Cet article propose une plongée au cœur du développement embryonnaire de la drosophile, en explorant les mécanismes fondamentaux qui régissent la formation de ses structures segmentées, des denticules aux parasegments. Nous aborderons le rôle crucial de morphogènes tels que Hedgehog et Bicoid, ainsi que l'implication des gènes homéotiques dans la spécification régionale de l'axe antéro-postérieur.
L'organisation segmentée de la drosophile : un modèle d'étude
Les insectes, comme la drosophile, présentent une organisation segmentée le long de l'axe antéro-postérieur (AP). Ces segments sont regroupés en tagmes : tête, thorax et abdomen. La régionalisation des segments est particulièrement visible au niveau des appendices, tels que les antennes, les pièces buccales et les pattes, spécifiques à chaque segment.
Au cours du développement précoce de la drosophile, des facteurs de transcription distribués en gradients dans l'unique cellule aux multiples noyaux servent de morphogènes. Ils contrôlent la spécification du destin cellulaire en régulant l'activité des enhancers, des silencers et des promoteurs. Il est important de noter que, lors de l'embryogénèse, ce sont les parasegments, et non directement les segments, qui sont délimités.
Le rôle clé de Hedgehog dans la segmentation et le développement
Les protéines sécrétées par la famille Hedgehog (Hh) sont des morphogènes initialement identifiés chez la drosophile. Chez cet insecte, Hh est co-responsable (avec Wingless) de la régionalisation lors de la segmentation embryonnaire (gène de polarité segmentaire) et du développement des disques imaginaux larvaires.
Les protéines de la famille Hh subissent des modifications lipidiques : un acide palmitique (acide gras saturé) sur leur région aminoterminale et un cholestérol attaché de manière covalente à leur région carboxyterminale. Ces modifications lipidiques rendent les protéines Hh hydrophobes, ce qui leur confère une forte affinité pour les membranes cellulaires. Ces caractéristiques, apparemment paradoxales pour des molécules de signalisation extracellulaires, suggèrent l'existence de mécanismes de transport des protéines Hh dans l'espace extracellulaire.
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Néanmoins, ces modifications jouent un rôle important dans la forme et l'étendue du gradient de la protéine, ce qui est essentiel pour un morphogène. Hh peut se propager en association avec des particules lipidiques extracellulaires, qui sont des particules de lipoprotéines. Chez la drosophile, c'est la lipoprotéine Lipophorin (Lpp; également connue sous le nom d'apolipophorine) qui transporte Hh. Chez la larve, elle est principalement produite dans le corps adipeux avant d'être libérée dans l'hémolymphe.
Des mécanismes complémentaires peuvent agir en parallèle. Les cytonèmes, des expansions cellulaires longues et fines, permettent le transport de protéines avant leur sécrétion. Des cytonèmes fonctionnant au cours de la morphogenèse ont été découverts pour la première fois dans les disques imaginaux des ailes de drosophile. Des études ultérieures ont montré qu'ils contenaient des molécules de signalisation, notamment HH.
La voie de signalisation Hedgehog : un mécanisme complexe
La voie Hedgehog (HH) est une voie de signalisation conservée au cours de l'évolution. Elle est activée via la fixation du ligand aux récepteurs Patched (PTCH), une grande protéine à 12 domaines transmembranaires. En absence de SHH, PTCH inhibe la protéine à 7 domaines transmembranaires Smoothened (SMO) en l'envoyant à la dégradation. Un autre mécanisme complémentaire implique l'élimination par PTCH du cholestérol du feuillet interne de la membrane plasmique, cholestérol dont a besoin SMO pour être actif.
La liaison de SHH au récepteur PTCH libère cette inhibition en bloquant le conduit hydrophobe dont se sert PTCH pour faire sortir le cholestérol du feuillet interne de la membrane plasmique, le rendant disponible pour SMO, mais aussi en provoquant l'endocytose de PTCH grâce à l'action des E3 ubiquitine ligase Smurf1/2. La protéine transmembranaire SMO est alors activée. Elle est couplée à une protéine G mais elle peut transduire le signal par des voies effectrices dépendantes et indépendantes de la protéine G pour induire des réponses en aval.
Une fois que Patched est inactivé par Hedgehog, Smoothened rentre dans le cil et il inactive la PKA et SuFu qui faisait se transformer les facteurs de transcription Gli en leur forme répressive (GliR, clivés et réduits à leur partie C-terminale). Les Gli prennent donc une forme activatrice de la transcription quand la voie Hedgehog est activée. En présence de Hedgehog, Gli2 et Gli3 ne sont plus clivés et possèdent une partie N-terminale qui les rend activateur de la transcription (GliA). Gli1 est toujours activateur de la transcription mais il est très peu exprimé en absence de Hedgehog. Il est l'une des premières cibles de l'activation de la voie Hedgehog et de Gli2 et de Gli3 et sa présence renforce l'activation des gènes cibles.
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Bicoid : un morphogène essentiel pour la spécification antéro-postérieure
Chez la drosophile, des gradients de protéines établis maternellement, tels que celui du facteur de transcription et de traduction Bicoid (Bcd) et du régulateur de la traduction Nanos, définissent les régions antérieures et postérieures, et activent une cascade complexe de régulation des gènes qui conduisent finalement à la segmentation et à la spécification régionale de l'axe antéro-postérieur (AP).
Le positionnement de l'ARNm bicoid est un élément fondamental pour la mise en place de l'axe AP chez la drosophile. Habituellement, l'ARNm de bicoid (bcd) est positionné au futur pôle antérieur de l'embryon. Les ovocytes et les embryons sans bicoid (issus d'une mère mutante (gène à effet maternel)) ne forment plus de structures antérieures. L'injection d'un ARNm bcd dans l'ovocyte ou le zygote permet de restaurer le phénotype sauvage. Cette injection du côté postérieur dans un ovocyte ou un zygote normal provoque une duplication du côté antérieur en miroir (présence d'un double gradient de Bicoid).
L'ARNm bicoid (bcd) exprimé par la mère contient des séquences de localisation dans son 3'UTR qui aboutissent à la concentration des transcrits au pôle antérieur de l'ovocyte puis des embryons de drosophile. Lors de la fécondation, la traduction de ces transcrits localisés aboutit à un gradient de protéine le long de l'axe AP. La synthèse dans le pôle antérieur est suivie de la diffusion, ainsi que du transport « de retour » vers le côté antérieur ou de la dégradation des protéines, ce qui affine la forme du gradient Bcd.
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, bien sûr dans les régions antérieures où il est le plus concentré mais aussi dans les régions postérieures, où le gradient est plus diffus, en formant des centres locaux dans les noyaux qui sont suffisamment concentrés pour rendre possible la liaison du Bcd aux enhancers.
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.
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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. Ainsi, malgré la présence d'ARNm caudal uniforme dans l'embryon, y compris dans la partie antérieure, la protéine Caudal ne sera présente que dans la partie postérieure.
La localisation antérieure de l'ARNm de bcd est fondamentale et elle dépend de la protéine Staufen. Chez le mutant perte de fonction staufen (stau), le gradient n'est pas visible. L'ARNm de bcd est synthétisé dans les cellules nourricières qui appartiennent à la lignée germinale. Les ARNm passent entre 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.
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