Ichthyosporeans Sphaeroforma arctica et Chromosphaera perkinsii en cours de mitose, représentés comme deux moitiés d'une cellule, rendus dans des tons inspirés de Haeckel et dans un style naturaliste. Crédit : Nirupa Rao
De nouvelles découvertes réalisées par des chercheurs de l'EMBL révèlent comment les animaux et les champignons ont développé des processus de division cellulaire distincts pour s'adapter à leurs cycles de vie variés.
La division cellulaire est un processus crucial pour toutes les formes de vie, des bactéries aux rorquals bleus, permettant la croissance, la reproduction et la poursuite de la vie. espèces. Malgré leur nature universelle, les méthodes de division cellulaire varient considérablement selon les organismes. Une étude récente du groupe Dey de l'EMBL Heidelberg, en collaboration avec leurs collaborateurs et publiée dans Nature, étudie l'évolution des méthodes de division cellulaire chez des organismes étroitement liés aux champignons et aux animaux. Pour la première fois, cette recherche démontre le lien entre le cycle de vie d'un organisme et ses techniques de division cellulaire.
Bien qu’ils partagent un ancêtre commun il y a plus d’un milliard d’années, les animaux et les champignons se ressemblent à bien des égards. Tous deux appartiennent à un groupe plus large appelé « eucaryotes », des organismes dont les cellules stockent leur matériel génétique dans un compartiment fermé appelé « noyau ». Les deux diffèrent cependant dans la manière dont ils exécutent de nombreux processus physiologiques, y compris le type de division cellulaire le plus courant : la mitose.
La plupart des cellules animales subissent une mitose « ouverte », au cours de laquelle l'enveloppe nucléaire – la membrane à deux couches séparant le noyau du reste de la cellule – se désagrège lorsque la division cellulaire commence. Cependant, la plupart des champignons utilisent une forme différente de division cellulaire – appelée mitose « fermée » – dans laquelle l'enveloppe nucléaire reste intacte tout au long du processus de division. Cependant, on sait très peu de choses sur le pourquoi ou le comment de ces deux modes distincts de division cellulaire et sur les facteurs qui déterminent quel mode serait principalement suivi par une espèce particulière.
Collaboration et méthodologie de recherche
Cette question a attiré l'attention des scientifiques du groupe Dey de l'EMBL Heidelberg, qui ont étudié les origines évolutives du noyau et de la division cellulaire. « En étudiant la diversité des organismes et en reconstruisant la façon dont les choses ont évolué, nous pouvons commencer à nous demander s'il existe des règles universelles qui sous-tendent le fonctionnement de ces processus biologiques fondamentaux », a déclaré Gautam Dey, chef de groupe à l'EMBL Heidelberg.
En 2020, lors de la COVID 19 confinement, une voie inattendue pour répondre à cette question est née des discussions entre le groupe de Dey et l'équipe d'Omaya Dudin à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Dudin est un expert d'un groupe inhabituel de protistes marins – les Ichthyosporea. Les ichtyosporées sont étroitement liées à la fois aux champignons et aux animaux, différentes espèces étant plus proches de l'un ou l'autre groupe de l'arbre généalogique évolutif.
Les groupes Dey et Dudin, en collaboration avec le groupe de Yannick Schwab à l'EMBL Heidelberg, ont décidé de sonder les origines de la mitose ouverte et fermée en utilisant l'Ichthyosporea comme modèle. Fait intéressant, les chercheurs ont découvert que certaines espèces d’Ichthyosporea subissent une mitose fermée tandis que d’autres subissent une mitose ouverte. Par conséquent, en comparant et en opposant leur biologie, ils pourraient mieux comprendre comment les organismes s’adaptent et utilisent ces deux modes de division cellulaire.
Hiral Shah, un chercheur de l'EIPOD travaillant dans les trois groupes, a dirigé l'étude. « Après avoir reconnu très tôt que les ichtyosporées, avec leurs nombreux noyaux et leur position évolutive clé entre animal et champignon, étaient bien adaptées pour répondre à cette question, il était clair que cela nécessiterait de rassembler l'expertise biologique et technique cellulaire des laboratoires Dey, Dudin. , et les groupes Schwab, et c'est exactement ce que la bourse EIPOD m'a permis de faire », a déclaré Shah.
Après avoir étudié de près les mécanismes de division cellulaire chez deux espèces d'Ichthyospores, les chercheurs ont découvert qu'une espèce, S. arctique, favorise la mitose fermée, semblable aux champignons. S. arctique a également un cycle de vie avec un stade multinucléé, où de nombreux noyaux existent dans la même cellule – une autre caractéristique partagée par de nombreuses espèces de champignons ainsi que par les stades embryonnaires de certains animaux, comme les mouches des fruits. Une autre espèce, C. perkinsii, s'est avéré être beaucoup plus animal, s'appuyant sur une mitose ouverte. Son cycle de vie comprend principalement des étapes mononucléées, où chaque cellule possède un seul noyau.
Implications pour comprendre la division cellulaire eucaryote
« Nos résultats ont conduit à la conclusion clé selon laquelle la façon dont les cellules animales effectuent la mitose a évolué des centaines de millions d’années avant les animaux. Le travail a donc des implications directes sur notre compréhension générale de la façon dont les mécanismes de division cellulaire eucaryote évoluent et se diversifient dans le contexte de divers cycles de vie, et constitue une pièce clé du puzzle des origines animales », a déclaré Dey.
L'étude a combiné l'expertise en phylogénétique comparative, en microscopie électronique (du groupe Schwab et de l'installation centrale de microscopie électronique (EMCF) de l'EMBL Heidelberg) et en microscopie à expansion d'ultrastructure, une technique qui consiste à incorporer des échantillons biologiques dans un gel transparent et à l'étendre physiquement. De plus, Eelco Tromer, de l'Université de Groningen aux Pays-Bas, et Iva Tolic, de l'Institut Ruđer Bošković de Zagreb, en Croatie, ont apporté respectivement leur expertise en génomique comparative et en géométrie et biophysique du fuseau mitotique.
« La première fois que nous avons vu une extension S. arctique noyau, nous savions que cette technique changerait la façon dont nous étudions la biologie cellulaire des organismes non modèles », a déclaré Shah, qui a ramené la technique de microscopie à expansion à l'EMBL Heidelberg après un passage au laboratoire de Dudin. Dey est d'accord : « Une avancée majeure dans cette étude est venue de notre application de la microscopie à expansion d'ultrastructure (U-ExM) à l'analyse du cytosquelette des ichtyosporées. Sans U-ExM, l’immunofluorescence et la plupart des protocoles de marquage par colorant ne fonctionnent pas dans ce groupe peu étudié d’holozoaires marins.
Cette étude démontre également l’importance d’aller au-delà de la recherche traditionnelle sur les organismes modèles lorsqu’on tente de répondre à de vastes questions biologiques, ainsi que les perspectives potentielles que des recherches plus approfondies sur les systèmes ichtyosporiens pourraient révéler. « Le développement des ichtyospores présente une diversité remarquable », a déclaré Dudin. « D’une part, plusieurs espèces présentent des schémas de développement similaires à ceux des premiers embryons d’insectes, avec des stades multinucléés et une CELLULARISATION synchronisée. D'autre part, C. perkinsii subit une division par clivage, une rupture de symétrie et forme des colonies multicellulaires avec des types de cellules distincts, similaires à la « vision canonique » des premiers embryons animaux. Cette diversité aide non seulement à comprendre le chemin qui mène aux animaux, mais offre également une opportunité fascinante pour l’embryologie comparative en dehors des animaux, ce qui est, en soi, très passionnant.
L'interdisciplinarité inhérente au projet a non seulement servi de bon banc d'essai pour ce type de recherche collaborative, mais également pour la formation postdoctorale unique offerte à l'EMBL. « Le projet de Hiral illustre bien la vertu du programme EIPOD : un projet véritablement interdisciplinaire, associant biologie innovante et méthodes avancées, le tout contribuant à un développement personnel vraiment spectaculaire », a déclaré Schwab. « Nous (en tant que mentors) avons assisté à la naissance d’un scientifique fort, et c’est vraiment gratifiant ! »
Les groupes Dey, Dudin et Schwab collaborent également actuellement au projet PlanExM, qui fait partie de l'expédition TREC – une initiative dirigée par l'EMBL pour explorer et échantillonner la biodiversité le long des côtes européennes. PlanExM vise à appliquer la microscopie à expansion pour étudier la diversité ultrastructurale des protistes marins directement dans des échantillons environnementaux. « Le projet est né de la prise de conscience que l'U-ExM allait changer la donne pour la protistologie et la microbiologie marine », a déclaré Dey. Avec ce projet, ainsi que d'autres en cours, l'équipe de recherche espère faire davantage de lumière sur la diversité de la vie sur Terre et l'évolution des processus biologiques fondamentaux.
