La division cellulaire est l'un des processus les plus fondamentaux de la vie. Des bactéries aux baleines bleues, chaque être vivant sur Terre dépend de la division cellulaire pour sa croissance, sa reproduction et la survie de ses espèces. Pourtant, il existe une diversité remarquable dans la manière dont les différents organismes exécutent ce processus universel.

Une nouvelle étude du groupe Dey de l'EMBL Heidelberg et de ses collaborateurs, récemment publiée dans Nature , explore comment différents modes de division cellulaire ont évolué chez des parents proches de champignons et d'animaux, démontrant, pour la première fois, le lien entre le cycle de vie d'un organisme et la façon dont ses cellules se divisent.

Bien qu’ils partagent un ancêtre commun il y a plus d’un milliard d’années, les animaux et les champignons se ressemblent à bien des égards. Tous deux appartiennent à un groupe plus large appelé « eucaryotes », des organismes dont les cellules stockent leur matériel génétique dans un compartiment fermé appelé « noyau ». Les deux diffèrent cependant dans la manière dont ils effectuent de nombreux processus physiologiques, y compris le type de division cellulaire le plus courant :la mitose.

La plupart des cellules animales subissent une mitose « ouverte », au cours de laquelle l'enveloppe nucléaire (la membrane à deux couches séparant le noyau du reste de la cellule) se brise lorsque la division cellulaire commence. Cependant, la plupart des champignons utilisent une forme différente de division cellulaire, appelée mitose « fermée », dans laquelle l'enveloppe nucléaire reste intacte tout au long du processus de division.

On sait très peu de choses sur pourquoi ou comment ces deux modes distincts de division cellulaire ont évolué et quels facteurs déterminent quel mode serait principalement suivi par une espèce particulière.

Cette question a attiré l'attention des scientifiques du groupe Dey de l'EMBL Heidelberg, qui étudient les origines évolutives du noyau et de la division cellulaire.

"En étudiant la diversité des organismes et en reconstruisant la façon dont les choses ont évolué, nous pouvons commencer à nous demander s'il existe des règles universelles qui sous-tendent le fonctionnement de ces processus biologiques fondamentaux", a déclaré Gautam Dey, chef de groupe à l'EMBL Heidelberg.

En 2020, pendant le confinement dû au COVID-19, une voie inattendue pour répondre à cette question est née des discussions entre le groupe de Dey et l'équipe d'Omaya Dudin à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Dudin est un expert d'un groupe inhabituel de protistes marins :les Ichthyosporea. Les ichtyosporées sont étroitement liées à la fois aux champignons et aux animaux, différentes espèces étant plus proches de l'un ou l'autre groupe sur l'arbre généalogique évolutif.

Les groupes Dey et Dudin, en collaboration avec le groupe de Yannick Schwab à l'EMBL Heidelberg, ont décidé de sonder les origines de la mitose ouverte et fermée en utilisant l'Ichthyosporea comme modèle. Fait intéressant, les chercheurs ont découvert que certaines espèces d’Ichthyosporea subissent une mitose fermée tandis que d’autres subissent une mitose ouverte. Par conséquent, en comparant et en opposant leur biologie, ils pourraient mieux comprendre comment les organismes s'adaptent et utilisent ces deux modes de division cellulaire.

Hiral Shah, un chercheur de l'EIPOD travaillant dans les trois groupes, a dirigé l'étude. "Ayant reconnu très tôt que les ichtyosporées, avec leurs nombreux noyaux et leur position évolutive clé entre animal et champignon, étaient bien adaptées pour répondre à cette question, il était clair que cela nécessiterait de rassembler l'expertise biologique et technique des laboratoires Dey, Dudin. , et les groupes Schwab, et c'est exactement ce que la bourse EIPOD m'a permis de faire", a déclaré Shah.

Après avoir étudié de près les mécanismes de division cellulaire chez deux espèces d'ichtyosporées, les chercheurs ont découvert qu'une espèce, S. arctica, favorise la mitose fermée, semblable à celle des champignons. S. arctica a également un cycle de vie avec un stade multinucléé, où de nombreux noyaux existent dans la même cellule, une autre caractéristique partagée par de nombreuses espèces fongiques ainsi que par les stades embryonnaires de certains animaux, comme les mouches des fruits.

Une autre espèce, C. perkinsii, s'est avérée ressembler beaucoup plus à un animal, s'appuyant sur une mitose ouverte. Son cycle de vie comprend principalement des étapes mononucléées, où chaque cellule possède un seul noyau.

"Nos résultats ont conduit à l'inférence clé selon laquelle la façon dont les cellules animales effectuent la mitose a évolué des centaines de millions d'années avant les animaux. Le travail a donc des implications directes sur notre compréhension générale de la façon dont les mécanismes de division cellulaire eucaryote évoluent et se diversifient dans le contexte d'une vie diversifiée. cycles et constitue une pièce clé du puzzle des origines animales", a déclaré Dey.

L'étude a combiné l'expertise en phylogénétique comparative, en microscopie électronique (du groupe Schwab et de l'installation centrale de microscopie électronique (EMCF) de l'EMBL Heidelberg) et en microscopie à expansion d'ultrastructure, une technique qui consiste à incorporer des échantillons biologiques dans un gel transparent et à l'étendre physiquement.

De plus, Eelco Tromer, de l'Université de Groningen aux Pays-Bas, et Iva Tolic, de l'Institut Ruđer Bošković de Zagreb, en Croatie, ont apporté leur expertise en génomique comparative et en géométrie et biophysique du fuseau mitotique, respectivement.

"La première fois que nous avons vu un noyau élargi de S. arctica, nous savions que cette technique allait changer la façon dont nous étudions la biologie cellulaire des organismes non modèles", a déclaré Shah, qui a ramené la technique de microscopie à expansion à l'EMBL Heidelberg après un passage à l'EMBL Heidelberg. le laboratoire Dudin.

Dey est d'accord :« Une avancée majeure dans cette étude est venue avec notre application de la microscopie à expansion d'ultrastructure (U-ExM) à l'analyse du cytosquelette ichtyosporéen. Sans U-ExM, l'immunofluorescence et la plupart des protocoles de marquage par colorant ne fonctionnent pas dans ce groupe peu étudié de holozoaires marins."

Cette étude démontre également l'importance d'aller au-delà de la recherche traditionnelle sur les organismes modèles lorsqu'on tente de répondre à de vastes questions biologiques, ainsi que les perspectives potentielles que des recherches plus approfondies sur les systèmes ichtyosporiens pourraient révéler.

"Le développement des ichtyospores présente une diversité remarquable", a déclaré Dudin. "D'une part, plusieurs espèces présentent des schémas de développement similaires à ceux des premiers embryons d'insectes, avec des stades multinucléés et une CELLULARISATION synchronisée.

"D'un autre côté, C. perkinsii subit une division par clivage, une rupture de symétrie et forme des colonies multicellulaires avec des types de cellules distincts, similaires à la" vision canonique "des premiers embryons d'animaux. Cette diversité aide non seulement à comprendre le cheminement vers les animaux, mais aussi offre une opportunité fascinante pour l'embryologie comparative en dehors des animaux, ce qui est, en soi, très passionnant. "

L'interdisciplinarité inhérente au projet a non seulement servi de bon banc d'essai pour ce type de recherche collaborative, mais également pour la formation postdoctorale unique offerte à l'EMBL.

"Le projet de Hiral illustre bien la vertu du programme EIPOD :un projet véritablement interdisciplinaire, associant biologie innovante et méthodes avancées, contribuant toutes à un développement personnel vraiment spectaculaire", a déclaré Schwab. "Nous (en tant que mentors) avons assisté à la naissance d'un scientifique fort, et c'est vraiment gratifiant."

Les groupes Dey, Dudin et Schwab collaborent actuellement également au projet PlanExM, qui fait partie de l'expédition TREC, une initiative dirigée par l'EMBL pour explorer et échantillonner la biodiversité le long des côtes européennes. PlanExM vise à appliquer la microscopie à expansion pour étudier la diversité ultrastructurale des protistes marins directement dans des échantillons environnementaux.

"Le projet est né de la prise de conscience que l'U-ExM allait changer la donne pour la protistologie et la microbiologie marine", a déclaré Dey. Avec ce projet, ainsi que d'autres actuellement en cours, l'équipe de recherche espère faire davantage de lumière sur la diversité de la vie sur Terre et l'évolution des processus biologiques fondamentaux.