Une étude révèle comment les ovules deviennent si gros

Les ovules sont de loin les plus grosses cellules produites par la plupart des organismes. Chez l’homme, ils sont plusieurs fois plus gros qu’une cellule corporelle typique et environ 10 000 fois plus gros que les spermatozoïdes.

Il y a une raison pour laquelle les ovules, ou ovocytes, sont si gros: ils doivent accumuler suffisamment de nutriments pour soutenir un embryon en croissance après la fécondation, ainsi que des mitochondries pour alimenter toute cette croissance. Cependant, les biologistes ne comprennent pas encore le tableau complet de la façon dont les ovules deviennent si gros.

Une nouvelle étude sur les mouches des fruits, réalisée par une équipe de biologistes et de mathématiciens du MIT, révèle que le processus par lequel l’ovocyte se développe de manière significative et rapide avant la fécondation repose sur des phénomènes physiques analogues à l’échange de gaz entre des ballons de différentes tailles. Plus précisément, les chercheurs ont montré que les «cellules infirmières» entourant l’ovocyte beaucoup plus gros déversent leur contenu dans la plus grande cellule, tout comme l’air circule d’un ballon plus petit vers un plus grand lorsqu’ils sont connectés par de petits tubes dans une configuration expérimentale.

«L’étude montre comment la physique et la biologie se rejoignent et comment la nature peut utiliser des processus physiques pour créer ce mécanisme robuste», explique Jörn Dunkel, professeur agrégé de mathématiques physiques appliquées au MIT. « Si vous voulez vous développer en tant qu’embryon, l’un des objectifs est de rendre les choses très reproductibles, et la physique fournit un moyen très robuste de réaliser certains processus de transport. »

Dunkel et Adam Martin, professeur agrégé de biologie du MIT, sont les principaux auteurs de l’article, qui paraît cette semaine dans les actes de la National Academy of Sciences. Les auteurs principaux de l’étude sont Jasmin Imran Alsous et l’étudiant diplômé Nicolas Romeo. Jonathan Jackson, étudiant diplômé de l’Université Harvard, et Frank Mason, professeur assistant de recherche à l’École de médecine de l’Université Vanderbilt, sont également auteurs de l’article.

Un processus physique

Chez les mouches des fruits femelles, les œufs se développent dans des grappes de cellules appelées kystes. Un ovocyte immature subit quatre cycles de division cellulaire pour produire un ovule et 15 cellules nourricières. Cependant, la séparation des cellules est incomplète et chaque cellule reste connectée aux autres par des canaux étroits qui agissent comme des vannes qui permettent au matériau de passer entre les cellules.

Les membres du laboratoire de Martin ont commencé à étudier ce processus en raison de leur intérêt de longue date pour la myosine, une classe de protéines qui peuvent agir comme des moteurs et aider les cellules musculaires à se contracter. Imran Alsous a réalisé une imagerie en direct à haute résolution de la formation des œufs chez les mouches des fruits et a constaté que la myosine joue effectivement un rôle, mais seulement dans la deuxième phase du processus de transport. Au cours de la phase la plus précoce, les chercheurs ont été intrigués de voir que les cellules ne semblaient pas du tout augmenter leur contractilité, suggérant qu’un mécanisme autre que la « compression » initia le transport.

«Les deux phases sont d’une évidence frappante», déclare Martin. « Après avoir vu cela, nous avons été mystifiés, car il n’y a vraiment pas de changement dans la myosine associé au début de ce processus, ce que nous nous attendions à voir. »

Martin et son laboratoire se sont ensuite associés à Dunkel, qui étudie la physique des surfaces molles et de la matière qui coule. Dunkel et Romeo se sont demandé si les cellules se comportaient peut-être de la même manière que les ballons de tailles différentes lorsqu’ils sont connectés. Bien que l’on puisse s’attendre à ce que le plus gros ballon fuit de l’air vers le plus petit jusqu’à ce qu’ils aient la même taille, ce qui se passe en fait, c’est que l’air circule du plus petit au plus grand.

Cela se produit parce que le ballon plus petit, qui a une plus grande courbure, subit plus de tension superficielle, et donc une pression plus élevée, que le ballon plus grand. L’air est donc expulsé du plus petit ballon vers le plus grand. «C’est contre-intuitif, mais c’est un processus très robuste», dit Dunkel.

En adaptant des équations mathématiques déjà dérivées pour expliquer cet «effet à deux ballons», les chercheurs ont proposé un modèle qui décrit comment le contenu des cellules est transféré des 15 petites cellules infirmières au grand ovocyte, en fonction de leurs tailles et de leurs connexions. les uns aux autres. Les cellules nourricières de la couche la plus proche de l’ovocyte transfèrent d’abord leur contenu, suivies des cellules des couches plus éloignées.

«Après avoir passé un certain temps à construire un modèle plus compliqué pour expliquer le problème à 16 cellules, nous avons réalisé que la simulation du système plus simple à 16 ballons ressemblait beaucoup au réseau à 16 cellules. des idées mathématiquement simples décrivent si bien le processus », dit Romeo.

La première phase de vidage des cellules infirmières semble coïncider avec le moment où les canaux reliant les cellules deviennent suffisamment grands pour que le cytoplasme puisse les traverser. Une fois que les cellules infirmières se réduisent à environ 25% de leur taille d’origine, ne les laissant que légèrement plus grandes que leurs noyaux, la deuxième phase du processus est déclenchée et les contractions de myosine forcent le contenu restant des cellules nourricières dans l’ovule.

« Dans la première partie du processus, il y a très peu de compression en cours et les cellules se rétrécissent simplement de manière uniforme. Ensuite, ce deuxième processus commence vers la fin où vous commencez à obtenir une compression plus active, ou des déformations de type péristaltisme de la cellule, qui complètent le processus de dumping », dit Martin.

Coopération cellulaire

Les résultats démontrent comment les cellules peuvent coordonner leur comportement, en utilisant à la fois des mécanismes biologiques et physiques, pour provoquer un comportement au niveau des tissus, dit Imran Alsous.

«Ici, vous avez plusieurs cellules infirmières dont le travail est de nourrir le futur ovule, et pour ce faire, ces cellules semblent transporter leur contenu de manière coordonnée et directionnelle vers l’ovocyte», dit-elle.

Le développement des ovocytes et des embryons précoces chez les mouches des fruits et autres invertébrés présente certaines similitudes avec ceux des mammifères, mais on ne sait pas si le même mécanisme de croissance des ovules pourrait être observé chez les humains ou d’autres mammifères, disent les chercheurs.

«Il y a des preuves chez la souris que l’ovocyte se développe comme un kyste avec d’autres cellules interconnectées, et qu’il y a un certain transport entre elles, mais nous ne savons pas si les mécanismes que nous voyons ici fonctionnent chez les mammifères», dit Martin.

Les chercheurs étudient actuellement ce qui déclenche le démarrage de la deuxième phase, alimentée par la myosine, du processus d’immersion. Ils étudient également comment les modifications apportées aux tailles originales des cellules nourricières pourraient affecter la formation des œufs.

La recherche a été financée par le National Institute of General Medical Sciences, un Complex Systems Scholar Award de la James S. McDonnell Foundation et le Robert E. Collins Distinguished Scholarship Fund.