Introduction
L'établissement des axes embryonnaires est un processus fondamental du développement chez les vertébrés. Parmi les structures clés impliquées, l'organisateur de Spemann joue un rôle central dans la coordination de la mise en place des axes antéro-postérieur (AP), dorso-ventral (DV) et droite-gauche. Cette structure, correspondant à la lèvre dorsale du blastopore chez les amphibiens et au nœud de Hensen chez les amniotes, a été mise en évidence grâce à des expériences pionnières, dont celle de Spemann et Mangold en 1924.
L'expérience Fondatrice de Spemann et Mangold
L'expérience réalisée par Spemann et Mangold en 1924 a marqué une étape décisive dans la compréhension de l'organisation embryonnaire. Elle consistait à transplanter la lèvre dorsale du blastopore d'une jeune gastrula d'amphibien sur la région ventrale d'un autre embryon. Les résultats ont révélé la formation d'un embryon possédant deux axes dorsaux, caractérisés par la présence de deux tubes neuraux, deux cordes et deux séries de somites.
L'analyse des cellules issues du greffon (lèvre dorsale du donneur) et de celles du receveur a permis de constater que la quasi-totalité du tube neural et des somites supplémentaires provenaient du receveur, tandis que la corde était issue du donneur. Ainsi, la lèvre dorsale du blastopore greffée, tout en se développant en corde, induisait les tissus ventraux environnants à former du tissu nerveux et des somites. En l'absence de ces signaux inducteurs, les tissus ventraux auraient évolué en épiderme et en mésoderme ventral (cellules sanguines, par exemple).
Le Rôle de la Rotation Corticale
L'expérience de Gimlich et Gerhart, impliquant la transplantation d'un macromère dorsal (D1) vers la région ventrale d'un embryon de xénope, a démontré que les événements menant à la formation de l'organisateur de Spemann se produisent très tôt dans l'embryon. Ces événements 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.
La rotation corticale entraîne le déplacement de protéines telles que Dishevelled, accrochée à des vésicules transportées le long de faisceaux parallèles de microtubules. Dishevelled protège la β-caténine de la destruction induite par GSK3β du côté dorsal. Le ligand Xwnt11, ainsi que la protéine Huluwa qui dégrade Axine1, sont également nécessaires pour renforcer la protection de la β-caténine. La 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 de 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, donnant ainsi naissance à l'organisateur de Spemann.
Les effets dorsalisants de la β-caténine peuvent être observés lorsqu'elle est injectée dans les cellules du côté ventral, entraînant la formation d'un deuxième axe du corps avec deux têtes et deux tubes neuraux. De même, l'incubation d'embryons dans une solution de chlorure de lithium (LiCl) au stade 32 cellules a des effets dorsalisants et antériorisants.
L'expression différentielle des gènes Xnr entre les blastomères végétatifs ventraux et dorsaux génère un gradient de ce morphogène. La région de la zone marginale proche des blastomères végétatifs dorsaux reçoit plus de Xnr et est induite en mésoderme dorsal, qui donne naissance à l'organisateur de Spemann. Les blastomères végétatifs qui expriment le plus de Xnr correspondent au centre de Nieuwkoop, 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.
L'Organisateur de Spemann chez le Poisson-Zèbre et les Amniotes
Chez le poisson-zèbre, la β-caténine maternelle joue un rôle important dans la formation du bouclier embryonnaire (l'équivalent de l'organisateur de Spemann) 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.
Chez les amniotes, le nœud de Hensen (l'organisateur de Spemann) induit du tissu neural dans l'ectoderme. Il correspond à une zone traversée par des populations de cellules au cours de la gastrulation et est constamment induit par un centre inducteur situé au milieu de la ligne primitive, sécrétant cVg1 et Wnt8C. Il est possible de différencier un organisateur de Spemann à partir de cellules souches pluripotentes humaines en présence de Wnt et d'activine.
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L'Organisateur de Spemann : Un Inhibiteur d'Inducteurs
Contrairement à ce que l'on pensait initialement, l'organisateur de Spemann sécrète des molécules qui inhibent toute une série de signaux inducteurs, tels que BMP, Wnt et Nodal. Cette inhibition est assurée par des antagonistes de BMP (Chordine et Noggin), des antagonistes de Wnt (Dkk1, Frzb1 et Crescent) et des inhibiteurs multivalents comme Cerberus.
L'expression de chordine dans la lèvre dorsale du blastopore (l'organisateur de Spemann) au début de la gastrulation, ainsi que dans la corde lors de sa formation, témoigne de son rôle crucial dans l'organisation embryonnaire. L'injection d'ARNm de chordine peut rétablir les axes d'un embryon traité aux UV, sans rotation corticale.
Le Rôle de BMP
Juste avant la gastrulation, l'activité BMP établit un gradient ventral haut à dorsal bas. Une faible activité BMP sur la face dorsale permet aux cellules ectodermiques d'acquérir un destin neural, tandis que les autres cellules ectodermiques prennent le destin de l'épiderme. De même, dans le mésoderme, une faible activité BMP spécifie des destinées dorsales (somites par exemple), tandis qu'une haute activité BMP spécifie des destinées ventrales (lames latérales par exemple).
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 également un effet positif sur la signalisation BMP dans la région ventrale grâce au navettage qu'elle réalise de BMP.
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