Le développement embryonnaire est un processus complexe et fascinant, orchestré par une série d'événements finement régulés qui aboutissent à la formation d'un organisme fonctionnel. Parmi ces événements, la mise en place des axes corporels, et plus particulièrement de l'axe antéro-postérieur (AP), est une étape cruciale. Cet article explore les mécanismes moléculaires et cellulaires qui gouvernent l'établissement de cet axe chez différents organismes modèles, des mammifères aux insectes, en mettant en évidence les similitudes et les différences dans les stratégies utilisées.
L'Axe Antéro-Postérieur chez les Mammifères
Chez les mammifères, le premier signe morphologique de la formation de l'axe antéro-postérieur dans l'embryon est la ligne primitive pendant la gastrulation à E6,5 (jours de développement chez la souris). L'initiation de cet axe est intimement liée au rôle joué par des cellules extra-embryonnaires appelées AVE (Anterior Visceral Endoderm). L'AVE, dès E5,5, sécrète des inhibiteurs des voies TGFβ/Nodal et Wnt, repoussant ainsi la formation de la ligne primitive vers le pôle opposé. Il a été démontré que les cellules AVE sont déjà spécifiées à E4,5, au moment de l'implantation, soit deux jours avant le début de la gastrulation.
La Segmentation de l'Axe Antéro-Postérieur chez les Insectes
Les insectes, organismes segmentés (métamérisés) le long de l’axe antéro-postérieur (AP), présentent une organisation corporelle divisée en tagmes : tête, thorax, abdomen. La régionalisation des segments est marquée par la présence d'appendices spécifiques à chacun d'eux, tels que les antennes, les pièces buccales et les pattes.
Le Rôle de Bicoid chez la Drosophile
Chez la drosophile, des gradients de protéines établis maternellement, tels que Bicoid (Bcd) et Nanos, définissent les régions antérieures et postérieures. Ces gradients activent une cascade complexe de régulation des gènes, conduisant à la segmentation et à la spécification régionale de l’axe AP. L'ARNm de bicoid (bcd) est positionné au futur pôle antérieur de l’embryon. Les ovocytes et les embryons sans bicoid ne forment plus de structures antérieures. L’injection d’un ARNm bcd permet de restaurer le phénotype sauvage, et son injection du côté postérieur provoque une duplication du côté antérieur en miroir.
Distribution et Fonction de Bicoid
La protéine Bicoid (Bcd) est détectée par un anticorps anti-Bcd (fluorescence rouge) dans les embryons du cycle nucléaire 4-14 sauvages (WT) et mutants exu et stau, qui sont déficients pour des protéines importantes pour la localisation antérieure de l’ARNm de bcd. La fluorescence est plus intense à l’extrémité antérieure et, dans les embryons mutants, elle s’étend plus postérieurement que dans le WT. Une fois le gradient formé, la protéine Bcd, un facteur de transcription à homéodomaine, se lie à des motifs de séquence d’ADN spécifiques et active de manière différentielle les gènes le long de l’axe AP. Bcd peut affecter l’expression de gènes cibles dans les régions antérieures et postérieures, en formant des centres locaux dans les noyaux suffisamment concentrés pour permettre la liaison de Bcd aux enhancers.
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Régulation de Hunchback par Bicoid
L’un des gènes cibles de Bcd est hunchback. L’étude de l’enhancer proximal hb (hunchback), une région de 750 pb régulée par Bicoid, a démontré qu’avec le promoteur associé, P2, il est suffisant pour récapituler correctement la dynamique spatio-temporelle d’établissement de l’expression de Hunchback. La protéine Hb maternelle est également présente dans un gradient antéro-postérieur et soutient l’expression zygotique de hb en facilitant cette expression à un seuil de concentration de Bcd inférieur.
Rôle de Bicoid dans la Répression de la Traduction
Bcd a également un rôle de répresseur de la traduction, avec le même homéodomaine avec lequel il se fixe sur l’ADN et contrôle la transcription. Sa principale cible est l’ARNm de caudal, qui est uniformément réparti dans le cytoplasme. L’homéodomaine de Bcd se fixe sur une séquence du 3’UTR de l’ARNm de caudal et empêche la fixation correcte du complexe d’initiation de la traduction. Cette fonction nécessite l’activité de Bin3, une ARN méthyltransférase qui méthyle l’ARN 7SK, impliqué dans le complexe répresseur de la traduction initié par Bcd. Ainsi, malgré la présence d’ARNm caudal uniforme dans l’embryon, la protéine Caudal n’est présente que dans la partie postérieure.
Localisation de l'ARNm de Bicoid
La localisation antérieure de l’ARNm de bcd est fondamentale et dépend de la protéine Staufen. L’ARNm de bcd est synthétisé dans les cellules nourricières qui appartiennent à la lignée germinale. Les ARNm passent entre les cellules nourricières, puis vers l’ovocyte grâce à des ponts cytoplasmiques. Les cellules nourricières se trouvent du côté du pôle antérieur de l’ovocyte, ainsi l’ARNm de bcd est spontanément localisé antérieurement dans un premier temps. La région 3’UTR de l’ARNm de bcd présente une séquence particulière qui provoque une structure secondaire remarquable de l’ARN. Cette structure avec des tiges et des boucles est reconnue par Staufen, lequel forme un complexe avec le moteur moléculaire dynéine. Dans l’ovocyte, le réseau de microtubules est orienté de telle manière que le pôle négatif des microtubules est orienté du côté du futur pôle antérieur de l’embryon. Ainsi, même si l’ARNm de bcd tend à diffuser postérieurement, il est sans arrêt ramené vers la région antérieure par la dynéine qui se déplace vers le pôle négatif des microtubules.
Rôle de Nanos dans la Segmentation Postérieure
La segmentation postérieure est contrôlée par Nanos, qui est traduit à la fin de l’ovogenèse à partir du sous-ensemble d’ARNm nos synthétisé par la mère et localisé dans le pôle plasmique du cortex postérieur de l’ovocyte. Le transport de l’ARNm osk dans l’ovocyte dépend de réseaux de microtubules polarisés dont les extrémités positives sont enrichies au pôle postérieur. Une fois localisé, l’ARNm osk produit 2 isoformes, Osk long et court, grâce à des utilisations alternatives de 2 codons d’initiation dans le même cadre de lecture. L’Osk long partage l’intégralité de la fraction Osk court, mais ils ont des fonctions distinctes. Osk court initie l’assemblage de plasme germinatif en recrutant des composants tels que Vasa (Vas), Tudor (Tud) et Aubergine (Aub), ainsi que des ARNm qui codent des facteurs impliqués dans l’établissement de cellules germinales. En revanche, le long Osk n’a pratiquement aucune activité pour recruter les composants du plasme germinatif mais est indispensable pour les ancrer au cortex de l’ovocyte.
Fonction de Nanos comme Répresseur
Nanos est un répresseur qui régule la segmentation en bloquant la traduction de l’ARNm hunchback (hb) maternel. Nanos ne reconnaît pas seul les ARNm cibles ; des expériences sur trois cibles régulatrices de Nanos bien étudiées - hb, bcd et CycB - ont montré que Nanos se lie conjointement avec Pumilio (Pum) à des éléments de séquence conservés dans chaque 3′-UTR (appelé NRE pour Nanos Response Elements). Pumilio est une protéine de liaison à l’ARN de grande spécificité qui est uniformément distribuée dans l’embryon précoce.
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Facteurs Pionniers et Accessibilité de la Chromatine
Au cours du développement embryonnaire précoce, les régions activatrices doivent devenir exemptes de nucléosomes, afin d’être accessibles à la liaison des facteurs de transcription morphogènes. Ce processus est initié par une classe particulière de facteurs de transcription appelés facteurs pionniers. Au stade précoce du blastoderme, Zelda (Zld) déposé par la mère agit comme un facteur pionnier crucial pour augmenter l’accessibilité de la chromatine en permettant le déplacement local des nucléosomes, l’effet dépendant du nombre et de la position des motifs Zld.
Le Gène Gap Hunchback
Le gène gap hunchback (hb) est essentiel pour la régionalisation de l’axe antéro-postérieur lors de l’embryogenèse de la drosophile, principalement par l’établissement des limites d’expression génique d’autres gènes gap par répression transcriptionnelle. hb est exprimé maternellement et zygotiquement. L’expression de l’hb zygotique est dynamique.
Mise en Place des Axes chez les Vertébrés
Les Vertébrés, appartenant aux Bilatériens, possèdent trois axes : antéro-postérieur (AP), dorso-ventral (DV) et droite-gauche. En tant que Chordés, ils sont Epineuriens, avec un système nerveux central dorsal formé à partir d'un tube neural produit lors de la neurulation. La structure fondamentale qui coordonne la mise en place des axes des vertébrés est l’organisateur de Spemann, correspondant à la lèvre dorsale du blastopore chez les Amphibiens et au nœud de Hensen chez les Amniotes.
L'Organisateur de Spemann
L’expérience de Spemann et Mangold réalisée en 1924 a démontré que la greffe de la lèvre dorsale du blastopore d’une jeune gastrula d’amphibien sur la région ventrale d’un autre amphibien induit la formation d’un deuxième axe dorsal. Cette expérience a révélé que la lèvre dorsale du blastopore greffée s’est développée en corde et a induit les tissus ventraux alentour à donner du tissu nerveux et des somites. La transplantation d’un macromère dorsal (D1) vers la région ventrale d’un embryon de xénope de 32 cellules provoque également une duplication d’axe dorsal. Ces évènements sont liés à la rotation corticale qui suit la fécondation, où le cytoplasme du zygote juste sous la membrane plasmique se déplace d’un angle de 30° vers le point d’entrée du spermatozoïde.
Rotation Corticale et Accumulation de β-caténine
L’une des protéines déplacées lors de la rotation corticale est Dishevelled, qui protège du côté dorsal la β-caténine de la destruction induite par GSK3β. Le ligand Xwnt11 est également nécessaire à cette étape pour renforcer la protection de la β-caténine, ainsi que la protéine Huluwa qui dégrade Axine1, une protéine qui facilite la dégradation de la β-caténine. β-caténine s’accumule alors sur la face dorsale de l’embryon et entre dans le noyau au stade 16 cellules, où elle s’associe aux facteurs de transcription LEF/TCF.
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Convergence des Voies de Signalisation
L’organisateur de Spemann se met en place à la convergence entre deux voies de signalisation complémentaires : la voie de la β-caténine, activée dans la région dorsale par la rotation corticale, et la voie Nodal (ou Xnr chez le xénope), dont l’expression des ligands est activée dans l’endoderme par le facteur de transcription VegT. Une forte concentration en Xnr est nécessaire pour induire du mésoderme dorsal et donc un organisateur de Spemann. L’incubation d’embryons dans une solution de chlorure de lithium (LiCl) au stade 32 cellules a des effets dorsalisants (et antériorisants).
Centre de Nieuwkoop
Les blastomères végétatifs qui expriment le plus de Xnr correspondent au centre de Nieuwkoop, un centre caractérisé par sa capacité à induire un organisateur de Spemann. L’activation de l’expression de Xnr5 et de Xnr6 dans l’endoderme dorsal (centre de Nieuwkoop) est dépendante de la rotation corticale et de l’entrée de la β-caténine dans le noyau du côté dorsal. VegT est également impliqué dans l’activation de l’expression de ces gènes.
Le Bouclier Embryonnaire du Poisson-Zèbre
Chez le poisson-zèbre, la β-caténine maternelle joue un rôle important dans la formation du bouclier et de l’axe DV. Elle active la transcription de gènes spécifiques dorsaux, notamment squint, goosecoid, bozozok et chordin (chd), induisant ainsi la formation de l’organisateur de Spemann. Contrairement au xénope, ce n’est pas Wnt11 mais Wnt8a qui contribue à activer la voie Wnt/β-caténine du côté dorsal.
Inhibition des Signaux Inducteurs par l'Organisateur de Spemann
L’organisateur de Spemann sécrète des antagonistes de BMP tels que Chordine et Noggin, des antagonistes de Wnt tels que Dkk1, Frzb1 et Crescent, et des inhibiteurs multivalents comme Cerberus. Juste avant la gastrulation, l’activité BMP établit un gradient ventral haut à dorsal bas, et une faible activité BMP sur la face dorsale permet aux cellules ectodermiques d’acquérir un destin neural.
Chordine et l'Inhibition de BMP
Chordine sécrétée par l’organisateur de Spemann s’oppose à l’activité BMP4 en se liant aux BMP et en les empêchant d’atteindre leur récepteur, ce qui favorise les destins dorsaux. Chordine et BMP diffusent dans l’espace extracellulaire et forment des gradients d’activité opposés dans l’embryon. Cependant, Chordine a un effet positif sur la signalisation BMP dans la région ventrale grâce au navettage qu’elle réalise de BMP.
Positionnement des Membres et Gènes Hox
Les malformations congénitales des membres sont relativement fréquentes. La biologie fondamentale étudie les bourgeons des membres en développement et comment ce développement peut être lié aux malformations. Les mammifères possèdent toujours sept vertèbres cervicales et les membres se positionnent à la jonction entre ces vertèbres et les vertèbres thoraciques. La détermination de la position des membres a lieu très tôt dans le développement, au moment de la gastrulation. Les gènes Hox jouent un rôle dans l’initiation de la position des membres. À la fin de la gastrulation, les gènes Hox sont déjà organisés en « domaines » qui préfigurent l’initiation des membres. Les gènes Hox répondent à une colinéarité temporelle et spatiale.
Gastruloïdes Humains et Étude de l'Axe Antéro-Postérieur
L’étude de l’axe antéro-postérieur chez l’humain est limitée pour des raisons éthiques. Cependant, des chercheurs ont développé des gastruloïdes, des structures tridimensionnelles de cellules souches embryonnaires humaines qui s’organisent selon un axe antéro-postérieur. Ces structures présentent des caractéristiques clés d’un embryon de 21 jours après seulement 72 heures de croissance.
La Voie Wnt et la Polarisation de l'Axe Antéro-Postérieur
La voie Wnt canonique est impliquée dans la polarisation de l’axe antéro-postérieur chez de nombreuses espèces animales. La voie de signalisation Wnt a une origine ancienne et est impliquée dans de nombreux processus développementaux tels que l’acquisition de l’identité cellulaire, la différenciation, la polarité cellulaire ou la prolifération. Chez de nombreux animaux, les ligands Wnt sont globalement exprimés dans la partie postérieure et les antagonistes dans la partie antérieure.
Fonction Précoce de la Voie Wnt
La fonction la plus précoce de la voie Wnt/β-caténine a été initialement établie chez l’embryon d’oursin. La voie Wnt canonique est nécessaire et suffisante à la spécification de l’endomésoderme. La même fonction a ensuite été retrouvée chez d’autres animaux à symétrie bilatérale (autres échinodermes, ascidies, hémichordés, némertes), mais aussi chez les cnidaires. Chez l’hémichordé Saccoglossus kowalevskii, l’endomésoderme défini par la β-caténine agit comme un organisateur en instruisant l’ectoderme à adopter une identité postérieure.
Voie Wnt et Régionalisation du Système Nerveux
La voie Wnt régionalise le système nerveux central des vertébrés. L’expression de ligands postérieurement et d’antagonistes antérieurement permet d’établir un gradient d’activité Wnt canonique décroissante le long de l’axe postéro-antérieur.
Rôle de Wnt dans l'Élongation Postérieure
Chez de nombreux animaux, le corps s’allonge au cours de la vie embryonnaire par addition d’éléments dans la partie postérieure. La voie Wnt est impliquée et promeut la formation de structures additionnelles, donc postérieures.
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