Au fur et à mesure que les embryons se développent, ils suivent des schémas prédéterminés de pliage des tissus, de sorte que les individus de la même espèce se retrouvent avec des organes de forme presque identique et des formes corporelles très similaires.

Les scientifiques du MIT ont maintenant découvert une caractéristique clé du tissu embryonnaire qui aide à expliquer comment ce processus est effectué si fidèlement à chaque fois. Dans une étude sur les mouches des fruits, ils ont découvert que la reproductibilité du repliement des tissus est générée par un réseau de protéines qui se connectent comme un filet de pêche, créant de nombreuses voies alternatives que les tissus peuvent utiliser pour se plier dans le bon sens.

"Ce que nous avons trouvé, c'est qu'il y a beaucoup de redondance dans le réseau, " dit Adam Martin, professeur agrégé de biologie au MIT et auteur principal de l'étude. "Les cellules interagissent et se connectent les unes aux autres mécaniquement, mais vous ne voyez pas les cellules individuelles jouer un rôle primordial. Cela signifie que si une cellule est endommagée, d'autres cellules peuvent toujours se connecter à des parties disparates du tissu."

Pour découvrir ces fonctionnalités de réseau, Martin a travaillé avec Jörn Dunkel, professeur agrégé de mathématiques physiques appliquées au MIT et auteur de l'article, d'appliquer un algorithme normalement utilisé par les astronomes pour étudier la structure des galaxies.

Hannah Yevick, un post-doctorant MIT, est l'auteur principal de l'étude, qui apparaît aujourd'hui dans Cellule de développement . L'étudiante diplômée Pearson Miller est également l'auteur de l'article.

Un filet de sécurité

Au cours du développement embryonnaire, les tissus changent de forme par un processus connu sous le nom de morphogenèse. Une façon importante pour les tissus de changer de forme est de se plier, qui permet à des feuilles plates de cellules embryonnaires de devenir des tubes et d'autres formes importantes pour les organes et autres parties du corps. Des études antérieures sur les mouches des fruits ont montré que même lorsque certaines de ces cellules embryonnaires sont endommagées, les feuilles peuvent toujours se plier dans leurs formes correctes.

"C'est un processus assez reproductible, et donc nous voulions savoir ce qui le rend si robuste, " dit Martin.

Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur le processus de gastrulation, au cours de laquelle l'embryon est réorganisé d'une sphère à une seule couche à une structure plus complexe à plusieurs couches. Ce processus, et d'autres processus morphogénétiques similaires au repliement des tissus de la mouche des fruits, se produisent également dans les embryons humains. Les cellules embryonnaires impliquées dans la gastrulation contiennent dans leur cytoplasme des protéines appelées myosine et actine, qui forment des câbles et se connectent aux jonctions entre les cellules pour former un réseau à travers le tissu. Martin et Yevick avaient émis l'hypothèse que le réseau de connectivité cellulaire pourrait jouer un rôle dans la robustesse du repliement des tissus, mais jusqu'à maintenant, il n'y avait pas de bon moyen de tracer les connexions du réseau.

Pour y parvenir, Le laboratoire de Martin s'est associé à Dunkel, qui étudie la physique des surfaces molles et de la matière en écoulement, par exemple, formation de rides et modèles de ruissellement bactérien. Pour cette étude, Dunkel a eu l'idée d'appliquer une procédure mathématique qui peut identifier les caractéristiques topologiques d'une structure tridimensionnelle, analogue aux crêtes et aux vallées d'un paysage. Les astronomes utilisent cet algorithme pour identifier les galaxies, et dans ce cas, les chercheurs l'ont utilisé pour tracer les réseaux d'actomyosine à travers et entre les cellules dans une feuille de tissu.

"Une fois que vous avez le réseau, vous pouvez appliquer des méthodes standard d'analyse de réseau - le même type d'analyse que vous appliqueriez aux rues ou à d'autres réseaux de transport, ou le réseau de circulation sanguine, ou toute autre forme de réseau, " dit Dunkel.

Entre autres, ce type d'analyse peut révéler la structure du réseau et l'efficacité avec laquelle l'information y circule. Une question importante est de savoir dans quelle mesure un réseau s'adapte si une partie est endommagée ou bloquée. L'équipe du MIT a découvert que le réseau d'actomyosine contient beaucoup de redondance, c'est-à-dire la plupart des "nœuds" du réseau sont connectés à de nombreux autres nœuds.

Cette redondance intégrée est analogue à un bon système de transport en commun, où si une ligne de bus ou de train tombe en panne, vous pouvez toujours arriver à votre destination. Parce que les cellules peuvent générer une tension mécanique le long de nombreuses voies différentes, ils peuvent se replier dans le bon sens même si de nombreuses cellules du réseau sont endommagées.

"Si toi et moi tenons une seule corde, et puis on le coupe au milieu, ça s'effondrerait. Mais si vous avez un filet, et le couper à certains endroits, il reste globalement connecté et peut transmettre des forces, tant que tu ne coupes pas tout, " dit Dunkel.

Cadre pliant

Les chercheurs ont également découvert que les connexions entre les cellules s'organisent préférentiellement pour aller dans la même direction que le sillon qui se forme dans les premiers stades du pliage.

"Nous pensons qu'il s'agit de mettre en place un cadre autour duquel le tissu va adopter sa forme, " dit Martin. " Si vous empêchez la directionnalité des connexions, then what happens is you can still get folding but it will fold along the wrong axis."

Although this study was done in fruit flies, similar folding occurs in vertebrates (including humans) during the formation of the neural tube, which is the precursor to the brain and spinal cord. Martin now plans to apply the techniques he used in fruit flies to see if the actomyosin network is organized the same way in the neural tube of mice. Defects in the closure of the neural tube can lead to birth defects such as spina bifida.

"We would like to understand how it goes wrong, " Martin says. "It's still not clear whether it's the sealing up of the tube that's problematic or whether there are defects in the folding process."