Comment une cellule équilibre-t-elle le risque et la vitesse lors de la division ? Des scientifiques de l'EPFL ont développé et testé expérimentalement la première théorie mathématique qui décrit la meilleure stratégie de la cellule pour se diviser de manière sûre et efficace.

Les cellules passent par un cycle de vie qui comprend la croissance à la bonne taille, l'équipement pour remplir ses fonctions et enfin la division en deux nouvelles cellules. Le cycle cellulaire est essentiel car il assure la perpétuation de la population cellulaire et, par extension, de la plus grande structure dont elles font partie, par exemple un tissu dans le corps.

Le cycle cellulaire lui-même est étroitement régulé par des points de contrôle, qui empêchent des erreurs telles que des mutations ou des dommages à l'ADN d'être transmises à la prochaine génération de cellules. Chaque point de contrôle agit comme une sorte de moniteur de contrôle de la qualité (une "liste de contrôle" biologique) qui assure l'ordre, l'intégrité et la fidélité du cycle cellulaire. Mais les points de contrôle eux-mêmes échouent souvent ou sont ignorés après un arrêt prolongé du cycle cellulaire. Si cela se produit dans le corps humain, il pourrait en résulter une croissance et une division cellulaires non régulées, ce qui se produit dans le cancer.

"Les points de contrôle surveillent des cellules ou des organismes entiers et peuvent arrêter le cycle cellulaire ou le développement de l'organisme lorsqu'ils détectent des problèmes", explique Sahand Jamal Rahi de la Faculté des sciences de base de l'EPFL. "Mais si des cellules ou des organismes sont bloqués par une erreur pendant très longtemps, dans de nombreux cas, ils continuent simplement à se diviser ou à se développer ; ils ne s'arrêtent pas pour toujours. Il y a un risque réel de mourir si les points de contrôle ne s'arrêtent pas du tout, mais aussi attendre pour toujours équivaut effectivement à mourir."

Le calcul du remplacement des points de contrôle

La question est alors, comment la cellule équilibre-t-elle le risque et la vitesse lors de la division ? Bien que critique, le dépassement des points de contrôle n'est pas très bien compris, ni théoriquement ni expérimentalement. Mais dans un nouvel article, Rahi et ses collègues ont proposé la première théorie mathématique pour décrire le processus de contournement des points de contrôle. "De nombreux organismes doivent prédire ce qui va se passer", dit-il. "Vous avez un problème et vous devez évaluer la gravité de ce problème parce que les conséquences ne sont pas certaines. Vous pourriez survivre à cela ou vous pourriez ne pas survivre à cela. Ainsi, la cellule fait un pari de toute façon. Et dans cette étude, nous analyser les chances de ce pari."

Pour un organisme modèle réel, les chercheurs ont examiné la levure en herbe Saccharomyces cerevisiae, qui est utilisée dans la vinification, la boulangerie et le brassage depuis des siècles. "Il existe des systèmes qui surveillent les organismes, et parmi ces systèmes, le mieux étudié est peut-être le point de contrôle des dommages à l'ADN dans la levure", explique Rahi. "Alors, nous avons pensé, regardons cela et voyons si nous pouvons donner un sens aux dérogations aux points de contrôle. Nous avons commencé par une analyse mathématique derrière laquelle se trouvait une question très simple :et si ces organismes équilibraient le risque et la vitesse, car ils doivent prédire le futur ?"

Le compromis risque-rapidité

Ce compromis entre risque et rapidité est similaire au système de contrôle qualité d'une chaîne de montage en usine :à quelle vitesse pouvez-vous produire des choses avant que la qualité ne soit affectée ? Comment concilier qualité et efficacité ? "Les gens ont déjà pensé à ce compromis risque-vitesse pour les points de contrôle, mais ils n'y ont pensé que qualitativement", explique Rahi. "Ce n'est pas quelque chose qui a été réellement analysé ou pris au sérieux. Donc, je suppose que nous pouvons revendiquer la propriété de l'idée !"

Les scientifiques se sont penchés sur la relation entre le risque et la vitesse. "La théorie consiste essentiellement à équilibrer différentes probabilités, nous calculons donc le changement de forme physique si vous attendez par rapport à si vous continuez avec l'auto-réplication", explique Rahi. "L'organisme doit trouver une stratégie qui consiste à prendre continuellement la décision d'attendre ou de partir en fonction de la gravité de la situation de l'organisme à ce moment-là. Bien sûr, attendre signifie que vous ferez de moins en moins de progéniture. L'alternative est donc prendre un risque, donc la cellule se divise et il y a une probabilité qu'elle survive, et il y a une probabilité qu'elle meure." La théorie calcule quand le risque et la vitesse s'équilibrent, déterminant le "temps" optimal. "Le résultat s'est avéré être une équation très simple", ajoute Rahi.

Bien qu'elle ait été développée pour la levure, la théorie s'applique largement aux cellules car elle ne prend en compte que le risque et la vitesse, des facteurs qui affectent tous les organismes. "Il n'y a pas de correspondance univoque entre ce qui se passe dans les levures et les cellules de mammifères, car les cellules de mammifères sont soumises à d'autres contraintes que la simple maximisation de leur propre croissance", explique Rahi.

La dimension du cancer

« Mais lorsque les cellules deviennent cancéreuses, elles découplent leur forme physique de celle de leur hôte. Et puis l'évolution darwinienne suggère qu'elles devraient remodeler leurs points de contrôle pour maximiser la croissance. leurs points de contrôle de manière optimale une fois qu'ils deviennent cancéreux."

Rahi ne s'attend pas à ce que les cellules cancéreuses abolissent complètement leurs systèmes de points de contrôle. "Ils ne se débarrassent pas de leurs points de contrôle car ils prennent alors trop de risques dans chaque division", dit-il. "N'avoir aucun point de contrôle par rapport à l'époque où ils étaient précancéreux n'est pas non plus optimal car dès qu'il y a un problème, ils mourront. Nous sommes donc intéressés de voir s'ils visent également cet état d'équilibre optimal que notre théorie décrit. "

La recherche a été publiée dans Nature Physics .