Maintenant que vous avez une idée des questions clés posées par les biologistes moléculaires du développement, examinons certaines des techniques qu’ils utilisent pour trouver des réponses à ces questions.

La coloration est l’une des approches les plus largement utilisées pour étudier les modèles d’expression génique et pour identifier les molécules qui régulent le développement.

L’immunohistochimie est une technique de coloration qui utilise des anticorps conjugués à des rapporteurs chimiques ou fluorescents pour marquer les protéines. La visualisation des protéines par microscopie à fluorescence offre des informations sur leur localisation dans les coupes de tissus, ainsi que sur leurs contributions potentielles aux structures cellulaires. L’hybridation in situ en montage entier est une méthode de coloration alternative, qui utilise des oligonucléotides d’ADN ou d’ARN marqués pour examiner les modèles d’expression génique dans les tissus tridimensionnels.

La culture d’explants est une autre approche couramment utilisée dans ce domaine pour étudier les mécanismes par lesquels agissent les stimuli externes. Dans cette technique, un tissu est retiré du site naturel de croissance et cultivé en culture. Des conditions de croissance spécifiques, telles que le substrat sur les plaques de culture ou les facteurs de croissance ajoutés au milieu de culture, peuvent ensuite être examinées pour leurs effets sur les cellules et les tissus en développement.

L’imagerie des cellules vivantes est utilisée pour analyser les réponses cellulaires aux stimuli de développement. Les cultures in vitro sont bien adaptées pour capturer les mouvements cellulaires et les modèles de localisation en temps réel. Les cellules colorées ou marquées par fluorescence peuvent également être suivies in vivo à l’aide de la microscopie à intervalle.

Fréquemment, les cellules d’un tissu d’intérêt sont transplantées d’un donneur à un organisme hôte, puis surveillées au cours du développement.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec certaines méthodes de laboratoire générales, examinons certaines applications de la recherche en biologie moléculaire du développement.

Une approche pour déterminer le rôle que jouent des produits géniques spécifiques dans le développement consiste à modifier leur expression par des moyens externes. Dans cette expérience, des oligonucléotides antisens appelés morpholinos ont été injectés pour neutraliser deux gènes de poisson-zèbre importants pour le bon développement de l’oreille interne. L’immunocoloration des protéines structurelles a montré que les embryons à expression génique réduite présentent moins de neurones et de cellules ciliées dans l’oreille interne par rapport aux témoins.

Une autre application de la biologie moléculaire du développement consiste à déterminer quand et où les gènes sont exprimés, afin de mieux comprendre comment leurs protéines codées peuvent fonctionner. Les chercheurs de cette expérience ont utilisé des sondes d’ARN marquées par fluorescence complémentaires à deux transcrits cibles afin d’identifier les cellules transcrivant l’un ou les deux gènes d’intérêt.

Certains scientifiques utilisent des cultures d’explants pour analyser les réponses cellulaires dans diverses conditions. Dans cette expérience, les chercheurs ont disséqué des neurones sensoriels de l’oreille interne d’embryons de poussins et les ont cultivés pendant plusieurs heures. Ensuite, les cultures ont été remplacées par des milieux contenant des billes de protéines. Des images confocales en accéléré après incubation avec des anticorps marqués ont révélé que les protéines sur les billes favorisaient la croissance des projections des corps cellulaires des neurones.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la biologie moléculaire du développement. Dans cette vidéo, nous avons passé en revue l’histoire de la recherche en biologie moléculaire du développement et présenté les questions clés posées par les biologistes du développement. Nous avons également exploré des stratégies de recherche de premier plan et discuté de certaines de leurs applications actuelles. Comme toujours, merci d’avoir regardé !