Chez les mammifères, la neurogenèse adulte est limitée à deux niches : le gyrus denté de l'hippocampe et la zone sous-ventriculaire. La plupart des cellules souches neurales y sont en profond repos, et avec l'âge les niches se verrouillent dans un microenvironnement inactif. Cela rend la réparation du cerveau après une lésion presque impossible. Contrairement aux vertébrés, les tuniciers (urochordés), qui sont les plus proches parents des vertébrés parmi les invertébrés, font preuve d'une capacité de régénération étonnante. L'ascidie coloniale Botryllus schlosseri résorbe chaque semaine entièrement les zoïdes adultes et les remplace par de nouveaux, issus des bourgeons. Or chaque zoïde possède son propre cerveau, qui se renouvelle lui aussi complètement. Un tel système permet d'étudier la neurogenèse en mode naturel et continu, et non dans une régénération provoquée artificiellement. Ce travail se distingue dans la recherche en biologie cellulaire et en évolution, parce qu'il réunit un atlas cellulaire, une carte spatiale et des tests fonctionnels sur un même objet.
Les chercheurs ont isolé manuellement les complexes nerveux (le cerveau avec la glande neurale adjacente) de zoïdes adultes à un stade précoce du cycle. Le tissu a été dissocié en cellules individuelles par traitement enzymatique, les cellules ont été triées selon leur taille et leur granularité par FACS, puis envoyées au séquençage de l'ARN par la méthode Smart-seq3. Après contrôle qualité, il restait 470 cellules et 17 118 gènes. La classification par grappes a révélé six états transcriptomiques. Pour l'ancrage spatial, les auteurs ont utilisé l'hybridation in situ avec amplification du signal (HCR-FISH) sur des colonies entières, et pour évaluer la prolifération, un marquage de la phospho-histone H3. Ils ont en outre réalisé un séquençage massif de l'ARN des complexes nerveux à différents stades du cycle et à différents âges des colonies. Enfin, les cellules du complexe nerveux ont été marquées au colorant fluorescent DiD et transplantées dans le système vasculaire de receveurs compatibles, afin de suivre leur destin in vivo.
L'atlas a mis en évidence six états cellulaires : progéniteurs (SOX2, MSI1, NOTCH1), neuronaux (NALCN, CHAT, ACHE), neuroendocriniens (GHSR, GATA2), épithéliaux sécrétoires (CYP2C5, SFTPA1), immunitaires (CLEC4D, CALHM6) et transitionnels (HOXA4, NOS1). La carte spatiale a montré que les cellules progénitrices se trouvent autour du cerveau et non à l'intérieur, et que la division active (PH3+) chez les zoïdes adultes est limitée aux premiers stades du cycle et localisée dans l'organe dorsal et la glande neurale. L'analyse de trajectoire a relié l'état progéniteur à l'état neuronal, les cellules exprimant NEUROG1 se divisant activement, tandis que les cellules exprimant SOX2 étaient hétérogènes. Le séquençage massif a montré que les signatures des cellules progénitrices et sécrétoires augmentent vers la fin du cycle, alors que les signatures immunitaires et transitionnelles diminuent. Chez les colonies âgées (jusqu'à 6845 jours), les proportions des programmes cellulaires au début du cycle changeaient. Les petites cellules transplantées ont été retrouvées dans les bourgeons en développement, dans le cerveau de la génération de remplacement, et s'accumulaient près de la glande neurale lésée.
Ce travail montre pour la première fois que le cerveau adulte du tunicier n'est pas un ganglion homogène, mais un territoire structuré avec des niches bien définies pour les cellules progénitrices. Cela le distingue des études voisines, qui décrivaient soit des gènes isolés, soit la morphologie, mais pas la composition cellulaire en dynamique. La découverte d'un compartiment progéniteur portant des marqueurs conservés (SOX2, NOTCH, HES) et son lien avec la différenciation neuronale indiquent un programme de neurogenèse évolutivement ancien, qui s'est trouvé réprimé chez les vertébrés. Le fait que les cellules du complexe nerveux migrent vers les bourgeons et vers les sites de lésion suggère l'existence d'un système de homing, analogue à celui des cellules souches sanguines. Cela pose la question de savoir comment la colonie coordonne la répartition des cellules progénitrices entre les zoïdes.
L'étape suivante consiste à suivre le destin de cellules progénitrices individuelles à l'aide de lignées traçantes, afin de prouver leur contribution aux nouveaux neurones. Il importe d'identifier les récepteurs chimiotactiques qui dirigent les cellules vers les bourgeons et vers les lésions. L'objectif à long terme est de comprendre pourquoi, chez les colonies âgées, la synchronisation des programmes cellulaires se dérègle, et si l'on peut inverser ce phénomène. Si les mécanismes de maintien des cellules souches chez Botryllus s'avèrent conservés, on pourra les rechercher chez les vertébrés. Il reste aussi à déterminer comment les cellules du complexe nerveux évitent l'accumulation de mutations au fil de milliers de cycles de division.
Les résultats sont importants pour la neurobiologie du développement, la gérontologie et la médecine régénérative. Ils fournissent un modèle comparatif pour étudier comment les cellules souches du cerveau peuvent assurer un renouvellement à vie sans transformation tumorale.
Il faut réaliser un traçage de lignées à l'aide de marques génétiques et étudier les récepteurs de homing. Il convient aussi de vérifier comment les cellules transplantées se comportent à long terme et si elles sont capables de se différencier en neurones.
Pour la neurobiologie, le problème non résolu majeur est de savoir comment sortir les cellules souches neurales de leur état de repos chez les mammifères adultes. Botryllus montre qu'une neurogenèse continue est possible si les cellules progénitrices se trouvent dans un microenvironnement actif. Autre problème, le vieillissement des cellules souches : chez l'ascidie, les changements liés à l'âge n'apparaissent pas dans les neurones (qui vivent une semaine au maximum), mais dans le pool de progéniteurs lui-même, ce qui rappelle le vieillissement des cellules souches hématopoïétiques.
Chaque neurone adulte de Botryllus schlosseri ne vit pas plus de sept jours. En dix ans, une colonie traverse plus de 500 cycles complets de régénération du cerveau, et aucun neurone ne survit jusqu'à la semaine suivante.
L'idée d'un remplacement cyclique des organes fait écho à « Dune » de Frank Herbert, où des cuves à axolotl font pousser de nouveaux corps, mais chez Botryllus cela se produit naturellement et sans intervention extérieure.
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