La reconstruction d’un embryon de mouche cellule par cellule

Des chercheurs ont réussi à analyser les expressions géniques de milliers de cellules individuelles de l’embryon de la mouche Drosophila melanogaster. Et à partir des données recueillies, ils ont pu reconstruire un embryon virtuel de mouche qui a les mêmes expressions géniques.


L'embryon virtuel fournit des prédictions les cellules qui s'expriment. Par exemple, les gènes qui sont évités (rouge) et ceux qui sont traités (vert). Pour voir la distribution spatiale, les chercheurs peuvent observer l'embryon sous tous les angles - Crédit : Drosophila Virtual Expression eXplorer, BIMSB at the MDC
L'embryon virtuel fournit des prédictions les cellules qui s'expriment. Par exemple, les gènes qui sont évités (rouge) et ceux qui sont traités (vert). Pour voir la distribution spatiale, les chercheurs peuvent observer l'embryon sous tous les angles - Crédit : Drosophila Virtual Expression eXplorer, BIMSB at the MDC

Après 13 divisions rapides, un oeuf de fécondé se compose d’environ 6 000 cellules. Ces cellules se ressemblent toutes au microscope. Mais chaque cellule d’un de « sait » déjà si elle est destinée à devenir un neurone, une cellule musculaire, une partie de l’intestin, la tête ou la queue.

Désormais, les équipes de Nikolaus Rajewsky et Robert Zinzen au Berlin Institute of Medical Systems Biology (BIMSB) du Max Delbrück Center for Molecular Medicine in the Helmholtz Association (MDC) ont analysé les profils d’expression génique de milliers de cellules individuelles et ils ont réassemblé l’embryon à partir de ces données en utilisant un nouvel algorithme de cartographie spatiale.

Le résultat est un embryon virtuel de mouche montrant exactement les gènes qui sont actifs à ce moment précis. C’est essentiellement un plan du développement précoce selon Robert Zinzen, responsable du Systems Biology of Neural Tissue Differentiation Lab. Leur papier a été publié dans la revue Science.

Un embryon virtuel de mouche

Il est désormais possible d’analyser l’expression génique du génome des cellules individuelles à grande échelle. Nikolaus a reconnu le potentiel de cette technologie et il l’a mise en place dans son laboratoire selon Zinzen. Il a commencé à se demander si, sur la base d’un tissu organisé complexe, on pourrait calculer les modèles d’expression des gènes spatiaux à l’échelle du génome à partir des données de à une seule cellule.

L’embryon virtuel est bien plus qu’un simple exercice de cartographie cellulaire selon Nikolaus Rajewsky, responsable du Systems Biology of Gene Regulatory Elements Lab. À l’aide de la base de données interactive Drosophila Virtual Expression eXplorer (DVEX), les chercheurs peuvent désormais examiner 8 000 gènes exprimés dans chaque cellule et poser des questions du genre : X, quand est-ce que tu t’exprimes et à quel niveau ? Quels sont les autres gènes qui sont actifs en même temps dans les mêmes cellules ? La technique fonctionne également avec les ARN longs non codants. Au lieu d’expériences d’imagerie qui nécessitent beaucoup de temps, les scientifiques peuvent faire des expériences virtuelles pour identifier de nouveaux acteurs dans la régulation des gènes et créer des hypothèses pour des mécanismes biologiques selon Rajewsky. Des approches standards nécessitaient des années, mais désormais, on peut faire la même chose en quelques heures.

Briser la synchronicité des premières divisions cellulaires

Dans leur papier, les chercheurs de MDC décrivent une douzaine de nouveaux facteurs de transcription et de nombreux ARNs longs non codants qu’on n’a jamais étudiés auparavant. De plus, ils proposent une réponse à une question qui a intrigué les scientifiques depuis 35 ans : Comment l’embryon brise-t-il la synchronicité des divisions cellulaires pour développer des structures plus complexes ?

Pour valider si l'algorithme avait fait les bonnes prédictions, les chercheurs ont coloré les embryons de mouche sur le plan expérimental. L'ADN dans tous les noyaux de cellule sont en bleu dans cette image et il révèle la morphologie de l'embryon. Sur la gauche, la tête commence à se séparer du reste du corps, au milieu, l'embryon s'invagine (vue ventrale) et ces deux caractéristiques sont propres aux embryons à ce stade. Les marques en rouge sont le marqueur de l'expression de gène DsRed qui réflète la prédiction - Crédit : Philipp Wahle, BIMSB at the MDC

Pour valider si l’algorithme avait fait les bonnes prédictions, les chercheurs ont coloré les embryons de mouche sur le plan expérimental. L’ADN dans tous les noyaux de cellule sont en bleu dans cette image et il révèle la morphologie de l’embryon. Sur la gauche, la tête commence à se séparer du reste du corps, au milieu, l’embryon s’invagine (vue ventrale) et ces deux caractéristiques sont propres aux embryons à ce stade. Les marques en rouge sont le marqueur de l’expression de gène DsRed qui réflète la prédiction – Crédit : Philipp Wahle, BIMSB at the MDC

Dans un processus appelé , les couches germinales distinctes se forment et les cellules deviennent restreintes en ce qui concerne les tissus et les organes dans lesquels elles peuvent se différencier. Nous estimons que la voie de signalisation Hippo est partiellement responsable de la configuration de la gastrulation selon Rajewsky. Cette voie contrôle la taille des organes, les cycles cellulaires et la prolifération cellulaire, mais elle n’a jamais été impliquée dans le développement de l’embryon précoce. Nous avons non seulement montré qu’Hippo est actif à la volée, mais nous pourrions même prédire les régions de l’embryon dans lesquelles on aurait un début de mitoses et donc à la synchronisation de rupture. Et ce n’est qu’un exemple de l’utilité de notre outil.

Une gestation difficile pour le projet

Quand les chercheurs ont commencé à créer l’embryon virtuel, ils ignoraient si c’était possible. Un pilier essentiel de leur succès est la technologie Drop-Seq, une méthode microfluidique à base de gouttelettes qui permet le profilage transcriptionnel de milliers de cellules individuelles à faible coût.

Mais les embryons de mouche devaient être choisis au début de la gastrulation. Philipp Wahle, étudiant en doctorat dans le laboratoire de Robert Zinzen, a choisi environ 5 000 embryons avant de les dissocier en cellules simples. J’étais convaincu que cela nous donnerait un ensemble de données unique. Ce processus laborieux a créé un nouveau défi. Vous devez collecter plusieurs sessions pour avoir suffisamment de matières pour le séquençage selon Christine Kocks qui a dirigé l’équipe de séquençage de la cellule individuelle. Donc, nous devions trouver un moyen de stabiliser les transcriptomes dans les cellules selon Kocks. Et en se basant sur ses travaux précédents avec des embryons de C. elegans, Nikolaus a suggéré d’utiliser le méthanol. La nouvelle méthode de fixation à une seule cellule a été publiée dans BMC Biology en mai 2017.

Au fur et à mesure que les données s’amélioraient, Nikos Karaiskos, physicien théorique et expert en informatique du laboratoire de Rajewsky, a relevé le défi de cartographier spatialement cette quantité considérable de cellules à leur position embryonnaire précise. Aucune des approches existantes, dans le domaine de la transcriptomie spatiale, n’était appropriée pour reconstruire l’embryon de Drosophila.

Il s’agissait d’un processus réitérant pour filtrer les données pour voir ce qui se trouve à l’intérieur et essayer de le cartographier. Le chercheur a finalement proposé un nouvel algorithme appelé DistMap qui peut cartographier les données transcriptomiques des cellules à leur position d’origine dans l’embryon virtuel.

L’entrée dans un territoire inexploré

La construction de l’embryon virtuel a permis à Karaiskos de prédire facilement l’expression de milliers de gènes qui est une tâche presque impossible par des moyens expérimentaux traditionnels. Philipp Wahle, aidé par Claudia Kipar, a validé ces prédictions en visualisant les profils d’expression génique avec une approche traditionnelle. L’hybridation in situ permet de visualiser des modèles d’expression de gènes avec des colorants qui sont visibles au microscope. À ce stade, une seule couche de cellules entoure l’ensemble de l’embryon de mouche selon Wahle. Cela le rend très accessible ce qui vous permet de comparer les données de calcul avec l’imagerie.

C'est l'embryon virtuel de l'embryon de la mouche qui permet d'explorer le transcriptome de stade 6 de l'embryon Drosophila au niveau de la cellule individuelle. Les expressions des différents gènes sont marqué avec des couleurs différentes - Drosophila Virtual Expression eXplorer, BIMSB at the MDC

C’est l’embryon virtuel de l’embryon de la mouche qui permet d’explorer le transcriptome de stade 6 de l’embryon Drosophila au niveau de la cellule individuelle. Les expressions des différents gènes sont marqué avec des couleurs différentes – Drosophila Virtual Expression eXplorer, BIMSB at the MDC

C’est la première fois qu’on a pu examiner individuellement les 6 000 cellules de l’embryon, d’évaluer leurs profils d’ et de comprendre ce qui détermine leur comportement dans l’embryon. L’avancée technologique la plus importante de cette étude est que nous ne perdons pas l’information spatiale nécessaire pour comprendre comment les cellules embryonnaires agissent de concert selon les scientifiques.

C’est un territoire inexploré et il nécessite de nouvelles approches bioinformatiques pour donner un sens aux données collectées. Les chercheurs prévoient déjà des projets de suivi. Un exemple serait de cartographier les cellules à différents moments pour voir comment elles fonctionnent ensemble pour former des organes et des tissus. Un autre serait de vérifier si les approches cartographiques s’appliquent à des tissus plus complexe.

Source : Science (http://dx.doi.org/10.1126/science.aan3235)

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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