Chez les mammifères, les follicules pileux apparaissent durant le développement embryonnaire, formant des motifs géométriques plus ou moins complexes selon l’espèce. Mais comment l’emplacement des poils est-il déterminé? Une équipe de l’Université de Genève (UNIGE) montre qu’un mécanisme simple, fondé sur le déplacement de cellules en réponse à des signaux chimiques, permet de reproduire les dynamiques de formation des follicules pileux chez deux espèces de mammifères. Cette découverte, publiée dans la revue PNAS, contribue à une meilleure compréhension des principes d’auto-organisation à l’origine de structures biologiques complexes.
Les poils, comme les plumes ou la plupart des écailles, se développent à partir de structures embryonnaires appelées placodes. Depuis plusieurs décennies, les biologistes s’interrogent sur la manière dont ces placodes s’organisent les unes par rapport aux autres et selon des motifs caractéristiques de chaque espèce.
Jusqu’à présent, un modèle d’«expansion-induction» était largement utilisé pour expliquer ce phénomène chez la souris de laboratoire (Mus musculus). Selon cette théorie, chaque placode nouvellement formée produit une molécule qui empêche l’apparition d’autres placodes dans son voisinage immédiat. À mesure que la peau embryonnaire grandit, certaines régions se retrouvent hors de portée de cette molécule inhibitrice. De nouvelles placodes peuvent alors s’y former, comblant progressivement les espaces entre les placodes déjà présentes. La validité générale de ce modèle n’a jamais été démontrée expérimentalement.
Un mécanisme plus simple et plus général
Le groupe codirigé par Athanasia Tzika et Michel Milinkovitch, respectivement maître d’enseignement et de recherche et professeur au Département de génétique et évolution de la Faculté des sciences de l’UNIGE, a exploré une autre hypothèse: celle de la chimiotaxie. Cette propriété, qui permet aux cellules de se déplacer en réponse à un gradient de molécules chimiques, est par exemple responsable de la migration des globules blancs vers les foyers inflammatoires. À l’aide d’un modèle mathématique décrivant les interactions entre des cellules mobiles du derme et un signal chimique attractif produit par l’épiderme, les scientifiques ont simulé la croissance de la peau embryonnaire et la formation progressive des placodes.
Les résultats montrent que ce mécanisme d’auto-organisation reproduit les mêmes dynamiques que celles attribuées au modèle d’expansion-induction chez la souris de laboratoire. «Nous montrons que les motifs observés n’ont pas besoin d’un système complexe qui indique à chaque placode où se former: ces dernières apparaissent automatiquement à partir des interactions locales entre les cellules et les signaux chimiques», expliquent Muhamet Ibrahimi et Ebrahim Jahanbakhsh, chercheurs au Département de génétique et évolution.
Deux espèces, deux architectures, un même principe
L’équipe a ensuite testé son modèle sur une autre espèce de rongeur: la souris épineuse (Acomys dimidiatus), dont le pelage présente un arrangement particulièrement régulier et orienté des follicules pileux, une organisation que le modèle classique d’expansion-induction ne permet pas d’expliquer. En intégrant des données expérimentales issues d’imagerie tridimensionnelle de la peau embryonnaire, les simulations de l’équipe suisse montrent que le même mécanisme de chimiotaxie présent chez la souris de laboratoire, mais combiné aux caractéristiques biochimiques et de croissance de la souris épineuse, permet de reproduire fidèlement cette organisation complexe.
«Nos travaux suggèrent que de simples interactions cellulaires peuvent générer une grande diversité d’architectures tissulaires au cours de l’évolution. Les différences observées entre espèces résultent donc d'un même processus d'auto-organisation, mais avec des variations dans les interactions entre les cellules et les signaux chimiques», conclut Athanasia Tzika.