Qu'est-ce qui fait que les vers plats se mettent en morceaux?

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Comprendre comment les tissus et les organes peuvent se régénérer nécessite une compréhension des mécanismes et des facteurs qui organisent les cellules et les tissus, à la fois dans l'espace et dans le temps. Les vers plats planariens sont un modèle largement utilisé pour étudier cette formation de motifs, car des morceaux de ces animaux coupés peuvent repousser des parties du corps manquantes et former des vers complets. Les planaires ont également un comportement d'auto-scission appelé fission: ils étirent et contractent le tissu de la queue, ce qui entraîne le détachement de parties de leur corps postérieur qui deviennent ensuite des clones. Que la fission se produise ou non dépend de la taille du ver parent, mais les processus moléculaires et cellulaires sous-jacents n'ont pas été bien compris. , Arnold et al. établir une méthode pour induire de manière fiable la fission dans le planarien Schmidtea mediterranea, et montrent que les voies de signalisation cellulaire impliquant les protéines Wnt et le facteur de croissance transformant-β (TGF-β) sont des régulateurs clés de ce processus.

La signalisation Wnt joue un rôle déterminant dans le développement et la différenciation cellulaire et est impliquée dans de nombreuses maladies. Les protéines Wnt sont très diverses, ne se trouvent que chez les animaux et sont généralement liées à une chaîne lipidique et sécrétées par les cellules. Ils se lient à des protéines réceptrices de différentes familles pour activer diverses cascades de signalisation cellulaire en aval qui régulent les niveaux de facteurs cytoplasmiques – molécules contrôlant l'expression des gènes et donc la fonction des cellules.,. Bien que nos connaissances sur l’influence de la signalisation Wnt sur la formation du motif tissulaire aient considérablement progressé au cours des dernières années, on ignore encore comment ces motifs pourraient être liés à des fonctions tissulaires spécifiques.

Études précédentes chez les planariens ont caractérisé un cadre moléculaire dans lequel des gradients auto-organisés de protéines Wnt régulent la structuration le long de la longueur de l'animal (c'est-à-dire le long de l'axe antérieur-postérieur) et dans lequel un gradient de TGF-β régule la structuration de son sommet à sa face inférieure (le long de l'axe dorsal-ventral). Il a été suggéré cette fission planarienne est régulée par des gradients d'activité métabolique, des signaux de position moléculaires ou des molécules de neurohormones le long de l'axe antéro-postérieur du corps. Une étude a indiqué que la fission pourrait être inhibée par la partie antérieure du système nerveux, et un autre a examiné les forces biomécaniques et les propriétés des tissus qui permettent son apparition.

Contrairement à la régénération, qui peut être induite expérimentalement en découpant des vers planaires, la fission a été difficile à induire de manière fiable, limitant ainsi les études sur ce processus. Cependant, Arnold et al. ont constaté que le transfert de vers aux cultures dans lesquelles la nourriture était limitée et l’eau stagnante provoquait une fission induite chez les vers de taille supérieure à environ 4 ou 5 millimètres (Fig. 1). En analysant les enregistrements d'images, les chercheurs ont découvert que les événements de fission duraient environ 30 minutes et produisaient des fragments d'environ 1 mm de long, et que la fréquence des événements de fission était corrélée à la taille du parent. Arnold et al. ont également constaté que, lorsqu'ils appliquaient une pression sur un verre de protection placé au sommet d'un ver en culture normale, le ver se séparerait en plusieurs fragments régulièrement espacés le long de tout son axe antéro-postérieur. Ceci suggère que, chez les vers adultes, il existe des plans de fission préétablis qui s’échelonnent en fonction de la taille de l’animal et qu’une structure segmentée cachée sous-tend ce contrôle de taille.

Figure 1 | Comportement à la fission dépendant de la taille chez les vers plats. Les vers plats peuvent se reproduire par un processus appelé fission. Dans ce processus, un ver sépare une partie du tissu de la partie postérieure de son corps et cette partie se régénère pour former un ver complet. Arnold et al. examiné les fondements moléculaires et cellulaires de ce processus de fission. Ils ont constaté que la fréquence des événements de fission était corrélée à la taille de l'animal parent. Perturbations expérimentales de l'expression de certaines protéines impliquées dans la voie de signalisation Wnt (non illustrée), qui contrôlent la structuration tissulaire le long de la longueur des planaires,, n’affectait pas le positionnement des plans de fission le long du corps, mais augmentait ou diminuait la fréquence des événements de fission. Les auteurs ont montré que la signalisation Wnt régit la structuration à petite échelle d'une population de cellules neuronales situées à l'avant du ver (boîtes) qui inhibent le comportement en fission, et a montré que la structuration de ces neurones change avec la taille de l'animal.

En utilisant à la fois les méthodes de famine et de compression pour induire la fission, les auteurs ont testé quels signaux moléculaires sont nécessaires pour induire une fission dépendante de la taille. Ils ont effectué un criblage dans lequel ils ont utilisé différentes molécules d'ARN pour inhiber sélectivement l'expression de diverses protéines impliquées dans la formation de motifs, y compris celles des voies de signalisation cellulaire Wnt et TGF-β.,,,. Ces perturbations ciblées ont affecté la fréquence de fission; Par exemple, le blocage de l'expression de l'APC, une protéine qui supprime la voie de signalisation Wnt, a pratiquement doublé la fréquence des tentatives de fission séquentielles au cours desquelles les animaux ont montré leur comportement d'étirement caractéristique. Cependant, interférer avec ces voies de signalisation n’a pas d’incidence sur le positionnement des plans de fission le long de l’axe du corps. Ainsi, la signalisation Wnt et TGF-β semble réguler le comportement en fission indépendamment de leur fonction dans la configuration axiale.

Une précédente analyse d'expression génique ont révélé que les gènes codant pour les protéines impliquées dans la signalisation Wnt et TGF-β sont co-exprimés avec les gènes exprimés par les cellules du système nerveux central (SNC). Dans l’étude d’Arnold et de ses collègues, l’élimination de la partie antérieure du ver contenant les ganglions céphaliques (deux grappes de neurones qui composent le cerveau planaire) a retardé l’apparition du comportement de fission. Les auteurs ont observé un effet similaire chez les vers, dans lequel l'expression d'une protéine neuronale de facteur de transcription dont il avait déjà été démontré qu'elle était nécessaire pour la configuration du système nerveux central a été supprimé.

Arnold et al. ont découvert qu'un ensemble de cellules neuronales sensibles aux stimuli mécaniques agit en aval de la signalisation Wnt et TGF-β pour inhiber le comportement en fission. Les auteurs ont démontré que les signaux Wnt et TGF-β régulent ensemble la configuration de ces populations de neurones et d’autres populations spécifiques de neurones (Fig. 1). Il sera intéressant d’examiner comment ces régulateurs clés de la structuration axiale contrôlent la structuration fine du système nerveux planarien. – L'une des grandes questions sur la structuration de différents types de cellules est de savoir comment ces voies de signalisation sont intégrées par les cellules progénitrices afin d'induire la génération de types de cellules neuronales spécifiques.

Bien qu'Arnold et al. axé leur analyse sur l’induction de la fission, on en sait encore moins sur la manière dont les fragments de tissu libérés forment des animaux complets. Par exemple, il n’est pas clair si ces vers se régénèrent après la fission de la même manière qu’ils repoussent après avoir été coupés en morceaux. Dans les deux cas, des populations de cellules souches appelées néoblastes se regroupent pour former une masse appelée blastème au site de la plaie dans le fragment tissulaire, ce qui peut à son tour régénérer différents organes et tissus.. Mais comment l'information concernant la position du plan de fission ou de fission est transmise aux néoblastes n'est pas claire.

La reproduction asexuée par fission est une stratégie majeure pour augmenter la taille de la population, non seulement chez les planariens, mais également chez d’autres créatures ressemblant à des vers et autres vers plats acoélomorpheset annélides) dans laquelle la fission se produit à l'extrémité postérieure de l'animal. Les anémones de mer peuvent également se propager de manière asexuée par fissionet bourgeonnement – une stratégie liée à la fission pour la reproduction asexuée – a été bien caractérisé chez l'animal d'eau douce Hydre et est fortement liée à la régénération.

Une étude détaillée de la fission et du bourgeonnement chez différents organismes modèles sera importante car, dans ces processus, la formation de motifs est induite sans blessure et peut donc être différente de la régénération après blessure. Si les processus qui permettent la régénération chez les planariens après la fission et après la coupe sont effectivement les mêmes, les recherches futures devraient déterminer les mécanismes qui compensent l'absence de signal de blessure dans le tissu de fission. Ces recherches seront cruciales pour comprendre comment les signaux de lésion et de configuration convergent pour initier le processus de régénération.

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