Un mécanisme de sécurité maintient la symétrie du corps de la mouche des fruits sur la bonne voie

Beaucoup de choses peuvent mal se passer lorsqu’un embryon passe d’un œuf fécondé à un organisme multicellulaire complexe. Chez les mouches des fruits, par exemple, une poignée de mutations différentes peuvent transformer de manière catastrophique l’embryon en forme de tire-bouchon. Les embryons tordus meurent toujours, mais la manière exacte dont ces mutations provoquent la forme tordue du corps n'est pas claire.

Un article récent dans Current Biology a révélé que les embryons se tordent lorsqu'un système génétique qui maintient normalement une symétrie bilatérale se brise. Sans ce système, les tissus de l'embryon s'allongent plus rapidement d'un côté de son corps que de l'autre, le tordant en forme de tire-bouchon mortel. "Fondamentalement, la différence entre ce qui se passe chez les mutants tordus et les embryons normaux est la rupture de la symétrie", explique la biologiste Celia Smits, qui a dirigé les travaux en tant que doctorante à l'Université de Princeton dans le New Jersey. La découverte laisse entendre que des systèmes similaires pourraient être à l'œuvre chez d'autres animaux, dit Smits, même si elle hésite à franchir le pas vers l'homme, en partie parce que les humains ne se développent pas à l'intérieur d'une coquille d'œuf comme les mouches des fruits.

Chargé de comprendre le trait du tire-bouchon, Smits a imagé le développement de plusieurs dizaines de mouches des fruits dans leurs œufs, à la fois des mutants en tire-bouchon et des embryons normaux, sous un microscope à feuille lumineuse. Contrairement à un microscope confocal classique, le microscope à feuille de lumière peut imager « les deux côtés de l'embryon en même temps, pour voir le développement se dérouler en 3D », explique Smits. Chaque œuf était légèrement plus gros qu'une tête d'épingle, avait à peu près la forme d'un bonbon et avait été génétiquement modifié avec des molécules fluorescentes pour éclairer les 6 000 cellules sous l'objectif. Une caméra à l’intérieur du microscope a enregistré chaque embryon pendant environ une heure, pendant exactement la même phase de développement pour chacun, à savoir la gastrulation, les premiers stades de la formation intestinale. C’est alors que commence la torsion chez certains mutants.

Dans des vidéos évoquant de la matière gluante tourbillonnant à travers une lampe à lave, les enregistrements ont capturé des cellules se réorganisant dans les œufs. Chez les embryons normaux, la gastrulation commence lorsque le tissu situé à l’extrémité postérieure du corps se rétrécit puis se pousse vers l’intérieur. L’embryon s’allonge ensuite symétriquement des deux côtés de son corps pour aider à former le tube creux de l’intestin. Chez les mutants, plutôt que de s'allonger symétriquement, un côté de l'embryon s'est allongé beaucoup plus rapidement que l'autre, entraînant une perte de symétrie bilatérale et de tire-bouchon du corps.

La question suivante était de savoir ce qui s'était passé génétiquement. Quelques systèmes génétiques différents sont associés à la forme du tire-bouchon. Smits a photographié des mouches présentant des mutations dans chacun de ces systèmes génétiques et a découvert qu'au moins pendant la gastrulation, un seul système muté entraînait une torsion. Il présentait un défaut dans ce qu’on appelle le « système de structuration terminale », qui ordonne aux cellules de pénétrer dans le corps à partir de l’extrémité postérieure de l’embryon, formant ainsi l’intestin. Ces mutants étaient également dépourvus d'un gène appelé scb, a découvert Smits, qui code pour une protéine membranaire qui dépasse de la cellule. La protéine peut agir comme un échafaudage qui aide l’embryon à adhérer à la coquille de l’œuf.

Chaque fois qu'un généticien constate un défaut de symétrie, l'erreur pointe vers « un système qui aurait dû préserver la symétrie, mais qui n'a pas fonctionné parfaitement », explique l'auteur principal Stanislav Shvartsman, biologiste du développement à Princeton. Chez les embryons normaux où le système de structuration terminale fonctionne correctement, l’intestin se développe avec une symétrie bilatérale. Cela suggère que quelque chose dans cette voie génétique maintient la symétrie, alors que les mutants ne le peuvent pas.

La manière exacte dont le système de structuration terminale maintient la symétrie dans les embryons normaux est une question ouverte, mais Shvartsman et Smits ont une théorie. Il a été démontré que la protéine scb aide les cellules à adhérer à la coquille d’œuf de la mouche des fruits. Chez les embryons normaux, la protéine du scb est exprimée en forme de pointe de flèche dans le tiers arrière du corps. Ainsi, peut-être que lorsque des embryons normaux s'éloignent de la ligne médiane du développement symétrique, la protéine scb aide à guider les cellules sur la bonne voie, en saisissant la coquille de l'œuf, presque comme des pare-chocs dans une piste de bowling, explique Smits.