L'acide rétinoïque (AR), un dérivé actif de la vitamine A, joue un rôle essentiel dans le développement embryonnaire. Cette molécule lipophile, capable de traverser la membrane plasmique, agit comme un morphogène, influençant la différenciation cellulaire, la croissance et l'organogenèse. Son implication dans la mise en place de l'axe antéro-postérieur et dorso-ventral, ainsi que dans la segmentation du rhombencéphale, en fait un acteur clé de l'embryogenèse.
Le Rôle de l'Acide Rétinoïque dans l'Induction des Bourgeons de Membres
L'acide rétinoïque joue un rôle crucial dans l'induction du développement des bourgeons de membres, ces expansions latérales du corps qui donneront naissance aux membres chiridiens. Des expériences classiques ont montré que l'acide rétinoïque, provenant des somites, est un signal inducteur essentiel pour la spécification des cellules des lames latérales en cellules du bourgeon de membre.
Induction du Bourgeon de Membre Antérieur
Le bourgeon de membre antérieur se forme dans une zone où l'acide rétinoïque a une activité importante. La mutation du gène codant la rétinaldéhyde déshydrogénase-2 (Raldh2), l'enzyme clé de la synthèse de l'AR, abolit la formation des nageoires pectorales et des bourgeons de membre antérieurs chez le poisson-zèbre et la souris.
L'acide rétinoïque, en provenance des somites et du mésoderme latéral, ainsi que les gènes Hox et la voie de signalisation Wnt/β-caténine, permettent d'établir l'expression de Tbx5 dans la région de la somatopleure (lame latérale externe) où va se former le bourgeon de membre antérieur. Tbx5 active l'expression de FGF10 qui induit l'expression de FGF8 dans l'AER et une boucle de régulation positive entre les deux FGF se met en place. L'induction du développement du bourgeon de membre est réalisée par l'acide rétinoïque mais aussi par Wnt2b qui est exprimé dans les somites et dans la partie médiale des lames latérales. L'acide rétinoïque et Wnt2b induisent l'expression de Tbx5 qui active ensuite directement l'expression de FGF10 dans le mésenchyme.
Tbx5 est nécessaire à l'initiation du développement du bourgeon de membre antérieur. L'expression de Tbx5 dépend de la signalisation WNT/β-caténine et est nécessaire pour activer l'expression de FGF10 lors de l'initiation de la croissance du bourgeon de membre. FGF10 active FGF8 dans l'ectoderme qui s'épaissit et forme l'AER (pour Apical Ectodermal Ridge ou crête apicale ectodermique).
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L'Axe Proximo-Distal et les Gènes Hox
L'axe proximo-distal du bourgeon de membre est aussi sous le contrôle d'une partie des complexes des gènes Hox (les complexes A et D avec les parties les plus en 5′ du complexe incluant les gènes Hoxa9 à Hoxa13 et Hoxd9 à Hoxd13). La règle de colinéarité que l'on observe pour les complexes Hox et l'axe antéro-postérieur de l'embryon s'applique ici sur l'axe proximo-distal : les gènes les plus en 3′ spécifient les parties les plus proximales (humérus ou fémur) et les gènes les plus en 5′ spécifient les parties les plus distales (les doigts).
D’un côté du groupe de gènes Hox, une série d’enhancers (dans le domaine chromatinien appelé T-DOM) contrôlent l’expression proximale de Hoxd9 à Hoxd11 et de l’autre côté, une série d’enhancers (dans le domaine chromatinien appelé C-DOM) contrôlent l’expression distale de Hoxd12 à Hoxd13.
Un gradient d’un niveau de Meis1/2 élevé à un niveau faible est nécessaire pour une transition de la spécification d’une position proximale (Hoxa10 et Hoxd10 de l’humérus) vers la spécification d’une position intermédiaire (Hoxa11 et Hoxd11 de l’avant-bras). C’est donc un contrôle dépendant des signaux FGF et acide rétinoïque qui contrôlent l’expression de Meis1/2.
Le Métabolisme de l'Acide Rétinoïque
L'acide rétinoïque est synthétisé à partir du rétinol par la rétinaldéhyde déshydrogénase de type 2 (Raldh2) et dégradée en métabolites polaires par Cyp26. Le rétinol est transporté dans le sérum par la protéine de liaison au rétinol (RBP4) sécrétée par le foie. Dans un tissu sécréteur d’AR, le rétinol est oxydé en rétinaldéhyde par l’alcool déshydrogénase (ADH) ou la rétinol déshydrogénase (RDH), et le rétinaldéhyde est oxydé en AR par la rétinaldéhyde déshydrogénase (RALDH). La famille d’enzymes RALDH comprend 3 enzymes : RALDH1, RALDH2 et RALDH3. Leur expression est spécifique dans les différents tissu et leur activité constitue l’étape limitante de la synthèse d’AR. Chez la souris, RALDH2, le plus précoce à être exprimé, est détecté dans la ligne primitive et dans le mésoderme lors de la gastrulation, puis est ensuite localisé dans le mésoderme somitique et latéral, le tube cardiaque postérieur et le cerveau antérieur. L’AR est ensuite libéré et absorbé par les cellules environnantes. Les cellules qui expriment CYP26 (une enzyme à cytochrome P450) déclenchent une oxydation de l’AR pour sa dégradation et ne sont pas des cellules cibles de l’AR. Les cellules cibles de l’AR expriment une protéine cellulaire de liaison à l’AR (CRABP) qui facilite son absorption et son transport vers le noyau où l’AR se lie à son récepteur (RAR).
Mécanisme Moléculaire de l'Action de l'Acide Rétinoïque
L'AR est synthétisée par conversion séquentielle du rétinol (vitamine A) en rétinaldéhyde par la rétinol déshydrogénase 10 (RDH10), suivie de la transformation du rétinaldéhyde en AR. L’AR peut être dégradée par les enzymes CYP26.
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L’hétérodimère formé par les récepteurs nucléaires de l’AR (RAR) complexés avec les récepteurs X des rétinoïdes (RXR) se lie à des séquences d’ADN non codantes appelées éléments de réponse à l’AR (RARE). La liaison de l’AR à RAR crée des changements conformationnels qui modifient le recrutement des coactivateurs des récepteurs nucléaires (NCOA) ou des corépresseurs des récepteurs nucléaires (NCOR) entraînant une modification des marques épigénétiques sur l’histone H3, notamment l’acétylation de la lysine 27 (K27ac) associée à activation ou la triméthylation de la lysine 27 (K27me3) associée à la répression de la transcription. En présence de l’AR, les enhancers RARE stimulent le recrutement de NCOA qui entraînent une augmentation localisée de H3K27ac et/ou une diminution de H3K27me3 conduisant à une expression accrue des gènes cibles tels que Meis1 et Meis2 dans le tissu du tronc embryonnaire. En présence d’AR, les silencers RARE stimulent le recrutement de NCOR qui entraîne une diminution localisée de H3K27ac et/ou une augmentation de H3K27me3 conduisant à une diminution de l’expression des gènes cibles tels que Fgf8 dans le tissu du tronc embryonnaire.
Le motif RARE est composé de 6 paires de bases de séquence conservée suivies d’un espace de 1 à 5 paires de bases puis d’une répétition du même motif. L’espacement entre les motifs est utilisé pour le classer ; par exemple, ici, on observe une répétition espacée de 5 paires de bases et donc le motif est appelé DR5.
Les Récepteurs de l'Acide Rétinoïque
En contraste avec les autres molécules classiques de signalisation en embryologie, l’acide rétinoïque est lipophile et traverse sans problème la membrane plasmique. Les récepteurs aux rétinoïdes appartiennent à la superfamille des récepteurs nucléaires. Ce sont des facteurs de transcription ligand-dépendants qui sont divisés en deux grandes familles. Les récepteurs nucléaires à l’acide rétinoïque (RARs) sont spécifiques à l’AR tout-trans alors que les récepteurs de rétinoïde X (RXRs) ont comme ligand naturel l’acide 9-cis-rétinoïque. Il existe 3 isotypes (α, β et γ) pour chaque famille. Chaque récepteur, comme tout autre récepteur nucléaire, possède des domaines communs à leur activité. Le domaine d’activation de la transcription est retrouvé dans les régions N-terminales, soit A et B. La région E, contient le domaine de liaison au ligand et la zone fonctionnelle de transactivation ligand-dépendant. Enfin, le domaine de liaison à l’ADN se trouve dans la région C et est composé de 2 hélices α ainsi que d’une extension COOH terminale. Les RAREs (rétinoic acid response elements) sont composés de plusieurs répétitions d’AGGTCA séparé par 2 à 5 nucléotides et constitue les séquences visées par les hétérodimère RARRXR. Les RXREs sont composés de la même répétition mais séparés par un seul nucléotide et sont ciblés par les homodimères RXRRXR. La liaison du ligand, AR tout-trans ou acide 9-cis-rétinoique, aux RNR entraine le recrutement de co-activateurs ou co-répresseurs selon le cas. De plus, une enzyme de remodelage de la chromatine est simultanément mobilisée et travaille de concert avec le co-activateur ou le co-répresseur afin de respectivement décompacter ou condenser la chromatine. Selon les situations, il y aura donc soit activation ou répression de la transcription du gène cible. De nouveaux récepteurs orphelins liés aux rétinoïdes (RORs) ont récemment été identifiés. Leur liaison à l’ADN est possible grâce à l’intermédiaire de séquences spécifiques ROREs incluant la répétition de la séquence (A/G)GGTCA. Contrairement aux RAR et RXR, les RORs n’ont pas besoin de former des dimères et se lient aux ROREs directement sous forme de monomère.
L'Acide Rétinoïque et les Leucémies Promyélocytaires Aiguës (LPA)
Dans la quasi-totalité des leucémies promyélocytaires aiguës (LPA), une translocation impliquant les chromosomes 15 et 17 provoque une fusion du gène codant le récepteur de l’acide rétinoïque RARα avec le gène codant PML (nommé d’après la leucémie promyélocytaire). Une fois synthétisée, la protéine-fusion bloque la différenciation des promyélocytes en différents types de granulocytes, qui dépend normalement de la liaison de l’AR à son récepteur, RARα.
La translocation du chromosome t(15;17) produit la protéine de fusion PML/RARA, qui forme un dimère, se lie à l’ADN et réprime la transcription de nombreux gènes, y compris les cibles que RARA active habituellement. Cela entraîne le bloquage de la différenciation des promyélocytes. Les complexes PML/RARA recrutent également la protéine normale PML, ce qui perturbe les complexes ou corps nucléaires (NB) contenant PML dans le noyau. Le traitement combiné à l’acide rétinoïque et à l’arsenic (As) induit la dégradation de la protéine PML/RARA et la dérépression des gènes cibles, ce qui provoque à la fois la différenciation terminale des cellules leucémiques et la reformation des NB. Cela aboutit à la guérison définitive de la maladie chez la plupart des patients.
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Effets de l'Acide Rétinoïque sur la Transcription
L’interaction entre l’AR et ses récepteurs peut avoir seulement un effet indirect sur la transcription de gènes cibles. Par exemple, lors de la différenciation des motoneurones dans la région ventrale du tube neural, la fixation de l’AR sur son récepteur permet le recrutement de l’histone acétyltransférase CBP qui va ouvrir la chromatine et permettre au facteur de transcription Neurogénine-2 d’activer la transcription de ses cibles.
Ngn2 et RAR forment un complexe dans les progéniteurs des motoneurones. L’AR se lie à RAR et recrute le modificateur de chromatine CBP pour former un complexe avec Ngn2/RAR. CBP ouvre la chromatine par l’acétylation des histones H3 et H4 ce qui entraîne l’expression des gènes de différenciation des motoneurones (MN).
Gradient d'Acide Rétinoïque et Expression des Gènes Hox
Au cours de l’embryogenèse précoce des vertébrés, les régions de synthèse et de dégradation de l’AR ont été cartographiées en détectant l’ARN messager codant les enzymes de ce métabolisme. Par exemple, au cours de l’organogenèse chez le poisson zèbre, raldh2 est exprimé dans le mésoderme au milieu du tronc, tandis que cyp26 est exprimé à la fois aux extrémités antérieure et postérieure de la plaque neurale. Les rétinoïdes régulent l’expression des gènes Hox. In vitro, l’ajout d’AR induit l’expression des gènes Hox d’une manière dépendante du temps et de la dose.
L’exposition in vivo à l’AR pendant des fenêtres gestationnelles spécifiques provoque des transformations homéotiques vertébrales qui coïncident avec l’antériorisation des domaines d’expression des Hox, c’est-à-dire que leur limite d’expression antérieure remonte encore plus antérieurement ce qui correspond à une postériorisation des structures (des structures antérieures se mettent à exprimer des gènes Hox qui habituellement sont exprimés plus postérieurement). Dans le cerveau postérieur, l’antériorisation de l’expression de Hox induite par l’AR entraîne une altération de l’identité des rhombomères. Dans le cerveau postérieur, quatre RARE contrôlent chacun l’expression d’un gène Hox. La mutation du RARE de Hoxa1, du RARE de Hoxb1, du RARE de Hoxb4 ou du RARE de Hoxd4 aboutit à une réduction ou à la perte de l’expression d’un gène rapporteur dans le cerveau postérieur en développement, et abolit la réactivité du transgène au traitement par l’AR. Le remplacement du RARE de Hoxb4 par le RARE de Hoxb1 antériorise l’activité transgénique du rapporteur dans le cerveau postérieur.
Un gradient d’AR a été mis en évidence dans le cerveau postérieur. Ce gradient semble être établi par les actions opposées de deux enzymes. Le produit du gène Raldh2 qui convertit le rétinaldéhyde en AR est fortement exprimé dans le mésenchyme cervical entourant la moelle épinière. Cyp26A1, dont le produit inactive l’AR par oxydation, est exprimé dans les régions du cerveau antérieur et moyen de la plaque neurale et dans le rhombomère r2 (r2). Cyp26B1, un homologue de Cyp26A1, est exprimé dans r3 et r5 à E8,0. À E9,5, Cyp26B1 est fortement actif dans r5 et r6, et faiblement actif dans la surface basale de r2, r3 et r4. L’expression de ces gènes établit un gradient d’AR entre le cerveau postérieur antérieur (élevé) et caudal (bas) et établit ainsi les domaines d’expression des gènes Hox sensibles à la RA. Les gènes Hox qui sont induits par l’AR à des concentrations plus faibles in vitro ont des bordures plus antérieures que ceux nécessitant des concentrations plus élevées.
Défauts de Développement Liés à un Déséquilibre de l'Acide Rétinoïque
Un apport excessif d’AR provoque des fentes palatines chez la souris. Les souris avec une délétion dans Cyp26b1, qui code une enzyme clé de la dégradation de l’AR, ont une fente palatine, une micrognathie, une troncature des membres antérieurs et postérieurs et des défauts d’ossification dans les os de la calvaria. De plus, les souris présentant une mutation de la rétinol déshydrogénase 10, une enzyme de la synthèse de l’AR (souris Rdh10m366Asp), ont des taux d’AR réduits et présentent une fente médiane, une syndactylie et un cerveau antérieur mal formé. Les souris présentant des mutations dominantes négatives du récepteur alpha de l’acide rétinoïque (Rara403*) et les souris présentant un déficit des récepteurs alpha et gamma de l’AR (Rara-/-;Rarg-/-) présentent une fente médiane. Ainsi, une quantité appropriée d’AR est cruciale pour le développement embryonnaire normal, avec des niveaux de AR trop ou trop faibles provoquant une fente palatine chez la souris.
Une diminution des taux sériques de vitamine A et de protéine de liaison à la PR 4 (RBP4), un translocateur de l’AR, a été signalée chez des patients. De plus, on sait qu’un apport excessif en vitamine A est associé à de multiples malformations congénitales.
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