Génétique du développement

Comment une cellule sait-elle où elle se trouve ?

Toutes les cellules d'un embryon possèdent le même ADN. Pourtant, des structures différentes doivent en émerger — la tête à l'avant, la queue à l'arrière, le côté gauche à gauche. Les cellules ont besoin d'un système de coordonnées. Et ce système est chimique : les morphogènes sont des molécules signal qui diffusent depuis une source dans le tissu et y forment un gradient de concentration. Chaque cellule mesure sa concentration locale et active, selon un seuil donné, d'autres gènes.

Un exemple classique est la protéine Bicoid chez la mouche du vinaigre. Elle est produite au pôle antérieur de l'œuf et diffuse vers l'arrière. Une concentration élevée à l'avant — structures céphaliques. Une concentration moyenne — segments thoraciques. Aucune concentration de Bicoid à l'arrière — abdomen. Un seul axe moléculaire suffit à définir l'ensemble de l'axe corporel antéro-postérieur. Chez l'embryon humain, des dizaines de morphogènes de ce type — Sonic Hedgehog (SHH), Wnt, BMP, FGF — interagissent à différents niveaux et déterminent le destin de chaque cellule individuelle.

Les gènes Hox — 600 millions d'années sans changement

Les gènes Hox sont les régulateurs maîtres du plan corporel. Ils codent pour des facteurs de transcription — des protéines qui se lient à l'ADN et activent ou désactivent d'autres gènes — dotés d'un domaine de liaison à l'ADN hautement conservé, l'homéoboîte. Dans l'embryon, les gènes Hox sont exprimés le long de l'axe corporel selon un ordre spatial qui correspond exactement à leur disposition sur le chromosome : les gènes situés au début du cluster contrôlent les segments corporels antérieurs, ceux de la fin contrôlent les segments postérieurs. Cette colinéarité — la position chromosomique correspond à la position corporelle — est presque universelle dans le règne animal.

Ce qui est stupéfiant : les gènes Hox existent depuis plus de 600 millions d'années sous une forme quasiment inchangée chez tous les animaux à symétrie corporelle bilatérale. Les gènes Hox de la mouche du vinaigre et de l'être humain sont homologues — ils partagent la même origine évolutive. Si l'on exprime artificiellement le gène murin Pax6 (aussi connu sous le nom de Small eye) chez la mouche du vinaigre — par exemple au niveau de la patte ou de l'ébauche alaire —, un œil supplémentaire s'y forme. Mais pas un œil de souris : un véritable œil à facettes de mouche, car les gènes en aval sont la version de la mouche. Le gène de la souris a donné le signal de départ, mais c'est le plan de construction de la mouche qui a bâti l'œil. Le même programme, une exécution différente : le témoignage moléculaire le plus profond d'une ascendance commune.

Le point de non-retour — ou pas ?

Lorsque les cellules souches se spécialisent, elles adoptent une identité : neurone, cellule musculaire, cellule hépatique. Ce processus de différenciation a longtemps été considéré comme irréversible. Une fois neurone, toujours neurone — un réseau auto-renforçant de facteurs de transcription désactive durablement le programme de développement des autres types cellulaires et maintient le sien actif. La cellule se souvient de ce qu'elle est. Même après des milliers de divisions, l'identité reste stable.

Pourtant, en 2006, Shinya Yamanaka a montré que cette stabilité n'est pas un destin infranchissable. Avec seulement quatre facteurs de transcription — Oct4, Sox2, Klf4 et c-Myc — une cellule de peau de souris différenciée pouvait être retransformée en cellule souche pluripotente induite (cellule iPS) : une cellule dotée du potentiel de redonner naissance à n'importe quel type cellulaire. Pas de clonage, pas d'ovocyte, pas de tissu embryonnaire — seulement quatre interrupteurs qui remettent en ordre la chromatine et réactivent le programme d'origine. Yamanaka a reçu pour cela le prix Nobel de médecine en 2012.

Ce que cela signifie : l'identité cellulaire n'est pas un état immuable, mais un programme contrôlé sur le plan épigénétique. Il peut — dans les bonnes conditions — être réécrit. Cela ouvre des perspectives pour des thérapies cellulaires contre la maladie de Parkinson, l'insuffisance cardiaque et le diabète, dans lesquelles des types cellulaires perdus pourraient être remplacés par des cellules iPS propres au patient, sans risque de réaction de rejet.

Ce que les malformations révèlent du système

Chez la mouche du vinaigre existe une mutante nommée Antennapedia : un seul gène Hox mal exprimé fait pousser sur la tête des pattes complètes à la place des antennes. La patte est correctement construite — mais au mauvais endroit. La mutation ne modifie pas le plan de construction des pattes, mais l'adresse : le bon programme est lancé au mauvais endroit. Ces mutations homéotiques montrent que l'identité des segments corporels n'est pas un processus continu, mais qu'elle est déterminée par des interrupteurs discrets.

Chez l'être humain, des perturbations du programme de développement entraînent des malformations telles que la polydactylie (doigts surnuméraires dus à une signalisation Sonic Hedgehog défectueuse), les fentes labio-palatines ou les anomalies de fermeture du tube neural. Ces troubles montrent à quel point le minutage temporel et spatial de l'expression génique doit être précis chez l'embryon — et à quel point l'information déterminant forme et fonction se décide déjà dans les tout premiers jours du développement.

Aujourd'hui, les organoïdes — mini-organes cultivés en laboratoire à partir de cellules souches — offrent un regard direct sur la logique du développement. À partir de quelques cellules souches naissent, dans la boîte de culture, des structures qui imitent les villosités intestinales, les circonvolutions cérébrales ou les couches de la rétine. Elles suivent le même programme génétique que dans le corps — et montrent que le plan réside entièrement dans l'ADN.

Réécrire le plan — et faire revenir l'ancien

Si l'identité cellulaire est un programme contrôlé sur le plan épigénétique et que les gènes Hox fonctionnent depuis 600 millions d'années sous une forme quasiment inchangée — que se passe-t-il si l'on intervient délibérément sur ces programmes ? L'outil pour cela existe depuis 2012 : CRISPR-Cas9, des ciseaux moléculaires qui coupent et modifient l'ADN à un endroit précisément choisi. Ce qui prenait autrefois des années se fait aujourd'hui en quelques semaines — et rend possibles des interventions qui, il y a peu encore, relevaient de la pure spéculation.

Le projet le plus connu est le retour du mammouth laineux. L'entreprise Colossal Biosciences travaille à inscrire à l'origine environ 60 gènes clés (aujourd'hui plutôt environ 150) dans le génome de l'éléphant d'Asie — des gènes pour une fourrure dense, une couche de graisse plus épaisse, une hémoglobine tolérante au froid. L'éléphant ne doit pas devenir un clone, mais un animal génétiquement modifié doté de caractéristiques de mammouth : suffisamment robuste pour la toundra sibérienne, là où l'extinction a commencé il y a environ 4 000 ans. Le but n'est pas la nostalgie, mais l'écologie — une mégafaune qui retasserait les sols gelés et pourrait ainsi ralentir le dégel du pergélisol.

Plus directe encore, la recherche sur le Chickenosaurus intervient dans la génétique du développement. Les oiseaux ne sont pas des descendants des dinosaures — ils sont des dinosaures, la dernière lignée survivante des théropodes. Les gènes des dents, de la queue et des griffes à trois doigts sont encore présents chez les embryons de poulet ; ils sont simplement réprimés tôt dans le développement. Deux équipes de recherche indépendantes l'ont démontré : Bhart-Anjan Bhullar et ses collègues, en inhibant de façon ciblée les voies de signalisation FGF et Wnt, ont produit des embryons de poulet dotés d'un museau transitoirement de type dinosaurien à la place du bec ; une équipe menée par João Botelho et Alexander Vargas a obtenu, via la voie de signalisation Indian Hedgehog — apparentée à Sonic Hedgehog mais distincte —, des structures osseuses de pattes de type dinosaurien à la place de la patte typique des oiseaux. Aucun animal n'est né de ces expériences — mais la preuve est faite : le plan d'un caractère dinosaurien sommeille dans le génome aviaire, attendant d'être relu.

Ce qui relie ces projets, c'est le principe central de la génétique du développement : le phénotype — la forme visible — n'est pas une image directe de l'ADN, mais le résultat d'un programme de déroulement contrôlé par des interrupteurs. Qui connaît les interrupteurs peut modifier le résultat. La question n'est plus depuis longtemps de savoir si cela est possible, mais avec quelle précision, quelle responsabilité et — à l'avenir — jusqu'où.