Open Access
Issue
Med Sci (Paris)
Volume 37, Number 1, Janvier 2021
Page(s) 18 - 22
Section Le Magazine
DOI https://doi.org/10.1051/medsci/2020251
Published online 25 January 2021

Les macrophages sont en première ligne dans la défense contre les microorganismes pathogènes, qu’ils phagocytent, et dont ils signalent la présence en sécrétant des cytokines. Des études récentes ont cependant révélé d’autres fonctions de ces cellules qui, par leur potentiel migratoire, mettent en lien des tissus et des organes distants [1]. Les macrophages constituent ainsi des senseurs de notre état intérieur, qui contribuent à l’homéostasie de l’organisme par une action globale affectant à la fois son développement et son fonctionnement. Cette polyvalence fonctionnelle fait de ces cellules de puissants facteurs d’adaptation aux conditions externes et internes, ainsi que des cibles thérapeutiques de choix dans diverses maladies (par exemple, maladies neuro-développementales, cancers, etc.) [2, 3]. La compréhension du fonctionnement des macrophages constitue ainsi, non seulement un défi pour la recherche fondamentale, mais aussi un enjeu majeur pour la recherche médicale.

Curieusement, les macrophages semblent avoir des effets positifs et des effets négatifs sur l’évolution de certaines maladies. Cette dualité pourrait résulter d’une hétérogénéité dans cette population cellulaire. S’agit-il en fait d’une population homogène à l’origine, mais dont le potentiel change selon les besoins de notre organisme ou en fonction de l’environnement ? Ou s’agit-il d’une population cellulaire d’emblée hétérogène, chacune des sous-populations accomplissant une tâche spécifique ? Ces deux hypothèses ne sont pas incompatibles, et il est également possible que la population de macrophages soit à la fois hétérogène et versatile.

Les techniques de séquençage à haut débit du transcriptome de cellules isolées permettent désormais d’étudier la complexité d’une population cellulaire [4]. Nous avons analysé, chez la drosophile, la population des plasmatocytes, des cellules apparentées aux monocytes et macrophages des vertébrés. Le système immunitaire de la drosophile produit une réponse humorale et cellulaire innée, qui présente des similitudes avec celle des vertébrés. Ce système est constitué de cellules appelées hémocytes, dont trois types avaient, jusqu’à présent, été décrits dans la larve de drosophile : les plasmatocytes, qui constituent la population majoritaire (environ 95 %) ; les cellules à cristaux (2 à 5 %), qui sont impliquées dans la réponse aux blessures et dans la mélanisation, et qui ont été comparées aux plaquettes sanguines ; et les lamellocytes, une population de cellules qui apparaissent après un défi immunitaire et qui peuvent se différencier à partir des plasmatocytes [5] (Figure 1). Nous avons tenté de répondre aux deux questions suivantes : les plasmatocytes changent-ils en fonction de l’environnement, et constituent-ils une population hétérogène ?

thumbnail Figure 1.

(A, B) Hémocytes de drosophile en fin d’embryogenèse (A, embryon au stade 16, juste avant éclosion de l’œuf) et en fin de stade larvaire (B, 3e stade larvaire). a : antérieur ; p : postérieur ; d : dorsal ; v : ventral. (C-E) Les trois classes d’hémocytes chez la drosophile. Les plasmatocytes, comparables aux macrophages des vertébrés, phagocytent les corps étrangers et les fragments cellulaires issus de l’apoptose. La stimulation du système immunitaire conduit à la différenciation des plasmatocytes en lamellocytes, qui se présentent sous la forme de grandes cellules fortement marquées par la phalloïdine (en rouge, D). Les cellules à cristaux (CC) constituent la troisième classe d’hémocytes. Elles sont peu nombreuses (< 5 % des hémocytes), et expriment ici le rapporteur fluorescent Lz-GFP (en vert, E). Les noyaux des cellules ont été marqués au DAPI (en bleu) dans les préparations A, C, D, E.

Le fonctionnement des cellules immunitaires change au cours du développement

Pour répondre à la première question, nous avons comparé les transcriptomes globaux de l’ensemble des hémocytes de la drosophile au stade embryonnaire et au stade larvaire [6]. L’embryon de drosophile constitue un système fermé, protégé de l’environnement extérieur par une membrane semi-rigide, la membrane chorionique, et par une membrane souple, la membrane vitelline. Chez cette mouche, les tissus et les organes se construisent durant l’embryogenèse et sont fonctionnels dès l’éclosion de la larve, un processus qui consomme beaucoup d’énergie. La larve, en revanche, constitue un système ouvert. Elle se développe sur des fruits fermentés riches en microorganismes. Elle doit constamment répondre aux défis immunitaires que constituent la nourriture, les blessures ou les infections par des microorganismes pathogènes. Elle subit également les variations des conditions environnementales et doit répondre au stress oxydant que celles-ci engendrent.

Nous avons pu montrer, par une analyse transcriptomique, que les différences physiologiques entre embryon et larve sont associées à des profils transcriptionnels spécifiques de chaque stade de développement. Les hémocytes d’embryon produisent en abondance les molécules constituant la matrice extracellulaire, un composant tissulaire crucial pour la morphogenèse et l’organogenèse. Leur métabolisme énergétique est assuré par les voies glycolytiques. En revanche, les hémocytes de larve expriment les protéines des voies de signalisation de la réponse immunitaire ainsi que divers récepteurs impliqués dans la phagocytose, et nécessaires à leur fonction de défense contre les microorganismes pathogènes. Leur métabolisme énergétique dépend principalement du catabolisme des lipides.

Le système immunitaire est composé de plusieurs populations d’hémocytes avec des potentiels distincts

Afin de répondre à la question de la diversité des hémocytes de larve, nous avons utilisé une technique de séquençage à haut débit afin d’analyser le transcriptome de cellules isolées [6]. Cette technique, qui permet d’établir une signature moléculaire de plusieurs milliers de cellules différentes, fournit une vision assez précise de l’hétérogénéité d’une population cellulaire. Nous avons ainsi mis en évidence, en condition basale (c’est-à-dire en condition d’élevage classique, sans stimulation du système immunitaire), la présence de 13 sous-populations de plasmatocytes et d’une population de cellules à cristaux (Figure 2A). La plupart des sous-populations de plasmatocytes présentent de fortes homologies entre elles, mais certaines se démarquent en acquérant des propriétés spécifiques. Les premières apparaissent donc versatiles, s’adaptant aux besoins de l’organisme, tandis que les autres semblent plus spécialisées, constituant ainsi des lignées spécifiques. Les signatures moléculaires permettent d’identifier, par exemple, des sous-populations spécialisées dans la production de peptides antimicrobiens (PL-Rel), dans la réponse immunitaire aux attaques bactériennes ou virales (PL-Rel, PL-vir1), dans la phagocytose (PL-robo2), ou encore dans la production de protéines de réserve (PL-Lsp).

thumbnail Figure 2.

(A, B) Représentations graphiques de type UMAP (uniform manifold approximation and projection) montrant les sous-populations principales des hémocytes de drosophile identifiées par l’analyse transcriptomique de cellules uniques en condition basale (A) et après infestation par des guêpes parasitoïdes (B) [6]. Sur cette représentation, chaque point représente un hémocyte et la distance entre les points reflète les différences de profil d’expression entre les cellules. Les liens entre les différentes sous-populations ont été prédits par une analyse bio-informatique (RNA velocity [9] et monocle [10]), qui suggère que la majorité des hémocytes provient de la sous-population proliférative PL-prolif (A). Cette majorité inclut les sous-populations PL-vir1 et PL-Rel, qui présentent des signatures moléculaires associées à la réponse inflammatoire, et PL-robo2, qui se distingue par un enrichissement en transcrits impliqués dans la phagocytose. D’autres sous-populations, telles que PL-Pcd et PL-Lsp, ne montrent pas de lien direct avec PL-prolif, suggérant des voies de différenciation propres à chacune (A). Enfin, le parasitisme des larves de drosophile par les œufs des guêpes parasitoïdes entraîne la production des lamellocytes (sous-populations LM-1 et LM-2) à partir de la sous-population PL-vir1 (B) (figure adaptée de [6]).

Une analyse bio-informatique, destinée à prédire la filiation entre les sous-populations de plasmatocytes, indique que la majorité d’entre elles proviendrait de quelques progéniteurs mitotiques, qui se différencient ensuite pour produire ces différentes sous-populations. Certaines sous-populations semblent, en revanche, provenir d’une voie de différenciation parallèle (Figure 2A). La réversibilité des voies de différenciation ainsi que la contribution de voies de transdifférenciation restent néanmoins à déterminer.

Les hémocytes changent lors de la réponse immunitaire

Pour observer la dynamique de chaque sous-population lors de la réponse immunitaire, nous avons utilisé la même technique de séquençage de cellules uniques pour analyser les hémocytes après avoir stimulé le système immunitaire des mouches avec des guêpes parasitoïdes. Dans la nature, la majorité des larves de drosophile sont en effet parasitées par des œufs de guêpes. La drosophile a donc évolué en présence du parasite et a développé une réponse immunitaire adaptée : le parasitisme a induit la différenciation d’hémocytes en lamellocytes, qui forment une gangue mélanisée autour de l’œuf de guêpe et empêchent ainsi son développement. Si la réponse immunitaire n’est pas suffisamment efficace, les œufs de guêpe éclosent à l’intérieur de la mouche et les larves parasitoïdes l’utilisent comme nourriture.

Des analyses précédentes de lignage, réalisées par cytométrie en flux, indiquaient que des lamellocytes étaient produits par transdifférenciation des plasmatocytes [7]. Nos résultats suggèrent que tous les plasmatocytes n’ont pas le même potentiel de transdifférenciation. La prédiction des liens existant entre les différentes sous-populations de plasmatocytes indique que les lamellocytes sont produits principalement par la sous-population PL-vir1 (Figure 2B). Cette sous-population est notamment caractérisée par une expression significative des protéines impliquées dans la voie de signalisation JNK (c-Jun N-terminal kinase), en réponse au stress, impliquée dans la différenciation des lamellocytes [5].

Perspectives

Cette analyse transcriptomique des plasmatocytes de la drosophile nous permet désormais de concentrer nos travaux de recherche sur les fonctions des différentes sous-populations de cellules du système immunitaire de la mouche et sur leurs interactions. Une analyse approfondie des lignages permettra de préciser les liens entre les sous-populations d’hémocytes, et ainsi de déterminer si les différents types de plasmatocytes identifiés correspondent à des populations singulières ou à des états développementaux transitoires. Il s’agira aussi de déterminer les facteurs qui conditionnent la différenciation des différentes sous-populations à partir des cellules progénitrices. Enfin, nous étudierons le rôle du microenvironnement sur les propriétés de certaines sous-populations de plasmatocytes, qui pourraient s’expliquer par une association de ces cellules avec des tissus spécifiques, comme cela semble être le cas pour les macrophages des vertébrés [8]. Étant donné la conservation des processus hématopoïétiques au cours de l’évolution, ces résultats contribueront à mieux comprendre l’importance de l’hétérogénéité des cellules de l’immunité innée chez les organismes plus complexes, dans des conditions physiologiques et pathologiques.

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Références

  1. Theret M, Mounier R, Rossi F. The origins and non-canonical functions of macrophages in development and regeneration. Development 2019; 146. doi 10.1242/dev.156000. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  2. Poh AR, Ernst M. Targeting macrophages in cancer: from bench to bedside. Front Oncol 2018 ; 8 : 49. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  3. Li Q, Barres BA. Microglia and macrophages in brain homeostasis and disease. Nat Rev Immunol 2018 ; 18 : 225–242. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  4. Khrameeva E, Kurochkin I, Han D, et al. Single-cell-resolution transcriptome map of human, chimpanzee, bonobo, and macaque brains. Genome Res 2020; 30 : 776–89. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  5. Banerjee U, Girard JR, Goins LM, Spratford CM. Drosophila as a genetic model for hematopoiesis. Genetics 2019 ; 211 : 367–417. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  6. Cattenoz PB, Sakr R, Pavlidaki A, et al. Temporal specificity and heterogeneity of Drosophila immune cells. EMBO J 2020; n/a : e104486. [Google Scholar]
  7. Stofanko M, Kwon SY, Badenhorst P. Lineage tracing of lamellocytes demonstrates Drosophila macrophage plasticity. PLoS One 2010 ; 5 : e14051. [CrossRef] [Google Scholar]
  8. Mowat AM, Scott CL, Bain CC. Barrier-tissue macrophages: functional adaptation to environmental challenges. Nat Med 2017 ; 23 : 1258–1270. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  9. La Manno G, Soldatov R, Zeisel A, et al. RNA velocity of single cells. Nature 2018 ; 560 : 494–498. [Google Scholar]
  10. Qiu X, Mao Q, Tang Y, et al. Reversed graph embedding resolves complex single-cell trajectories. Nat Methods 2017 ; 14 : 979–982. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]

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Liste des figures

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(A, B) Hémocytes de drosophile en fin d’embryogenèse (A, embryon au stade 16, juste avant éclosion de l’œuf) et en fin de stade larvaire (B, 3e stade larvaire). a : antérieur ; p : postérieur ; d : dorsal ; v : ventral. (C-E) Les trois classes d’hémocytes chez la drosophile. Les plasmatocytes, comparables aux macrophages des vertébrés, phagocytent les corps étrangers et les fragments cellulaires issus de l’apoptose. La stimulation du système immunitaire conduit à la différenciation des plasmatocytes en lamellocytes, qui se présentent sous la forme de grandes cellules fortement marquées par la phalloïdine (en rouge, D). Les cellules à cristaux (CC) constituent la troisième classe d’hémocytes. Elles sont peu nombreuses (< 5 % des hémocytes), et expriment ici le rapporteur fluorescent Lz-GFP (en vert, E). Les noyaux des cellules ont été marqués au DAPI (en bleu) dans les préparations A, C, D, E.

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(A, B) Représentations graphiques de type UMAP (uniform manifold approximation and projection) montrant les sous-populations principales des hémocytes de drosophile identifiées par l’analyse transcriptomique de cellules uniques en condition basale (A) et après infestation par des guêpes parasitoïdes (B) [6]. Sur cette représentation, chaque point représente un hémocyte et la distance entre les points reflète les différences de profil d’expression entre les cellules. Les liens entre les différentes sous-populations ont été prédits par une analyse bio-informatique (RNA velocity [9] et monocle [10]), qui suggère que la majorité des hémocytes provient de la sous-population proliférative PL-prolif (A). Cette majorité inclut les sous-populations PL-vir1 et PL-Rel, qui présentent des signatures moléculaires associées à la réponse inflammatoire, et PL-robo2, qui se distingue par un enrichissement en transcrits impliqués dans la phagocytose. D’autres sous-populations, telles que PL-Pcd et PL-Lsp, ne montrent pas de lien direct avec PL-prolif, suggérant des voies de différenciation propres à chacune (A). Enfin, le parasitisme des larves de drosophile par les œufs des guêpes parasitoïdes entraîne la production des lamellocytes (sous-populations LM-1 et LM-2) à partir de la sous-population PL-vir1 (B) (figure adaptée de [6]).

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