L'embryogenèse est un processus complexe qui conduit à la formation d'un organisme à partir d'une seule cellule, l'œuf fécondé. Ce processus implique une série d'étapes, notamment la segmentation, la gastrulation et l'organogenèse. L'organogenèse est la période pendant laquelle les différents organes et systèmes de l'organisme se forment à partir des trois couches germinatives : l'ectoderme, le mésoderme et l'endoderme. Parmi les structures qui se développent pendant l'organogenèse, on trouve le bourgeon caudal, une ébauche embryonnaire qui joue un rôle crucial dans la formation de la queue et des régions postérieures du corps.
Formation du bourgeon caudal
Le bourgeon caudal apparaît après la fermeture du neuropore postérieur, marquant une étape importante dans le développement embryonnaire. Sa croissance est intimement liée à la formation de la queue embryonnaire. Chez les oiseaux, il est généralement admis que le bourgeon caudal est constitué de cellules pluripotentes qui s'ajoutent caudalement aux structures déjà en place, permettant ainsi l'allongement de l'axe rostro-caudal (de la tête à la queue).
Développement chez la grenouille
Chez l'embryon de grenouille, après la neurulation, l'embryon entre dans une phase d'organogenèse où l'on observe une subdivision en régions céphalique, troncale et caudale. C'est à ce moment qu'apparaît le bourgeon caudal, donnant son nom à cette période.
Premières ébauches d'organes
Pendant que le système nerveux continue sa morphogenèse, d'autres ébauches d'organes se développent simultanément. Sous l'épiderme, ces ébauches font saillie et deviennent visibles, notamment les ébauches oculaire, branchiale, cardiaque et caudale.
Évolution morphologique
L'embryon subit des changements de forme significatifs. Un épaississement épidermique pigmenté et muqueux, appelé glande adhésive, se forme dans la région céphalique ventrale. Le bourgeon caudal s'allonge et se divise en trois régions antéro-postérieures : céphalique, troncale et caudale. Les emplacements du cerveau et de la moelle épinière deviennent également reconnaissables.
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Précisions des ébauches d'organes
Au stade de bourgeon caudal moyen, les ébauches d'organes se précisent et l'allongement de l'embryon s'accentue. Outre les ébauches mentionnées précédemment, les ébauches céphaliques maxillaire et mandibulaire, ainsi que l'ébauche pronéphrétique dans la région troncale antérieure, deviennent visibles. Une légère dépression se forme dans la région ventrale de la tête, marquant l'emplacement de la future bouche (dépression stomodéale).
Individualisation de l'ébauche caudale
Au stade de bourgeon caudal âgé, l'ébauche caudale est bien individualisée. La ligne médiane troncale et caudale, de la région postcérébrale au proctodeum, est surmontée du voile natatoire. L'embryon commence à se mouvoir grâce à des contractions musculaires spontanées.
Stade larvaire
Une fois éclos, l'embryon nage par saccades et se fixe temporairement à son environnement grâce à son organe adhésif. Au stade de bourgeon caudal tardif, le voile natatoire est bien développé.
Segmentation et somitogenèse
La somitogenèse est un processus essentiel au cours du développement embryonnaire des vertébrés. Elle se caractérise par la formation périodique de somites, des blocs de mésoderme qui donneront naissance aux vertèbres, aux muscles squelettiques et à une partie de la peau.
Formation des somites
La somitogenèse débute par l'élongation de l'axe antéro-postérieur de l'embryon et l'ajout progressif de somites à partir du mésoderme pré-somitique (PSM). Une paire de somites est ajoutée à intervalles réguliers, par exemple toutes les 90 minutes chez l'embryon de poulet. Au fur et à mesure que les cellules quittent l'extrémité rostrale du PSM pour former chaque somite, de nouvelles cellules se déplacent continuellement du bourgeon caudal pour rejoindre le PSM à l'extrémité caudale de l'embryon.
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Transition épithélio-mésenchymateuse
Lors de la somitogenèse, les cellules du PSM subissent une transition mésenchymato-épithéliale (TME). Elles augmentent progressivement leur densité de molécules d'adhérence cellule-cellule et diminuent leur motilité. Les cellules PSM dorsales subissent une maturation précoce, formant une monocouche épithéliale le long de la limite de l'ectoderme, avant même la formation des somites.
Progéniteurs neuromésodermiques
Les derniers somites (les plus postérieurs) ne se forment pas tout à fait selon les mêmes modalités que les premiers somites (les plus antérieurs). Après la formation des somites les plus antérieurs, l'allongement de l'axe est alimenté par un pool de progéniteurs neuromésodermiques (NMP), qui donnent naissance à des composants neuronaux de la moelle épinière ainsi qu'au tissu mésodermique des somites. Les NMP sont caractérisés par la co-expression de facteurs de transcription associés à la gastrulation, au développement mésodermique et neural, notamment Brachyury (T), Sox2 et Nkx1.2.
Détermination du mésoderme et du tube neural
La détermination du mésoderme (et par conséquent du mésoderme pré-somitique) et du tube neural se fait par des inductions différentielles : FGF/Wnt en faveur du mésoderme, acide rétinoïque en faveur du tube neural.
Régulation génique de la somitogenèse
Les cellules souches NMP bipotentielles, définies par l'expression de Sox2 et T (Brachyury), génèrent les progéniteurs de la moelle épinière du tronc (NPC, cellules progénitrices neurales) et des somites (MPC, cellules progénitrices mésodermiques). La voie Wnt3a/β-caténine active ensuite les gènes cibles T et Msgn1 (Mésogénine-1) pour spécifier le destin du mésoderme paraxial présomitique. Msgn1 initie les programmes génétiques qui définissent l'identité du mésoderme pré-somitique (PSM) et son comportement cellulaire en activant l'expression des régulateurs principaux : Snail1 pour la motilité et Tbx6 pour la suppression neurale, entre autres. L'expression de Msgn1 et Tbx6 doit ensuite être inhibée pour que les cellules du mésoderme pré-somitique deviennent des somites.
Robustesse de la somitogenèse
La somitogenèse est étonnamment robuste aux perturbations (à la fois spatiales et temporelles). Les modifications du nombre total de cellules embryonnaires ou de la rapidité d'ajout de nouvelles cellules à l'extrémité caudale du PSM entraînent des modifications compensatoires de la taille et du moment de la formation des somites, de sorte que l'embryon produit finalement le même nombre final de somites que normalement. Une augmentation proportionnelle de la taille du somite avec la vitesse de la position de déplacement caudale du front de détermination ou avec la vitesse à laquelle les cellules rejoignent l'extrémité caudale du PSM est sans doute à l'œuvre.
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Horloge de segmentation
La somitogenèse est régulée par une horloge moléculaire complexe, basée sur un oscillateur intracellulaire qui détermine le destin cellulaire en fonction de sa phase au moment de la détermination. Des réseaux comparatifs de voies de gènes cycliques ont été identifiés chez la souris, le poulet et le poisson zèbre, impliquant les voies de signalisation Notch, FGF et Wnt. Cependant, les gènes individuels qui oscillent diffèrent selon les espèces, à l'exception des facteurs de transcription HES/HER sensibles à Notch, ce qui suggère que la signalisation Notch est au cœur de l'horloge de la somitogenèse.
Rôle de la signalisation Notch
L'activation de Notch est nécessaire à la formation de somites. Chez la souris, les ondes oscillatoires du récepteur Notch1 et l'expression du ligand Delta-like 1 (Dll1), ainsi que du récepteur Notch activé (le domaine intracellulaire clivé, NICD) parcourent le PSM de l'arrière vers l'avant, où les oscillations s'arrêtent.
Front de détermination
La position dans le PSM antérieur où les oscillations de Notch s'arrêtent et où l'expression de Mesp2 établit la future frontière somite est appelée le front de détermination. Cette région est également la limite antérieure du front d'onde dans le modèle classique "horloge et front d'onde" proposé il y a près de 50 ans pour expliquer la formation périodique de segments dans le PSM. Dans ce modèle, l'activité du front d'onde empêche le PSM de répondre à l'horloge de segmentation ; par conséquent, les somites ne se forment qu'en avant, là où le front d'onde se termine.
Influence des signaux FGF et WNT
Dans les embryons de poulet ou de poisson zèbre, la protéine FGF ajoutée de manière exogène ou l'inhibition pharmacologique de la signalisation FGF déplace le front de détermination respectivement vers l'avant ou vers l'arrière. Chez la souris, l'inactivation médiée par Cre de Fgf4 et Fgf8 spécifiquement dans le PSM entraîne une expansion initiale de l'expression de Mesp2, suivie de l'expression prématurée de marqueurs de somites dans tout le PSM. La signalisation canonique WNT est également impliquée dans le front d'onde, principalement parce que l'activation ectopique de la β-caténine dans le PSM entraîne une expansion de ce tissu et un déplacement vers l'avant de l'expression de Mesp2.
Interactions entre FGF et Notch
La signalisation FGF est également impliquée dans la régulation des composants clés de la voie Notch qui jouent un rôle dans l'horloge de segmentation. L'inhibition pharmacologique du FGF perturbe les oscillations de Notch. Dans les embryons de souris avec une perte du récepteur FGF dans le PSM, ou de Fgf4 et/ou Fgf8, l'expression des gènes de la voie Notch tels que Hes7 est abaissée.
Mécanismes biomécaniques
En plus du modèle génétique et paracrine, des mécanismes biomécaniques sont à l'œuvre. La tension appliquée le long de l'axe antéro-postérieur peut induire la formation de frontières intersomitiques dans des emplacements non spécifiés par la signalisation, suggérant que des mécanismes mécaniques peuvent être importants dans la génération de frontières intersomitiques.
Anomalies liées au bourgeon caudal
La persistance du bourgeon caudal après la huitième semaine de développement embryonnaire peut entraîner la formation d'une queue humaine. Cette anomalie rare peut être classée en "vraies queues" et "pseudo-queues".
Vraies queues
Les vraies queues sont des vestiges de la partie terminale de l'embryon (bourgeon caudal). Elles contiennent du tissu adipeux et conjonctif, du muscle, des vaisseaux et des nerfs, mais ne renferment ni os, ni cartilage, ni moelle épinière. Elles sont recouvertes d'une peau normale comportant des follicules pileux et des glandes sudoripares. La longueur d'une vraie queue est généralement comprise entre 3 et 13 cm, bien que des cas exceptionnels, comme celui d'un nouveau-né égyptien avec une queue de 22 cm, aient été rapportés.
Pseudo-queues
Les pseudo-queues sont des excroissances de la région lombo-sacrée associées à des anomalies de développement des vertèbres. La moelle épinière et ses enveloppes (méninges) peuvent former une hernie à l'extérieur du corps sous la forme d'une saillie recouverte par la peau (myéloméningocèle). Dans d'autres cas, on observe un défaut de fermeture de la vertèbre dans sa région postérieure de même que la présence d'un lipome.
Classification des queues humaines
En 2020, une nouvelle classification a été proposée selon que la queue comporte ou non des éléments osseux et selon sa localisation :
- Type I : Lésions contenant des éléments osseux.
- Type IA : Protusions du coccyx.
- Type IB : Lésions non-coccygiennes.
- Type II : Lésions dépourvues d'éléments osseux.
- Type IIA : Localisées au-dessus du sillon inter-fessier.
- Type IIB : Situées dans la région périanale, à droite ou à gauche.
Implications cliniques
La présence d'une queue chez un nouveau-né nécessite des examens d'imagerie pour déterminer s'il existe des malformations associées de la moelle épinière et du rachis, ce qu'on appelle un dysraphisme spinal. Un lipome est l'anomalie la plus fréquemment responsable. Le dysraphisme spinal peut entraîner un "syndrome de la moelle attachée", se manifestant par des troubles neuro-orthopédiques et sphinctériens.
Prise en charge
Lorsque l'appendice est superficiel et isolé, le pronostic est excellent, l'exérèse chirurgicale étant suffisante. En revanche, en cas de spina lipome, la taille et la localisation conditionnent la gravité de l'anomalie. La libération de la moelle épinière qui est fixée au lipome peut être nécessaire.
Origine de la persistance de la queue
Les mécanismes physiopathologiques à l'origine de la persistance d'une queue humaine sont encore mal connus. On soupçonne que l'absence de régression de cette formation embryonnaire serait imputable à la disjonction précoce et localisée du tube neural.
Développement du système nerveux
Le système nerveux des vertébrés se met en place lors du développement embryonnaire. La partie dorsale du neurectoderme, appelée neuroderme, donne l'ensemble des structures nerveuses, tandis que l'ectoderme donne les structures épidermiques (peau, etc.). Le mésoderme donne essentiellement les tissus musculaires et les reins.
Neurulation et formation du tube neural
Suite à la gastrulation et à la neurulation, les différents feuillets se mettent en place, aboutissant au plan d'organisation de l'animal. Au cours de la neurulation, le neuroderme subit d'importants mouvements morphogénétiques, aboutissant à la formation d'un tube neural dorsal.
Vésicules cérébrales
La partie antérieure du tube neural présente un renflement, correspondant à une vésicule unique, l'ébauche du système nerveux céphalique. Cette vésicule initiale donne naissance à trois vésicules : le prosencéphale (antérieur), le mésencéphale (moyen) et le rhombencéphale (postérieur). Le prosencéphale se divise ensuite en un télencéphale antérieur et un diencéphale, tandis que le rhombencéphale donne le métencéphale et le myélencéphale (postérieur). À ce stade, le tube neural antérieur est donc composé de cinq vésicules.
Contrôle génétique
La mise en place et la différenciation des vésicules neurales sont sous le contrôle des gènes du développement. L'importance relative de ces vésicules (et surtout des structures qui en dérivent) varie énormément au sein des différents groupes de vertébrés.
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