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Parmi les mammifères, l’autotomie semble avoir évolué plusieurs fois, mais est taxonomiquement clairsemée. L’autotomie documentée est généralement limitée à la queue et se produit par la perte de la gaine de la queue (fausse autotomie) ou par la rupture à travers la vertèbre (vraie autotomie)2,5. En plus de l’autotomie de la queue, des références occasionnelles ont été faites aux espèces de mammifères ayant une peau faible ou fragile, bien que l’on ne sache pas si ces animaux sont capables d’autotomie de la peau. Ainsi, nous avons d’abord cherché à enquêter sur des preuves anecdotiques que deux espèces de souris épineuses africaines (Acomys kempi et Acomys percivali) perdent facilement des parties de leur peau comme un comportement de fuite des prédateurs.

Pour tester l’hypothèse que A. kempi et A. percivali sont capables d’autotomie de la peau, nous avons piégé des individus vivants sur des affleurements rocheux (kopjes) dans le centre du Kenya. En plus des poils de garde, les espèces du genre Acomys sont remarquables par la présence de poils ressemblant à des épines sur le dos (Fig. 1a, b). La manipulation des deux espèces sur le terrain a confirmé que les mouvements vigoureux entraînaient souvent une déchirure de la peau. Les déchirures se traduisaient par de grandes plaies ouvertes ou des pertes de peau allant de petits morceaux à des zones représentant environ 60 % de la surface dorsale totale (Fig. 1c). En plus de la perte tégumentaire, les deux espèces présentaient une autotomie de la gaine de la queue comme cela a été précédemment rapporté pour d’autres espèces d’Acomys et les individus étaient souvent capturés avec des queues manquantes2. Chez les individus captifs, nous avons observé que les blessures cutanées sévères guérissaient rapidement et que la repousse rapide des poils épineux masquait totalement la zone blessée (Fig. 1d, e). Les individus capturés sur le terrain ont montré une guérison similaire et, dans certains cas, des follicules pileux à motifs en anagène (c’est-à-dire en phase de croissance) qui semblaient s’être régénérés dans les zones blessées (Fig. 1f).

Pour évaluer comment la peau d’Acomys se déchire si facilement, nous nous sommes demandé si les propriétés mécaniques de la peau d’Acomys pouvaient sous-tendre sa faiblesse observée. Sur la base d’expériences portant sur l’autotomie de la peau chez les geckos3, une peau faible (c’est-à-dire une peau possédant des propriétés structurelles uniformes qui cède ou se rompt sous une charge induite relativement faible) peut être différenciée d’une peau fragile (c’est-à-dire une peau possédant des caractérisations morphologiques spécifiques telles qu’un plan de fracture qui permet de libérer les couches externes). Pour évaluer la faiblesse de la peau, nous avons comparé les propriétés mécaniques de la peau d’Acomys et de Mus. Lors d’une charge mécanique, la peau de Mus présentait des propriétés élastiques avant de se rompre alors que la peau d’Acomys était fragile et commençait à se déchirer peu après l’application de la charge (Fig. 2a). Nous avons dérivé les courbes de contrainte-déformation de la peau dorsale pour déterminer la résistance moyenne à la traction (σm) et avons constaté que la peau Mus était 20 fois plus résistante que la peau Acomys (2,3 MPa ±0,19 et 0,11 MPa ±0,03) (Fig. 2a, b). Enfin, en calculant la ténacité moyenne (W), près de 77 fois plus d’énergie était nécessaire pour briser la peau de Mus par rapport à celle d’Acomys (Fig. 2b). Ces résultats démontrent que les Acomys possèdent une peau qui se déchire (ou se casse) facilement en réponse à une faible tension appliquée et fournissent une base mécanique pour la faiblesse de leur peau.

Pour évaluer si les propriétés structurelles de la peau d’Acomys contribuaient à sa faiblesse mécanique, nous avons examiné les caractéristiques cellulaires de la peau d’A. percivali et avons constaté qu’elle était anatomiquement comparable à celle de Mus et d’autres rongeurs, bien que les follicules pileux soient beaucoup plus grands (Fig. 2c, d). Nous n’avons trouvé aucune preuve d’un plan de fracture, qui est le mécanisme d’autonomie de la peau chez les geckos et les scinques3. En examinant les fibres d’élastine, qui améliorent l’élasticité de la peau, nous avons constaté que les trois espèces possédaient une distribution et une abondance similaires d’élastine dans le derme et sous le panniculus carnosus (Fig. S1a-f). Nous avons vérifié si les follicules pileux plus grands dans la peau d’Acomys réduisaient la surface dermique totale occupée par le tissu conjonctif en examinant la proportion d’annexes (par exemple les follicules et les glandes associées) dans le derme et nous avons constaté qu’elle était plus grande chez A. percivali (55,61% ±4,28) que chez M. musculus (43,65% ±4,62) (t=1,9, P=0,043) (Fig. 2e, f). Ces résultats suggèrent que, bien que la structure tissulaire de base de la peau d’Acomys soit similaire à celle de M musculus, l’espace occupé par les annexes dans le derme réduit la teneur absolue en tissu conjonctif, contribuant potentiellement à la diminution de l’élasticité et à la moindre résistance à la traction lorsque la peau est placée sous tension6. L’absence d’un plan de fracture souligne cette constatation et soutient une différence structurelle inhérente sous-jacente à la faiblesse observée de la peau d’Acomys.

Compte tenu de sa faiblesse structurelle inhérente et de sa propension à se déchirer, nous avons évalué la capacité d’Acomys à guérir les plaies cutanées en utilisant de petites (4 mm) et de grandes (1,5 cm) plaies excisionnelles pleine épaisseur (FTE). Dans les plaies des deux tailles, la formation de croûtes et l’hémostase étaient rapides, et dans les grandes plaies, elles ont contribué à une réduction de 64% ±3,1 de la surface de la plaie 24 heures après la blessure (Fig. S2a). Au cours de la cicatrisation sans cicatrice chez les salamandres terrestres7 et les fœtus de mammifères8, le lit de la plaie est réépithélialisé en quelques jours, tandis qu’une plaie de 4 mm sur la peau d’un rat adulte prend entre 5 et 7 jours pour se réépithélialiser9. Chez Acomys, nous avons constaté que cinq des six plaies de 4 mm s’étaient complètement réépithélialisées au jour 3 après la blessure (J3), alors que les plaies de Mus ne se sont pas réépithélialisées aussi rapidement (Fig. 2g, h). Après la ré-épithélialisation, les mammifères à peau lâche (par exemple, les rongeurs, les lapins, etc.) comptent principalement sur la contraction pour guérir leurs blessures10. De même, nous avons observé des taux de contraction élevés, qui représentaient 95 % de la fermeture de la plaie après 17 jours (Fig. S2a-c). Contrairement à la cicatrisation, où les fibres de collagène s’organisent en un réseau dense parallèle à l’épiderme, au cours de la guérison sans cicatrice, les fibres de collagène adoptent un schéma similaire à celui du derme non blessé10. En examinant la matrice extracellulaire (MEC) à J10, nous avons observé une cicatrisation chez Mus alors que chez Acomys, les fibrilles de collagène étaient moins denses et présentaient une structure plus poreuse (Fig. 2i, j). En utilisant le rouge picrosirius, nous avons constaté que le collagène de type I prédominait dans le lit de la plaie à J10 chez Mus, alors que le collagène de type III était plus abondant chez Acomys (Fig. 2k, l). Cette différence était encore plus prononcée dans les plaies de 1,5 cm (Fig. S3a-b’). Ensemble, ces données montrent que la réépithélialisation rapide et la contraction des bords de la plaie réduisent considérablement la taille des déchirures cutanées ouvertes chez Acomys. Nos résultats, à savoir que la MEC de la plaie (1) se dépose lentement, (2) a une configuration poreuse et (3) est dominée par le collagène de type III, suggèrent que cette composition favorise la régénération par rapport à la fibrose pendant la réparation de la peau chez Acomys.

Pour tester la capacité régénératrice de l’environnement de la plaie, nous avons échantillonné de grandes plaies en cours de cicatrisation pour trouver des preuves de néogenèse de follicules pileux et de régénération dermique. En association avec la MEC plus poreuse, nous avons observé une folliculogénèse de poils pelliculaires normaux et de grands poils épineux dans le lit de la plaie entre J21 et J28 et nous avons pu distinguer les anciens grands follicules près des bords de la plaie des follicules nouvellement régénérés dans le lit de la plaie (Fig. 3a-d et Fig. S3c-e). Les nouveaux follicules semblaient se régénérer dans toute la partie non contractée du lit de la plaie et pas seulement dans la région centrale (Fig. 3c et Fig. S3e) et nous avons observé des follicules pileux en régénération à différents stades de développement (Fig. 3a-m et Fig. S4a-c). Une population localisée et hautement proliférative de cellules épidermiques dirige le développement des follicules pileux et nous avons observé un phénomène similaire pendant la régénération des follicules (Fig. 3e et Fig. S4a-c). Pour vérifier si les réseaux de signalisation embryonnaires utilisés pendant le développement du follicule pileux étaient déployés pendant la régénération du follicule pileux, nous avons examiné la kératine-17 (Krt17), qui est exprimée de manière diffuse dans l’épiderme pendant le développement de la peau et se restreint progressivement aux follicules pileux en développement11. Après la réépithélialisation, la KRT17 était fortement enrichie dans tout le néo-épiderme recouvrant le lit de la plaie à J14 et, à mesure que de nouveaux follicules pileux se formaient dans le lit de la plaie, la KRT17 devenait limitée à l’épithélium folliculaire (Fig. 3f et Fig. S5). Pendant la réparation de la plaie chez Mus, nous avons trouvé que KRT17 était également fortement régulé dans l’épiderme ré-épithélialisé à J14 (Fig. S5) et bien que KRT17 se soit localisé à certains kératinocytes basaux dans l’épiderme de Mus à J21, ces sites n’ont pas réussi à s’agréger en placodes ou en nouveaux follicules pileux de sorte que KRT17 était complètement absent du nouvel épiderme à J26 (Fig. 3f). La disparition de KRT17 des kératinocytes basaux chez Mus, ainsi que notre observation d’une localisation continue dans les nouvelles placodes et les follicules pileux chez Acomys, suggère que les signaux dermiques sous-jacents nécessaires pour induire la formation de placodes chez Mus font défaut.

Bien que le signal précis pour la formation des placodes reste obscur, il existe une exigence absolue pour la signalisation Wnt pendant la formation normale des follicules12. La localisation nucléaire de la protéine LEF1 a été utilisée comme une lecture de cette signalisation inductive13. Nous avons détecté l’accumulation nucléaire de LEF1 dans les placodes épidermiques en régénération, les fibroblastes dermiques en condensation sous le germe du cheveu, et dans les cellules de la papille dermique et de la matrice (Fig. 3g, h et Fig. S6a). Nous avons également détecté une coloration nucléaire de LEF1 à de faibles niveaux dans certains kératinocytes basaux non-placodes, alors que nous n’avons pas détecté de LEF1 nucléaire dans l’épiderme pendant la cicatrisation des plaies chez Mus, ce qui suggère que l’activation Wnt épidermique chez Acomys peut partiellement sous-tendre notre observation de la régénération des follicules pileux (Fig. S6b, c).

La régulation de la signalisation Bmp canonique joue également un rôle pendant l’induction du follicule pileux et la différenciation des populations de progéniteurs folliculaires en follicule pileux mature (revue dans14). La phosphorylation des SMADs 1, 5 et 8 (pSMAD1/5/8) est un indicateur robuste de la signalisation canonique de Bmp. Nous avons détecté pSMAD1/5/8 à de faibles niveaux pendant l’induction folliculaire et plus tard à des niveaux plus élevés dans les cellules de la papille dermique et de la matrice en cours de différenciation dans le bulbe pileux (Fig. 3i, j). De plus, nous avons détecté une papille dermique positive pour SOX2 dans certains follicules pileux en régénération, ce qui est cohérent avec son rôle dans la spécification des différents types de cheveux au cours du développement du follicule pileux chez la souris15 (Fig. 3k). Pris ensemble, ces résultats démontrent que les follicules pileux en régénération chez Acomys progressent à travers des étapes définies du développement des follicules pileux, présentent des taux élevés de prolifération, et redéploient les voies moléculaires utilisées pendant le développement des follicules pileux embryonnaires pour régénérer de nouveaux follicules pileux.

La peau des mammifères adultes est normalement incapable de régénérer les structures dérivées de l’épiderme en réponse à une blessure (par exemple, les glandes et les follicules pileux). Une exception à cette règle est l’observation d’une folliculogénèse spontanée dans de grandes plaies d’excision chez les lapins, et plus récemment chez les souris de laboratoire (C57BL6/SJ, SJL ou souche mixte)16,17,18. Le lapin est également l’une des rares espèces de mammifères capables de régénérer de grandes plaies d’oreille par poinçon19. Nous avons émis l’hypothèse que la capacité de régénération observée chez les Acomys pourrait également s’étendre aux tissus de leurs oreilles. Pour le vérifier, nous avons pratiqué des perforations de 4 mm dans les oreilles des deux espèces d’Acomys et, à notre grande surprise, nous avons constaté qu’elles étaient capables de refermer ces grandes perforations (Fig. 4a-c et Fig. S7a-c). Les tissus de l’oreille non blessés contiennent de la peau (épiderme et derme), des follicules pileux associés, des cellules adipeuses, du muscle et du cartilage ; nous avons constaté qu’Acomys était capable de régénérer complètement tous ces tissus avec une grande fidélité, à l’exception du muscle (Fig. 4b-c). Douze jours après la blessure, nous avons observé une accumulation de cellules autour de la circonférence de la blessure sous l’épiderme et bien que la régénération de nouveaux tissus ait été centripète, les cellules se sont accumulées à un degré plus important sur le côté proximal du poinçon. La régénération des follicules pileux et du cartilage s’est déroulée selon une onde proximale à distale (Fig. 4d, e) et, comme pour la peau, l’épiderme folliculaire de l’oreille a activé la signalisation Wnt (Fig. S6d, e). Contrairement à Acomys, nous avons constaté que Mus était incapable de régénérer des poinçons d’oreille de 4 mm et formait plutôt un tissu cicatriciel (Fig. S8a, b). De manière intéressante, malgré la formation de cicatrices, la réparation de l’oreille de Mus a entraîné la formation de novo de condensations cartilagineuses distales par rapport au cartilage coupé, suggérant que Mus pourrait initier, mais pas maintenir, une réponse régénératrice après une blessure de l’oreille (Fig, S8b).

Il n’est toujours pas clair si la régénération des mammifères procède par la formation d’un blastème, ou est plutôt une version exagérée de la croissance hyperplastique20,21,22. La formation de blastèmes est considérée comme une caractéristique de la régénération épimorphe. L’une des caractéristiques d’un blastème de régénération est qu’il contient des cellules en prolifération et maintient la prolifération pendant la régénération23. Nous avons observé une prolifération généralisée dans tout le régénérat de l’oreille chez Acomys et, étonnamment, dans tout le tissu de l’oreille en voie de guérison chez Mus (Fig. 4f, g). Cependant, nous avons noté un manque de prolifération dans l’épiderme distal d’Acomys, alors que nous avons détecté une prolifération dans tout l’épiderme de Mus jusqu’à l’extrémité distale (Fig. 4f, g). Alors que la prolifération a été maintenue dans les oreilles d’Acomys, nous avons observé presque aucune cellule en prolifération dans les oreilles de Mus à un stade plus avancé (Fig. 4h, i).

Une deuxième caractéristique d’un blastème est la formation d’un centre de signalisation épidermique spécialisé (l’épiderme blessé) qui est nécessaire pour que les cellules blastiques en prolifération restent dans le cycle cellulaire24 et est caractérisée par une perte de stratification épidermique, une perte de polarité des kératinocytes basaux et l’absence d’une lamina basale mature25. Après la réépithélialisation chez Acomys, nous avons noté un épaississement de l’épiderme distal, une désorganisation des kératinocytes basaux et l’absence d’une membrane basale mature (Fig. 4j). En comparaison, l’épiderme proche du plan d’amputation présentait une stratification normale et possédait une membrane basale proéminente (Fig. 4k). En revanche, Mus n’a semblé former un épiderme de plaie que de manière transitoire après la réépithélialisation, une zone distale proportionnellement plus petite présentant ces caractéristiques pendant une courte période (données non présentées). À J12 chez Mus, la coloration du collagène de type IV a révélé une membrane basale mature sous l’ensemble de l’épiderme de l’oreille en cours de cicatrisation (Fig. 4l). En outre, l’épiderme a présenté une stratification normale et une polarité apicale-basale appropriée des kératinocytes basaux (Fig. 4g, l).

En plus de la prolifération soutenue et de la formation de l’épiderme de la plaie, les molécules de la matrice extracellulaire (MEC) joue un rôle clé dans le soutien de la prolifération et la direction de la différenciation ultérieure pendant la régénération26. En revanche, des molécules telles que la laminine et le collagène de type I, qui favorisent la différenciation, sont régulées à la baisse dans le blastème au cours de la régénération des membres des amphibiens et sont exprimées au fur et à mesure de la différenciation du système musculo-squelettique26,27. L’examen histologique des oreilles d’Acomys à J12 a révélé des niveaux élevés de fibronectine (FN), un peu de ténascine-C (TN-C) entourant des cellules densément tassées, mais des niveaux très faibles de collagène de type I (Fig. S9a-c). Le collagène de type III était également plus abondant que le collagène de type I pendant la régénération (Fig. S9d-d’). Le TN-C s’est restreint aux zones où le nouveau cartilage a commencé à se différencier et, au sein de ces cellules en voie de différenciation, nous avons constaté l’activation de la voie de signalisation Bmp dans les cellules donnant naissance au nouveau cartilage auriculaire (Fig. 4o et Fig. S10). Au cours de la croissance hyperplastique des oreilles de Mus, l’ECM présentait initialement des niveaux élevés de FN et de faibles niveaux de TN-C, comme c’était le cas pour les oreilles d’Acomys, mais produisait des niveaux relativement plus élevés de collagène de type I (Fig. S9e-g). La production de collagène chez Mus était non seulement plus rapide et plus abondante, mais présentait également un ratio plus élevé de collagène de type I par rapport au type III (Fig. S9h, h’). Étant donné la production exubérante de collagène de type I chez Mus, nous nous sommes demandé si les fibroblastes résidents se différenciaient en myofibroblastes, qui contribuent à la cicatrisation au lieu de la régénération (revue dans28). En utilisant l’alpha actine musculaire lisse (αSMA), nous avons trouvé des myofibroblastes en grande abondance dans tout le tissu de l’oreille chez Mus, alors qu’ils étaient presque complètement absents dans les oreilles d’Acomys (Fig. 4m, n). Ces données corroborent l’importance de l’ECM de la blessure pour promouvoir la prolifération tout en s’opposant à la différenciation et soutiennent des travaux antérieurs montrant que la formation précoce de collagène de type I s’oppose à la régénération des appendices27.

Nos données suggèrent que la régénération réparatrice de l’oreille chez Acomys est un équilibre entre la reformation prématurée du derme (cicatrisation) et le maintien de la prolifération cellulaire dans un environnement pro-régénérateur. En revanche, Mus ne parvient pas à former (ou à maintenir) un épiderme de plaie, ce qui coïncide avec la formation précoce de la membrane basale et la stratification de l’épiderme. Cela entraîne une perte de prolifération cellulaire, une augmentation du dépôt de collagène de type I (à la place du collagène de type III), une activation des myofibroblastes et, finalement, la formation de cicatrices. Bien que nos données suggèrent que la régénération de l’oreille partage des caractéristiques similaires à la formation de blastèmes, la compréhension des signaux moléculaires nécessaires à l’organisation et au maintien d’un épiderme blessé et l’identification de la lignée des cellules régénératrices sont cruciales pour déterminer comment la régénération se produit chez ces animaux. Les futurs travaux visant à étudier comment les Acomys sont capables de contrôler la fibrose permettront de comprendre comment la régénération et la cicatrisation peuvent être équilibrées face à l’infection et à l’inflammation chez les mammifères sauvages et constituent un système modèle idéal pour examiner la régénération épimorphique chez les mammifères.