Nematostella, se sustenter pour tentaculer

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Mots clés : Billets de Blog, Bionum, MEG

Ce papier-mâché a été écrit par des étudiantes de Master 1 du Magistère Européen de Génétique de l’Université Paris-Cité, dans le cadre d’une collaboration pédagogique pour l’UE Communication scientifique. La publication scientifique choisie provient de l’équipe d’accueil de stage de Licence 3 d’une des 3 autrices.

Écriture : Anna Cloarec, Aurélie Claquin, Irié Carel
Relecture scientifique : Équipe pédagogique : Sandra Claret, Sandrine Caburet, Pierre Kerner et Patrick Laurenti
Relecture de forme : Mélanie Laborde et Pierre Marrec

Temps de lecture : environ 12 minutes.
Thématiques : Biologie du développement (Biologie)
Publication originale : Ikmi A., et al., Feeding-dependent tentacle development in the sea anemone Nematostella vectensis. Nature communications, 2020. DOI : 10.1038/s41467-020-18133-0

→ Des notions POUR APPROFONDIR à la fin de l’article.

Crédit : avec l’aimable autorisation de Anniek Stokkermans/EMBL, Ikmi Group.

Stella, jeune anémone de mer, se prélasse dans l’eau. Un beau jour, au gré des marées, un splendide festin de minuscules crustacés s’offre à elle. Avec ses quatre bras tentaculaires, elle mange par petites bouchées sans s’arrêter. À la suite de cette copieuse collation, elle se regarde dans la glace et quelle surprise ! Ce ne sont pas des bourrelets qu’elle voit poindre, mais 2, puis 4, puis 12 bourgeons de tentacules. Mais comment cela est-il possible ? N’attendez plus, c’est au menu d’un article scientifique publié par l’équipe d’Aissam Ikmi en 2020.

Menu découverte : Stella, l’anémone de mer Nematostella vectensis

L’anémone Nematostella vectensis, surnommée Stella, est un cnidaire comme ses cousines lointaines les méduses. Le terme cnidaire a été construit à partir du grec knidê, qui signifie « ortie ». En effet, les cnidaires sont urticants car leurs tentacules sont garnis de petits harpons venimeux. Les tentacules, qui permettent à Stella de chasser ou de se défendre, entourent un orifice unique. L’autre extrémité du corps des cnidaires étant close, cet orifice fait office à la fois de bouche et d’anus (Figure 1).

Dans un cadre se trouvent 2 dessins représentant Stella sous des angles différents. À gauche, on a un portrait de profil : Stella est représentée sous la forme d’un tube allongé, ouvert à l’extrémité de la bouche-anus en haut et fermé de l’autre en bas. En haut, 4 tentacules sont rattachés au niveau de la bouche-anus. À droite, on a un portrait vu du dessus de sa bouche-anus : on voit un rond avec un trou au centre, et 4 tentacules autour.
Figure 1. Portrait de la jeune Stella. On observe ici Stella vue de profil (à gauche) et vue du dessus (à droite). Les quatre premiers tentacules s’organisent autour de la bouche-anus. Crédits : dessins par Aurélie Claquin ; cadre : Ukko.de, domaine public.

Entrée : tagliatelles de tentacules

Stella peut survivre très longtemps en absence de nourriture (au moins plusieurs mois). Dans ces conditions, bien qu’elle ne puisse pas effectuer son cycle de vie complet et se reproduire, elle grandit jusqu’à développer ses quatre premiers tentacules. Les réserves nutritives de l’œuf lui fournissent en effet l’énergie nécessaire au développement de ces tentacules. En l’absence de nourriture, elle garde son petit corps plus économe en énergie. Mais dès qu’elle devient autonome pour se nourrir, elle peut manger, grandir et développer de nouveaux tentacules. C’est cette transition cruciale qui intéresse l’équipe d’Aissam Ikmi du Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire (EMBL), qui s’est demandé comment la consommation de nourriture intervient dans le développement de ces tentacules supplémentaires.

En étudiant un millier de congénères de Stella, l’équipe a décrit le déroulé du développement des tentacules. En l’absence de nourriture dans le milieu maritime, le développement s’arrête effectivement à quatre tentacules. Cependant, lorsqu’elle a la possibilité de se nourrir (Figure 2), toute la fratrie développe progressivement, de manière ordonnée dans le temps et dans l’espace, seize tentacules voire parfois plus, et ce proportionnellement à la durée de l’apport alimentaire [voir Pour approfondir].

Vidéo en temps réel. Une anémone à 16 tentacules est placée dans une boîte de culture. La vidéo filme d'au-dessus. La personne qui s’en occupe la nourrit avec des petits morceaux de moules à l’aide d’une pince. Lorsque les tentacules captent la présence de nourriture, ils l’accrochent et se contractent et l'amènent ainsi jusqu’à la bouche-anus.
Figure 2. Nutrition de Nematostella au laboratoire à l’aide de fragments de moules. Stella dans son eau de mer après 2 mois de dégustation excessive de crustacés et une bonne prise de masse. Crédit : Irié Carel.

Plat principal : farandole de cellules

La petite anémone étant bien nourrie, logée, blanchie dans l’aquarium du laboratoire, l’équipe d’Aissam Ikmi s’est intéressé à la multiplication des cellules de Stella, mécanisme essentiel pour le développement d’un organisme complexe. 

Pour cela, les chercheur·ses ont tenté de suivre la multiplication cellulaire au niveau des zones de formation des tentacules en utilisant la microscopie confocale. Il s’agit d’un type de microscopie permettant la détection et la distinction de molécules fluorescentes sur une couche mince de tissu, permettant de déterminer si deux protéines se trouvent au même endroit. Pour cela, toutes les cellules du tissu sont d’abord mises en évidence grâce au marquage de leur noyau. Il suffit de colorer l’ADN contenu dans chacun d’eux en bleu. Ensuite, pour distinguer spécifiquement les cellules qui prolifèrent, l’équipe a utilisé des bases nucléiques (= composants de l’ADN) modifiées. Dans ce cas précis, c’est l’EdU, une molécule ressemblant à la base thymine (T) qui est incorporée dans la double hélice de l’ADN des cellules. Cette incorporation a lieu lors de la réplication, c’est-à-dire au moment de la copie de l’ensemble du matériel génétique qui se déroule avant la division cellulaire. Si la cellule ne se divise pas, l’EdU ne peut pas s’incorporer dans l’ADN. En revanche, si la fréquence de division cellulaire est élevée, alors beaucoup de cellules nouvellement formées incorporent de l’EdU. Par la suite, une molécule fluorescente qui a comme propriété de se fixer spécifiquement à l’EdU est ajoutée dans l’environnement de Stella. Les cellules qui se sont divisées deviennent alors visibles en microscopie confocale (Figure 3) [1]. 

Sont représentées trois cellules avec chacune un noyau sous la forme d'un grand rond blanc délimité par un cercle bleu (la cellule) avec en son centre un rond bleu clair (le noyau). À gauche, une cellule et en dessous un morceau d'ADN sous la forme de la double-hélice (un peu comme une échelle torsadée). Cet ADN est du même bleu que la cellule. Cette partie gauche est légendée "ADN avant réplication". Au milieu une flèche noire qui part de la cellule de gauche et va vers la droite en se divisant en 2 branches, ce qui montre la réplication de la cellule. Au bout, à droite, 2 cellules. Ces 2 cellules ont le trait extérieur bleu, par contre le noyau est vert. En dessous, un morceau d'ADN. Il est bleu avec des petites étoiles vertes éparpillées. C'est légendé "ADN après réplication".
Figure 3. Schéma de cellules avant et après réplication de l’ADN marqué à l’EdU et division de la cellule initiale. En présence d’EdU dans le milieu : 1) avant la réplication, l’EdU n’est pas incorporé dans la double hélice d’ADN du noyau (représenté en bleu). La molécule fluorescente ne peut donc pas se fixer. 2) Après réplication et division, la cellule s’est dédoublée. L’EdU s’est incorporé dans l’ADN nouvellement synthétisé. La molécule fluorescente peut donc venir se fixer sur l’EdU (en vert) et les cellules s’étant multipliées peuvent être mises en évidence grâce à l’utilisation d’un microscope confocal. Crédits : Aurélie Claquin & Anna Cloarec.

Les images obtenues grâce à cette technique (Figure 4) permettent de distinguer l’apparition de nouvelles cellules lorsque Stella est nourrie et ce, de manière plus importante au niveau de petites zones autour de la bouche-anus : ce sont les bourgeons des tentacules. Dans le contexte de la croissance des tentacules, la prolifération cellulaire y est donc très active.

4 photographies obtenues en microscopie à fluorescence d’anémones de mer marquées avec de la fluorescence. Elles sont représentées dans 2 états différents : non-nourr ie (colonne de gauche) et nourrie (colonne de droite), ainsi que sous 2 angles différents : de dessus (ligne du haut) et de côté (ligne du bas). L’anémone non nourrie présente des points verts (EdU) présents de manière ponctuelle dans tout le corps, avec une légère accentuation au niveau de la bouche-anus et des extrémités des tentacules. De l’autre côté, l’anémone nourrie présente ces points verts témoignant de la multiplication cellulaire mais de manière intensifiée et plus prononcée dans 2 régions bien définies : 2 régions autour de la bouche-anus, sur le côté externe du corps, formant 2 bosses que nous appelons bourgeons.
Figure 4. Des multiplications cellulaires précèdent l’émergence des tentacules au niveau des bourgeons. Sur les images d’anémones non nourries (à gauche) observées en microscopie, peu de cellules prolifèrent (peu de points verts) alors qu’en présence de nourriture (à droite), plus d’EdU s’incorpore dans l’ADN (davantage de points verts), ce qui témoigne de la multiplication cellulaire. Certaines zones, pointées par des flèches blanches, présentent une incorporation d’EdU plus forte que dans les autres régions (concentration de points verts). La réplication cellulaire est donc plus intense à ces endroits. Barre d’échelle : 100 µm soit approximativement le diamètre d’un cheveu. DNA = ADN. Crédit : adaptée de la publication originale/CC BY 4.0.

Dessert : pièce montée moléculaire

L’équipe d’Aissam Ikmi est maintenant à la recherche des acteurs moléculaires qui initieraient la formation de bourgeons de tentacules, et a en ligne de mire une protéine très particulière : la protéine TOR. 

Chez les mammifères, la protéine TOR joue deux rôles complémentaires : un rôle de capteur de l’apport alimentaire et un autre d’inducteur de la croissance des tissus [2]. L’équipe a donc cherché à vérifier si TOR était présente et exerçait cette même fonction dans le développement des tentacules chez Stella. À la surprise des scientifiques et bien que très éloignée des mammifères d’un point de vue de parenté, Stella produit bien la protéine TOR. Mais ce n’est pas tout ! L’activation de cette dernière est accrue au niveau des bourgeons quand Stella est nourrie (Figure 5). 

2 photos de microscopie en fluorescence qui représentent 2 anémones présentées vues du dessus dans 2 conditions différentes : à l’état non-nourrie et à l’état nourrie. Les points blancs indiquent que la localisation de l’ADN est similaire sur les 2 images. En condition non nourrie, les points rouges sont répartis dans les cellules au contact de l’environnement de Stella et ce de manière relativement homogène. En condition nourrie, les points rouges sont toujours présent dans les cellules au contact de l’environnement mais aussi davantage au niveau des bourgeons de part et d’autre de la bouche-anus.
Figure 5. La forme active de TOR se trouve au niveau des bourgeons. Ici, l’ADN est marqué en blanc et un marqueur de la protéine TOR activée est révélé en rouge. Les images ont été obtenues en microscopie confocale. Lorsque Stella n’est pas nourrie (à gauche), le marqueur de TOR activée est présent dans les tentacules et à la périphérie de son corps (points rouges). Dans le cadre en pointillés jaunes (position d’un futur bourgeon de tentacule), sa répartition est similaire à celle dans le reste du corps de l’anémone. Après l’absorption de nourriture, le marqueur de TOR activée est massivement présent dans les bourgeons de tentacules (concentration de points rouges). La forme active de TOR est donc fortement présente dans cette région par rapport au reste du corps de notre petite anémone. Barre d’échelle : 50 µm soit la moitié du diamètre d’un cheveu. M = Marqueur de TOR active. Crédit : adaptée de la publication originale/CC BY 4.0.

Ainsi, TOR serait activée lorsque Stella est rassasiée et commencerait à initier la prolifération cellulaire et donc la croissance des tissus qui vont constituer les tentacules. TOR possède donc très probablement un rôle dans le contrôle de la croissance des bras tentaculaires de Stella.

Remarquez comme la molécule active est plus spécifiquement localisée au niveau des bourgeons ! Les scientifiques s’en sont également aperçus et se sont alors interrogés sur la raison de cette localisation précise. Dans de précédentes recherches, la présence, dans les tentacules en développement, d’un interrupteur moléculaire connu pour induire la croissance de cellules avait été décrite. Il s’agit du récepteur FGFRb [3]. Les chercheur·ses ont mis en évidence sa présence dans des petits groupes de cellules situés à la périphérie de la bouche-anus. Lorsqu’iels ont nourri Stella, la quantité de FGFRb détectée au sein de ces petits groupes a augmenté. C’est notamment à ces endroits précis que se forment ensuite les bourgeons de tentacules.

Pour tester l’hypothèse que l’augmentation de la quantité de FGFRb serait due à l’activité de TOR, les chercheur·ses ont traité Stella avec une substance bloquant l’action de TOR (Figure 6). S’il y a vraiment implication de TOR, alors en la bloquant, FGFRb ne sera pas produit et ne pourra donc pas être détecté. Et effectivement, les chercheur·ses observent une quantité très faible de FGFRb ainsi qu’une absence de formation de bourgeons de tentacules quand TOR est bloquée.

2 photographies en microscopie à fluorescence d'une anémone présentée vues de dessus sous 2 conditions différentes : contrôle et traitée avec le bloqueur de TOR. Les points montant la localisation de l’ADN sont similaires sur les 2 images. En condition contrôle, les points violets se situent au niveau des bourgeons de tentacules de part et d’autre de la bouche-anus. En condition traitement, les points violets ne sont plus visibles, les bourgeons ne sont plus présents.
Figure 6. Le blocage de TOR réduit la production de FGFRb dans les bourgeons. Images acquises en microscopie confocale. L’ADN des noyaux est représenté en blanc et les cellules présentant des récepteurs FGFRb sont marquées en violet. Ici, les anémones sont nourries. En condition contrôle, à gauche, les bourgeons de tentacules qui commencent à pousser sont composés de cellules qui expriment fortement le récepteur FGFRb (concentration de points violets). Au contraire, en présence du traitement bloquant l’activité de TOR, à droite, l’expression de FGFRb est quasi nulle et le tissu autour de la bouche ne semble pas bourgeonner. Barre d’échelle : 50 µm, soit la moitié du diamètre d’un cheveu. Crédit : adaptée de la publication originale/CC BY 4.0.

Cela a permis à l’équipe de recherche de comprendre que les régions de bourgeonnement sont prédéterminées par la présence de FGFRb. Lorsque Stella se nourrit, TOR est activée dans ces cellules et vient augmenter la quantité de FGFRb dans les cellules voisines. Cette action en cascade permet la mise en place des bourgeons (Figure 7).

La figure se divise en 2 parties, haut et bas. Tout en bas, une flèche allant de gauche à droite représente le temps : à auche "Stella n'a pas mangé" et à droite "Stella est rassasiée". En haut, on voit 4 fois la même figure composée de 4 cercles concentriques composés de petits ronds blancs, annoté "Au niveau cellulaire". À l'intérieur, un seul rond et à l'extérieur environ 24. De la figure de gauche vers celle de droite, des flèches noires. Sur celle de gauche, seul le rond du centre est coloré en vert. Sur la deuxième, le rond du centre et la ligne suivante. Sur la troisième figure, les 3 cercles du centre sont verts. Et sur la figure de droite, tous les ronds sont verts. La partie du bas est annotée "Au niveau de l'organisme". Il y a aussi 4 figures qui vont de gauche à droite. Une figure représente la vue du dessus de Stella (voir Figure 1). À gauche, il y a deux petits ronds verts de part et d'autre de la bouche-anus. Ces ronds sont annotés "Cellule possédant FRFRb avant d'être nourrie". Sur la deuxième figure, les ronds verts sont un peu plus gros. Sur la troisième, ils sont encore plus gros et commencent à former des bourgeons, annotés "Bourgeons tentaculaires en croissance". Sur la figure de droite, les ronds/bourgeons sont encore plus gros.
Figure 7. Action en cascade permettant la propagation de l’activation de FGFRb actifs. Lorsque l’anémone est nourrie, TOR active l’augmentation de la quantité de FGFRb dans les cellules alentour et ainsi de suite. Cela crée une cascade réactionnelle permettant la propagation de cette activation dans tout le bourgeon tentaculaire. Ceci permet le début de la prolifération des cellules et ainsi la croissance des tentacules. Crédit : Aurélie Claquin.

Un café et l’addition

Au cours de cette étude, les chercheur·ses ont montré que lorsque Stella mange, ses cellules réagissent en se multipliant. Cette multiplication résulte notamment de la coopération entre le récepteur FGFRb et la molécule TOR. Ce mécanisme conduit à la formation séquentielle des nouveaux tentacules chez notre tendre amie Stella.

En réalité, pour Stella, il serait donc plus juste de dire « pas de chocolat, pas de bras » !

Éléments pour approfondir

Digestif : assortiment de tentacules

Autour de la bouche-anus, nous distinguons huit compartiments distincts. Ces compartiments sont séparés par des structures appelées mésentères (du grec mesos « milieu » et enteron « intestin »), qui se situent tout le long de l’anémone. Notons que les mésentères ont plusieurs rôles dont le stockage des cellules reproductrices. Les tentacules sont positionnés autour de la bouche-anus. Une jeune anémone en a quatre.

Les quatre premiers tentacules, les tentacules primaires, émergent à partir des compartiments 2, 4, 6 et 8 (Figure 8). Quand Stella se restaure, deux autres paires de tentacules sont générées parallèlement à partir des compartiments 3 et 7 puis 1 et 5. À cette étape, Stella possède un tentacule par compartiment. Ensuite, quatre tentacules apparaissent dans les compartiments de part et d’autre des mésentères primaires. Enfin, pour atteindre le stade de seize tentacules, deux d’entre eux sont générés dans le compartiment 4 puis deux autres dans le compartiment 6 ou inversement. Nous allons nous arrêter là, car oui, elle peut en faire pousser encore plus ! 

La figure comprend 4 ovales de plus en plus gros que l'on va de gauche vers la droite. Chaque ovale comprend en son centre un autre ovale représentant la bouche-anus. Le tour est coupé en 8 compartiments numérotés dans le sens des aiguilles d’une montre avec le 1 à midi. Il y a des petits points dans les sections. À gauche, state 4 tentacules. Les 4 tentacules se trouvent dans les compartiments 2, 4, 6 et 8 de sorte qu’un compartiment vide sépare toujours un compartiment contenant un tentacule. Le deuxième stade est celui des 8 tentacules. 4 nouveaux tentacules sont apparus et sont répartis dans les compartiments qui étaient jusqu’alors vides, à savoir les numéros 1, 3, 5 et 7. Tous les compartiments sont donc occupés par un seul tentacule. Le troisième stade est celui des 12 tentacules. 4 nouveaux tentacules sont apparus et sont répartis dans les compartiments 2, 3, 7 et 8. Le quatrième stade est celui des 16 tentacules. 2 nouveaux tentacules sont apparus dans le compartiment 4 et 2 autres dans le compartiment 6.
Figure 8. Mise en place des tentacules de l’anémone de mer au sein des segments. Les compartiments sont numérotés de 1 à 8 dans le sens des aiguilles d’une montre. On observe en rouge les mésentères primaires, qui apparaissent en premiers dans le développement, et en noir les mésentères secondaires. L’apparition successive des tentacules est représentée : en bleu au stade quatre tentacules, en rose au stade huit tentacules, en jaune au stade douze tentacules et en enfin en vert au stade seize tentacules. Crédit : Aurélie Claquin ; inspirée de la publication originale.

L’équipe de recherche a pu observer ce type de développement des tentacules chez 80 % des camarades de Stella. Cependant, 20 % sont un peu plus originaux concernant ce processus, originalité que les auteurs et autrices ont attribué à une variation génétique et des différences dans leur manière de manger.

[1] Diermeier-Daucher S., et al., Cell type specific applicability of 5-ethynyl-2′-deoxyuridine (EdU) for dynamic proliferation assessment in flow cytometry. Cytometry Part A, 2009. DOI : 10.1002/cyto.a.20712. [Publication scientifique]

[2] Laplante M. & Sabatini D. M., mTOR Signaling in Growth Control and Disease. Cell, 2012. DOI : 10.1016/j.cell.2012.03.017. [Review]

[3] Matus D. Q., et al., FGF signaling in gastrulation and neural development in Nematostella vectensis, an anthozoan cnidarian. Development Genes and Evolution, 2007. DOI : 10.1007/s00427-006-0122-3. [Publication scientifique]

Contributeur écriture initiale : Szymon Chomiczewski

Publié le 02/04/2023

Creative Commons License Anna Cloarec/Aurélie Claquin/Irié Carel/Papier-Mâché/CC BY-NC-SA 4.0 2023

Texte et images, à l’exception des images soumises à droits d’auteurs différents : voir au cas par cas en légende.