Recâblage des cellules sanguines pour donner naissance à des précurseurs de spermatozoïdes

Pourtant, des chercheurs de l’École de médecine vétérinaire de l’Université de Pennsylvanie, en collaboration avec des collaborateurs de l’Université du Texas à San Antonio et du Texas Biomedical Research Institute, ont incité les cellules sanguines du ouistiti à acquérir la flexibilité des cellules souches. Ensuite, ils ont dirigé ces cellules souches pour qu’elles adoptent les caractéristiques des précurseurs du sperme.

Dans la revue eVie, ils rendent compte de leur processus étape par étape de recâblage des cellules. Les découvertes – les premières chez le ouistiti, un petit singe – ouvrent de nouvelles possibilités pour étudier la biologie des primates et développer de nouvelles technologies de procréation assistée comme in vitro la gamétogenèse, un processus de génération de cellules germinales, de spermatozoïdes ou d’ovules, dans une boîte de laboratoire, semblable à la façon dont in vitro la fécondation implique la génération d’un embryon en dehors du corps humain.

“Les scientifiques savent comment générer des spermatozoïdes et des ovules fonctionnels à partir de cellules souches pluripotentes induites chez la souris, mais les cellules germinales de souris sont très différentes des cellules germinales humaines”, explique Kotaro Sasaki, professeur adjoint à Penn Vet. “En étudiant les ouistitis, dont la biologie ressemble plus à la nôtre, nous pouvons combler le fossé.”

Pour comprendre comment générer des cellules germinales, les chercheurs ont d’abord étudié des précurseurs de cellules germinales d’embryons de ouistiti, qui n’avaient jamais été rigoureusement caractérisés pour l’espèce. Ils ont découvert que ces cellules à un stade précoce, appelées cellules germinales primordiales (PGC), portaient certains marqueurs moléculaires qui pouvaient être suivis au fil du temps. Le séquençage d’ARN unicellulaire sur ces cellules a révélé que les PGC exprimaient des gènes caractéristiques des cellules germinales à un stade précoce et ceux liés aux modifications épigénétiques, qui régulent l’expression des gènes. Cependant, les PGC n’exprimaient pas de gènes connus pour être activés plus tard dans le processus de développement des cellules germinales, lorsque les cellules précurseurs migrent vers les ovaires ou les testicules pour achever leur maturation.

Leurs découvertes étaient “conformes à l’idée que les cellules germinales de ouistiti subissent un processus de reprogrammation”, dit Sasaki, qui “désactive” certains marqueurs et permet aux PGC de passer par les étapes du développement des cellules germinales. Les modèles que les chercheurs ont observés dans les cellules de ouistiti ressemblaient étroitement à ce qui a été trouvé chez les humains et d’autres espèces de singes, mais étaient distincts de ceux des souris, une autre raison pour laquelle le ouistiti pourrait être un modèle précieux pour les études de biologie de la reproduction.

Avec ces informations en main, l’équipe s’est mise à essayer de reconstituer artificiellement, en laboratoire, le processus de développement. Première étape : transformer les cellules sanguines en cellules souches pluripotentes induites (iPSC), des cellules qui conservent la capacité de donner naissance à plusieurs autres types cellulaires.

“J’ai beaucoup d’expérience dans le travail avec la culture cellulaire et les cellules souches pluripotentes induites, mais l’établissement d’une culture stable pour les cellules de ouistiti était une partie difficile de l’étude”, explique Yasunari Seita, chercheur postdoctoral au laboratoire de Sasaki et auteur principal. .

Après de nombreux essais et erreurs et en appliquant les leçons tirées des enquêtes sur les souris, les humains et autres, Seita a atterri sur une stratégie qui lui a permis de générer et de maintenir des cultures stables d’iPSC. Une clé du succès a été l’ajout d’un inhibiteur de la voie de signalisation régie par la protéine Wnt, qui est impliquée dans diverses fonctions cellulaires, telles que la différenciation cellulaire.

L’étape suivante consistait à passer des CSPi aux précurseurs de cellules germinales. Une fois de plus, une expérimentation considérable a été consacrée à l’élaboration du protocole de cette transformation. La méthode qui fonctionnait le mieux consistait à ajouter un cocktail de facteurs de croissance pour inciter avec succès entre 15 et 40 % de leur culture à adopter les caractéristiques de ces précurseurs de cellules germinales.

“Nous étions ravis de voir cette efficacité et avons pu étendre nos cultures, en les passant plusieurs fois et en constatant une belle croissance exponentielle”, a déclaré Sasaki. “Les cellules ont conservé des marqueurs clés de cellules germinales mais n’ont pas exprimé d’autres marqueurs associés à la migration vers la gonade.”

Dans une dernière étape de l’étude, l’équipe de recherche a amené ces cellules cultivées en laboratoire à adopter les caractéristiques des cellules germinales à un stade ultérieur. Basé sur une méthode que Sasaki et ses collègues avaient établie plus tôt dans des cellules humaines et rapportée dans un 2020 Communication Nature papier, ils ont cultivé les cellules avec des cellules testiculaires de souris pendant un mois. Le résultat a été une croissance réussie, certaines cellules commençant à activer des gènes associés à des précurseurs de spermatozoïdes à un stade ultérieur.

Le développement de nouvelles approches pour étudier le marmouset met en place les équipes de Penn et de l’Université du Texas à San Antonio – ainsi que la communauté scientifique en général – pour utiliser l’espèce comme un modèle de recherche important. Les marmousets, par exemple, ont un fonctionnement cognitif qui ressemble à celui des humains à bien des égards et pourrait donc conduire à de nouvelles connaissances en neurosciences.

Pour le groupe de Sasaki, plus intéressé par le développement du système reproducteur, les ouistitis représentent une nouvelle voie pour poursuivre des études sur le développement normal et anormal ainsi que sur la fertilité.

“Lorsque vous pensez aux applications cliniques d’une technologie de procréation assistée comme in vitro gamétogenèse, il y a beaucoup de problèmes éthiques, juridiques et de sécurité qui pourraient survenir », déclare Sasaki. « Nous avons certainement besoin d’un bon modèle préclinique à explorer avant de passer à la traduction clinique humaine.

Kotaro Sasaki est professeur adjoint de sciences biomédicales à l’École de médecine vétérinaire de l’Université de Pennsylvanie.

Yasunari Seita est chercheur postdoctoral à l’École de médecine vétérinaire de Penn.

Les coauteurs de Sasaki et Seita sont Keren Cheng de Penn Vet; l’Université du Texas à San Antonio’s John R. McCarrey, Nomesh Yadu, Isamar Santana Toro, Li-hua Yen, Sean Vargas, Christopher S. Navara et Brian P. Hermann ; et Ian H. Cheeseman, Alec Bagwell et Corinna N. Ross du Texas Biomedical Research Institute. Seita et Cheng étaient co-premiers auteurs, et Sasaki, Navara et Hermann étaient co-auteurs correspondants.

L’étude a été soutenue par l’Open Philanthropy Project (subventions 197906 et 10080664), les National Institutes of Health (subventions DA054170, HD090007, OD011133 et MD007591) et la National Science Foundation (subventions 1337513 et 2018408).