Introduction
Le développement embryonnaire est un processus d'une complexité fascinante, orchestré par une cascade d'événements moléculaires et cellulaires finement régulés. Parmi les étapes cruciales, l'établissement de l'axe antéro-postérieur (AP) joue un rôle déterminant dans la mise en place du plan d'organisation du corps. Cet article explore les mécanismes fondamentaux qui régissent la formation de l'axe AP chez différents organismes, en mettant en lumière les acteurs clés et les processus impliqués, des insectes aux vertébrés.
Segmentation et Régionalisation chez les Insectes
Les insectes, organismes segmentés le long de l'axe antéro-postérieur (AP), présentent une organisation corporelle divisée en tagmes distincts : tête, thorax et abdomen. La régionalisation des segments est particulièrement marquée, comme en témoignent les appendices spécifiques à chaque segment (antennes, pièces buccales, pattes). Chez la drosophile, par exemple, des gradients de protéines établis maternellement, tels que Bicoid (Bcd) et Nanos, définissent les régions antérieures et postérieures, initiant une cascade de régulation génique qui conduit à la segmentation et à la spécification régionale de l'axe AP.
Le rôle de Bicoid chez la Drosophile
Chez la drosophile, le positionnement de l'ARNm bicoid est un élément fondamental pour la mise en place de l'axe AP. Normalement, 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) 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).
La protéine Bicoid (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.
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.
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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.
Segmentation Postérieure et le Rôle de Nanos
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. Dans les ovocytes dépourvus d'Osk long, les composants du plasme germinatif, y compris l'Osk court, rediffusent dans le cytoplasme de l'ovocyte. La défaillance de l'ancrage du plasme germinatif au cortex entraîne une réduction drastique du nombre de cellules polaires formées au pôle postérieur.
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.
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. Un facteur pionnier peut se lier aux activateurs cibles dans la chromatine «fermée» ou inaccessible et faciliter les processus de remodelage de la chromatine, ce qui permet à d'autres facteurs de transcription de se lier ultérieurement aux activateurs pour contrôler l'activité du gène cible. 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. Bcd devient inutile à la fin de la cycle nucléaire 14.
Le Gène Gap hunchback (hb)
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. Les embryons présentant une perte complète de la fonction hb sont dépourvus de segments mandibulaire et thoracique, présentent une polarité inversée des deux ou trois premiers segments abdominaux et une fusion des septième et huitième segments abdominaux. hb est exprimé maternellement et zygotiquement.
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Mécanismes d'Élongation de l'Axe AP chez les Vertébrés
Chez les vertébrés, l'axe antéro-postérieur (AP) est établi au cours d'importants mouvements tissulaires qui mettent en place différents types de tissus. Cette étape est suivie par l'élongation de l'axe AP par addition de cellules progénitrices dans la zone postérieure appelée mésoderme présomitique (PSM). Pendant l'élongation de l'embryon, ces cellules mésenchymateuses très mobiles ralentissent leur mouvement et subissent une transition mésenchymateuse à épithéliale. Ensuite, elles se condensent et forment les segments de tissus épithéliaux appelés somites, qui vont plus tard devenir le derme, les muscles squelettiques et les vertèbres. Des études détaillées des processus biochimiques impliqués dans la segmentation révèlent que l'expression cyclique de gènes, connue sous le nom de l'horloge de segmentation, contrôle la périodicité temporelle de la formation des somites, alors que la position de chaque somite est dictée par des gradients de morphogènes, tels que le facteur de croissance des fibroblastes (FGF8).
Des recherches récentes chez le poulet ont démontré que l'ablation du PSM postérieur interfère avec l'élongation, soulignant l'importance du PSM dans ce processus. De plus, les cellules du PSM ne montrent pas un mouvement directionnel, mais diffusent aléatoirement dans le PSM, avec un coefficient de diffusion qui est corrélé avec le gradient de concentration de FGF8. Cette étude propose que le gradient de diffusion cellulaire entraîne une brisure de symétrie, donnant lieu à l'élongation unidirectionnelle de l'axe AP à partir du côté postérieur. La validation de cette hypothèse nécessite l'identification des processus physiques mis en jeu dans l'élongation de l'axe AP.
Rôle de la Voie Wnt dans la Polarisation de l'Axe AP
La voie Wnt canonique est impliquée dans la polarisation de l'axe antéro-postérieure chez de nombreuses espèces animales. Au sein d’un organisme en formation ou au cours de la vie adulte, les cellules communiquent entre elles par l’intermédiaire de molécules qui peuvent voyager à plus ou moins longue distance. La réception de ces messagers conduit à des réponses cellulaires variées (changement d’identité, division, migration…). Chez les animaux, ces voies de signalisation sont en nombre réduit (voies FGF, Hedgehog, JAK/STAT…) et ont été étudiées en profondeur. En effet, elles ont un rôle majeur dans le contrôle du développement embryonnaire, mais aussi dans l’homéostasie chez l’adulte. Étant aussi impliquées dans de nombreuses maladies (malformations congénitales, cancer…), elles font l’objet d’un intérêt majeur dans le domaine biomédical.
Les Différentes Voies de Signalisation Wnt
La voie de signalisation Wnt illustre ce type de convergence de plusieurs pans de recherche. Des études chez la souris visant à identifier des proto-oncogènes (gènes dont une mutation peut causer un cancer) ont identifié le gène int1 dont l’équivalent chez la mouche était connu sous le nom de wingless pour son rôle dans l’embryogenèse. La fusion de ces deux noms a conduit au nom Wnt qui désigne le ligand qui est sécrété à l’extérieur de la cellule.
On distingue 3 signalisations distinctes :
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- La voie canonique ou voie Wnt/β-caténine qui fait intervenir la β-caténine comme médiateur prépondérant. En absence de ligand, cette protéine est soumise à une dégradation par ubiquitination. En présence de ligand, cette dégradation est bloquée, les niveaux de β-caténine augmentent et celle-ci est transloquée dans le noyau où elle agit, avec des protéines de la famille TCF/LEF, comme facteur de transcription.
- La voie calcique ne fait pas intervenir la β-caténine. Voie canonique : activation des gènes cibles. Voie calcique : contrôle de l’adhérence et de la motilité des cellules.
La voie Wnt a une origine ancienne et sa présence est avérée dans toutes les branches du règne animal où elle a été recherchée. Elle est impliquée dans de très nombreux processus développementaux tels que l’acquisition de l’identité cellulaire, la différenciation, la polarité cellulaire ou la prolifération. La voie canonique participe en particulier, chez de nombreux animaux, à l’établissement de l’axe primaire de l’embryon (l’axe antéro-postérieur chez les bilatériens et l’axe oral-aboral chez les cnidaires).
Wnt et l'Axe Antéro-Postérieur
Chez de nombreux métazoaires, les ligands Wnt sont globalement et schématiquement exprimés dans la partie postérieure/orale et les antagonistes (molécules sécrétées inhibant la voie) dans la partie antérieure/aborale. Cette répartition spatiale binaire agonistes/antagonistes et les effets de la modulation de la voie ont conduit à proposer le modèle suivant : l’activation de la voie Wnt à un pôle de l’embryon définit la partie postérieure/orale et son inhibition au pôle opposé définit la partie antérieure/aborale.
Le Rôle de Wnt chez l'Hémichordé Saccoglossus kowalevskii
Afin de clarifier le rôle de la Wnt dans la régionalisation antéro-postérieure au sein des deutérostomiens, nous avons étudié spécifiquement son implication dans l’établissement de l’identité des cellules le long de l’axe antéro-postérieur chez l’hémichordé Saccoglossus kowalevskii. Nous avons montré que, comme chez de nombreuses espèces, les ligands Wnt sont globalement exprimés postérieurement et que plusieurs antagonistes sont exprimés antérieurement. En utilisant des approches d’embryologie classique et en modulant l’activité Wnt canonique (par des approches pharmacologiques ou moléculaires), nous avons pu montrer , que l’ectoderme de S. kowalevskii est subdivisé en 3 régions : une partie antérieure spécifiée par l’inhibition active de Wnt, une partie intermédiaire activement définie par Wnt et une partie postérieure insensible à Wnt. Ces 3 régions correspondent respectivement aux cerveaux antérieur et moyen, au cerveau postérieur, et à la moelle épinière des vertébrés.
Ces résultats nous ont amené à suggérer un nouveau modèle pour le rôle de la voie Wnt dans l’établissement de la polarité antéro-postérieure des deutérostomiens. Alors que l’on considérait jusqu’ici que la partie la plus postérieure de l’embryon était spécifiée par une forte activité Wnt, nous proposons que celle-ci est au contraire mise en place indépendamment de la voie Wnt.
Wnt et la Croissance Postérieure
Chez de nombreux animaux, le corps s’allonge au cours de la vie embryonnaire par addition d’éléments dans la partie postérieure. C’est ce qu’on appelle la croissance ou élongation postérieure. Chez les vertébrés, par exemple, plusieurs structures axiales s’allongent postérieurement (la notochorde, la moelle épinière…) grâce à une structure appelée le bourgeon caudal. Cette phase d’allongement est plus tardive au cours de la vie embryonnaire et a lieu après les deux phases mentionnées plus haut, la détermination des feuillets germinaux et la régionalisation antéro-postérieure. Là encore la voie Wnt est impliquée et promeut la formation de structures additionnelles, donc postérieures. Chez l’hémichordé Saccoglossus kowalevskii, la définition initiale du territoire le plus postérieur aux stades blastula/gastrula ne fait pas intervenir la voie Wnt. Néanmoins, plus tard au cours du développement embryonnaire (après la gastrulation), le maintien de cette identité est là régulé par Wnt.
Formation du Cerveau et Axe Antéro-Postérieur
Après la fermeture du tube neural qui se déroule aux environs de la 4ème semaine, l’organisation primaire du système nerveux central se met en place selon l’axe antéro-postérieur du tube. La partie antérieure du tube deviendra le cerveau antérieur, qui comprend les hémisphères cérébraux, le thalamus et l’hypothalamus et les ganglions de la base. Les cellules situées au centre deviendront le mésencéphale, une structure jouant un rôle important dans les réflexes visuels et auditifs. La partie la plus à l’arrière du tube donnera naissance au rhombencéphale composé du bulbe rachidien, du pons et du cervelet.
Les futurs neurones commencent à se multiplier très tôt pour occuper l’espace dans le cerveau en devenir. Leur vitesse de multiplication atteint jusque 4000 à 5000 neurones par seconde. Ils naissent dans la partie la plus interne du tube appelée « la zone ventriculaire » car cette zone deviendra par la suite les ventricules du cerveau, à savoir les cavités internes du cerveau dans lesquelles circule le liquide céphalorachidien. Les neurones tout juste produits voyagent jusqu’à leur destination finale. Cette migration est essentielle pour la formation des circuits neuronaux complexes qui sous-tendent les fonctions cognitives et comportementales de l’enfant. Les neurones migrent selon un sens inversé, à savoir que les plus anciennes cellules se retrouvent dans la couche la plus profonde du cortex et les plus récentes dans les couches externes.
Une fois arrivé à destination, le neurone se différencie selon sa localisation dans le cerveau, c’est-à-dire qu’il se spécialise pour remplir des fonctions spécifiques. Le neurone doit ensuite communiquer avec les neurones avoisinants par l’intermédiaire de connexions chimiques ou électriques : les synapses. Pour cela il va développer des axones, et des dendrites. Ce processus nommé synaptogénèse est extrêmement important pour la formation des circuits neuronaux, créant les premières activités cérébrales. Au cours du développement, de nombreuses cellules neurales (neurones ou cellules gliales) sont produites en surplus. Ces cellules seront éliminées par un processus de mort cellulaire programmée appelée apoptose. Il s’agit d’un mécanisme physiologique qui permet « d’affiner » les circuits neuronaux en développement. Environ la moitié des neurones produits meurent par apoptose. A noter que jusqu’au stade de la synaptogenèse, les étapes du développement du cerveau sont largement déterminées par les gènes.
Au bout de trois mois de gestation, le cerveau subit une croissance rapide et sa taille est multipliée. À ce stade, le cerveau antérieur se développe plus rapidement que les autres régions. Vers six mois, le cortex cérébral commence à se séparer en lobes qui se spécialiseront par la suite pour effectuer des fonctions spécifiques. Le cortex devient la structure prédominante. Au cours du deuxième trimestre (aux environs de la 25ème semaine de gestation), les six couches du cortex sont complètes. Toutefois, le cortex commence à être fonctionnel à partir de la fin du troisième trimestre.
Ligne Primitive et 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 6,5 (E6,5) jours de développement chez la souris. Lors de l'initiation de cet axe, des cellules extra-embryonnaires appelées AVE (Anterior Visceral Endoderm) jouent un rôle essentiel dans le positionnement de la ligne primitive dès E5,5. L'AVE sécrète des inhibiteurs des voies TGFβ/Nodal et Wnt qui repoussent alors la formation de la ligne primitive au pôle opposé. Plus récemment, des analyses de traçage cellulaire ont montré que les cellules AVE sont déjà spécifiées à E4,5 au moment de l'implantation, donc deux jours avant le début de la gastrulation (E6,5).
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