Reprogrammation « chimique » de cellules iPS : une première

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Les cellules pluripotentes induites (iPS)
Crédit photo : © Nissim Benvenisty - PLOS Biology

Le 9 août 2013, une équipe de recherche chinoise supervisée par H. Deng publiait dans la revue Science une méthode permettant, pour la première fois, d’obtenir des cellules pluripotentes induites murines (iPS) sans toucher au génome [1]. Cette méthode semble difficile à transposer aux cellules humaines, mais constitue néanmoins une avancée scientifique remarquable. Explications de Mathilde Girard, chargée de recherche en modélisation pathologique iPS à l’Institut des cellules souches pour le traitement et l’étude des maladies monogéniques (I-Stem), à Évry (Essonne).

Les cellules pluripotentes sont des cellules capables de se multiplier à l’infini et de se différencier en n’importe quel type cellulaire qui compose un organisme adulte, à l’instar d’une cellule souche embryonnaire. Les cellules pluripotentes induites (iPS) sont obtenues en reprogrammant génétiquement une cellule adulte différenciée capable de proliférer. Deux applications majeures découlent de cette possibilité d’induire la pluripotence : la régénération d’organes et la modélisation de pathologies, utile aux tests de molécules potentiellement thérapeutiques.

> Quelle est l’innovation majeure déployée par l’équipe de H. Deng ?

Tout l’intérêt de l’étude repose sur l’exploit d’avoir réussi, pour la première fois, à obtenir une reprogrammation complète de cellules murines en iPS, en utilisant uniquement des molécules chimiques. Il s’agit d’un travail remarquable : jusque-là, l’introduction de gènes ou de protéines extérieures (facteurs de reprogrammation) était indispensable. Certaines des molécules identifiées par les auteurs étaient déjà utilisées pour augmenter l’efficacité de la reprogrammation, mais elles n’avaient jamais constitué une solution suffisante à l’obtention d’une reprogrammation complète.

Mathilde Girard, chargée de recherche en modélisation pathologique iPS à l’Institut I-Stem, à Évry.

L’Institut des cellules souches pour le traitement et l’étude des maladies monogéniques (I-Stem) est un centre de recherche et développement dédié à l’élaboration de traitements de maladies rares d’origine génétique. Les cellules souches pluripotentes constituent une base de travail, de par les nombreuses possibilités qu’elles offrent.

Mathilde Girard travaille à l’I-Stem depuis maintenant huit ans. Spécialiste des iPS, elle dirige une équipe dont le but est d’utiliser comme nouvel outil pour la recherche de molécules thérapeutiques. Son équipe a donc créé des iPS spécifiques de maladies monogéniques, et criblé des chimiothèques afin d’identifier des composés à effet thérapeutique potentiel. Leurs effets devront être par la suite être validés et le mécanisme associé, décrypté.

> Quelle a été la méthode utilisée par les scientifiques ?

Pour obtenir des iPS à partir de cellules différenciées, la surexpression de quatre gènes (Oct4, Klf4, Sox2 et cMyc) est nécessaire (et suffisante). Il fallait donc, jusqu’à présent, les introduire dans la cellule adulte afin qu’ils s’y expriment. L’équipe de H. Deng s’était déjà intéressée au remplacement potentiel de ces gènes par des molécules chimiques. Dans un précédent papier, elle avait notamment réussi à limiter l’introduction au seul gène Oct4, en remplaçant les autres gènes d’intérêt par l’action de molécules chimiques. L’objectif était donc de réussir à également remplacer Oct4. Pour ce faire, les auteurs ont criblé 10 000 composés potentiellement capables d’induire l’expression d’Oct4 dans des cellules exprimant des protéines marqueurs de son activation. Trois composés ont activé Oct4, dont la forskoline, un agoniste de l’AMP cyclique. Pour un rendement optimal (nombre de colonies d’iPS maximal), une combinaison de sept molécules a pu être identifiée.

Jusqu’à présent, comment pouvait-on obtenir des iPS de manière efficace et quels étaient les inconvénients de ces méthodes ?

À l’origine, des vecteurs viraux étaient utilisés pour l’obtention d’iPS. Mais ces vecteurs s’intégraient dans le génome de la cellule hôte, ce qui comportait des risques de mutation et d’expression prolongée de ces gènes. Aujourd’hui, les méthodes classiques de fabrication d’iPS sont toutes non intégratives, c’est-à-dire qu’elles se basent sur l’utilisation de vecteurs qui, après avoir pénétré dans la cellule hôte, se perdent au fur et à mesure des divisions cellulaires. La technique la plus efficace, bien que difficile à réaliser, est l’addition répétée des ARNm des quatre gènes d’intérêt. Cette technique n’implique aucun transfert nucléaire puisque l’ARN sera directement transcrit et traduit. Une deuxième technique, toujours sans transfert nucléaire, est l’utilisation du virus à ARN de Sendai. Pour des applications cliniques, les limites de ces méthodes relèvent de la démonstration qu’il n’existe aucun risque d’intégration, mais aussi du coût, qui n’est pas à la portée de tous les laboratoires.

> Quelles sont les limites de l’étude chinoise ?

La limite majeure est le modèle utilisé : la souris. Cela n’enlève rien à la qualité du travail de l’équipe, mais la validation de cette méthode sur modèle humain semble difficilement réalisable. Les mécanismes nécessaires pour la reprogrammation complète d’iPS sont beaucoup plus difficiles à activer chez l’homme. Les composés identifiés par les chercheurs peuvent la faciliter, mais ils ne suffiront pas à eux seuls. Par ailleurs, le milieu de culture utilisé pour l’amplification des colonies d’iPS murines, le milieu « 2i », n’existe pas pour les cellules humaines. Enfin, des études sur le long terme sont nécessaires pour démontrer l’innocuité des molécules chimiques utilisées. Cependant, depuis que des méthodes non intégratives existent, le recours à une méthode telle que celle de H. Deng sur des cellules humaines n’est plus aussi indispensable qu’auparavant. Le premier essai clinique sur iPS a d’ailleurs été autorisé lors de l’été 2013. Il aura lieu au Japon en 2014 et vise à traiter la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA).

RÉFÉRENCE
[1] Hou P et al. Pluripotent stem cells induced from mouse somatic cells by small-molecule compounds. Science. 2013. ;341(6146):651-4.

Camille Aulas