Une force invisible commence la vie

Les scientifiques étudient comment les forces de friction déterminent l’évolution des organismes marins.

Lorsqu'un potier travaille sur un rouet, la friction entre ses mains et l'argile molle l'aide à lui donner toutes sortes de formes et de créations. Dans un parallèle fascinant, les ovocytes marins (ovules immatures) exploitent la friction au sein de différents compartiments en eux-mêmes pour subir des changements de développement après la conception. Une étude menée par le groupe de Heisenberg à l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (ISTA), publiée dans Physique naturelledécrit maintenant comment cela fonctionne.

Ascidies attachées aux récifs coralliens. L'organisme marin constitue un excellent modèle pour étudier les processus de développement des vertébrés.

Une vie marine diversifiée : le monde des ascidies

La mer regorge de merveilleuses formes de vie. Des algues et poissons colorés aux escargots de mer et ascidies, un monde complètement différent se révèle sous l'eau. Les ascidies, ou bols en particulier, sont très inhabituels : après le stade larvaire en mouvement libre, la larve s'installe et s'attache à des surfaces dures telles que des rochers ou des coraux, développant des tubes (siphons) qui constituent leur trait distinctif. Bien qu’ils ressemblent à des gouttes de caoutchouc à l’âge adulte, ce sont les invertébrés les plus proches des humains. Surtout au stade larvaire, les ascidies nous ressemblent étonnamment.

Par conséquent, les ascètes sont souvent utilisés comme organismes modèles pour étudier le développement embryonnaire précoce. Vertébrés À quoi appartiennent les humains. « Bien que les ascidies présentent les caractéristiques développementales et morphologiques fondamentales des vertébrés, elles possèdent également la simplicité cellulaire et génomique typique des vertébrés. » Invertébrés« La larve d'ascidie en particulier est un modèle idéal pour comprendre le développement précoce des vertébrés », explique Carl Philipp Heisenberg, professeur à l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (ISTA).

Les chercheurs ont marqué la protéine actine dans le cortex d'actomyosine (à gauche, coloration verte) et dans le myoplasme (à droite, coloration bleue) pour visualiser leur mouvement après la fécondation de l'ovule. Lorsque la coquille d'actomyosine située dans la région inférieure de l'œuf bouge, elle interagit mécaniquement avec le myoplasme, le faisant se déformer. Les boucles finissent par se dissoudre dans le pôle de contraction. Crédit : © Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Les travaux les plus récents de son groupe de recherche, publiés dans Physique naturelle, apporte désormais de nouveaux éclairages sur son développement. Les résultats indiquent que lorsque les œufs ascétiques sont fécondés, les forces de friction jouent un rôle crucial dans le remodelage et la réorganisation de leur intérieur, annonçant les prochaines étapes de leur cascade de développement.

Décrypter la métamorphose des œufs

Les ovules sont des cellules germinales femelles impliquées dans la reproduction. Après une fécondation réussie par le sperme mâle, les œufs des animaux subissent généralement une réorganisation cytoplasmique, modifiant leur contenu et leurs composants cellulaires. Ce processus constitue un modèle pour le développement ultérieur du fœtus. Par exemple, dans le cas des ascètes, cette modification conduit à la formation d’une protubérance en forme de cloche – une petite protubérance ou forme nasale – connue sous le nom de pôle de contraction (CP), où s’accumulent les substances essentielles qui facilitent la maturation fœtale. Mais le mécanisme sous-jacent à ce processus est inconnu.

Formation d'un pôle de contraction. Time-lapse microscopique des changements de forme cellulaire dans les ovocytes xénogreffés après la fécondation : de l'œuf non fécondé à l'initiation du pôle de contraction, à la formation du pôle de contraction et à la réabsorption du pôle de contraction. Crédit : ©Caballero-Mancebo et al./Nature Physics

Un groupe de scientifiques de l'ISTA, de l'Université de la Ville de Paris, du CNRS, du King's College de Londres et de la Sorbonne a entrepris de percer ce mystère. Pour cette entreprise, le groupe Heisenberg a importé des ascidies adultes du terminal maritime de Roscoff en France. Presque tous les ascidies sont hermaphrodites, car ils produisent des cellules germinales mâles et femelles. « En laboratoire, nous les conservons dans des cuves d'eau salée dans un Classer« Un moyen pratique d'obtenir des ovules et des spermatozoïdes pour étudier leur développement embryonnaire précoce », explique Silvia Caballero Mancebo, première auteure de cette étude et ancienne doctorante au laboratoire de Heisenberg.

Formation d'un pôle de contraction. Time-lapse microscopique des changements de forme cellulaire dans les ovocytes ascétiques après la fécondation : d'un œuf non fécondé (première image de gauche) à l'initiation des pôles de contraction (deuxième et troisième images de gauche) et à la formation des pôles de contraction (quatrième image de gauche). Crédit : © Caballero-Mancebo et al./Physique naturelle

Les scientifiques ont analysé au microscope les œufs d’ascètes fécondés et ont réalisé qu’ils suivaient des changements hautement reproductibles dans la forme des cellules qui conduisaient à la formation du pôle contractile. La première enquête des chercheurs s'est concentrée sur le cortex d'actomyosine (cellule), une structure dynamique trouvée sous la membrane cellulaire des cellules animales. Il se compose de filaments d'actine et de protéines motrices et agit généralement comme moteur des changements de forme dans les cellules.

« Nous avons découvert que lorsque les cellules sont fécondées, une tension accrue dans le cortex d'actomyosine les amène à se contracter, déclenchant leur mouvement (flux), conduisant aux premiers changements dans la forme des cellules », poursuit Caballero-Mancebo. Cependant, le flux d'actomyosine a cessé pendant l'expansion du pôle de contraction, ce qui suggère qu'il existe d'autres acteurs responsables de la protrusion.

Silvia Caballero Mancebo. Le diplômé de l'ISTA éprouve un grand plaisir à résoudre les mystères de la nature et à les transformer en romans. Crédit image : © Nadine Boncioni/ISTA

Les forces de friction affectent le remodelage cellulaire

Les scientifiques ont examiné de plus près d’autres composants cellulaires susceptibles de jouer un rôle dans l’expansion des pôles de contraction. Ce faisant, ils ont rencontré le myoplasme, une couche constituée d’organites et de molécules intracellulaires (dont des formes apparentées se retrouvent dans de nombreux œufs de vertébrés et d’invertébrés), centrée dans la région inférieure de l’œuf ascétique. « Cette couche spécifique se comporte comme un matériau solide et extensible, elle change de forme avec l'œuf lors de la fécondation », explique Caballero-Mancebo.

Carl Philipp Heisenberg de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (ISTA). Le groupe de recherche composé de biologistes cellulaires de l'ISTA étudie les ascidies et le poisson zèbre et tente de comprendre comment des groupes de cellules désorganisés se transforment en formes élaborées au fur et à mesure de leur développement. Crédit image : © Nadine Boncioni/ISTA

Lors de l'écoulement de la coquille d'actomyosine, le myoplasme se plie et forme de nombreuses boucles en raison des forces de friction existant entre les deux composants. À mesure que le mouvement de l’actomyosine s’arrête, les forces de friction disparaissent également. « Cet arrêt conduit finalement à l'expansion du pôle de contraction alors que de multiples boucles myoplasmiques se dissolvent dans une saillie en forme de cloche bien définie », ajoute Caballero-Mancebo.

L’étude fournit de nouvelles informations sur la façon dont les forces mécaniques déterminent la forme des cellules et des organismes. Cela montre que les forces de friction jouent un rôle central dans la formation et la formation d’un organisme en développement. Cependant, les scientifiques commencent tout juste à comprendre le rôle spécifique de la friction dans le développement embryonnaire. « Le myoplasme est également intéressant, car il est également impliqué dans d'autres processus embryonnaires chez les ascètes », ajoute Heisenberg. « Explorer ses propriétés physiques inhabituelles et comprendre comment il joue un rôle dans la formation des ascidies sera très intéressant. »

Référence : « Les forces de friction déterminent la réorganisation cytoplasmique et les changements de forme des ovocytes lors de la fécondation » par Sylvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munroe, Matilda Perozzo, Gregory Zipp, Irene Stikari, David LaBrosse-Arias, Vanessa Zaiden, Jack Mirren, Andrew Callan Jones, Rafael Voitoris et Carl Philipp Heisenberg, 9 janvier 2024, Physique naturelle.
est ce que je: 10.1038/s41567-023-02302-1