Newswise — Le cerveau humain est probablement l’organe le plus complexe du monde vivant et fascine depuis longtemps les chercheurs. Pourtant, étudier le cerveau, et plus particulièrement les gènes et les interrupteurs moléculaires qui régulent et dirigent son développement, n’est pas une mince affaire.
À ce jour, les scientifiques ont procédé à l’aide de modèles animaux, principalement des souris, mais leurs découvertes ne peuvent pas être transférées directement à l’homme. Le cerveau d’une souris est structuré différemment et n’a pas la surface sillonnée typique du cerveau humain. Les cultures cellulaires ont jusqu’à présent été d’une valeur limitée dans ce domaine, car les cellules ont tendance à se répandre sur une grande surface lorsqu’elles sont cultivées sur une boîte de culture; cela ne correspond pas à la structure tridimensionnelle naturelle du cerveau.
Cartographier les empreintes moléculaires
Un groupe de chercheurs dirigé par Barbara Treutlein, professeure à l’ETH au Département des sciences et de l’ingénierie des biosystèmes de Bâle, a maintenant adopté une nouvelle approche pour étudier le développement du cerveau humain : ils cultivent et utilisent des organoïdes – des tridimensionnels de taille millimétrique tissus qui peuvent être cultivés à partir de ce que l’on appelle des cellules souches pluripotentes.
À condition que ces cellules souches reçoivent le bon stimulus, les chercheurs peuvent les programmer pour qu’elles deviennent n’importe quel type de cellule présente dans le corps, y compris les neurones. Lorsque les cellules souches sont agrégées en une petite boule de tissu puis exposées au stimulus approprié, elles peuvent même s’auto-organiser et former un organoïde cérébral tridimensionnel avec une architecture tissulaire complexe.
Dans une nouvelle étude qui vient d’être publiée dans La nature, Treutlein et ses collègues ont maintenant étudié des milliers de cellules individuelles dans un organoïde cérébral à différents moments et de manière très détaillée. Leur objectif était de caractériser les cellules en termes de génétique moléculaire : en d’autres termes, la totalité de tous les transcrits de gènes (transcriptome) comme mesure de l’expression des gènes, mais aussi l’accessibilité du génome comme mesure de l’activité régulatrice. Ils ont réussi à représenter ces données comme une sorte de carte montrant l’empreinte moléculaire de chaque cellule au sein de l’organoïde.
Cependant, cette procédure génère d’immenses ensembles de données : chaque cellule de l’organoïde possède 20 000 gènes, et chaque organoïde se compose à son tour de plusieurs milliers de cellules. “Il en résulte une matrice gigantesque, et la seule façon de la résoudre est à l’aide de programmes adaptés et de l’apprentissage automatique”, explique Jonas Fleck, doctorant dans le groupe de Treutlein et l’un des co-auteurs principaux de l’étude. Pour analyser toutes ces données et prédire les mécanismes de régulation des gènes, les chercheurs ont développé leur propre programme. “Nous pouvons l’utiliser pour générer un réseau d’interaction complet pour chaque gène individuel et prédire ce qui se passera dans les cellules réelles lorsque ce gène échoue”, explique Fleck.
Identifier les commutateurs génétiques
Le but de cette étude était d’identifier systématiquement les commutateurs génétiques qui ont un impact significatif sur le développement des neurones dans les différentes régions des organoïdes cérébraux.
À l’aide d’un système CRISPR-Cas9, les chercheurs de l’ETH ont désactivé de manière sélective un gène dans chaque cellule, soit au total environ deux douzaines de gènes simultanément dans tout l’organoïde. Cela leur a permis de découvrir quel rôle les gènes respectifs jouaient dans le développement de l’organoïde cérébral.
« Cette technique peut être utilisée pour dépister les gènes impliqués dans la maladie. De plus, nous pouvons examiner l’effet de ces gènes sur le développement de différentes cellules au sein de l’organoïde », explique Sophie Jansen, également doctorante dans le groupe de Treutlein et deuxième co-auteur principal de l’étude.
Vérification de la formation de motifs dans le cerveau antérieur
Pour tester leur théorie, les chercheurs ont choisi le gène GLI3 comme exemple. Ce gène est le modèle du facteur de transcription du même nom, une protéine qui se fixe sur certains sites de l’ADN afin de réguler un autre gène. Lorsque GLI3 est éteint, la machinerie cellulaire est empêchée de lire ce gène et de le transcrire en une molécule d’ARN.
Chez la souris, des mutations du gène GLI3 peuvent entraîner des malformations du système nerveux central. Son rôle dans le développement neuronal humain était auparavant inexploré, mais on sait que des mutations dans le gène conduisent à des maladies telles que la céphalopolysyndactylie de Greig et les syndromes de Pallister Hall.
Faire taire ce gène GLI3 a permis aux chercheurs à la fois de vérifier leurs prédictions théoriques et de déterminer directement dans la culture cellulaire comment la perte de ce gène affectait le développement ultérieur de l’organoïde cérébral. « Nous avons montré pour la première fois que le gène GLI3 est impliqué dans la formation des schémas du cerveau antérieur chez l’homme. Cela n’avait été montré auparavant que chez la souris », explique Treutlein.
Les systèmes modèles reflètent la biologie du développement
“Ce qui est passionnant dans cette recherche, c’est qu’elle vous permet d’utiliser des données pangénomiques provenant de tant de cellules individuelles pour postuler les rôles que jouent les gènes individuels”, explique-t-elle. “Ce qui est tout aussi excitant à mon avis, c’est que ces systèmes modèles fabriqués dans une boîte de Pétri reflètent vraiment la biologie du développement telle que nous la connaissons chez les souris.”
Treutlein trouve également fascinant la façon dont le milieu de culture peut donner naissance à des tissus auto-organisés avec des structures comparables à celles du cerveau humain – non seulement au niveau morphologique mais aussi (comme les chercheurs l’ont montré dans leur dernière étude) au niveau de régulation des gènes et formation de modèles. “Des organoïdes comme celui-ci sont vraiment un excellent moyen d’étudier la biologie du développement humain”, souligne-t-elle.
Organoïdes cérébraux polyvalents
La recherche sur les organoïdes constitués de matériel cellulaire humain présente l’avantage que les résultats sont transférables à l’homme. Ils peuvent être utilisés pour étudier non seulement la biologie fondamentale du développement, mais aussi le rôle des gènes dans les maladies ou les troubles cérébraux du développement. Par exemple, Treutlein et ses collègues travaillent avec des organoïdes de ce type pour étudier la cause génétique de l’autisme et de l’hétérotopie ; dans ce dernier, les neurones apparaissent en dehors de leur localisation anatomique habituelle dans le cortex cérébral.
Les organoïdes peuvent également être utilisés pour tester des médicaments et éventuellement pour cultiver des organes ou des parties d’organes transplantables. Treutlein confirme que l’industrie pharmaceutique est très intéressée par ces cultures cellulaires.
Cependant, la croissance des organoïdes demande du temps et des efforts. De plus, chaque amas de cellules se développe individuellement plutôt que de manière standardisée. C’est pourquoi Treutlein et son équipe travaillent à améliorer les organoïdes et à automatiser leur processus de fabrication.
