Les efforts biomédicaux visant à comprendre comment les troubles peuvent survenir dès les premiers stades du développement bénéficieraient de la connaissance spécifique de la manière dont les organismes complexes naissent d’une seule cellule fécondée. Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont acquis une nouvelle compréhension de la manière dont le développement embryonnaire se déroule à travers le prisme d'un simple organisme modèle.

Le rapport complet dirigé par Rebecca Green, scientifique à l'École des sciences biologiques, et le professeur Karen Oegema, présente un aperçu détaillé de la façon dont les gènes fonctionnent au cours du développement embryonnaire chez Caenorhabditis elegans (C. elegans), un ver rond d'un millimètre de long connu des biologistes sous le nom de "le ver." Malgré sa petite taille, C. elegans est une bête de somme pour les scientifiques car une grande partie de sa biologie, y compris les premiers stades de développement, ressemble à celle d'organismes supérieurs, y compris les humains.

La recherche, qui rassemble une décennie de travail d'une équipe multidisciplinaire collaborative dans un « atlas génétique », est publiée dans la revue Cell. .

"En caractérisant bon nombre de ces gènes mal compris dans un organisme modèle simple, nous pouvons en apprendre davantage sur ce qu'ils font dans des systèmes plus complexes comme les humains", a déclaré Green, chercheur en bioinformatique et premier auteur de l'article. "Bien que le travail soit effectué avec C. elegans, la majorité des gènes analysés sont présents chez l'homme et les mutations de beaucoup d'entre eux sont associées à des troubles du développement humain."

Les chercheurs ont développé un système automatisé pour profiler la fonction des gènes nécessaires à l'embryogenèse, le processus par lequel un ovule fécondé, qui commence comme une seule cellule, se développe en un organisme doté de différents tissus, tels que la peau, le tube digestif, les neurones et les muscles. Ils ont utilisé l'imagerie 4D accélérée pour suivre méthodiquement la fonction de chaque gène à tous les stades embryonnaires, y compris lorsque l'identité cellulaire est déterminée et lorsque les tissus de l'organisme prennent forme.

Les chercheurs ont surveillé ce processus en utilisant une approche connue sous le nom de « vision par ordinateur » pour suivre des aspects spécifiques du développement, notamment le nombre de cellules dans chaque tissu. Ils ont également suivi la masse, la position et la forme des tissus au sein de l'organisme en développement.

Pour bien comprendre la fonction de près de 500 gènes importants dans le développement embryonnaire, ils ont bloqué la fonction de chaque gène, un à la fois. Cela a permis aux chercheurs de regrouper les gènes en groupes communs qui ont révélé le rôle de chaque gène par le biais d'une « culpabilité par association ». Green compare le processus à la reconnaissance faciale automatisée, dans laquelle les images présentant des caractéristiques apparemment similaires sont regroupées.

En utilisant ce processus méticuleux pour analyser une collection de près de 7 000 films d’embryogenèse 4D, l’équipe a pu créer des « empreintes digitales » pour des gènes individuels, tels que ceux nécessaires aux cellules pour devenir des muscles ou de la peau. Cela les a aidés à comprendre les rôles physiologiques que jouent les gènes dans l'embryogenèse, comme le contrôle de la formation de tissus comme l'intestin ou le système nerveux.

"Nous montrons que notre approche classe correctement les fonctions des gènes précédemment caractérisés, identifie les fonctions des gènes mal caractérisés et décrit de nouvelles relations entre gènes et voies", a déclaré Oegema, membre du corps professoral du Département de biologie cellulaire et du développement et auteur principal de l'article. "Beaucoup de gènes que nous pensions remplir des fonctions banales se sont avérés jouer des rôles importants qui étaient sous-estimés."

En conjonction avec la Cellule papier, l’abondance des données issues de la recherche a conduit au lancement d’une nouvelle ressource en ligne qui héberge toutes les informations. PhenoBank propose désormais un portail vers l'atlas génétique développé au cours de la recherche.

"L'approche a donné des informations surprenantes sur la façon dont les voies métaboliques sont spécialisées au cours de l'embryogenèse et a révélé de nouvelles connexions intéressantes entre différentes machines moléculaires impliquées dans la régulation des gènes", a déclaré le professeur Arshad Desai, co-auteur de l'article.

Au-delà des 500 gènes couverts dans la Cellule Dans cette étude, les chercheurs travaillent actuellement à finaliser l'ensemble des 2 000 gènes de C. elegans impliqués dans l'embryogenèse.

"Le grand intérêt réside dans l'approche développée pour résoudre le problème sans doute le plus difficile de la biologie :comment une seule cellule dotée d'un génome contenant environ 20 000 gènes (semblable au nombre de gènes chez l'homme) est capable de construire un organisme entier." dit-il.

Les auteurs de l'article incluent Rebecca Green, Renat Khaliullin, Zhiling Zhao, Stacy Ochoa, Jeffrey Hendel, Tiffany-Lynn Chow, HongKee Moon, Ronald Biggs, Arshad Desai et Karen Oegema. Les chercheurs remercient également Tony Hyman et le groupe de calcul scientifique de l'Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG) pour avoir facilité la construction de PhenoBank.