Comportement cellulaire q-bio.CB

Au cours des premières semaines de la vie de l'embryon, une dense bande de cellules rampe à travers son corps. Elles formeront plus tard les os du visage, des parties du cœur et des nerfs. Ce groupe ne se déplace pas au hasard : quelques cellules meneuses avancent en tête, et les autres suivent, comme des cyclistes dans un peloton.

Un surveillant immunitaire qui perd un temps sa vigilance, puis se remet à traquer les cellules sénescentes. Voilà comment on peut décrire ce qui se passe dans l'organisme des souris après un court traitement par un anticorps dirigé contre GD3. À 18 mois, alors que les animaux avaient déjà accumulé des altérations liées à l'âge, on leur a administré cet anticorps pendant trois mois.

Dans l'orchestre vieillissant de l'organisme, chaque musicien jouait autrefois sa partition avec précision. Avec l'âge, certains musiciens ne quittent pas la scène : ils restent et se mettent à jouer faux, si fort qu'ils couvrent leurs voisins.

Une tumeur cérébrale ressemble à un voyageur qui erre dans une forêt dense : les arbres et les buissons représentent les différents types de tissu cérébral, certains plus faciles à traverser que d'autres. Les cellules de gliome ne se déplacent pas en ligne droite, mais serpentent constamment, butant sur des obstacles et les contournant.

La tumeur ne reste pas en place. Des cellules individuelles ou des groupes entiers s'en détachent et partent en voyage à travers le corps. Certaines rampent en solitaires, comme des éclaireurs, d'autres restent ensemble, comme une petite bande. Des scientifiques ont construit un modèle informatique pour comprendre comment ces cellules choisissent leur direction.

Dans la moelle osseuse, comme dans une caserne, l'appel n'arrête jamais. Les lymphocytes T recrues attendent leur première mission, et jusque-là ils se ressemblent tous. Mais avec l'âge apparaissent parmi eux des combattants portant une marque particulière sur leur uniforme : la protéine annexine A1. Cette marque n'est pas une décoration, c'est une cale de frein qui empêche la cellule de se lancer à l'attaque.

On peut modifier une cellule de manière idéale, mais elle peut néanmoins s'avérer inutile. Le gène est corrigé exactement comme prévu, mais la cellule se comporte de manière imprévisible : elle dérive, change de destinée, perd sa sécurité. C'est comme réparer un engrenage dans une montre, mais la montre continue de mal fonctionner parce que tout le mécanisme s'est déréglé.

Lorsque vous vous coupez le doigt, les cellules de la peau se mettent au travail de manière coordonnée : certaines se divisent, d'autres rampent vers la plaie, d'autres encore s'immobilisent. Mais la décision de chaque cellule dépend de son « emploi du temps » interne — le cycle cellulaire.

La minuscule algue verte chlamydomonas passe sa vie à ramer vers la lumière avec ses deux flagelles, comme un nageur vers le rivage. Elle perçoit la lumière grâce à une protéine photoréceptrice, et derrière celle-ci se trouve une petite tache rouge – l'« œil » – qui projette une ombre et aide à comprendre d'où vient la lumière.

Dans un moteur qui tourne à plein régime, les pistons finissent par s'user. Chez un organisme jeune, ce moteur, c'est la voie de signalisation IGF-1, qui pousse les cellules à croître et à se diviser. Mais chez les individus âgés, le même mécanisme ne répare plus : il accélère l'usure. C'est comme une pédale d'accélérateur qu'il faudrait relâcher avec l'âge.

Un orchestre sans chef. Chaque musicien joue sa partition, et le volume global augmente, mais la mélodie se désagrège : les violons précipitent, les cuivres traînent. C'est à peu près ce qui arrive aux cellules lorsque l'on modifie leur ADN : elles peuvent bouger, mais certaines s'éloignent beaucoup, d'autres piétinent sur place.

Le ganglion lymphatique ressemble à un poste de commandement animé. Ici, les cellules dendritiques — des éclaireuses qui collectent les débris des ennemis — présentent aux lymphocytes T (les soldats) des fragments d'envahisseurs. Si les éclaireuses sont isolées, les soldats passent à côté sans vraiment remarquer le signal.

Dans l'orchestre de la cellule, chaque ARN a sa partition. Certaines molécules transportent les instructions des gènes vers les ribosomes, d'autres aident à découper les morceaux superflus de ces instructions. Le chef d'orchestre de cet ensemble, c'est le complexe protéique Integrator. C'est lui qui donne le signal : il est temps d'arrêter la synthèse des petits ARN.

Si l'on disperse des graines au hasard, les pousses s'entremêlent dans le chaos. Mais si on les dispose en rangées bien nettes, le champ pousse de manière ordonnée. Un principe similaire s'applique aux bactéries.

Dans une maison où personne n'a fait de travaux pendant des années, les vieux objets ne se contentent pas d'occuper la place. Ils se mettent à sentir mauvais, à libérer de la poussière et à gâcher l'air de tous les occupants.

Dans un bus bondé, les voyageurs s'écartent instinctivement de celui qui prend trop de place ou se comporte bizarrement. Dans un tissu de l'organisme, il se passe quelque chose de semblable : quand une cellule sénescente, qui a cessé de se diviser sans pour autant mourir, apparaît parmi les cellules normales, ses voisines se mettent à la presser.

Une colonie de cellules évoque une troupe qui se fraye un chemin en terrain inconnu. Dans les tissus vivants, ce rôle est souvent joué par le chimiotactisme — le déplacement le long d'un gradient de substance chimique que les cellules elles-mêmes sécrètent.

Les cellules souches sanguines ressemblent à des doubles de clés de la maison : elles ouvrent la porte de n'importe quelle pièce, mais avec le temps elles s'usent et commencent à gripper. Chez une personne âgée, ces clés s'accordent moins bien aux serrures, et le sang se renouvelle plus lentement.

Les biologistes confient de plus en plus aux ordinateurs la lecture des « modes d'emploi » de la cellule vivante. Six modèles récents d'intelligence artificielle — Nicheformer, CellPLM, scGPT-spatial, GenePT, scELMo et Novae — sont comme six traducteurs de dialectes différents d'un même langage cellulaire.

La cellule d'amibe Dictyostelium rampe sur une lame de verre. Son chemin est enregistré : une chaîne de points sur un plan. Mais quelles forces la poussent ? À l'intérieur de la cellule, un moteur moléculaire travaille : les protéines tirent, la membrane fait ressort, l'eau exerce une pression.

Des cellules de vaisseau sanguin ont été ensemencées sur une membrane transparente de 700 nanomètres d'épaisseur — cent fois plus fine qu'un cheveu humain. Sous la membrane se cachent des électrodes plates.

Si une odeur s'infiltre dans une pièce par une porte entrouverte, on peut se placer au milieu et renifler. Mais c'est celui qui se tient juste sur le seuil qui détectera le plus précisément l'arrivée de l'odeur. C'est à peu près ce que fait une cellule lorsqu'elle doit mesurer la concentration d'une substance autour d'elle.

L'épithélium tapisse nos organes comme un carrelage recouvre le sol. Au repos, les cellules se tiennent les unes aux autres et le tissu est élastique. Mais pendant le développement de l'embryon, la cicatrisation d'une plaie ou la croissance d'une tumeur, cette couche se met à couler comme du miel épais. Qu'est-ce qui déclenche exactement ce ramollissement ?

Dans la paroi de chaque artère vivent des cellules dont le métier consiste à se contracter et à se relâcher, à maintenir le vaisseau sous tension. Mais il leur arrive d'oublier leur profession et de se comporter comme des maçons de l'os : elles déposent du calcium et transforment un tube élastique en une coque fragile, semblable à une coquille d'œuf.

Dans la maison qu'habite la cellule, il y a quatre pièces : les mitochondries, le noyau, le cytosol et la membrane plasmique. Auparavant, nous ne pouvions voir qu'un feu s'était allumé quelque part, sans savoir dans quelle pièce exactement. Désormais, nous disposons de quatre fenêtres, et chacune montre sa propre partie de la maison.

La mouche drosophile vit au fond d'un tube à essai, et ses cellules fonctionnent comme une ville avec des millions de centrales énergétiques. Dans chaque centrale, c'est-à-dire dans chaque mitochondrie, travaillent des éboueurs qui décomposent les protéines endommagées. Avec l'âge, les éboueurs se fatiguent, les déchets s'accumulent et la ville commence à dérailler.

Un lymphocyte T erre dans le foie comme une personne sans carte dans un labyrinthe. La cellule infectée est quelque part tout près, mais il n'y a aucun panneau indicateur. On pensait autrefois que les cellules immunitaires percevaient une trace chimique du parasite et se dirigeaient droit vers lui.

À l'intérieur des artères d'une personne vivant avec le VIH couve une mèche qui ne s'éteint pas, même lorsque la charge virale est supprimée. Cette mèche, c'est l'inflammation chronique, et une nouvelle étude montre qu'elle est entretenue par des cellules immunitaires particulières qui recyclent la vitamine A.

L'orchestre commence à jouer, mais chaque musicien a son propre tempo. Si tous jouent à peu près à la même vitesse, la musique s'écoule en un flot continu. Si un groupe d'instruments joue nettement plus lentement que les autres, le son se condense en une masse compacte qui avance lentement.

Dans un orchestre qui répète une symphonie, chaque musicien doit prendre sa partie au bon moment. Si le violoniste décide soudain qu'il est un violoncelle et que le flûtiste se met à jouer la partie de trompette, la musique vire au vacarme.

En septembre 2020, le ciel de l'Oregon a pris une teinte orange à cause des feux de forêt. Quinze bébés macaques rhésus, nés quelques mois plus tôt, ont respiré cette fumée neuf jours d'affilée, tout simplement parce qu'ils vivaient dans des enclos extérieurs. Quatre ans plus tard, leur sang a raconté une histoire que personne ne s'attendait à entendre.

Une feuille de papier se déchire là où la tension dépasse la résistance. L'épithélium, la couche de cellules qui tapisse nos organes, se comporte de manière similaire, mais jusqu'à récemment, les modèles ne pouvaient pas montrer comment des fissures y apparaissent.

Dans la peau vieillissante d'une souris mâle, un follicule pileux sur trois se retrouve sans nerf, comme une maison dont le fil électrique s'est détaché. La prise, elle, est intacte : les neurones eux-mêmes, cachés dans les ganglions nerveux le long de la colonne vertébrale, n'ont pas disparu. Ils sont vivants et n'ont pas l'intention de mourir.

Dans une cellule de levure, le noyau occupe environ six pour cent du volume, comme une petite balle posée dans une pièce. Il y a cent ans, les biologistes ont remarqué que les grandes cellules ont des noyaux plus gros, mais la raison de ce phénomène est longtemps restée mystérieuse.

Un vieux matelas cesse de rebondir : le rembourrage s'agglomère en paquets et les ressorts perdent leur élasticité. L'ovaire d'une femme évolue un peu de la même façon avec l'âge, sauf qu'à la place du rembourrage s'y développe un tissu conjonctif rigide, et que le rôle des ressorts est tenu par les cellules qui soutiennent les ovocytes.

Un chien de garde qui bâille et se détourne au lieu d'aboyer sur un intrus, c'est un mauvais gardien. C'est à peu près ainsi que se comportent les lymphocytes T CD8+ chez les personnes atteintes de diabète de type 2. Ces cellules sont des tueuses professionnelles : elles patrouillent dans l'organisme, repèrent les cellules infectées ou dégénérées et les éliminent.

L'eau qui s'écoule dans un évier tourbillonne avant de disparaître dans le siphon. Il en va de même pour la cellule prise dans le tourbillon du vieillissement : elle ne peut plus s'en échapper, chaque tour l'entraînant plus profondément.

Tous les sept jours, un minuscule organisme marin du nom de Botryllus schlosseri démonte son cerveau pièce par pièce et en assemble un nouveau. Le processus ressemble à une chaîne de montage qui ne s'arrête jamais : l'ancien système nerveux disparaît, et une version fraîche pousse à sa place.

Le noyau cellulaire ressemble à une tente qui tient grâce à des piliers internes. Ces piliers, les lamines, s'usent avec l'âge, et la tente s'affaisse. Pendant longtemps, les scientifiques n'ont pas réussi à comprendre qui veille précisément sur l'intégrité de ces piliers, ni pourquoi ils résistent plus longtemps chez certaines personnes que chez d'autres. La réponse se trouvait dans les gènes des centenaires.

Dans la caserne d'un organisme vieillissant, les cellules souches musculaires se comportent comme des réservistes qui ont retiré l'uniforme sans pour autant quitter l'enceinte de la base. On pensait autrefois qu'elles se raréfiaient avec l'âge : l'appel fondé sur les signes distinctifs montrait des pertes.