Lecture commentée de l’article n° 26 · Takahashi et Yamanaka, 2006 · Cell 126(4) : 663-676 · DOI 10.1016/j.cell.2006.07.024
Une question que j’avais déjà avant de lire l’article.
Avez-vous déjà réfléchi à la question suivante : pourquoi une cicatrice apparaît-elle après la guérison d’une plaie, au lieu d’une peau neuve ?
Une peau blessée, le corps ne peut que la réparer partiellement, et non pas régénérer un tissu identique. Une fois qu’une cellule souche s’est différenciée en cellule cutanée, elle le restera pour toujours et ne pourra plus revenir à son état précédent. La différenciation cellulaire est comme une route à sens unique : on ne peut que progresser, pas faire demi-tour.
C’était la compréhension la plus profondément enracinée que j’avais du destin des cellules avant de lire cet article.
En 2006, une équipe de l’Université de Kyoto au Japon a publié un article de 14 pages dans la revue Cell, qui prouvait une chose :le destin des cellules n’est pas une voie à sens unique. Les cellules de la peau ordinaires n’ont besoin que de quatre gènes pour revenir à l’état embryonnaire.
Cette année marque le 20e anniversaire de la publication de cet article. Six ans plus tard, il a reçu le prix Nobel.
Aujourd’hui, je vais analyser cet article pour voir ce qu’il a fait, comment il l’a fait et ce que cela signifie pour vous.
Pourquoi l’ancienne voie ne fonctionne-t-elle plus ?
Avant 2006, les scientifiques savaient déjà qu’il existait une « cellule mère » capable de se transformer en n’importe quelle cellule du corps humain : la cellule souche embryonnaire. Cette cellule possède deux propriétés remarquables : elle peut se multiplier indéfiniment tout en conservant sa capacité à se transformer en n’importe quelle cellule.
Le problème est que pour prélever ces cellules souches, il faut détruire l’embryon. Cela soulève des questions d’éthique et les sources sont très limitées. Si le patient a besoin de ses propres cellules pour se soigner, il doit également faire face au problème du rejet : si des cellules étrangères pénètrent dans votre corps, le système immunitaire les attaquera.
Sans utiliser d’embryon, est-il possible de créer des cellules souches à partir des cellules ordinaires du patient ?
Ce problème a tourmenté l’ensemble du domaine pendant de nombreuses années. Les preuves existantes pointent vers deux voies : l’une consiste à introduire le noyau d’une cellule adulte dans un ovule (clonage), l’autre consiste à fusionner des cellules adultes et des cellules souches embryonnaires. Les deux voies prouvent une chose - il existe un mécanisme dans les cellules qui peut être « réinitialisé ». Mais personne ne sait quels facteurs précis déclenchent cette réinitialisation.
C’est ici que réside l’approche de cet article.
Ce n’est pas une addition, c’est une soustraction.
L’idée des chercheurs est très simple.
Puisque certains gènes sont particulièrement actifs dans les cellules souches embryonnaires et maintiennent les caractéristiques des cellules mères, on peut se demander si l’introduction de ces gènes dans des cellules ordinaires pourrait les faire redevenir des cellules mères ?
Ils ont d’abord sélectionné 24 gènes candidats. Ces 24 gènes sont soit fortement exprimés dans les cellules souches embryonnaires, soit considérés par des études existantes comme étant liés aux propriétés des cellules souches.
Puis ils ont fait quelque chose que je trouve très beau :pas une addition, mais une soustraction.
Tout d’abord, introduisez les 24 gènes dans les fibroblastes embryonnaires de souris ordinaires (que vous pouvez considérer comme des cellules structurelles de la peau) pour voir s’ils peuvent se transformer en cellules souches. Résultat : c’est possible. 22 clones ont survécu, dont certains ressemblent exactement aux cellules souches embryonnaires - rondes, avec un grand noyau et très peu de cytoplasme.
Ensuite, supprimez les gènes un par un, et observez lequel d’entre eux permet aux cellules de survivre.
C’est comme une équipe de 24 personnes, où chacun part à son tour, et on regarde qui fait s’effondrer le projet après son départ - cette personne est la clé.
La beauté de cette expérience réside dans le fait qu’elle ne demande pas « qu’est-ce qui peut être ajouté », mais « qui peut être enlevé ».
Après plusieurs éliminations successives, la réponse est apparue :il ne faut que quatre facteurs - Oct3/4, Sox2, Klf4 et c-Myc.
Même avec seulement trois d’entre eux, les cellules peuvent survivre, mais elles ne se développent pas comme les cellules mères et ne peuvent pas se transformer en d’autres cellules. Il ne peut pas en manquer un seul. Vous n’avez besoin de mémoriser ces quatre noms qu’une seule fois, et par la suite, je les appellerai simplement « les quatre commutateurs ».
Voici mon interprétation : ces quatre gènes n’ont pas été choisis au hasard. Oct3/4 et Sox2 sont des facteurs de transcription essentiels pour maintenir l’état « pluripotent » des cellules souches embryonnaires, ce qui était déjà connu avant 2006. Ce qui est surprenant, c’est que deux « assistants », Klf4 et c-Myc, qui étaient auparavant des gènes associés aux tumeurs, soient impliqués dans la reprogrammation cellulaire. Qu’un gène cancérogène participe à la reprogrammation cellulaire était inattendu à l’époque.
Preuves tangibles : les cellules rétrogradées peuvent vraiment se transformer en n’importe quelle cellule.
Il ne suffit pas de simplement dire « ressembler ». Comment prouver que ces cellules régressées ont effectivement retrouvé la capacité de se transformer en toutes les cellules du corps ?
Les chercheurs ont mené une expérience très simple : ils ont injecté ces cellules sous la peau de souris.
En conséquence, une tumeur particulière s’est développée : un tératome.
Imaginez ceci : des tissus nerveux, du cartilage et des muscles se développent à partir d’une masse de chair – des tissus qui n’ont aucun lien entre eux – à partir d’un tube de cellules cutanées. En les découpant, on peut voir que l’éctoderme (nerfs), le mésoderme (cartilage et muscles) et l’endoderme (épithélium cylindrique) sont tous présents.
Ce type de tumeur n’est pas l’objectif de la recherche, mais un moyen de validation. Il prouve une chose : les cellules ramenées à un stade antérieur ont effectivement retrouvé la capacité de se transformer en n’importe quelle autre cellule.
Ce qui est encore plus intéressant, c’est qu’ils n’utilisent pas seulement des cellules embryonnaires.
Les chercheurs ont prélevé des cellules souches pluripotentes induites (iPS) dans la peau du bout de la queue de souris adultes. Pas d’embryons, pas de jeunes souris, mais des souris entièrement adultes âgées de 7 et 12 semaines. Après l’ajout des quatre mêmes commutateurs, ces cellules adultes ont également réussi à revenir en arrière. Une fois injectées dans l’embryon de souris, ces cellules ont participé au développement embryonnaire normal et se sont différenciées en tissus de tous les germes embryonnaires.
Les cellules des adultes peuvent aussi être remontées dans le temps.C’est l’une des découvertes les plus choquantes de cet article.
L’article rapporte également les résultats d’une expérience de chimère : dans un embryon E7.5, 3 sur 22 ont détecté la contribution de cellules iPS marquées par la protéine fluorescente verte. Dans un autre embryon E13.5, 2 sur 18 ont confirmé la participation de cellules iPS. Ces chiffres semblent faibles, mais ils sont très significatifs - ils prouvent que les cellules réintroduites ne survivent pas seulement dans une boîte de Pétri, mais qu’elles peuvent participer à un véritable processus de développement.
Cependant, après la naissance des chimères, aucun des 27 jeunes n’a été identifié comme une souris chimère. L’explication donnée dans l’article est très honnête : le silençage d’Oct3/4 dans les cellules iPS n’était pas complet, ce qui pourrait expliquer l’absence de chimères vivantes. Cette honnêteté était rare dans la recherche à l’époque.
Un aveu honnête : c’est similaire, mais pas tout à fait la même chose.
La partie que je vais aborder ensuite est, selon moi, la plus respectable de cet article.
Les chercheurs n’ont pas affirmé que les cellules rétrogradées étaient « identiques » aux véritables cellules souches embryonnaires. Ils ont effectué une comparaison du profil d’expression du génome entier (analyse par puce ADN) et les résultats sont les suivants :
Ils sont similaires, mais pas tout à fait identiques.
Plus précisément, certains gènes sont très actifs dans les cellules souches embryonnaires, mais le sont moins dans les cellules reprogrammées. L’étude a classé ces gènes en trois groupes : le premier groupe comprend les gènes qui sont fortement exprimés dans les deux types de cellules (tels que Myb, Kit, Gdf3 et Zic3), le deuxième groupe comprend les gènes qui sont fortement exprimés dans les cellules souches embryonnaires et les cellules iPS de haute qualité, mais qui le sont moins dans les cellules iPS de faible qualité (y compris Nanog, Sox2, etc.), et le troisième groupe comprend les gènes qui ne sont fortement exprimés que dans les cellules souches embryonnaires (y compris Dnmt3a, Dnmt3b, etc.).
Cette distinction est importante. Elle nous indique que la reprogrammation n’est pas un simple « retour aux réglages d’usine en un clic », mais un processus incomplet et hiérarchique. Certains interrupteurs génétiques ont été réinitialisés avec succès, d’autres non.
Un autre problème est celui des vecteurs viraux. Le rétrovirus utilisé pour transporter ces quatre commutateurs laisse environ 20 copies dans le génome de la cellule (l’analyse Southern Blot de l’article montre qu’il y a environ 20 sites d’intégration par clone). Cela signifie que l’ADN de la cellule est « occupé » par des fragments de gènes étrangers. C’est acceptable pour la recherche, mais c’est un risque potentiel pour les applications cliniques.
Il y a également un détail qui peut être facilement négligé : ces cellules iPS ne peuvent pas rester à l’état indifférencié sans cellules de couche nourricière, même en présence de LIF. Cela signifie qu’elles sont plus dépendantes de l’environnement de culture que les cellules souches embryonnaires. L’article mentionne également cela comme une différence entre les cellules iPS et les cellules souches embryonnaires.
Ces détails déterminent les limites de cette technologie : ce qui a déjà été mis en œuvre et ce qui présente encore des risques potentiels.
Le risque de cancer : un obstacle inévitable
Parmi ces quatre commutateurs, il y en a un qui s’appelle c-Myc. C’est en soi un gène cancérogène - dans un corps normal, le rôle de c-Myc est de stimuler la croissance et la division des cellules. Si elles se développent trop vite, cela peut entraîner un cancer.
L’article indique clairement : « L’utilisation de c-Myc pourrait ne pas être appropriée pour des applications cliniques ».
Cet avertissement n’est pas sans fondement. L’étude elle-même a rapporté que certaines souris injectées avec des cellules iPS ont développé des tumeurs. Dans l’expérience sur les tératomes, cinq clones iPS-MEF10, trois clones iPS-MEF4, un clone iPS-MEF4wt et six clones iPS-MEF3 ont été injectés dans des souris nues – parmi lesquelles tous les tumeurs développées par les clones iPS-MEF3 étaient composées de cellules non différenciées, sans aucun signe de différenciation.
L’analyse du mécanisme cancérogène dans l’article est également intéressante. La protéine c-Myc se combine au complexe d’histone acétyltransférase (HAT), qui comprend TRRAP, CBP et p300. Dans le génome des mammifères, il peut y avoir jusqu’à 25 000 sites de liaison pour c-Myc, ce qui est bien plus que le nombre de sites de liaison pour Oct3/4 et Sox2. c-Myc pourrait permettre à Oct3/4 et Sox2 de se lier à leurs cibles spécifiques par une acétylation globale des histones. C’est une hypothèse de mécanisme très ingénieuse, mais cela signifie également que l’influence de c-Myc est trop étendue - il ne se contente pas d’activer les interrupteurs dont vous avez besoin, il déclenche tout.
L’article aborde également un intéressant équilibre : le Klf4 inhibe directement le p53 (un facteur de suppression des tumeurs), tandis que le c-Myc inhibe le p21 (un facteur de suppression du cycle cellulaire). Ces deux facteurs pourraient établir un certain équilibre réciproque au cours du processus de reprogrammation, mais si cet équilibre est rompu dans le corps, cela pourrait entraîner des tumeurs.
Les équipes de recherche ultérieures ont remplacé c-Myc ou ont utilisé des méthodes plus sûres pour transmettre les gènes (comme le virus Sendai ou les plasmides au lieu des rétrovirus). Mais ces améliorations ont été apportées par des équipes ultérieures, et non par celles de l’article – il ne faut pas attribuer ces résultats ultérieurs à l’article original.
Voici l’ensemble de cet article : il y a des avancées et des risques. Les deux sont décrits dans le même article.
Du manuscrit au prix Nobel : que signifient six années ?
Cet article a été publié en 2006 et a reçu le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 2012.
Six ans.
Dans le monde académique, cette vitesse équivaut presque à ce que tout le monde comprenne immédiatement son importance. Le prix Nobel attend généralement deux ou trois décennies pour que l’impact d’une découverte soit pleinement validé. Le fait que le prix ait été décerné après seulement six ans montre que les juges estiment que la signification de cette découverte ne nécessite plus d’attente.
Aujourd’hui, les scientifiques utilisent ces cellules rétrogrades pour de nombreuses choses. Ils les utilisent pour établir un modèle de la maladie de Parkinson afin de tester des médicaments, et pour cultiver des cellules rétiniennes afin de traiter la dégénérescence maculaire. Le Japon a déjà lancé des essais cliniques pour traiter les maladies oculaires avec ces cellules. Plusieurs essais sont également en cours dans le monde entier.
Faites attention à ma formulation : c’est en cours. Je ne dirai pas que cela peut guérir une maladie ou lutter contre le vieillissement. Tout cela est encore en phase d’expérimentation et aucune conclusion ne peut être tirée pour le moment.
Le “stylo à cellules souches” que vous avez peut-être déjà vu.
À ce sujet, vous avez peut-être déjà entendu parler des « injections de cellules souches anti-âge » sur le marché. Ces injections coûtent souvent des dizaines de milliers de yuans par injection et prétendent pouvoir rajeunir et inverser le processus de vieillissement.
Il faut faire une distinction ici.
La base scientifique est solide. Cet article en est la preuve, et plusieurs essais cliniques sont en cours. De 2006 à présent, ce domaine s’est développé très rapidement, avec de nouveaux essais cliniques lancés les uns après les autres.
Cependant, certains produits sur le marché prétendent que la « technologie encore en phase de recherche » est présentée comme une « solution anti-âge déjà éprouvée ». Ce sont deux choses différentes. Le fait qu’une recherche soit prometteuse ne signifie pas qu’elle a déjà fait ses preuves.
Je ne peux pas donner de conseils médicaux sur une marque ou un traitement quelconque. Ce que vous devez faire, c’est distinguer ce qui relève de la science solide et ce qui est du marketing emballé.
Quelques points à retenir
Après avoir lu cet article, il y a quelques points que je voudrais particulièrement mentionner.
Premièrement, l’efficacité de la reprogrammation est extrêmement faible.Les auteurs admettent eux-mêmes que seule une très petite partie des cellules exprimant les quatre facteurs se sont transformées en cellules iPS. Ils proposent plusieurs explications possibles : le niveau d’expression des quatre facteurs doit être précisément compris dans une certaine plage (l’article cite une donnée selon laquelle une augmentation ou une diminution de 50 % du niveau de protéine Oct3/4 entraînerait la différenciation des cellules souches embryonnaires) ; il pourrait être nécessaire d’autres modifications chromosomiques ; il est également possible que l’insertion aléatoire d’un rétrovirus ait activé la bonne combinaison de gènes dans certains clones. À ce jour, le problème de l’efficacité reste un défi majeur dans ce domaine.
Deuxièmement, la question de la source des cellules iPS n’est pas tranchée.L’article discute d’une possibilité : les cellules iPS pourraient ne pas être directement reprogrammées à partir des fibroblastes, mais plutôt à partir d’une petite quantité de cellules souches tissulaires déjà présentes dans la culture (on estime que 0,067 % des cellules de la peau sont des cellules souches). Cependant, ils ont avancé des arguments contraires : l’efficacité de l’induction des iPS à partir de la matrice osseuse (qui devrait contenir plus de cellules souches mésenchymales) est également très faible, et les cellules induites par trois facteurs n’ont aucune pluripotence. Ces preuves ne soutiennent pas l’hypothèse que « les cellules souches tissulaires sont la source des iPS », mais elles n’apportent pas non plus de réponse définitive.
Troisièmement, il existe de subtiles contraintes mutuelles entre les quatre facteurs.c-Myc favorise la prolifération, Klf4 inhibe p53 mais active également p21 (un facteur d’inhibition du cycle cellulaire), tandis que c-Myc inhibe p21. L’article suggère que « l’équilibre entre c-Myc et Klf4 pourrait être important pour la génération de cellules iPS » - ces quatre commutateurs ne fonctionnent pas indépendamment les uns des autres, il existe des interactions complexes entre eux. Cette compréhension a été très utile pour améliorer les méthodes de reprogrammation ultérieures.
**Quatrièmement, l’article mentionne enfin une direction **:ils ont découvert qu’il était possible d’utiliser le système de rapport du gène Nanog pour remplacer Fbx15 lors du criblage. Cela signifie qu’ils avaient déjà une idée pour améliorer la méthode de criblage - en utilisant des critères de criblage plus stricts, ils pourraient obtenir des cellules iPS de meilleure qualité. Les recherches ultérieures se sont effectivement orientées dans cette direction.
N’oubliez que trois choses
Vous vous souvenez de la question du début ? Pourquoi une plaie ne peut-elle former qu’une cicatrice et non une peau intacte ?
Parce que la différenciation cellulaire est une voie à sens unique - du moins, c’est ce que nous pensions avant 2006.
Cet article de 14 pages prouve quequatre commutateurs suffisent pour ramener les cellules cutanées ordinaires à leur état initial.Ce n’est pas une métaphore, c’est un fait expérimental.
Tout d’abord, le destin des cellules n’est pas linéaire. Quatre commutateurs génétiques suffisent pour que les cellules matures reviennent à l’état embryonnaire.
Deuxièmement, ce n’est pas de la science-fiction. Des essais cliniques basés sur les cellules iPS sont en cours et, bien qu’ils ne soient pas encore des thérapies matures, la direction est claire.
En troisième lieu, toutes les “cellules souches” ne sont pas identiques. Il existe une nette différence entre les affirmations commerciales et les faits scientifiques.
Nous sommes le genre de personnes qui lisent les articles jusqu’au bout. Si vous voulez également savoir comment ces quatre interrupteurs se sont retrouvés à l’hôpital, abonnez-vous et restez branchés pour la prochaine vidéo.
- Références * *
Takahashi, K. et Yamanaka, S. (2006). Induction de cellules souches pluripotentes à partir de cultures de fibroblastes embryonnaires et adultes de souris par des facteurs définis. Cell, 126(4), 663-676. DOI : 10.1016/j.cell.2006.07.024
