Introduction
Le développement embryonnaire est un processus complexe et fascinant, marqué par la différenciation de cellules pluripotentes en types cellulaires spécialisés. Parmi ces types cellulaires, les cellules des tendons jouent un rôle crucial dans le système musculo-squelettique. Cet article explore le développement des cellules tendineuses embryonnaires, en mettant en lumière les mécanismes moléculaires et les interactions cellulaires impliqués.
Organisation du Mésoderme et Formation des Somites
Les cellules musculaires striées squelettiques dérivent du mésoderme mis en place lors de la gastrulation. Ce feuillet provient de la ligne primitive, les cellules épithéliales de cette ligne perdent leur caractère épithélial pour devenir mésenchymateuses (transition épithélio-mésenchymateuse) et migrent entre ectoderme et endoderme. Elles forment alors le troisième feuillet ou mésoderme. Selon sa position dans l'axe médiolatéral, le mésoderme se dispose en plusieurs domaines. Les muscles striés squelettiques dérivent essentiellement du domaine para-axial (situé de part et d'autre de la notochorde).
Le mésoderme para-axial issu de la ligne primitive se met en place selon un gradient rostrocaudal (les cellules les plus caudales s'ajoutent à l'extrémité déjà formée selon le mode de croissance appelé accrétion). Il forme alors le mésoderme présomitique dont l'extrémité rostrale se condense pour former un cube ou somite. Cette structure mésodermique est constituée par un mur épithélial entourant un cœur mésenchymateux. Le somite subit l'action polarisatrice des tissus environnants et donne naissance au sclérotome ventral et au dermomyotome dorsal, ce dernier se divisant en dermatome situé sous l'ectoderme de surface et en myotome intermédiaire.
Le somite (So) résulte de la segmentation du mésoderme présomitique mis en place lors de la gastrulation. Il se dissocie en dermomyotome (DM) dorsal et sclérotome (Scl) ventral. Puis le dermomyotome évolue pour générer le dermatome (De) et le myotome (My) qui donne naissance aux cellules musculaires striées squelettiques.
Détermination et Différenciation des Cellules Myogéniques
Au cours du développement, la première étape est la détermination des cellules du mésoderme en cellules myogéniques (myoblastes et cellules satellites), capables de former des muscles. Pour cela, l’expression et l’accumulation des facteurs de transcription MyoD et Myf5 seront décisifs. Faisant partie des protéines bHLH (basic helix-loop-helix), ils sont caractéristiques des cellules myogéniques. Leur activation se fait grâce à un autre facteur de transcription, Pax3, normalement exprimé lors des premiers stades du développement embryonnaire par les cellules du mésoderme. L’absence de MyoD et Myf5 chez l’embryon de souris entraîne la mort à la naissance due à l’absence totale des muscles squelettiques.
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Rôle de Pax3 et des Voies de Signalisation
L’exigence de Pax3 pour le bon développement du dermomyotome est associée à son rôle pour assurer la survie cellulaire. En effet, en l’absence de Pax3, les cellules du dermomyotome subissent une apoptose. Des lignées de souris génétiquement modifiées contenant différents allèles de Pax3 ont permis de comprendre le rôle de Pax3 dans la myogenèse et de découvrir certains de ses gènes cibles directs. La modulation de l’expression des gènes opérant en aval de Pax3 selon son activité transcriptionnelle en présence de chacun de ses allèles, a permis l’identification de gènes cibles directs de Pax3 comme Myf5, Fgfr4, Itm2a, Dmrt2 et c-Met. Il y a aussi des régulations génétiques secondaires qui renforcent et stabilisent les niveaux d’expression. En plus de son rôle de facteur de transcription, Pax3 est impliqué dans le remodelage de l’accessibilité de la chromatine au niveau des loci myogéniques. Cela se produit en coopération avec Six4 et le membre de la famille de domaines TEA 2 (TEAD2).
La structuration appropriée des somites et du dermomyotome puis du myotome repose sur plusieurs voies de signalisation telles que FGF, WNT et SHH qui ont été identifiées dans des études complémentaires réalisées sur des embryons de souris, de poulet et de poisson zèbre. Ces voies de signalisation convergent pour faire exprimer Pax3 et ensuite pour enclencher le programme myogénique. Notamment, Wnt1 et Wnt3a, produits dans le tube neural dorsal, adjacent au site de la myogenèse épaxiale, activent préférentiellement l’expression de Myf5 tandis que Wnt6 et Wnt7a, produits dans l’ectoderme dorsal, induisent préférentiellement l’expression de MyoD (Ikeya et Takada, 1998, Brunelli et al., 2007).
Développement des Tendons et Interactions Muscle-Tendon
Au cours du développement embryonnaire, la formation des tendons nécessite la présence des muscles, soulignant l’existence d’interactions entre muscle et tendon. Il existe des évidences expérimentales et des arguments pour impliquer les voies de signalisation Fgf (Fibroblast growth factor) et Bmp (Bone morphogenetic protein), les facteurs de transcription Egrs (Early growth response) et les collagènes V, XII, XV et XXII dans la formation des muscles et des tendons.
Ce projet envisage de comprendre la nature moléculaire de ces interactions muscle-tendon et la manière dont les facteurs de croissance, les facteurs de transcription et les collagènes (produit par les muscles et/ou tendons) s’intègrent pour former des tendons matures. Des stratégies in vivo utilisant les modèles poulet, poisson zèbre et murin, dans le but de caractériser les mécanismes moléculaires qui régissent le développement des tendons et ses interactions avec les muscles. Des cellules souches adultes seront également utilisées afin de déterminer quelles molécules (facteurs de transcription ou croissance) ont la propriété de déclencher et réguler la synthèse des collagènes associés aux tendons. Une partie biochimique consistera à identifier les interactions protéiques entre les facteurs de croissance et les collagènes.
L'étude du transcriptome dans l'estomac de poulet a révélé l'expression de gènes comme Scleraxis (Scx) et Tenomodulin (Tnmd). Scx, un facteur de transcription spécifique aux tendons, délimite des structures tendineuses associées au muscle lisse viscéral dans le mésenchyme de l'estomac. La voie de signalisation Fgf est nécessaire pour induire l'expression de Scx et permettre la différenciation des domaines tendineux. La modification de l'expression ou de la fonction de Scx perturbe l'organisation des tendons. Le mésenchyme indifférencié de l'estomac peut générer des cellules musculaires lisses viscérales et des cellules de tendon.
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Identification de Nouveaux Acteurs Moléculaires
L’identification de nouveaux acteurs moléculaires (facteurs de transcription, facteurs secrétés) impliqués dans la différenciation tendineuse au cours du développement est une étape importante pour la compréhension des mécanismes impliqués dans la réparation du tendon. Le collagène XXII représente le premier véritable marqueur extracellulaire de la jonction myotendineuse, ce qui permet désormais d’aborder des études mécanistiques de la formation de cette jonction mais aussi de décortiquer les signaux émanant du muscle et/ou du tendon dans sa formation. L’absence de collagène XXII au cours du développement conduit au développement d’une dystrophie musculaire sévère.
Nous avons identifié le facteur de transcription à doigt de zinc, Egr1, comme étant impliqué dans la différenciation tendineuse en régulant la production des collagènes associés au tendon, et ce au cours du développement, chez le poulet et la souris (Lejard et al., 2011). Nous avons caractérisé un orthologue chez le poisson zèbre, du gène col5a1 (Bretaud et al., 2011) et montré l’implication du Collagène V dans l’interface derme-épiderme (Bonod-Bidaud et al., 2011). Nous nous intéressons à la formation de la jonction myotendineuse chez le poisson zèbre (Charvet et al., 2011, 2012).
La Voie Notch et le Développement Musculaire
La voie de signalisation Notch a fait l’objet de nombreuses études dans des modèles et des systèmes variés. L’activation de la voie Notch dans le mésoderme présomitique est périodique. La fréquence de passage d’un état actif à un état inactif de la voie Notch régule la périodicité de formation des somites, c’est-à-dire la formation d’une paire de somites toutes les deux heures environ chez l’embryon de souris.
Lorsqu’une cellule progénitrice s’engage dans le programme de différenciation musculaire squelettique, l’expression des facteurs de régulation myogéniques MyoD, Myf5, Mrf4 et myogénine est non seulement activée, mais est essentielle à la détermination et à la différenciation musculaires. De nombreuses études ont démontré que la voie de signalisation Notch est impliquée dans la régulation de l’entrée des cellules dans ce programme. Il a été proposé que cet effet inhibiteur passe par l’activation de l’expression de Hes1.
Implications Cliniques et Perspectives
La réparation des blessures de tendons/ligaments est un défi clinique majeur de la chirurgie orthopédique. La réparation des tendons/ligaments souffre d’un manque de connaissance de la biologie du tendon. Ce projet a pour objectif de comprendre le développement des muscles, des tendons et les interactions entre les deux tissus. Dans le but d’identifier les gènes impliqués dans ces processus, nous avons entrepris une approche globale afin de lister l’ensemble des gènes impliqués dans la formation des tendons, au cours du développement. De plus, nous avons également ciblé un certain nombre de gènes candidats pertinents pour notre étude. La fonction de ces gènes est étudiée en utilisant différents modèles animaux, utilisés classiquement en Biologie du Développement.
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Nous envisageons également de comprendre les propriétés biomécaniques et physiologiques des tendons et de l’interface muscle-tendon suite à des mutations des gènes du développement (identifiés dans au cours du projet). Tous les gènes responsables des dystrophies musculaires chez l’homme ne sont pas identifiés. Nous avons un certain nombre de gènes candidats qui présentent des phénotypes musculaires dans des modèles animaux qui pourraient être des gènes candidats pour les dystrophies musculaires.
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