Régénération (biologie)

La présence de la régénération dans de multiples phylums animaux ainsi que la présence généralisée de la capacité à régénérer le corps entier dans les lignées basales de métazoaires, dans plusieurs phylums de lophotrochozoaires et de deutérostomates nous amène à penser que l’ancêtre des métazoaires avait une capacité généralisée de régénération. La distribution phylogénétique de la régénération indique également que cette capacité a été limitée et/ou perdue lors d’événements répétés.

Il existe plusieurs hypothèses sur le maintien de la régénération, l’hypothèse adaptative, la pléiotropie et l’inertie phylogénétique.

• Dans la première hypothèse, la régénération serait maintenue par la sélection et donc la perte de la structure doit être commune, son absence doit avoir un coût pour l’organisme et le bénéfice de la régénération doit être supérieur à son coût. Un exemple de ce type de structure serait la queue des lézards et des salamandres. Cependant, chez les hydraires et les planaires, deux des groupes d’animaux ayant les plus grandes capacités de régénération, il n’y a aucune preuve d’amputation dans la nature, donc dans ces cas l’hypothèse adaptative ne serait pas soutenue.

• La deuxième hypothèse postule que la capacité à régénérer une structure particulière est fortement liée à un autre phénomène tel que la reproduction asexuée, la croissance, l’embryogenèse ou la régénération d’une autre structure. Des clades comme les cnidaires où la régénération et la croissance reposent sur des mécanismes similaires sont des candidats pour l’étude du maintien de la régénération par pléiotropie.

• La troisième hypothèse propose que le maintien de la régénération se produit pour des raisons historiques, c’est-à-dire que la régénération serait un caractère ancestral qui n’a pas été perdu.

Régénération chez les planairesEdit

Un des organismes chez qui le processus de régénération a été le mieux étudié sont les planaires, métazoaires à symétrie bilatérale appartenant au phylum des Platyhelminthes. On sait depuis plusieurs siècles que lorsque ces organismes sont coupés au milieu, la moitié de la tête régénère une queue et la moitié de la queue régénère une tête.

Après une coupure, une fine couche d’épithélium recouvre la plaie, les cellules épithéliales dorsales et ventrales perdent leur morphologie caractéristique en recouvrant la plaie. Chez les animaux amputés, un pic de prolifération cellulaire est détecté près du site de la plaie, conduisant à la production d’un germe épithélial/mésenchymateux connu sous le nom de blastème régénérateur. La prolifération cellulaire observée est limitée à une population de petites cellules très indifférenciées, avec de gros noyaux et peu de cytoplasme. Ces cellules sont connues sous le nom de néoblastes.

Il existe deux hypothèses pour la source des néoblastes, d’une part ils peuvent provenir de la dédifférenciation des cellules somatiques et d’autre part de l’auto-renouvellement des cellules souches, les preuves indiquent que les néoblastes sont des cellules souches totipotentes.

La régénération par formation de blastema ne forme pas toutes les structures du planaire ; c’est le tissu en aval du blastema qui régénère les autres structures par remodelage, c’est-à-dire par morphallaxie. Le processus de régénération chez les planaires est donc le résultat d’une combinaison des deux principaux mécanismes, l’épimorphose et la morphalaxie.

Régénération chez les salamandresEdit

La régénération des membres chez les salamandres se fait par épimorphose, les cellules sont capables de reconstruire le membre entier si nécessaire mais peuvent aussi reconstruire uniquement les parties manquantes. Après l’amputation, entre 6 et 12 heures, les cellules endodermiques recouvrent la plaie, cette couche appelée épiderme de la plaie prolifère en formant un capuchon ectodermique apical. Au cours des jours suivants, les cellules situées sous la calotte se dédifférencient pour former une masse, le blastème de régénération. Les gènes exprimés dans les tissus différenciés sont régulés à la baisse et l’expression des gènes associés au membre embryonnaire est considérablement augmentée. Ces cellules continuent à proliférer et finissent par se redifférencier pour former les nouvelles structures des membres.

Régénération chez les reptilesEdit

Les reptiles peuvent régénérer certaines parties de leur corps, par exemple, des parties de leurs membres ; différents types de tissus dont les cellules nerveuses ; le cristallin des yeux ; les arcs mandibulaire et maxillaire chez les crocodiles et les lézards ; la carapace chez certaines tortues. Ce qui a été le plus étudié, cependant, est la régénération de la queue chez les lézards. On sait que les lézards libèrent leur queue par autotomie pour distraire un prédateur qui les attaque, au moyen de points de rupture préformés dans les plans de la queue. Une fois la queue amputée, la régénération commence, mais sans atteindre sa structure d’origine (pas de régénération osseuse), dans la plupart des cas la régénération ne se produit qu’une seule fois.

Le processus de régénération commence par la migration des cellules épithéliales autour de la plaie pour former la couche épidermique apicale (ou calotte apicale), quelques jours plus tard le blastème commence à se former sous cette couche, générant une structure conique, comme chez les amphibiens. Le blastème est constitué de cellules mésenchymateuses indifférenciées qui sont en mitose et s’organisent autour de l’épiblaste (couche de cellules épithéliales) qui donnera naissance à la moelle épinière. Au départ, les cellules du blastème commencent à se différencier dans la partie proximale de l’amputation, donnant naissance à des fibroblastes, des vaisseaux sanguins, des cellules graisseuses et des cellules du système lymphatique. Une fois ces cellules établies, d’autres tissus commencent à se former et à générer des connexions entre eux, comme la formation de veines et d’artères, puis commencent à former une masse de cartilage qui entoure l’épendyme comme une continuation de la moelle épinière qui n’a pas été perdue.

Au même moment, derrière et latéralement aux cellules du blastème, des masses musculaires commencent à se régénérer à partir de myoblastes dérivés de muscles non amputés, qui se séparent des fibroblastes, avec lesquels ils partagent les agrégats cellulaires dérivés des muscles. Par affinité entre eux, 4 à 8 myoblastes commencent à fusionner. Ils s’alignent ensuite et génèrent des myotubes, tandis que les fibroblastes se regroupent aux extrémités de ceux-ci pour former un tissu conjonctif, appelé myoseptum. L’étape finale de la régénération musculaire conduit à la croissance et à l’organisation de ces myotubes, où les cellules ont fusionné leur cytoplasme pour former des fibres multinucléées, qui se regroupent en myotomes de diamètre similaire. Ce phénomène est différent de celui observé chez les amphibiens, où les myotubes se forment à partir d’un seul myoblaste, puis deviennent multinucléés. L’augmentation du nombre de noyaux génère la croissance musculaire, car elle permet une plus grande synthèse de l’ARNm et donc un plus grand nombre de protéines contractiles qui génèrent de nouveaux sarcomères dans les fibres.

Une fois que le muscle porteur de la queue est établi, le tissu est recolonisé par des cellules nerveuses qui se régénèrent à partir de la moelle épinière voisine et des trois derniers ganglions spinaux les plus proches de la queue régénérée. Finalement, ces nerfs entrent en contact avec toutes les autres cellules, ce qui entraîne la croissance de la queue, qui peut être achevée en 3 à 6 mois. Parallèlement, à mesure que la queue grandit, des écailles se régénèrent à partir de l’épiderme de la queue.

Les facteurs de croissance des fibroblastes (FGF) 1 et 2 (respectivement acide et basique) se sont avérés jouer un rôle important dans la régénération de la queue en induisant la prolifération cellulaire, et ont été exprimés dans les tissus en régénération tels que les écailles, les muscles, les tissus sanguins, On pense que les neurones et la moelle épinière peuvent générer de manière autonome des FGF qui stimulent la prolifération des neuroblastes, lesquels quittent à leur tour ces zones et stimulent les cellules du blastème pour produire d’autres FGF, qui activent à leur tour la couche épidermique apicale, laquelle produit à son tour davantage de FGF qui alimenteront à nouveau les cellules du blastème, conduisant ainsi à la prolifération et à la croissance.

Régénération chez les mammifèresEdit

La régénération compensatoire du foie est possible chez les mammifères. Dans ce cas, les parties manquantes ne repoussent pas, les parties restantes sont agrandies pour compenser la perte du tissu manquant. En d’autres termes, le foie se régénère par prolifération du tissu existant qui ne se dédifférencie pas complètement, chaque type de cellule conserve son identité et il n’y a pas de formation de blastème. Une des protéines les plus importantes dans la régénération du foie est le facteur de croissance des hépatocytes (HGF) qui est responsable de l’induction de plusieurs protéines embryonnaires.

Certaines parties du corps humain qui peuvent s’auto-régénérer sont :

• Les cheveux
• Les ongles
• La peau
• Les muqueuses (buccales, digestives,…)
• Sang
• Muscle
• Os
• Liver

Régénération dans l’HydreEdit

Il a été remarqué il y a des années que lorsqu’une hydre était coupée en deux, les deux parties pourrait régénérer les parties manquantes et même si cet organisme était coupé en petits morceaux (au moins quelques centaines de cellules épithéliales), chacun d’entre eux régénérerait une hydre miniature complète. La régénération précoce chez Hydra se produit toujours en l’absence de synthèse d’ADN c’est-à-dire par morphallaxie.

Régénération chez le ver panthère à trois bandes (Hofstenia miamia)Edit

Le ver panthère à trois bandes possède une bouche antérieure, un système nerveux avec une concentration de neurones dans la tête, une musculature, un pharynx, un appareil copulatoire mâle sensoriel dorsal et ventral. Hofstenia s’est avéré facilement adaptable à la culture en laboratoire, produisant environ quatre embryons par animal et par semaine, pour un total de 100 s d’embryons par jour dans notre culture en laboratoire. Les embryons éclosent en ∼9 jours et deviennent des adultes sexuellement matures en ∼8 semaines. Son taux de reproduction élevé et sa capacité totale de régénération en font un modèle très intéressant pour les processus de régénération.

les mécanismes de régénération du ver panthère à trois bandes permettent une régénération complète du corps, permettant à deux nouveaux individus d’émerger après une coupe longitudinale, divisant l’animal en deux moitiés.

cette régénération se produit grâce à un GRN (gene regulatory network) où des milliers de gènes de régénération sont activés, modulés par l’egr, qui a un double facteur pionnier et régulateur. Il a été possible de déterminer une cascade de régulation des gènes egr-runt-nrg-1 chez Hofstenia miamia, qui dans les premières 48 heures active toute la machinerie pour régénérer l’ensemble du corps grâce au gène Egr.

Régénération chez le poisson zèbre (Danio rerio)Edit

Le poisson zèbre a la capacité de produire un grand nombre de descendants par ponte d’œufs et est facile à maintenir dans des conditions artificielles. La couleur transparente des embryons et leur développement rapide en dehors de la mère font du poisson zèbre un organisme modèle pour l’étude du développement embryonnaire. En outre, le poisson zèbre est fréquemment utilisé dans les études régénératives en raison de sa capacité à régénérer efficacement différents organes, notamment les nageoires, la moelle épinière, le cœur, le pancréas et la rétine.

Le mécanisme de régénération chez le poisson zèbre est assez similaire à celui des amphibiens, même si les membres des deux groupes d’individus sont très différents sur le plan anatomique. Ces poissons présentent un pourcentage élevé de régénération selon la partie amputée.

Régénération des nageoires : les nageoires sont composées de rayons osseux (lepidotrichia), entre chaque rayon se trouvent des vaisseaux sanguins, des nerfs, des cellules pigmentées et des fibroblastes. L’étude de la régénération des nageoires chez les poissons a commencé au XVIIIe siècle grâce à René-Antoine Dateul de Reáumur, qui a observé la régénération d’un membre chez les écrevisses. Des études ont montré que ces organismes peuvent régénérer la totalité de la nageoire, même si 95 % de l’organe a été enlevé.

Le type de régénération de la nageoire du zèbre est épimorphe, qui comprend quatre étapes :

1. Fermeture de la plaie
2. Formation de l’épiderme de la plaie
3. Formation de l’épiderme de la plaie
4. Formation du blastème
5. Différenciation des cellules du blastème.

Esquisse de régénération du poisson zèbre. La ligne pointillée verte indique le site de coupe, puis la formation de l’épiderme de la plaie et du blastema est montrée. Enfin, la totalité de la nageoire régénérée est représentée.

Dans la régénération de la nageoire, l’épiderme contrôle l’état de la différenciation cellulaire. Après l’excision, on observe une contraction rapide de l’épithélium autour de la plaie, sous l’effet de la F-actine. Lorsque ce processus de fermeture médié par l’actine est terminé, les cellules épithéliales de la plaie migrent pour former l’épiderme de la plaie (wound epidermis) dans cette couche épidermique de β-caténine exprimée, dont le rôle est de maintenir les relations intercellulaires et de faciliter la migration. Les cellules de cette couche épidermique ont une identité différente de celle des cellules épidermiques environnantes. Plusieurs études ont été menées pour évaluer l’importance de cette couche épidermique. Il a été constaté que si cette couche épidermique est retirée, le processus de régénération est stoppé. Sous cette couche, le blastème commence à se former. Il existe deux hypothèses sur la nature de cette masse cellulaire : la première hypothèse est que le blastème est formé d’un pool de cellules souches dormantes qui sont activées lors de l’amputation ; la seconde hypothèse est que le blastème provient de cellules mésenchymateuses qui subissent une dédifférenciation. La deuxième hypothèse est actuellement soutenue. Selon ce principe, après la dédifférenciation, les cellules du blastème subissent une différenciation supplémentaire pour remplacer les tissus enlevés. Le passage du stade de blastème au stade d’extension présente des changements à la fois morphologiques et moléculaires, ces derniers incluant des changements dans l’expression de différents gènes dans les deux stades ainsi que l’expression de nouveaux gènes. Pendant la formation du blastème, l’expression du facteur de croissance des fibroblastes de la plaie (wfgf) est faible, alors qu’elle est beaucoup plus élevée au stade de l’extension ; wnt3a n’est pas exprimé pendant la formation du blastème mais l’est pendant l’extension. Le blastème est divisé en deux zones : distale et proximale. On suppose que la zone proximale est le lieu de la différenciation des cellules mésenchymateuses, bien que la manière dont ce processus se déroule ne soit pas encore claire.

Il a été montré que différents groupes de gènes exprimés au cours du développement des structures osseuses des nageoires de poisson zèbre sont réexprimés au moment de la régénération. L’importance des facteurs de croissance des fibroblastes (FGF) a également été démontrée, car ils sont impliqués dans la signalisation de la formation du blastème. Par exemple, le récepteur 1 du facteur de croissance des fibroblastes est d’une importance vitale pour la prolifération des cellules mésenchymateuses et la formation ultérieure du blastème, et l’expression des gènes de la famille msx (impliqués dans le développement des membres des vertébrés) s’est également avérée maintenir indifférenciées les cellules distales du membre en formation. La vitesse de régénération peut également être influencée par des facteurs environnementaux ; à une température de 33°C, elle est presque deux fois plus rapide qu’à une température de 25°C. La régénération de cet organe dépend également de l’angiogenèse (formation de vaisseaux sanguins)

Régénération du cœur : le poisson zèbre présente la plus grande capacité de régénération du cœur décrite chez un vertébré. Il s’agit désormais d’un modèle largement utilisé pour étudier les mécanismes moléculaires qui permettent la récupération structurelle et fonctionnelle du muscle cardiaque.

La régénération du cœur présente certains processus similaires à ceux présentés dans la régénération des nageoires. Elle se produit dans la partie distale de la plaie et le muscle est reconstitué à partir des myocytes. Des expériences ont été réalisées en retirant une partie du ventricule, et la réponse de ce tissu à la blessure consiste en une hyperplasie, c’est-à-dire la création de nouveaux cardiomyocytes.

Au départ, un caillot de fibrine se forme sur le site de la blessure. Contrairement à ce qui se passe chez les mammifères, cette couche de fibrine n’est pas remplacée par un tissu cicatriciel ; en fait, il reste très peu de collagène dans la plaie après une blessure. Cette couche de fibrine est ensuite remplacée par du nouveau muscle cardiaque ; ce processus dure un à deux mois. Récemment, des expériences de traçage de lignées utilisant la technologie Cre-loxP ont permis d’identifier les cardiomyocytes préexistants comme la source de nouveaux cardiomyocytes dans la zone régénérée. D’autres types de cellules présentes dans le cœur se sont également avérées impliquées dans la régénération. Les cellules de l’épicarde (la couche externe du cœur) se sont révélées très plastiques, car elles peuvent devenir des cellules mésenchymateuses, migrer vers le site de la lésion et contribuer à la formation de la musculature cardiaque au site de la lésion ainsi qu’à la formation des vaisseaux coronaires. Cette migration et cette prolifération sont dues à deux gènes exprimés pendant le développement du myocarde (tbx18 et raldh2), qui sont réexprimés après la génération de la lésion. Les facteurs de croissance des fibroblastes sont également d’une importance capitale, comme on l’a observé dans la régénération des lambeaux. Dans la régénération du tissu cardiaque, les FGF sont nécessaires à l’activité de l’épicarde pendant la régénération ; des expériences ont montré que les FGF dirigent la transition de l’état épicardique à l’état mésenchymateux des cellules, et favorisent leur migration vers le site de la lésion. En plus des FGF, la production de la protéine Thymosine β-4 est induite dans la blessure et génère une compaction du myocarde.

Vue d’ensemble de la régénération cardiaque du poisson zèbre. 1) Vue d’une région du ventricule. 2) Formation de caillots, activation et migration des cellules épicardiques, activation des cellules souches du myocarde. 3) Formation d’une couche de fibrine et d’un nouveau tissu musculaire. 4) Ventricule régénéré.

Régénération de la rétine : Contrairement aux mammifères, la rétine des poissons téléostéens croît tout au long de leur vie, la régénération de la rétine est une caractéristique présente chez les poissons téléostéens et les urodèles.L’une des façons de générer des dommages rétiniens chez les poissons est de les exposer à des intensités lumineuses élevées, induisant ainsi l’apoptose des cônes et des bâtonnets. Le temps de régénération varie en fonction de la méthode par laquelle la dégénérescence des tissus se produit. Au départ, on pensait que la génération de nouvelles cellules rétiniennes était liée à la prolifération des cellules progénitrices des bâtonnets, ce qui laissait penser que ces cellules étaient la principale source de cellules régénératrices de la rétine. Les travaux menés ces dernières années indiquent que les cellules de la glie de Müller répondent rapidement aux lésions de la rétine par la progression du cycle cellulaire, la prolifération et la production de cellules souches de la couche nucléaire interne de la rétine. Il est possible que la prolifération des cellules progénitrices des bâtonnets, telles que les cellules de la couche nucléaire de la rétine interne, dépende du degré de lésion rétinienne. Certains des gènes qui sont exprimés au cours du développement embryonnaire de la rétine (Notch, delta, rx1 vsx2, N-cadhérine) le sont également au cours de la régénération des photorécepteurs chez le poisson zèbre. Après l’ablation ou la dégénérescence de la rétine, il y a prolifération des cellules de la glie de Müller dans la couche nucléaire interne et externe de la rétine, et les cellules de Müller dirigent ensuite les cellules prolifératives vers les différents sites de la blessure. Ce sont ces cellules prolifératives qui donneront naissance à de nouvelles cellules rétiniennes, auxquelles on attribue un potentiel de cellules souches. Ce mécanisme est différent d’autres types de régénération comme la régénération épimorphique : les cellules gliales de la rétine subissent une dédifférenciation et forment des cellules souches neurales, qui peuvent ensuite régénérer les photorécepteurs. Les cellules gliales ne sont pas les seules à participer à ce processus. Lorsque ces cellules sont isolées expérimentalement d’autres tissus oculaires, les cellules non neuronales peuvent subir une reprogrammation pour reformer la rétine. Les mécanismes de signalisation qui induisent le cycle cellulaire dans les cellules gliales ne sont pas encore connus, bien que, sur la base d’études menées sur d’autres organismes, il est proposé que le FGF2 et les facteurs de croissance analogues à l’insuline puissent être impliqués dans cette signalisation.