Les chercheurs de l'ETH ont étudié en détail la manière dont le tube neural se forme au cours du développement embryonnaire. Ils sont arrivés à la conclusion que ce processus est moins actif qu'on ne le pensait jusqu'à présent. Cela a également des répercussions sur la compréhension des malformations telles que l'ouverture de l'esprit.
Entre le 22e et le 26e jour de la grossesse, le tube neural se forme chez l'embryon humain. Plus tard, il se développera en cerveau et en moelle épinière. Le tube neural est formé à partir d'un tissu plat et allongé, la plaque neurale, qui s'incurve en forme de U dans le sens de la longueur et se referme en un tube. Ce qui motive ce développement n'a pas encore été élucidé. Les chercheurs du groupe de Dagmar Iber, professeure de biologie assistée par ordinateur au Département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich à Bâle, ont désormais pu démontrer : Le tissu environnant devrait jouer un rôle essentiel. Il exerce une pression de l'extérieur.
La formation du tube neural est une étape extrêmement importante dans le développement embryonnaire, comme le souligne Iber. Chez environ un embryon sur mille, ce tube ne se forme pas complètement. Ces enfants naissent avec une malformation de la colonne vertébrale, dans les cas extrêmes avec un "dos ouvert". (Spina bifida aperta),qui doit être opérée. C'est notamment pour mieux prévenir de telles malformations que les scientifiques souhaitent comprendre de manière aussi détaillée que possible la formation du tube neural.
"Au cours des dernières décennies, la recherche s'est intensivement penchée sur cette question", explique Roman Vetter, scientifique du groupe d'Iber et coauteur de la nouvelle étude que les chercheurs publient désormais dans la revue spécialisée PNAS. On sait ainsi que des régions tissulaires en forme de lignes se forment au milieu et sur les côtés de la plaque neurale, là où la plaque neurale est particulièrement courbée. Ces régions sont appelées points d'articulation. Jusqu'à présent, les scientifiques ont supposé que des signaux biochimiques locaux dans les cellules de la plaque neurale entraînaient la formation de ces points d'ancrage et que ces points d'ancrage contribuaient activement à la formation du tube neural. Cependant, il n'y avait jusqu'à présent aucune explication sur la raison pour laquelle les points d'attache se forment exactement à l'endroit où ils se trouvent.
Des modélisations informatiques ont permis d'atteindre l'objectif
Les chercheurs de l'ETH postulent maintenant un mécanisme alternatif selon lequel la plaque neurale ne se plie pas activement elle-même et sous l'impulsion des points d'articulation pour former un tube. Au contraire, la plaque neurale prend d'abord une forme légèrement bombée pour des raisons anatomiques. Ensuite, les tissus situés de part et d'autre de la plaque neurale (ectoderme et mésoderme) s'étirent. Ces tissus exercent une pression latérale sur la plaque neurale et lui donnent passivement la forme d'un tube.
Les chercheurs sont parvenus à ces conclusions à l'aide d'une modélisation assistée par ordinateur. A partir de données d'images existantes d'embryons humains et de souris, les chercheurs ont créé un modèle informatique de la formation du tube neural basé sur les lois physiques de la nature. Ils ont ensuite simulé plusieurs mécanismes possibles de formation du tube neural sur un superordinateur de l'ETH Zurich.
Il s'est avéré que les processus s'expliquaient le mieux par l'expansion des tissus environnants. "Nous illustrons ainsi le fait que les points d'articulation peuvent apparaître à la suite d'une pression extérieure. Ils ne sont donc probablement pas le moteur de la formation du tube neural, comme on le pensait jusqu'à présent, mais un effet secondaire de celle-ci", explique la professeure Iber de l'ETH. Le moteur semble plutôt être le tissu environnant.
Mécanisme supplémentaire dans le bas du dos
C'est surtout dans la partie supérieure du dos que la formation du tube neural peut s'expliquer par l'extension des tissus voisins, car c'est principalement dans cette zone que la plaque neurale est légèrement bombée pour des raisons anatomiques. Plus bas, sur le futur dos, cette courbure initiale est absente ; la plaque neurale y est plate.
Grâce à leurs modélisations, les scientifiques de l'ETH ont pu montrer que la formation du tube neural s'explique là aussi par des forces externes : Des fibres protéiques et des protéines d'ancrage aident à resserrer la plaque neurale comme une fermeture éclair. Ainsi, la plaque neurale s'incurve et se referme en un tube.
Selon les chercheurs, les mécanismes différents dans le haut et le bas du dos pourraient expliquer pourquoi les malformations de la colonne vertébrale ne sont pas aussi fréquentes partout dans le dos. Une ouverture d'esprit est plus fréquente dans la partie inférieure du dos, où les tissus environnants sont moins soutenus.
"Nous avons pu montrer que les effets mécaniques sont responsables de la formation du tube neural", explique Vetter. "La professeure Iber de l'ETH ajoute : "Il est impossible de mettre en évidence et de comprendre un effet mécanique uniquement avec des expériences biologiques et génétiques sans de telles simulations." Des chercheurs expérimentaux devraient maintenant tenter de confirmer les prédictions des chercheurs de l'ETH par des essais sur des animaux.
L'objectif est également de se rapprocher des causes et donc de la prévention des malformations. On sait qu'une carence en acide folique ainsi que d'autres carences favorisent ces malformations de la colonne vertébrale. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre en détail les mécanismes sous-jacents.
Référence bibliographique
de Goederen V, Vetter R, McDole K, Iber D : Hingepoint emergence in mammalia spinal neurulation, PNAS 2022, 119 : e2117075119, doi : page externe10.1073/pnas.2117075119