Transplantation cellulaire à haute résolution chez le poisson-zèbre embryonnaire et larvaire

La transplantation cellulaire a une longue et riche histoire en tant que technique fondamentale en biologie du développement. Au tournant du^{XXe siècle,} des approches utilisant des manipulations physiques pour perturber le processus de développement, y compris la transplantation, ont transformé l’embryologie d’une science d’observation en une science expérimentale ^1,2. Dans une expérience marquante, Hans Spemann et Hilde Mangold ont transplanté de manière ectopique la lèvre blastopore dorsale d’un embryon de salamandre sur le côté opposé d’un embryon hôte, induisant le tissu voisin à former un axe corporel secondaire³. Cette expérience a montré que les cellules pouvaient induire d’autres cellules à adopter certains destins, et par la suite, la transplantation s’est développée comme une méthode puissante pour interroger des questions critiques en biologie du développement concernant la compétence et la détermination du destin cellulaire, la lignée cellulaire, la capacité inductive, la plasticité et la puissance des cellules souches ^1,4,5.

Des progrès scientifiques plus récents ont élargi la puissance de l’approche de la transplantation. En 1969, la découverte de Nicole Le Douarin selon laquelle la coloration nucléolaire pouvait distinguer les espèces d’origine dans les chimères de caille a permis de suivre les cellules transplantées et leur descendance⁶. Ce concept a ensuite été suralimenté par l’avènement des marqueurs fluorescents transgéniques et des techniques d’imagerie avancées⁵, et a été exploité pour suivre le destin cellulaire ^6,7, identifier les cellules souches et leur puissance ^8,9 et suivre les mouvements cellulaires pendant le développement du cerveau¹⁰. De plus, l’essor de la génétique moléculaire a facilité la transplantation entre hôtes et donneurs de génotypes distincts, soutenant une dissection précise des fonctions autonomes et non autonomes des facteurs de développement¹¹.

La transplantation a également apporté d’importantes contributions à l’étude de la régénération, en particulier chez les organismes dotés de fortes capacités de régénération tels que les planaires et les axolotls, en élucidant les identités cellulaires et les interactions qui régulent la croissance et la structuration des tissus en régénération. Des études de transplantation ont révélé les principes de la puissance¹², de la structuration spatiale^13,14, des contributions de tissus spécifiques^15,16 et des rôles de la mémoire cellulaire^12,17 dans la régénération.

Le poisson-zèbre est un modèle de vertébré de premier plan pour l’étude du développement et de la régénération, y compris dans le système nerveux, en raison de ses programmes génétiques conservés, de sa traçabilité génétique élevée, de sa fécondation externe, de sa grande taille de couvée et de sa clarté optique 18,19,20. Les poissons-zèbres sont également très susceptibles d’être transplantés aux premiers stades de développement. L’approche la plus importante est la transplantation de cellules d’un embryon de donneur marqué à un embryon hôte au stade de blastula ou de gastrula pour générer des animaux mosaïques. Les cellules transplantées au stade de blastula se disperseront et se disperseront au début de l’épibole, produisant une mosaïque de cellules et de tissus marqués à travers l’embryon²¹. Les greffes de gastrula permettent de cibler les cellules transplantées selon une carte approximative du destin lorsque le bouclier se forme et que les axes A-P et D-V peuvent être déterminés²¹. Les mosaïques résultantes ont été précieuses pour déterminer si les gènes agissent de manière autonome entre les cellules, tester l’engagement cellulaire et cartographier le mouvement des tissus et la migration cellulaire tout au long du développement ^5,11. Le poisson-zèbre mosaïque peut être généré de plusieurs manières, notamment l’électroporation²², la recombinaison²³ et la transgenèse F0²⁴ et la mutagenèse²⁵, mais la transplantation offre la plus grande manipulabilité et précision dans l’espace, le temps, le nombre et les types de cellules. L’état actuel de la transplantation de poisson-zèbre est largement limité aux cellules progénitrices à des stades précoces, à quelques exceptions près, notamment la transplantation de motoneurones spinaux^26,27, de cellules ganglionnaires rétiniennes^28,29 et de cellules de crête neurale dans les 10 à 30 premières heures suivant la fécondation (hpf)³⁰, et de cellules hématopoïétiques et tumorales chez le poisson-zèbre adulte ^5,31. L’extension des méthodes de transplantation à un large éventail d’âges, de stades de différenciation et de types de cellules augmenterait considérablement la puissance de cette approche pour fournir des informations sur les processus de développement et de régénération.

Ici, nous démontrons une technique flexible et robuste de transplantation cellulaire à haute résolution efficace chez les embryons et les larves de poisson-zèbre jusqu’à au moins 7 jours après la fécondation. Des poissons hôtes et donneurs transgéniques exprimant des protéines fluorescentes dans les tissus cibles peuvent être utilisés pour extraire des cellules uniques et les transplanter avec une résolution spatiale et temporelle presque parfaite. La clarté optique des embryons et des larves de poisson-zèbre permet d’imager en direct les cellules transplantées au fur et à mesure que l’animal hôte se développe ou se régénère. Cette approche a déjà été utilisée pour examiner comment la dynamique de signalisation spatio-temporelle influence l’identité neuronale et le guidage axonal chez l’embryon³², et pour examiner la logique par laquelle les facteurs intrinsèques et extrinsèques favorisent le guidage axonal pendant la régénération chez les poissons larvaires³³. Bien que nous nous concentrions ici sur la transplantation de neurones différenciés, notre méthode est largement applicable aux types de cellules indifférenciées et différenciées à travers de nombreux stades et tissus pour répondre aux questions de développement et de régénération.