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Cellules souches : Yamanaka futur prix Nobel ?

De grandes avancées sont faites dans le domaine des cellules souches en ce moment. L’occasion de revenir sur les travaux récents de l’acteur majeur du domaine, Shinya Yamanaka.

[J’ai écrit un petit préambule/complément scientifique utile, disponible sur la page suivante]


yamanaka.pngIl y a huit ans, Shinya Yamanaka, médecin travaillant sur les cellules souches, rend visite à un de ses amis à une clinique de fertilité. Son collègue l’invite à regarder des embryons sur le point d’être implantés. Yamanaka a alors un choc :

“When I saw the embryo, I suddenly realized there was such a small difference between it and my daughters. I thought, we can’t keep destroying embryos for our research. There must be another way.”

« Lorsque j’ai vu cet embryon, j’ai soudain réalisé qu’il y avait si peu de différence entre lui et mes filles. Je me suis dit qu’on ne pouvait pas continuer à détruire des embryons pour nos recherches. Il devait y avoir un autre moyen. »

Yamanaka décide alors de se lancer dans un projet fou. Après tout, n’importe quelle cellule différenciée contient une copie du génome. Il doit bien y avoir un moyen de faire remonter le temps à ces cellules différenciées, de les faire revenir à un stade antérieur, le stade cellule souche. Et si l’on parvient à fabriquer des cellules souches à partir de cellules adultes, plus besoin de sacrifier des embryons.
Comme la plupart des cellules, les cellules souches expriment des gènes particuliers et spécifiques. L’idée de Yamanaka est de chercher parmi ces gènes des gènes maîtres qui contrôlent le destin cellulaire. Si on exprime artificiellement ces gènes maîtres dans une cellule adulte, l’espoir est qu’ils « reprogramment » la cellule et lui ordonnent de redevenir une cellule souche.

Yamanaka a l’air un peu tête brûlée, et a les moyens de prendre des risques :

“I like the freedom of research. Plus, if I fail in science, I know I can always survive because I have an M.D. This has been my insurance policy.”

« J’aime la liberté de la recherche. Et puis, si j’échouais dans la science, je pouvais toujours survivre avec mon doctorat de médecine. Ma police d’assurance. »

Il se lance alors dans un projet énorme, qualifié ainsi lors d’un séminaire récent par George Daley, autre star du domaine (je cite de mémoire):

« Je ne pense pas qu’une agence de recherche à l’américaine, type NIH, aurait accepté de financer un projet aussi risqué et aussi audacieux. »

Yamanaka sélectionne 24 gènes connus pour être exprimés dans les cellules souches chez la souris. Il pense que parmi ces 24 gènes se trouvent les gènes maîtres des cellules souches, ceux qui contrôlent le destin cellulaire. Il prend alors des copies de ses 24 gènes, les intègre dans le génome de cellules de souris adultes avec un retrovirus pour les surexprimer. Bingo : après quelques jours, plusieurs cellules reviennent alors à l’état de cellules souches. Comme il l’explique lui-même :

“Choosing those initial 24 genes was almost like buying a ticket at the lottery. I was just lucky. I bought the right lottery ticket.”

« Choisir ses 24 gènes, c’était comme acheter un billet de lotterie. J’ai juste eu de la chance; j’ai acheté le bon billet. »

Commence alors un travail de fourmi pour identifier la combinaison minimale de gènes. Il retire un à un les gènes de la combinaison, et finit avec seulement 4 gènes, appelés Oct3/4, Sox2, Klf4 et c-Myc. Les cellules adultes dans lesquelles ces gènes sont intégrés retournent à l’état de cellule-souche, et Yamanaka montre qu’elles sont également capables de se redifférencier en n’importe quel type cellulaire; elles sont donc bien pluripotentes. Yamanaka les baptise cellules souches pluripotentes induites ( « induced pluripotent stem cells » -iPS).

naturechimera.jpgAprès cette avancée publiée dans Cell en 2006, les choses s’accélèrent. En 2007, trois équipes (dont celle de Yamanaka) améliorent la technique et touchent au Saint Graal du domaine : réinjecter les cellules souches iPS dans un embryon de souris pour induire leur différentiation in vivo et ainsi générer des organes fonctionnels. Les souris obtenues sont alors des chimères génétiques : leurs cellules dérivent à la fois de cellules souches de l’ embryon « matrice » et à la fois de cellules souches iPS. L’équipe de Yamanaka a en particulier réussi à obtenir des contributions des cellules souches artificielles à la lignée des cellules sexuelles : les cellules iPS se différencient en gamètes, si bien que les souris de la deuxième génération héritent du génome des cellules souches reprogrammées (voir figure ci-contre). Seul problème : ces souris, filles des cellules iPS, développent rapidement des cancers.

Restait à appliquer ces techniques à l’homme. C’est chose faite depuis la fin de l’année dernière – et les medias s’en sont largement fait écho : trois équipes concurrentes (dont toujours Yamanaka) ont utilisé la même technique pour injecter les quatre gènes dans des cellules adultes humaines, induisant leur transformation en cellules iPS, pluripotentes.

Bilan provisoire :

  • La preuve de faisabilité date du papier de 2006 de Yamanaka : on peut transformer des cellules adultes en cellules souches
  • Ces cellules souches peuvent effectivement contribuer à la formation de tous les organes des souris chimères (papiers de mi-2007)
  • La même technique peut-être appliquée aux cellules humaines (papiers de fin 2007, largement repris par les medias)

Le seul problème est que ces cellules souches ont un génome modifié et peuvent potentiellement provoquer des cancers.

Mais les travaux sur le sujet continuent bien évidemment : en Février 2008, Yamanaka a montré que si les cellules iPS sont dérivées de cellules adultes hépatiques par exemple, l’occurence des cancers était réduite. La prochaine étape est d’arriver à fabriquer des cellules iPS sans l’étape d’intégration des 4 gènes par retrovirus qui modifie le génome de ces cellules et est vraisemblablement la cause des cancers.

Ajoutons pour conclure que le domaine semble très empirique et consiste essentiellement pour l’instant en la mise au point de protocoles. Il faudra sans doute détailler davantage le système d’un point de vue théorique pour mieux le contrôler.

Quelques liens et références :

Takahashi, K. & Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126, 663–676 (2006) – Le papier original dans lequel les quatre gènes « magiques » ont été trouvés

Rossant J, Stem cells: The magic brew. Nature 448, 260-262 (19 July 2007) – un commentaire décrivant les expériences de création de souris chimères à partir de cellules iPS

Takahashi et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors.Cell. 2007 Nov 30;131(5):861-72. – l’application de la technique des 4 gènes à des cellules humaines

Marc Lewitzky and Shinya Yamanaka. Reprogramming somatic cells towards pluripotency
by defined factors. Current Opinion in Biotechnology 2007, 18:467–473 – une revue décrivant tous ces résultats.

Le portrait de Yamanaka dans le New York Times

About the author

Tom Roud

Nanoblogger scientifique, associate professor incognito (ou presque). Suivi par @mixlamalice

17 Comments

  • Merci pour ce résumé sur ces avancées rapides. Ya des frenchies sur la brèche ?
    Question subidiaire, sinon: qd tu inseres tes cellules souches iPS « dans un embryon de souris pour induire leur différentiation in vivo et ainsi générer des organes fonctionnels », les souris chimères obtenues n’ont-elles pas un petit pb immunitaire (elles ont alors deux « soi », non ?)

    et tant que j’y suis, quelles sont les applications pour l’homme ? on ne va pas faire des individus chimères, si ? d’après ce que je comprends, un étape importante serait alors d’arriver à induire la différenciation des cell. iPS en organe (foie, poumon, ..) « hors » organisme – on pourrait alors imaginer, pour qqn qui a un foie malade, lui prendre une cellule, la « dédifférencier », puis en refaire un foie, qu’on lui réimplanterait – sans ca, je vois pas trop?

  • Salut,
    4* pour le billet et j’espère que Yamanaka le décrochera son prix Nobel 😉

    ICE, l’application la plus probable à court terme est le traitement des leucémies, à la place des allo-greffes de moelle osseuse (qui donne des individus chimères, comme toutes les greffes, n’est-ce pas ?). Les autres applications qui font déjà rêver sont les patch de tissus cardiaque et les os.
    Le foie n’est pas un très bon candidat, il se régénère relativement bien et je ne pense pas qu’il y ait beaucoup de monde (il y en a quelques uns quand même) qui chercherait à développer des organes in vitro pour l’instant.

    Le spectre des applications est extrêmement large, voir : stemcellresearch.org et comme la Big Pharma voit des ¥€$ partout… ESC les rencontres ressemblent pas mal à des rencontres d’industriels.

  • mouais

    tout ça serait super s’il n’y avait pas le problème de la « niche »
    tapez « stemm cell niche » sur google wikipedia ou autre, et vous avez vite compris : le comportement réel des cellules dépend en fait de l’environnement local, que les spécialistes des cellules souches regroupent sous le terme vague et arbitraire de niche; en gros, la morphogenèse d’un organe c’est un système dynamique, et les biologistes redécouvrent ce faisant la notion de conditions aux limites, de contraintes locales etc. (l »anatomie »), on peut changer la différentiation en changeant les paramètres locaux, et le destin des cellules n’est pas si déterminé que ce qu’on croit.
    Par ailleurs, on ne peut pas faire in vitro un organe de plus de 3mm d’épaisseur, sans vaisseaux ad hoc (nécrose)

    mais va pour le prix nobel quand même, pour ne pas faire rabbat-joie

    vf

  • @ ICE : des frenchies, j’en connais mais aux US 😉
    Pour la réponse immunitaire, je me suis posé la même question. J’ai ma petite idée sur la réponse mais je préfère me renseigner avant de te répondre.

    Pour les applications : je suis complètement d’accord que le comportement dépend probablement des signaux locaux, tout ce qu’on fait pour l’instant c’est injecter des cellules souches dans des embryons très précoces, et roulez jeunesse. Cela dit, je rejoins oldcola : pour des organes n’ayant pas trop de structure (type moelle osseuse) les applications potentielles sont énormes.
    Maintenant, dans quelle mesure des cellules souches sont capables d’être dirigées ou de s’autoorganiser dans un organisme, mystère. Quand on injecte des cellules souches dans des souris, on obtient des structures typiques appelées teratomes qui sont en fait analogues à des tumeurs.

    Ce qui fait l’intérêt de ces travaux à mon avis c’est d’identifier les acteurs de la détermination génétique des destins cellulaires (le papier de Cell 2006 est à mon avis le plus important de la série). Cela suscite plein de recherches fondamentales actuellement sur les déterminants génétiques dans la formation des organes. Tous ces gènes impliqués dans le développement ont des rôles dans la maintenance et la cicatrisation des tissus (par exemple, ce n’est pas directement relié, mais on a découvert récemment qu’un microARN dans le coeur empêche la cicatrisation après un infarctus, et qu’en le tuant, les gens pourraient récupérer un coeur fonctionnel à 100% après une attaque cardiaque).

  • la morphogenèse d’un organe typique c’est un cross talk mécano-chimique entre un épithélium et un mésenchyme (fibroblastes en général); en canardant un animal (en plus malade…) avec des cellules souches y’a quasiment aucune chance qu’elles se mettent dans le bon ordre in situ. In vivo, si on part de très peu de cellules bien positionnées, on peut reformer des embryons d’organe corrects (type rein poumon, voir le programme kidstemm) mais va se poser le problème du raccordement à la tuyauterie. Dès quelques jours de développement, le mésenchyme produit les haemangioblastes qui sont censés former la vasculature. S’il n’y a pas de circulation, pas de vasculature (ah oui, j’oubliais : c’est la circulation qui façonne les tuyaux), l’organe meurt. Pour le rendre focntionnel, il faut le regreffer d’urgence sur une circulation soit extra corporelle, soit in vivo. Or y’a pas de tuyau à ce stade, pour faire le branchement : les capillaires font 8 microns, je crois. Bref, on va y rarriver, mais ça va être de la micro chirurgie. l’autre souci c’estd e greffer un embryon d’iorgane, même sain, de quelqus millimètres, si faut attendre deux mois pour que ce soit fonctionnel, ça laisse présager des ratés, et une grosse perte de temps. j’ose pas vous dire qu’un de mes ex-étudiants est dans les cellules souches.

    Autre problème : tous les individus possèdent pleins de cellules souches un peu partout, mais quand vous avez 60 ans, vos cellules souches aussi ont 60 ans. Les gens ne perçoivent pas qu’une cellule souche, c’est pas une cellule « jeune », c’est une cellule « souche », si vous avez des vieilles cellules souches, ça marche moins bien.
    C’est passionnant, comme le reste, mais faut y croire.

  • Alors là ! je suis scotché !
    VF a parfaitement raison d’évoquer le problème de la « niche » qui induit la différentiation des cellules souche en fonction de paramètres locaux, paramètres qui sont reproductibles in vitro bien entendu si on connaît les molécules qui constitue les gradients morphogéniques in vivo.
    Ainsi, l’équipe de M Asashima publiait en 2001 l’induction de plusieurs types de tissus de xenope in vitro, en traitant par des concentrations différentes d’un seul facteur de croissance, l’activine, dont un pronéphros qui se montrait fonctionnel lors de la transplantation chez l’embryon, tout en rapportant des difficultés concernant le tissus cardiaque.
    Deux ans plus tard, en 2003, les problèmes concernant l’induction du tissus cardiaque étant en grande partie résolus, son équipe rapportait l’induction in vitro de tissus qui transplantés au stade neurula traversent l’étape de métamorphose et persistent chez l’adulte donnant naissance à un coeur ectopique, lié au système circulatoire de l’hôte.
    Ca ne va pas dans le sens de VF quand il parle de cross-talk mécano-chimique de cellules bien positionnées…

    A la remarque de Tom, sur les tératomes, j’ajouterais que si les cellules ont été traitées avant injection pour induire une voie de différentiation particulière (qui ne sont donc plus pluripotentes), les résultats ne sont pas des tératomes (voir papiers liés).

    Et les cellules souches ont la capacité de trouver leur niche de façon particulièrement précise, n’en déplaise à certains; c’est le cas des cellules souches hématopoïétiques par exemple. Les niches sont suffisamment bien définies sur le plan moléculaire pour que les cellules, elles, ne se trompent pas 🙂 Et on en est aux essais cliniques même pour des maladies non hématologiques.

    La possibilité de cultiver les organes ne doit pas se limiter à la boîte de Petri, qui est excellente pour les bactéries mais qui semble être la limite de l’imagination de certains. D’autres systèmes existent (pour le domaine de la recherche) et d’autres seront développés; j’en connais qui espèrent obtenir des reins cultivés chez le cochon, pharmacologiquement immuno-déprimé, pour les greffer par la suite. Ce qui éliminerait les problèmes que VF évoque justement, liés à l’alimentation de l’organe en formation.

    ICE,
    si les chimères sont formées avant la mise en place du système immunitaire les deux ensembles antigéniques sont reconnus comme du « soi » par la suite. Il y a un cas gag qui fait des exercices de génétique à s’arracher les cheveux, rapporté il y a quelques années, d’une femme-chimère.
    Et les jumeaux hétérozygotes chimériques (compartiment sanguin) sont relativement fréquents.

  • « de tissus qui transplantés au stade neurula traversent l’étape de métamorphose et « persistent chez l’adulte donnant naissance à un coeur ectopique, lié au système circulatoire de l’hôte.
    Ca ne va pas dans le sens de VF quand il parle de cross-talk mécano-chimique de cellules bien positionnées »

    Ah là, là, je crois rêver.

    y’a rien de plus trivial que de faire un coeur ectopique, Oldcola, pitié.
    Suffit de greffer un territoire présomptif de coeur n’importe où et ça fait un coeur ectopique. … Au stade embryonnaire évidemment : faut le plexus capillaire pour que le processus de pruning puisse avoir lieu, et ça métamorphose progressivement les capillaires en artères et veines, sous l’effet de l’écoulement. Archi connu, faut pas induire les jeunes en erreur, arrêtez. L’auto formation du coeur ectopique est complètement mécanique, et la formation des vaisseaux de raccordement aussi. Vous êtes pas à jour.

    Le problème chez un adulte c’est de reformer un plexus capillaire permettant un raccordement spontané de l’organe greffé. C’est pas facile du tout.

    Tout à fait d’accord pour les cellules hématopoiétiques. Bien connu : c’est à peu près le sseules pour lesquelles ça a des chances de marcher.

  • @ vf et oldcola : je vous propose d’en rester là dans la discussion à propos de la formation des organes afin de ne pas décourager d’éventuels commentateurs qui souhaiteraient revenir au sujet de départ (les cellules souches)

  • Ton blog, tes règles Tom; dommage ça commençait à devenir intéressant. Et je ne pensais pas être hors sujet en plus.

    Et comme tes règles ne me conviennent pas je vais « aller voir ailleurs si l’herbe est plus verte ». Te laisse couver VF 😉

  • oui, oui, bien sûr. derrière la querelle de chiffoniers, il faut retenir ça : -attention à l’hyperanalyse de la biblio, qui est déjà un filtre déformant de la réalité (ça survent les données, en général, on s’est tous déjà faits avoir avec tellement de promesses); -dans le cas particulier des cellules souches, à part le coeur, qui par essence fait ses vaisseaux tous seuls, rebrancher un organe de novo c’est pas gagné.

  • @ oldclola : ce n’est pas que je juge le dialogue inintéressant (bien au contraire), c’est que je crains que les gens soient un peu effrayés par la tournure du fil (je voudrais éviter ce qui s’est passé sous ce billet). C’est peut-être une mauvaise idée qui va couper court à toute conversation, mais bon, disons que c’est un essai.
    Dans tous les cas, merci pour ta contribution au débat, et merci à VF et à ICE aussi.

    Je t’invite à rebondir sur ton blog et à venir poster le lien ici !

  • Ah bah apparemment ça a coupé court à toute conversation 🙂 !

    Si je puis donner mon avis « d’honnête homme », c’est sûr que je ne capte pas 10% des échanges ci-dessus, mais je trouve intéressants les 10% que je crois capter. Et si un point particulier m’interpelle, ça me gênera moins de m’afficher comme béotien et de poser ma question, présumée « bête », dans une conversation en cours, plutôt que de surgir tout seul et de sentir ma question (que je craindrai stupide) résonner dans un fil vide …

    Bref un blog « café » me semble plus attractif qu’un blog « musée » !

    Félicitations en tous cas pour tous vos posts de vulgarisation et ce travail de communication !

  • @ Yogi : Merci de votre réaction.
    Force est de constater que cette petite expérience de recadrage du fil a tourné court. Dont acte, je m’abstiendrai dorénavant. Mes excuses à vf et Oldcola pour avoir refroidi leurs ardeurs, en espérant qu’ils ne m’en voudront pas trop et reviendront commenter d’autrs billets.

  • […] La technique de Yamanaka pour reprogrammer des cellules adultes en cellules souches nécessite l’introduction de gènes extérieurs dans les cellules. Ce qui pose plusieurs problèmes pour d’éventuelles thérapies : notamment des risques de cancer. De nombreuses équipes travaillent actuellement pour reprogrammer les cellules en se passant de ces approches transgéniques. Leurs efforts aboutiront en 2011. […]

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