Comment le cerveau atteint il sa taille optimale ? Et pourquoi les yeux des souris sont ils plus petits que ceux des humains ? Une équipe de recherche de l’Institut de recherches cliniques de Montréal (IRCM) a identifié un mécanisme biologique étonnamment simple qui apporte un éclairage nouveau sur ces questions et révèle comment le système nerveux humain a évolué pour atteindre des dimensions adaptées à ses fonctions.
Dans cette étude, l’équipe a découvert que l’orientation de la division des cellules souches neurales agit comme un véritable « interrupteur » cellulaire, déterminant le nombre final de cellules produites dans le cerveau et la rétine. En modifiant cette orientation, l’équipe a réussi à générer des tissus cérébraux et rétiniens jusqu’à 30 % plus grands, comprenant même des couches supplémentaires de cellules.
Un simple mécanisme cellulaire aux conséquences majeures
Au cours du développement, les cellules souches neurales se multiplient pour produire, entre autres, des neurones, en se divisant selon une orientation très précise dans le tissu en croissance. Chez la souris, ces divisions s’effectuent généralement dans un axe horizontal, un processus étroitement régulé qui limite l’expansion des tissus et contribue à fixer leur taille finale.
L’équipe de l’IRCM, dirigée par le Dr Michel Cayouette, a découvert que l’élimination de deux protéines, nommées GPSM2 et SAPCD2, entraîne plutôt des divisions dans l’axe vertical de ces cellules. Cette réorientation a des effets spectaculaires.
Dans le cerveau, les divisions verticales génèrent un grand nombre de cellules amplificatrices qui continuent à se multiplier. Ces cellules ressemblent fortement à des glies radiaires externes, un type cellulaire rare chez la souris, mais abondant chez l’humain, et considéré comme déterminant dans l’expansion du cortex cérébral humain.
Dans la rétine, le même phénomène déclenche l’apparition d’une nouvelle population de cellules progénitrices, normalement absentes chez la souris. Ces cellules se comportent comme les cellules amplificatrices observées dans le cerveau en développement, ce qui expliquerait l’expansion majeure du tissu rétinien.
De manière frappante, les chercheurs et chercheuses ont constaté que la rétine humaine et celle du macaque présentent naturellement davantage de divisions verticales des cellules souches, ainsi qu’un plus grand nombre de cellules favorisant la croissance. Ils suggèrent ainsi que cet « interrupteur » cellulaire est un mécanisme conservé qui, d’une espèce à l’autre, soutient l’expansion du système nerveux.
« Changer l’angle de division d’une cellule souche peut sembler un détail mineur, explique le Dr Cayouette, mais il s’agit en réalité d’un point de contrôle majeur qui détermine combien de cellules seront produites dans le système nerveux, et ultimement, quelle taille celui ci atteindra. »
Un lien direct entre division cellulaire et voie maîtresse de croissance
L’équipe a rattaché les effets de cet interrupteur de division à la voie de signalisation Hippo, un réseau moléculaire bien connu pour réguler la taille des organes dans l’ensemble du corps.
Lorsque les cellules souches se divisent verticalement, les composantes clés de la voie Hippo sont réparties de façon inégale entre les deux cellules filles. Ce déséquilibre pousse l’une d’elles à poursuivre sa division, alimentant ainsi la croissance du tissu.
« Cela établit un lien moléculaire direct entre la géométrie de la division cellulaire et le contrôle global de la taille des organes, » ajoute le Dr Benoit Boulan, stagiaire postdoctoral dans le laboratoire du Dr Cayouette et premier auteur de l’étude.
Des implications pour le développement humain et les maladies
Au delà de ses implications évolutives, cette découverte fournit un puissant cadre d’étude pour les troubles du développement humain caractérisés par une taille ou une structure cérébrale anormale, comme la microcéphalie ou certaines malformations corticales.
En manipulant expérimentalement l’orientation des divisions cellulaires, il devient désormais possible pour les scientifiques de mieux comprendre comment de subtiles altérations moléculaires, survenant tôt dans le développement, peuvent mener à des effets profonds et durables sur le cerveau et l’œil.
L'équipe tient à remercier Anna La Torre (UC Davis) et Alain Chédotal, ainsi que les Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC).
