Décrypter la diversité des cellules souches grâce aux nouvelles techniques de séquençage


Au sein de l’Institut des cellules souches et du cerveau (SBRI) de Lyon, l’équipe d’Olivier Raineteau s’est penchée sur la régulation de la neurogenèse dans le cerveau. Grâce à une technique de séquençage en cellule unique, elle a identifié un signal qui désactive, à la naissance,  les cellules souches productrices de certains neurones.

La plupart des neurones qui constituent notre système nerveux sont générés pendant le développement de l’embryon, car après la naissance, l’activité des cellules souches à l’origine des cellules neurales s’achève. Mais pas partout.

En effet, dans certaines régions du cerveau, qu’on appelle des niches neurogéniques [1], des populations de cellules souches capables de fabriquer de nouveaux neurones persistent. Les cellules neurales produites sont d’un seul type cependant : il s’agit exclusivement de neurones inhibiteurs. Ces derniers ont un rôle de modulateur en raffinant le message nerveux. Ils constituent en quelque sorte un frein naturel aux neurones excitateurs qui, eux, stimulent l’émission de l’influx nerveux.

Alors que chez l’embryon, les cellules souches des régions dites « dorsales » produisent des neurones excitateurs tandis que celles des régions « ventrales » génèrent des neurones inhibiteurs (voir figure 1), après la naissance donc, seule la production des seconds neurones subsiste. Et on ne savait pas pourquoi, jusqu’à présent.

Caractériser le fonctionnement des cellules souches est ardu, car il existe une grande variété de types de cellules souches

L’équipe d’Olivier Raineteau, directeur de recherche à l’Institut des cellules souches et du cerveau (SBRI), a révélé récemment une partie de ce mystère : en identifiant un signal biologique particulier qui conduit à la mise en dormance des cellules souches dorsales à la naissance [2].

Comment les chercheurs ont-ils fait cette découverte ? Retour en arrière et explications … Depuis que l’on sait que la neurogénèse, c’est-à-dire la production de neurones, se poursuit à l’âge adulte, un enjeu majeur pour les scientifiques est de caractériser la nature et le fonctionnement des cellules souches du système nerveux. La tâche n’est pas simple car il existe une grande variété de types de cellules souches. Cette observation est, somme toute, peu surprenante, vu l’incroyable complexité structurelle et fonctionnelle du tissu nerveux, et le fait que chaque population de cellules souches produit un nombre restreint de sous-types de cellules neurales.

Identifier l’hétérogénéité des cellules souches est essentiel pour comprendre comment le système nerveux se développe et donne naissance, une fois à maturité, à un système complexe de neurones différents. Pour explorer cette diversité, des techniques d’analyses très précises ont été développées au cours des dix dernières années. Elles utilisent une approche appelée « séquençage d’ARN en cellules uniques » (en anglais « single cell RNA sequencing » ou scRNA-Seq) qui consiste à séquencer les molécules d’ARN contenues dans chaque cellule constitutive  du tissu biologique étudié.

Les cellules souches semblent toutes présenter la même signature transcriptionnelle

Toute cellule peut être caractérisée par son transcriptome, c’est-à-dire l’ensemble des gènes actifs et donc transcrits en ARN dans le milieu cellulaire à un moment donné. Ces transcrits codent la synthèse de protéines qui assurent l’identité et la fonction de la cellule qui les exprime : leur analyse constitue la signature transcriptionnelle de la cellule.

Les cellules souches semblent toutes présenter la même signature transcriptionnelle, au contraire des cellules qu’elles produisent et dont la signature se spécifie au cours de la maturation cellulaire [3]. Cette similitude est-elle réelle ou juste apparente ? Grâce à la technique de séquençage d’ARN en cellules uniques qui rend accessible une description fine du transcriptome des cellules souches neurales, il est possible de le savoir.

Ici rentre en jeu une observation importante : alors que la majorité des gènes communs exprimés dans les populations de cellules souches sont liés au maintien de leur état indifférencié et à leur capacité à générer de nouvelles cellules, une petite proportion de ce transcriptome diffère d’une population de cellules souches à une autre (voir figure n°2). L’approche scRNA-Seq permet d’étudier individuellement un nombre important de cellules souches neurales, d’en extraire les différences transcriptionnelles et d’observer leur effet sur le fonctionnement cellulaire.

Nous nous sommes donc intéressés au cerveau et à la principale niche neurogénique qu’il contient, à savoir la zone sous ventriculaire (SVZ), plus particulièrement à la SVZ dorsale. Cette région est particulièrement dense et active durant la vie embryonnaire. Elle reste présente pendant toute la vie de l’individu, même si sa taille et son activité sont considérablement réduite. Nous avons isolé et séquencé 25 000 cellules environ pour explorer la complexité de cette région à la naissance. L’analyse a révélé la présence de nombreuses cellules souches neurales. Ces dernières ont été regroupées en populations différentes grâce à leurs signatures transcriptionnelles dépendant de leur état d’activation, mais aussi de leur origine embryonnaire.  

Partage des données de séquençage au sein de la communauté scientifique

Les données produites dans le cadre de cette étude, mais également par toutes les études de séquençage, sont mises à la disposition de la communauté scientifique sur différentes bases de données  (NIH, GEO…) et peuvent être analysées par d’autres équipes de recherche. Permettant une mise en commun et une analyse transversale de différents datasets, multipliant ainsi notre capacité à mettre en évidence des différences transcriptionnelles toujours plus fine à travers l’organisme.

L’analyse transcriptomique a été particulièrement intéressante ! A partir de celle-ci, nous avons tout d’abord montré que les cellules souches originaires des régions embryonnaires dorsales -celles qui donnent, entre autres, naissance aux neurones excitateurs- entrent rapidement dans un état de quiescence profonde après la naissance. Autrement dit, l’activité germinale de ces cellules souches ralentit fortement, et la production et la différenciation des neurones excitateurs s’arrêtent rapidement (voir figure 3).

De plus, cette entrée en quiescence s’accompagne d’une activation de la voie de signalisation BMP (Bone morphogenetic proteins). Une voie de signalisation cellulaire consiste en un ensemble de réactions en chaîne qui transmettent un signal d’une cellule à l’autre pour déclencher une réponse spécifique : dans notre cas, ce sont des signaux qui favorisent ou non l’activité des cellules souches.

Quant aux cellules souches originaires des régions embryonnaires ventrales, celles qui produisent les neurones inhibiteurs, elles ne présentent pas d’activation de la voie BMP et restent prêtes à être activées même longtemps après la naissance.

Quelles sont les limites des analyses transcriptionnelles en cellules uniques  ?

Le séquençage en cellules uniques présente des limites dont la perte de l’information spatiale des cellules au sein du tissu. Utilisée également dans cette étude, une nouvelle technique de séquençage spatial permet de préserver cette information. Contrairement aux méthodes traditionnelles de séquençage de l’ARN, le séquençage spatial combine le séquençage à haut débit avec des méthodes de capture spatiale, ce qui permet de détecter simultanément l’expression des gènes et l’organisation spatiale du tissu. Cette seconde technique ouvre de nouvelles perspectives pour une analyse plus complète et approfondie des tissus à l’échelle cellulaire.

En quelques mots, cette étude a permis de livrer de nombreuses informations qui contribuent à une meilleure compréhension de la diversité des cellules souches neuronales et des mécanismes régulant leur activité. Elle a tout d’abord révélé l’existence de différentes populations de cellules souches dans une même niche. Elle a montré ensuite que, rapidement après la naissance, un arrêt programmé de l’activité des cellules souches dorsales se déclenche, tandis que celle des cellules souches ventrales persiste. Elle suggère enfin que la voie BMP joue un rôle majeur dans cette différence de comportement des cellules souches.

Références

1. Altman J. 1962. Are New Neurons Formed in the Brains of Adult Mammals? Science. 135(3509):1127–1128.

‌2. Marcy G, Foucault L, Elodie Babina, Capeliez T, Emeric Texeraud, Zweifel S, Heinrich C, Hernandez-Vargas H, Parras C, Jabaudon D, et al. 2023. Single-cell analysis of the postnatal dorsal V-SVZ reveals a role for Bmpr1a signaling in silencing pallial germinal activity. Science advances. 9(18).

3. Doherty JM, Geske MJ, Stappenbeck TS, Mills JC. 2008. Diverse Adult Stem Cells Share Specific Higher-Order Patterns of Gene Expression. Stem Cells. 26(8): 2124–2130.

Chercheur(s)

Olivier Raineteau

Directeur de recherche Inserm, il dirige l’équipe Développement et plasticité du système nerveux central au sein de l’Institut de recherche cellule souche et cerveau (SBRI). Il mène des recherches sur la régionalisation et la signalétique des cellules souches du cerveau.

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Olivier Raineteau

Timothy Capeliez

Doctorant dans l'équipe « Cellular programming in the brain » à l’Institut cellules souche et cerveau de Lyon (SBRI). « Mon projet de recherche vise à mieux comprendre les signaux induisant l’inactivation des cellules-souches présentes dans le système nerveux en période péri-natale, ainsi que de leur réactivation pour favoriser la formation de nouveaux neurones après la naissance. J’utilise des techniques d’électroporation pour manipuler directement les cellules-souches dans le cerveau, ainsi que des méthodes d’analyse bio-informatique de séquençage d’ARN ».

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Timothy Capeliez

Laboratoire

Institut de recherche cellule souche et cerveau (SBRI)

Le SBRI cherche à définir les caractéristiques du cortex humain, de son développement à l’organisation des réseaux neuronaux qui le composent et rendent possible les fonctions cognitives supérieures. Pour cela, il fait appel à de nombreuses disciplines : biologie cellulaire et moléculaire, neuroanatomie, neurophysiologie, psychophysique, comportement, psychologie expérimentale, neurocomputation, modélisation et robotique. Le SBRI est dirigé par Colette Dehay et Henry Kennedy.

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