MERFISH-based pooled genetic screening reveals cell non-autonomous phenotypes in intact tissue

Les cellules ne vivent pas en isolation. Même au sein d'un seul organe, elles existent dans un quartier dense et structuré où leur position, leur forme et leur communication constante avec leurs voisines façonnent leur comportement. Pendant des décennies, les scientifiques ont été capables d'étudier comment la modification d'un seul gène affecte une cellule, mais le faire d'une manière qui préserve l'emplacement d'origine de la cellule et sa relation avec le tissu environnant a constitué un obstacle majeur. Les méthodes traditionnelles nécessitent de sortir les cellules du corps, de les décomposer et de lire leur code génétique dans un tube à essai. Ce processus détruit la carte de l'endroit où se trouvait la cellule et de qui étaient ses voisins. Pour comprendre véritablement comment un changement génétique se propage à travers un tissu vivant, les chercheurs avaient besoin d'un moyen de regarder à l'intérieur de l'organe intact, d'identifier quelles cellules avaient été altérées, et de voir comment ces changements affectaient les cellules situées juste à côté d'elles, le tout sans perdre le contexte spatial.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Harvard et du Howard Hughes Medical Institute a développé une nouvelle technique d'imagerie qui résout ce problème. Ils ont créé une méthode pour effectuer des criblages génétiques à grande échelle directement à l'intérieur du tissu hépatique intact d'une souris. En utilisant un système d'imagerie à haute résolution appelé MERFISH, ils ont pu suivre l'identité génétique de cellules individuelles, mesurer leur état moléculaire interne et cartographier leur emplacement exact par rapport à leurs voisines. L'innovation clé résidait dans une façon de lire les « codes-barres » génétiques qui identifient quelles cellules ont été altérées, sans utiliser d'étapes chimiques complexes pour amplifier le signal. Cette simplification leur a permis de détecter beaucoup plus de marqueurs génétiques et de messages cellulaires que les méthodes précédentes, permettant de profiler 1,5 million de cellules lors d'une seule expérience. Le résultat est une carte tridimensionnelle détaillée montrant non seulement comment une cellule modifiée se transforme elle-même, mais aussi comment elle remodèle l'environnement local entier autour d'elle.

Les chercheurs ont commencé par affiner leurs outils pour qu'ils fonctionnent sans avoir recours à l'amplification enzymatique, un processus chimique souvent utilisé pour booster les signaux faibles en imagerie. Dans leurs travaux précédents, ils devaient utiliser des enzymes pour multiplier les codes-barres génétiques attachés aux cellules qu'ils souhaitaient étudier, mais cela ajoutait des étapes qui réduisaient parfois la clarté des données. Ils ont découvert qu'en concevant des codes-barres génétiques plus courts et plus compacts et en s'appuyant sur l'abondance naturelle de ces molécules à l'intérieur de la cellule, ils pouvaient les détecter directement par une simple hybridation. Cette approche directe s'est avérée nettement plus efficace. Elle a permis de récupérer près de dix fois plus de codes-barres génétiques et deux fois et demie plus de messages cellulaires par cellule par rapport à leur ancienne méthode. Cette amélioration signifiait qu'ils pouvaient assigner avec confiance une identité génétique à beaucoup plus de cellules et observer des changements subtils dans l'activité génique qui étaient auparavant invisibles.

Dotée de ce système amélioré, l'équipe s'est tournée vers le foie de la souris, un organe complexe composé de nombreux types de cellules travaillant ensemble. Ils ont introduit une bibliothèque d'instructions génétiques dans les foies de jeunes souris, ciblant environ 200 gènes spécifiques dans les cellules hépatiques appelées hépatocytes. Chaque cellule hépatique a reçu un code-barres génétique unique qui a servi d'étiquette, permettant aux chercheurs de savoir exactement quel gène avait été altéré dans cette cellule spécifique. Après la croissance des souris et la mise en œuvre des changements génétiques, les chercheurs ont découpé le tissu hépatique et ont utilisé leur système d'imagerie pour scanner l'organe entier. Ils ont identifié l'identité génétique de chaque cellule, mesuré l'activité de centaines de gènes à l'intérieur de celle-ci et enregistré sa position précise dans le tissu. Au total, ils ont analysé plus de 1,5 million de cellules, créant un ensemble de données massif qui lie les changements génétiques aux états cellulaires et aux localisations spatiales.

L'étude a révélé deux types distincts d'effets. Premièrement, les chercheurs ont confirmé qu'altérer un gène dans une cellule hépatique provoquait un changement de son propre comportement, un phénomène connu sous le nom de réponse cellule-autonome. Par exemple, lorsqu'ils ont perturbé un gène impliqué dans le repliement des protéines, les cellules hépatiques affectées ont montré une réponse de stress claire, activant des gènes pour gérer les dommages tout en désactivant les gènes liés à leurs fonctions hépatiques normales. Ces changements étaient confinés aux cellules altérées, les cellules voisines restant inchangées. Cela a confirmé que la nouvelle méthode pouvait capturer avec précision les conséquences directes des perturbations génétiques dans l'environnement complexe d'un organe vivant.

Plus surprenant encore, les chercheurs ont découvert qu'altérer un seul gène dans une cellule hépatique pouvait également déclencher des changements dans les cellules immédiatement environnantes, un phénomène appelé réponse cellule non-autonome. L'altération génétique dans une cellule envoyait des signaux qui remodelaient le voisinage local. Dans un exemple frappant, lorsqu'ils ont perturbé un gène appelé Vhl dans les cellules hépatiques, celles-ci ont commencé à agir comme si elles se trouvaient dans un environnement pauvre en oxygène. Ce changement a déclenché une cascade d'effets dans les cellules proches. Les cellules des vaisseaux sanguins et les cellules de soutien situées juste à côté des cellules hépatiques altérées ont commencé à exprimer des gènes associés à la construction de nouveaux vaisseaux sanguins et à l'activation de leurs propres programmes de croissance. Ces changements étaient les plus forts dans les cellules les plus proches de la cellule hépatique altérée et s'atténuaient à mesure que la distance augmentait, montrant un gradient d'influence clair rayonnant de la source.

Dans une autre découverte, l'équipe a constaté que la perturbation d'un gène impliqué dans une pompe cellulaire appelée V-ATPase entraînait une accumulation localisée d'un type spécifique de cellule immunitaire. Lorsque les cellules hépatiques présentaient un fonctionnement altéré de la V-ATPase, un type de cellule immunitaire ressemblant à une cellule dendritique plasmacytoïde s'accumulait en grand nombre juste à côté d'elles. Cette accumulation n'a pas été observée avec d'autres changements génétiques, suggérant un lien spécifique entre la défaillance de cette pompe cellulaire et le recrutement de ces cellules immunitaires. Les chercheurs ont observé que ces cellules immunitaires étaient concentrées à une très courte distance des cellules hépatiques altérées, formant un groupe distinct qui n'était pas présent dans le tissu sain environnant.

La puissance de cette nouvelle approche réside dans sa capacité à relier les points entre un changement génétique, la propre réaction de la cellule et la réaction de ses voisines, tout en préservant la disposition physique du tissu. En cartographiant ces interactions dans un organe vivant, les chercheurs ont montré que les perturbations génétiques ne se produisent pas dans le vide ; elles se propagent vers l'extérieur, modifiant la composition et le comportement de la communauté cellulaire locale. L'étude offre une manière simplifiée et évolutive d'étudier comment les cellules génétiquement altérées remodèlent leurs microenvironnements, offrant une nouvelle fenêtre sur la vie sociale complexe des cellules au sein d'un tissu intact. Cette méthode ouvre la voie à la compréhension de la manière dont les maladies peuvent se propager ou être contenues au sein d'un organe, et comment l'arrangement physique des cellules influence leur fonction, sans avoir besoin de décomposer le tissu.