Cet article de blog explore comment les cellules au stade embryonnaire précoce choisissent des destins différents en fonction des interactions entre des facteurs clés comme OCT4 et CDX2, ainsi que des différences dans la distribution des substances déterminant la bipolarité.
Les innombrables cellules de notre corps proviennent du zygote, une cellule unique issue de la fécondation d'un spermatozoïde et d'un ovule, par divisions cellulaires répétées. Chez les mammifères, au cours du stade précoce de blastocyste formé par la division des cellules du zygote, les cellules du trophoectoderme — qui formeront plus tard le placenta — se séparent de la masse cellulaire interne (MCI) qu'elles entourent. Cette MCI possède la pluripotence, c'est-à-dire la capacité de se différencier en tous les types cellulaires du fœtus. Mais comment se forme cette masse cellulaire interne ?
Le zygote subit environ trois divisions cellulaires pour atteindre le stade à 8 cellules, composé de huit cellules sphériques. Il subit ensuite un processus de compaction, accompagné de modifications morphologiques, pour devenir une morula à 8 cellules. À l'étape suivante, la blastula à 8 cellules se transforme en blastocyste à 16 cellules par division mitotique et division différentielle. La division mitotique désigne la division où les deux cellules résultantes sont identiques, tandis que la division différentielle désigne la division où les deux cellules résultantes deviennent différentes. Certaines cellules du blastocyste à 8 cellules forment la couche externe du blastocyste à 16 cellules par division de conservation. Les cellules restantes subissent une division de différenciation, se divisant en une cellule pour la couche externe et une cellule pour la couche interne, remplissant ainsi l'intérieur. Le blastocyste à 16 cellules acquiert donc d'abord une forme caractérisée par des cellules de la couche externe et des cellules internes.
Parallèlement, ce schéma de double division cellulaire se répète au sein du blastocyste à 16 cellules, aboutissant à la formation d'un blastocyste à 32 cellules. À ce stade, les cellules de la couche externe se différencient en cellules du trophoectoderme qui formeront ultérieurement le blastocyste précoce, tandis que les cellules internes se différencient en cellules constituant la masse cellulaire interne. La question fondamentale est de savoir comment les cellules se différencient en différents types cellulaires aux stades de blastocyste à 16 et 32 cellules.
Deux hypothèses principales ont été proposées. La première, dite « hypothèse interne-externe », explique qu'une cellule se différencie de différentes manières selon le degré de contact avec les cellules voisines et son exposition à l'environnement extérieur. Autrement dit, les cellules situées au cœur du blastocyste ont un contact plus important avec les cellules voisines que les cellules de surface et ne sont pas directement exposées à l'environnement extérieur. Cette différence serait à l'origine de la différenciation des cellules profondes et des cellules de surface en types cellulaires distincts.
Cependant, la découverte d'une distribution asymétrique de certaines substances au sein des cellules lors de la compaction au stade blastocyste à 8 cellules a conduit à la proposition d'une nouvelle « hypothèse bipolaire ». Les substances initialement réparties uniformément dans les cellules se redistribuent vers les régions externes ou internes après la compaction. Par conséquent, chaque cellule du blastocyste à 8 cellules acquiert une structure bipolaire. Ces substances sont appelées « substances de détermination bipolaire », et le principe fondamental de l'hypothèse bipolaire est que les cellules se différencient en types distincts en fonction de la distribution de ces substances. Selon cette hypothèse, lors de la division mitotique des cellules du blastocyste à 8 cellules, les cellules superficielles conservent la distribution des substances polarisantes qu'elles possédaient avant la division. En revanche, les cellules internes nouvellement formées sont dépourvues des substances polarisantes initialement concentrées à l'extérieur. Cette différence entre cellules superficielles et internes est interprétée comme la cause de leur différenciation en types cellulaires distincts.
Les scientifiques se sont intéressés à OCT4, impliqué dans le maintien de la pluripotence, et à CDX2, impliqué dans la formation de la crête neurale, lors de la différenciation des cellules externes et internes du blastocyste. Au stade 8 cellules, OCT4 est réparti uniformément dans toutes les cellules, contrairement à CDX2. Ceci s'explique par la présence d'une partie du matériel cristallin bipolaire uniquement dans les régions externes des cellules, concentrant ainsi CDX2 vers la périphérie. Par la suite, au stade 16 cellules, OCT4 disparaît progressivement des cellules externes, tandis que le CDX2 résiduel dans les cellules internes s'évapore peu à peu. Ce phénomène est dû à l'inhibition de l'expression d'OCT4 par CDX2 dans les cellules externes, et inversement, à l'inhibition de l'expression de CDX2 par OCT4 dans les cellules internes.
Parallèlement, la voie de signalisation Hippo, qui inhibe l'action des substances favorisant l'expression de CDX2, a également été étudiée comme un phénomène crucial lié à ce processus. Selon ce mécanisme, la signalisation Hippo, présente dans toutes les cellules de l'embryon au stade 16 cellules, s'active lorsque la surface de contact avec les cellules environnantes augmente, réduisant ainsi les niveaux de CDX2. Ces résultats démontrent que l'interaction entre CDX2 et OCT4 est un facteur clé déterminant le destin divergent des deux types cellulaires issus de la différenciation et de la division. Des études récentes ont révélé que ce mécanisme complexe est également intrinsèquement lié aux différences de forces mécaniques intracellulaires, à la régulation épigénétique et à la signalisation par phosphorylation des protéines. Ceci confirme que le processus de détermination du destin cellulaire au cours du développement embryonnaire précoce résulte d'interactions extrêmement sophistiquées.
