La gastrulation est l’une des phases les furthermore importantes du développement embryonnaire précoce. Avant la gastrulation, les embryons de vertébrés sont de simples feuilles de cellules bidimensionnelles. À la fin de la gastrulation, un embryon aura commencé à différencier des kinds de cellules distincts, à établir les axes de base du corps et à internaliser certains des précurseurs des organes dans une composition tridimensionnelle. Les amniotes, comme les poulets et les humains, auront développé une strie primitive, précurseur du cerveau et de la peau, tandis que les poissons et les amphibiens auront développé un blastopore de forme sphérique.
La gastrulation est un exploit d’auto-organisation, nécessitant les mouvements coordonnés de centaines à dizaines de milliers de cellules. Mais malgré son relevance dans le développement, les scientifiques ne comprennent que partiellement les mécanismes sous-jacents qui coordonnent ce mouvement de cellules à grande échelle.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de Harvard, de l’Université de Californie à San Diego et de l’Université de Dundee au Royaume-Uni a développé un cadre théorique capable de reproduire et de prédire les schémas associés à la gastrulation chez un embryon de poulet.
S’appuyant sur leurs résultats expérimentaux publiés furthermore tôt cette année dans Science Innovations et utilisant une combinaison de théorie et d’expérience, les chercheurs ont démontré que de petits changements dans les paramètres et le comportement des cellules peuvent avoir un impression considérable sur les schémas de gastrulation qui en résultent.
La nouvelle recherche a également été publiée dans Science Advancements.
« Lier les processus de développement sous-jacents à la morphogenèse dans un organisme aux variations de ces mêmes processus au cours de l’évolution est une vieille concern en biologie », a déclaré L. Mahadevan, professeur Lola England de Valpine de mathématiques appliquées à la Harvard John A. Paulson School of. Ingénierie et sciences appliquées (SEAS), professeur de biologie organisationnelle et évolutive et de physique à la Faculté des arts et des sciences (FAS) et auteur principal de l’article. « En nous éloignant de l’orientation moléculaire centrée sur les gènes sur cette issue, nous avons demandé s’il existait des principes biophysiques émergents qui opèrent au niveau multicellulaire et peuvent aider à expliquer les schémas de gastrulation automobile-organisés d’un issue de vue développemental et évolutif. »
Travaillant en étroite collaboration avec des expérimentateurs, les chercheurs ont développé un modèle théorique et informatique able de recréer le mouvement de la couche épithéliale de cellules chez les embryons de poulet pendant la gastrulation. L’équipe a ensuite identifié deux paramètres – l’un lié à la distribution initiale des cellules dans un embryon et l’autre lié au comportement cellulaire – à modifier pendant la gastrulation.
« Lorsque nous avons modifié ces deux paramètres dans le modèle, qui était uniquement informé par les mécanismes de développement des poussins, il a remarquablement montré des schémas de gastrulation naturellement observés chez d’autres espèces », a déclaré Mattia Serra, leading auteur de l’article et ancien chercheur de Schmidt Science à l’étude. Groupe Mahadevan.
Serra est professeur adjoint de physique à l’UC San Diego.
Conformément aux résultats informatiques, les expériences montrent que la perturbation des mêmes paramètres in vivo chez un embryon de poulet a amené le poussin à previous un blastopore en forme de disque, observé chez les grenouilles, une strie primitive circulaire en forme d’anneau, comme celles observées chez les poissons, ou un strie allongée en forme de canal elliptique observée chez le caméléon.
« Nos travaux suggèrent que les principes biophysiques généraux sous-jacents aux flux et forces automobile-organisés actifs au cours de l’embryogenèse ont le pouvoir d’expliquer les processus de développement et leurs versions évolutives parmi différentes espèces de vertébrés », a déclaré Mahadevan.
« Nous avons été surpris de voir à quel position des règles mécanochimiques simples pouvaient prédire des flux cohérents très distincts de milliers de cellules mesurées dans un embryon de poulet vivant », a déclaré Serra.
Cette recherche fulfilled non seulement en lumière les principes d’auto-organisation au cours du développement précoce, mais pourrait également aider les chercheurs à comprendre l’histoire évolutive des processus de développement et à suggérer des moyens de contrôler le développement d’organoïdes synthétiques.
Cette recherche a porté sur les premiers stades du développement, lorsque l’embryon est en train de passer de deux dimensions à trois dimensions. Mahadevan souhaite ensuite comprendre ce qui se passe lorsque l’embryon begin à se plier et à se déformer pour créer des formes furthermore complexes d’organes et finalement d’organismes entiers.
« En utilisant notre connaissance des processus de développement au niveau moléculaire et cellulaire, nous espérons éventuellement fournir un cadre intégré sur la façon dont les cellules se transforment en tissus et les tissus en organes, vers une meilleure compréhension de la morphogenèse », a déclaré Mahadevan.
Cette recherche a été co-écrite par Guillermo Serrano Nájera, Manli Chuai et Cornelis J. Weijer de l’Université de Dundee, Alex M. Plum et Sreejith Santhosh de l’Université de Californie à San Diego et Vamsi Spandan de SEAS. Il a été soutenu en partie par la Schmidt Science Foundation, la Hellman Foundation, le NSF-Simons Center for Mathematical and Statistical Examination of Biology sous le prix 1764269, les Countrywide Institutes for Well being sous la subvention 1R01High definition097068, la Fondation Simons et le Fonds Henri Seydoux.
