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Comment l'embryon élabore-t-il des organes d'une taille précise ?
Actualités médicalesL a nature a fait en sorte que les proportions de nos membres soient respectées, indépendamment de notre taille. Les mécanismes qui contrôlent la taille et la structuration des tissus relèvent des aspects les plus insaisissables dans le domaine de la biologie du développement. En élucider les rouages permettrait notamment de comprendre comment le manque de coordination entre la croissance du tissu et la spécialisation des cellules qui le constituent se traduit par des malformations. Une équipe menée par Marcos Gonzalez-Gaitan, professeur à l'Université de Genève (UNIGE), vient de mettre au jour un processus de contrôle de croissance qui module la taille des tissus. Les scientifiques dévoilent comment des acteurs moléculaires appelés morphogènes déterminent la dynamique de prolifération au sein des organes en développement. Les auteurs de cette étude, publiée dans l'édition du 4 mars 2011 de Science, cherchent désormais à savoir si cette «règle de croissance» intervient également dans des processus aboutissant au développement de tumeurs.


Au cours du développement, la croissance et l'organisation des organes et des membres sont coordonnées de façon stricte. Tandis que la taille d'un tissu augmente, les cellules qui le constituent doivent se spécialiser en vue d'assumer des fonctions spécifiques. La synchronisation est effectuée par des morphogènes, des substances biochimiques qui assurent l'organisation du développement du tissu, ainsi que les positions des différents types de cellules spécialisées. Ces molécules de signalisation, présentes aussi bien chez la mouche que l'humain, diffusent à partir d'une source localisée, au sein du tissu en formation. Tandis que les morphogènes se répandent alentours, leur concentration diminue. Une cellule donnée percevra donc une concentration spécifique selon sa position, ce qui influencera sa fonction et son destin.



Un Shiva moléculaire

Comment les morphogènes peuvent-ils fournir des informations géographiques, tout en contrôlant la croissance dans le temps? «Nous savons comment ces molécules régulent l'organisation d'un tissu: les cellules qui le composent activent des gènes distincts en réponse à différentes concentrations de morphogènes et, par conséquent, se spécialisent dans diverses voies. La façon avec laquelle les morphogènes contrôlent la croissance demeurait toutefois un mystère», explique Marcos Gonzalez-Gaitan, professeur aux Départements de Biochimie et de Biologie moléculaire de l'UNIGE.


Une pièce essentielle de ce puzzle est désormais fournie par son groupe, en collaboration avec des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, en Allemagne. Les biologistes ont utilisé pour leur projet un organisme modèle bien établi: la mouche du vinaigre Drosophila. Les larves de cet insecte subissent une métamorphose complète, grâce à des tissus spécifiques, les disques imaginaux, qui se développeront pour former la plupart des structures du corps adulte, telles que les ailes.


Le centre du disque imaginal de l'aile de la mouche est composé de cellules distinctes qui sécrètent un morphogène appelé Decapentaplegic (Dpp). Cela provoque la formation d'un gradient de concentration décroissant, au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre du disque. Les chercheurs ont voulu comprendre comment des cellules distantes du centre pouvaient croître et se diviser aussi rapidement que des cellules proches, en réponse au signal du Dpp, tout en percevant des concentrations différentes de ce morphogène.



Un paradoxe apparent

Leur projet a mené à deux découvertes-clé. «D'une part, nous avons trouvé que le gradient de Dpp s'étend dans le temps et dans l'espace, au fur et à mesure que l'aile croît, et qu'il s'adapte à la taille du tissu. Etant donné que la structuration du tissu s'effectue en réponse au gradient lui-même, son augmentation garantit que les proportions de l'aile soient conservées», commente Ortrud Wartlick, auteur de l'étude.


L'expansion du gradient de morphogènes implique une augmentation de la perception de Dpp par toutes les cellules de l'organe croissant, au cours du temps. Ceci constitue une énigme, car les biologistes pensaient que toutes les cellules se divisent lorsqu'elles détectent une concentration spécifique du signal chimique. Ce paradoxe apparent a été résolu avec la deuxième découverte: «Nous avons observé que les cellules de l'aile se divisent lorsque le signal de Dpp qu'elles perçoivent a augmenté de 50%, indépendamment de leur position et quel que soit le moment du développement», détaille Marcos Gonzalez-Gaitan. Le fait que les cellules puissent estimer la vitesse d'expansion du gradient et utiliser cette information pour savoir quand se diviser change de façon drastique le concept établi jusqu'ici.



Morphogènes et cancer

L'équipe de Marcos Gonzalez-Gaitan, qui est un membre des deux Pôles nationaux de recherche Chemical Biology et Frontiers in Genetics, cherche désormais à savoir si un tel mécanisme de contrôle est également impliqué dans des processus pathologiques de prolifération de tissus, tels que le développement tumoral. En effet, le morphogène Dpp, qui est appelé Transforming Growth Factor-beta chez l'humain, est impliqué dans la plupart des cancers. Il est donc crucial de comprendre comment les cellules malignes mesurent la concentration de morphogènes et la vitesse de leur expansion.


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