Analyse à résolution de cellules uniques de l’embryon en dormance : Révélation des réponses transcriptionnelles dynamiques et activation de la voie de signalisation de survie Intégrine-YAP/TAZ

Introduction

L’état de dormance de l’embryon, connu sous le nom de diapause embryonnaire, est un mécanisme d’adaptation reproductrice unique qui permet à certains mammifères de suspendre le développement embryonnaire sans compromettre son potentiel développemental. La diapause est généralement activée au stade du blastocyste, lorsque l’embryon possède la capacité de choisir entre l’implantation ou l’entrée en dormance. Ce mécanisme est régulé par des hormones maternelles comme les œstrogènes et la progestérone, qui déterminent, en régulant l’état réceptif de l’utérus, si l’embryon s’implante dans l’utérus maternel pour continuer son développement ou entrer en dormance. Bien que la diapause embryonnaire soit un phénomène largement étudié, les mécanismes moléculaires et cellulaires sous-jacents ne sont pas totalement élucidés. Ainsi, Chen et son équipe ont défini, au niveau moléculaire, l’état dormant des embryons à travers le séquençage d’ARN à cellule unique (Single-Cell RNA Sequencing, scRNA-seq) chez les embryons de souris, révélant le paysage transcriptionnel dynamique des embryons en dormance et l’activation de la voie de signalisation Intégrine-YAP/TAZ dans le maintien du potentiel développemental des embryons en dormance.

Résumé de l’article et contexte

Cette étude a été menée par Rui Chen, Rui Fan, Fei Chen et leurs collègues de l’Institut Max Planck pour la biomédecine moléculaire, et a été publiée dans la revue « Cell Stem Cell » le 5 septembre 2024. La recherche se concentre principalement sur l’utilisation d’un modèle murin pour explorer les mécanismes moléculaires des embryons en diapause via le séquençage d’ARN à cellule unique. Grâce à cette étude, les auteurs ont non seulement révélé la dynamique transcriptionnelle des cellules embryonnaires durant la diapause, mais ont également identifié le rôle crucial de la voie de signalisation Intégrine-YAP/TAZ dans le maintien de la capacité développementale des embryons en dormance. Cette découverte offre des perspectives importantes pour comprendre les mécanismes biologiques de la diapause embryonnaire et pour développer des techniques liées à la conservation et à la transplantation d’embryons.

Processus de recherche et conception expérimentale

a) Processus expérimental et méthodes

L’étude est divisée en trois étapes : entrée en diapause, maintien de la diapause, et sortie de diapause. Les auteurs ont collecté des échantillons embryonnaires de souris aux jours 4,5 (e4,5), 7,5 (edg7,5), 9,5 (edg9,5) et 5,5 (e5,5) de développement embryonnaire pour effectuer le séquençage d’ARN à cellule unique afin de capter les changements transcriptionnels dynamiques associés à l’état de diapause. Pour garantir la complétude des données, l’étude comprend à la fois des embryons en diapause et des échantillons d’embryons sortant de diapause induite par des œstrogènes, et s’appuie sur des souris rapporteurs de signal Wnt pour valider l’activité des signaux durant la diapause.

b) Exploration du paysage transcriptionnel cellulaire et des signaux YAP/TAZ

En état de diapause, les auteurs ont constaté que les tissus extraembryonnaires et embryonnaires conservaient leur identité cellulaire, montrant une réponse dynamique précise de transcription à la période de diapause. Notamment, l’activation des récepteurs d’Intégrine en synergie avec la voie de signalisation YAP/TAZ soutient la vitalité des cellules souches embryonnaires. Les chercheurs ont construit un réseau d’analyse intégrée pour analyser plusieurs motifs d’expression génétique et ont utilisé l’immunohistochimie pour confirmer visuellement la distribution des protéines associées dans les embryons en diapause.

Dans les études portant sur le trophoblaste (trophectoderm, TE) et la masse cellulaire interne (inner cell mass, ICM), les auteurs ont observé que la formation de polarité dans le TE ne présentait pas de différenciation notable dans l’état de diapause, et l’ICM démontrait un phénomène d’agrégation unique. Intégrine β1, en tant que récepteur signal principal, assiste dans le maintien de la polarité et la vitalité cellulaire de l’ICM ; le signal Intégrine-YAP joue un rôle clé dans la formation de polarité de l’ICM. En l’absence d’Intégrine β1, l’accumulation de protéines YAP dans le noyau cellulaire diminue significativement, et le taux de mortalité cellulaire dans l’ICM augmente exponentiellement, indiquant le rôle critique du signal Intégrine-YAP dans le maintien de la diapause.

Résultats de la recherche

Dynamique transcriptionnelle révélée par les données transcriptomiques à cellule unique

Grâce à l’analyse à cellule unique, la recherche a révélé le paysage transcriptomique entier des cellules de blastocyste en diapause. Durant la diapause, la différenciation des tissus embryonnaires est inhibée, et toutes les cellules sont maintenues dans un état spécifique non différencié, tandis que dès la fin de la diapause et l’entrée dans la phase d’implantation, les cellules commencent à se différencier progressivement vers des lignées cellulaires spécialisées. Ce processus est régulé par des changements dynamiques dans plusieurs voies de signalisation, y compris les signaux Wnt, FGF4 et YAP/TAZ.

Signalisation Intégrine-YAP/TAZ pour maintenir la vitalité de l’embryon

La recherche a découvert que le signal Intégrine-YAP/TAZ maintient la vitalité de l’ICM et prévient la mort cellulaire pendant la diapause. Intégrine β1 est le récepteur clé pour l’interaction entre l’embryon et la matrice extracellulaire, et l’accumulation nucléaire de la protéine YAP dépend principalement de la transmission du signal Intégrine. À travers des expériences de knock-out des cellules souches embryonnaires (ESC) utilisant une ingénierie génétique, les chercheurs ont établi que les deux facteurs de transcription, YAP et TAZ, suppriment ensemble l’apoptose et augmentent significativement la capacité de survie des embryons en état de diapause. Ce mécanisme non seulement maintient la vitalité des cellules souches embryonnaires, mais améliore également la capacité des embryons à s’adapter à l’état de diapause.

Conclusions et significations de la recherche

Cette recherche a fourni une analyse approfondie des réponses transcriptionnelles dynamiques des embryons en état de diapause, révélant le rôle crucial de la voie de signalisation Intégrine-YAP/TAZ dans le maintien de la vitalité des cellules souches embryonnaires. Cette étude offre non seulement de nouvelles perspectives pour comprendre les mécanismes biologiques derrière la diapause embryonnaire, mais elle met aussi en évidence le rôle essentiel de la voie de signalisation YAP/TAZ dans la survie cellulaire et leur réactivation, ayant ainsi des implications scientifiques et applicatives significatives. Les résultats de l’étude sur la diapause peuvent fournir de nouvelles stratégies dans le domaine de la biomédecine pour maintenir ou réguler l’état des embryons in vivo et in vitro, servant ainsi de référence pour la transplantation d’embryons et la procréation assistée artificielle.

Points saillants de la recherche

1. Première révélation de la carte dynamique transcriptionnelle de la diapause embryonnaire au niveau de la cellule unique : Les auteurs ont utilisé le séquençage d’ARN à cellule unique pour capturer les changements dans l’activité transcriptionnelle des embryons en diapause durant tout le processus de développement, démontrant en détail les caractéristiques moléculaires de l’état de diapause.

2. Révélation pionnière de la fonction de survie de la voie de signalisation Intégrine-YAP/TAZ : L’étude montre qu’au cours de la diapause, l’activation par le récepteur Intégrine du signal YAP/TAZ maintient la vitalité des cellules de l’ICM, ce qui offre une compréhension renouvelée des mécanismes de régulation de la diapause embryonnaire.

3. Ouverture de nouvelles possibilités pour l’optimisation des conditions de culture des cellules souches embryonnaires par l’état de diapause : Cette recherche suggère qu’en régulant la voie de signalisation Intégrine-YAP/TAZ, l’état non différencié des cellules souches embryonnaires peut être mieux maintenu in vitro, ce qui pourrait conduire à une amélioration de l’efficacité des cultures de cellules souches embryonnaires.

4. Démonstration de la similarité entre la diapause embryonnaire et la dormance des cellules cancéreuses : La fonction de la voie de signalisation YAP/TAZ dans la diapause embryonnaire présente certaines similitudes avec son rôle dans la dormance tumorale, offrant un nouveau point de vue pour explorer les mécanismes biologiques de la dormance tumorale à l’avenir.

5. Plan de recherche expérimental clair et analyse détaillée du réseau de co-expression génétique : L’étude se distingue non seulement par une analyse bioinformatique approfondie, mais également par la validation expérimentale de la distribution et du rôle des protéines clés dans les embryons en diapause, posant ainsi les bases des futures recherches sur la diapause.

Limites de la recherche

Bien que cette étude ait révélé la dynamique transcriptionnelle des embryons en diapause, la régulation précise de l’expression des gènes pertinents nécessite des études supplémentaires. De plus, recueillir un nombre suffisant d’embryons, notamment ceux génétiquement modifiés, dans des conditions physiologiques réelles pose un défi important. Les recherches futures devront élucider davantage le mécanisme de régulation de l’expression d’Oct4 pendant la diapause et l’impact global d’autres voies de signalisation sur l’état de diapause.

Cette étude offre des perspectives précieuses sur les mécanismes moléculaires de la diapause embryonnaire. Les travaux futurs pourraient révéler encore davantage de mécanismes de régulation non identifiés de la diapause embryonnaire et explorer leurs applications potentielles dans le domaine de la médecine régénérative et de la biotechnologie.