L'établissement de l'axe antéro-postérieur (AP) est un processus fondamental dans le développement embryonnaire de nombreux organismes, des insectes aux vertébrés. Cet article explore les mécanismes complexes qui régissent cette délimitation cruciale, en mettant en lumière les différents modèles observés chez divers organismes et les interactions moléculaires impliquées.
Organisation Initiale de l'Œuf et Détermination Précoce de l'Axe Antéro-Postérieur
Chez les oiseaux, comme la poule, le développement embryonnaire commence avec un œuf télolécithe caractérisé par une accumulation tardive de réserves. La croissance de l'ovocyte est un processus graduel, avec une phase rapide précédant l'ovulation, durant laquelle le vitellus, riche en graisse et en pigments, est déposé. La latebra, le col et le noyau de Pander sont des structures importantes du vitellus. Une membrane vitelline constitue la membrane primaire périovulaire. La fécondation, si elle a lieu, se produit dans la trompe de l'oviducte.
L'axe antéro-postérieur de l'embryon se fixe au cours du séjour de l'œuf dans l'utérus, après la formation des membranes et de la coquille. Les enveloppes de l’œuf subissent un mouvement de rotation qui se matérialise par la torsion d’une partie de l’enveloppe albumineuse, les chalazes, qui se fixent à la membrane coquillière à la droite de l’embryon. La pesanteur et le sens de rotation interviennent dans cette détermination. Dans les conditions normales, le disque embryonnaire, ou blastodisque adopte une position dans l’espace telle que l’axe de l’embryon est perpendiculaire au grand axe de la coquille, la tête étant tournée dans le sens de la rotation de l’œuf. L’acquisition de la symétrie bilatérale n’est irréversible qu’après un temps de transit dans l’oviducte de 14 à 16 heures; ce temps correspond à un stade de la segmentation où l’hypoblaste a progressé dans la cavité de segmentation, le sens de cette progression ayant un effet déterminant sur l’orientation des territoires ecto-mésodermiques.
Segmentation et Formation du Blastoderme
La segmentation chez les oiseaux est partielle, n'affectant que le disque germinatif. Ce processus se déroule dans l'oviducte et aboutit à la formation du blastoderme, une structure multicellulaire où l'on distingue l'aire pellucide au centre et l'aire opaque à la périphérie. Différentes méthodes ont été utilisées pour établir des cartes des territoires présomptifs de la blastula des Oiseaux et analyser les mouvements morphogénétiques. Les mouvements de très petites particules d’encre de Chine ou carbone déposées sur le blastoderme d’œufs ont été suivis en microcinématographie. On a aussi utilisé des techniques plus précises transplantations de très petits territoires de blastula de caille, à la place du territoire homologue de la blastula de poulet, les transplants étant repérables car le noyau de la cellule de caille diffère de celui du poulet; marquages de cellules à l’aide d’un colorant fluorescent et non diffusible.
Gastrulation et Mise en Place des Feuillet Embryonnaires
Un feuillet interne, l’entophylle ou hypoblaste, va doubler le feuillet externe, l’ectophylle ou épiblaste qui s’étend et s’amincit. Le mode de formation de l’hypoblaste est encore discuté. Il provient d’une première migration en profondeur (polyinvagination), dans la cavité sous-germinale, de petits groupes de cellules ou de cellules isolées provenant de l’aire pellucide, c’est l’hypoblaste primaire; elle est suivie d’une seconde migration plus importante, dans le sens postéro-antérieur, d’un feuillet de cellules issues de la partie postérieure de l’aire pellucide, c’est l’hypoblaste secondaire qui rejoint et englobe les îlots de cellules de l’hypoblaste primaire pour former l’hypoblaste. La direction de cette dernière migration est déterminée par la rotation de l’œuf dans l’oviducte, la présence de l’hypoblaste détermine à son tour la migration des cellules du futur endomésoderme dans la moitié postérieure du disque embryonnaire.
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Dans les premières heures de l’incubation qui, chez la poule, dure 21 jours à 38 0C, il se forme, dans la zone marginale postérieure de l’aire pellucide, un épaississement qui progresse d’arrière en avant et se referme comme un éventail dont l’extrémité serait au centre du blastoderme, et les bras aux limites extrêmes du mésoblaste présomptif. Cet épaississement résulte de la migration, vers l’arrière du disque embryonnaire, de certaines cellules dispersées dans l’épiblaste. Ces cellules dont la membrane contient un acide glycuronique sulfaté particulier seraient guidées (chimiotactisme) par une substance émise par l’hypoblaste et dont la concentration est maximale dans la zone marginale postérieure. Les cellules qui s’enfoncent alors sous l’épiblaste formeront l’endoblaste et du mésoblaste (Stern, 1991). Tandis que le blastoderme s’allonge dans le sens antéro-postérieur, cet épaississement en éventail s’allonge également et se referme en une ligne primitive avec un sillon médian, trace de l’immigration en profondeur des cellules du mésoblaste; elle sera terminée par un renflement antérieur, le nœud de Hensen.
Rôle du Nœud de Hensen et de la Ligne Primitive
L’embryon se développe uniquement à partir de l’épiblaste de la blastula. Les tissus de l’aire opaque constituent l’ectoderme extra-embryonnaire dont les cellules du front migrent activement à la surface du jaune, prolifèrent et tendent à l’envelopper par épibolie. Elles sont à l’origine de l’ectoderme des annexes. Les mouvements gastruléens peuvent se décomposer comme chez les Amphibiens. Les cellules de l’endoblaste qui migrent les premières, à partir de la 10ème heure, au niveau du nœud de Hensen, se dirigent vers l’avant; elles écartent l’hypoblaste, le remplaçant dans l’axe antéro-postérieur de l’embryon et formant l’ébauche du tube digestif antérieur; l’hypoblaste, repoussé dans l’aire extra-embryonnaire, forme vers l’avant et latéralement le croissant germinal contenant les cellules germinales primordiales; il va prolonger l’endoblaste dans l’aire extra-embryonnaire. La migration du mésoblaste débute vers la 14ème heure, tous ces tissus se mettent en place dans le blastocœle, entre l’épiblaste et le feuillet interne. Elle commence dans la moitié postérieure de la ligne primitive par l’invagination et l’extension vers l’avant du mésoderme extra-embryonnaire. Lorsque commence le recul de la ligne primitive, le mésoblaste axial, précordal et cordal, s’invagine au niveau du nœud de Hensen à la suite de l’endoblaste et migre dans l’axe de l’embryon ; la corde forme un axe dense, visible par transparence, le prolongement céphalique. L’ectoblaste comprend le neuroblaste qui s’étend dans l’axe de l’embryon, au dessus de la zone de migration du mésoblaste cordal et précordal; le reste de la surface de l’aire pellucide correspond à l’épiblaste. A 18 heures, sont déjà en place les ébauches présomptives des divers organes sensoriels (placodes), des territoires organo-formateurs comme ceux du cœur etc.
Neurulation et Segmentation
Les plis neuraux apparaissent après 20-21 heures d’incubation, de part et d’autre du neuroblaste, délimitant la plaque neurale et se rencontrent dans l’axe médian au niveau du cerveau moyen après 26 heures. La fermeture progresse vers l’avant, isolant le cerveau antérieur vers 30-33 heures. L’embryon commence à se détacher de la masse de l’œuf: la région antérieure se soulève au-dessus du blastoderme. Il se forme alors un repli céphalique ectodermique ventral qui entraîne la délimitation de l’intestin antérieur en repliant avec lui l’endoderme sous-jacent. Les somites se différencient à partir de la 20ème heure d’incubation, la métamérisation découpant le mésoblaste somitique à raison de 1 paire par heure d’incubation. Les pièces intermédiaires s’individualisent. Les lames latérales se rejoignent ventralement sous le pharynx en avant de la zone des somites. Les lames latérales extra-embryonnaires s’insinuent dans l’aire opaque à la périphérie du blastoderme. C’est dans la paroi de leur splanchnopleure que se différencient les îlots sanguins avec les premières cellules sanguines. Ces îlots se ramifient et fusionnent en une aire vasculaire extra-embryonnaire. La ligne primitive continue de reculer et de se raccourcir en direction caudale, tandis que la gastrulation se poursuit. Elle se trouve finalement enserrée dans une région légèrement déprimée, le sinus rhomboïdal, délimitée vers l’avant par les plis neuraux; cette région contient des tissus qui compléteront en surface le tube nerveux, en profondeur, la corde et les somites.
Annexes Embryonnaires
Ce sont des formations d’origine ectodermique, mésodermique et endodermique qui se développent hors du corps de l’embryon proprement dit, assurent sa protection, l’absorption des réserves, la respiration, l’élimination des déchets. Vers 2O-24 heures d’incubation, le corps de l’embryon commence à se distinguer des tissus périphériques; les plis antérieurs, plis postérieurs et plis latéraux le soulèvent et l’isolent de la masse vitelline. Pendant ce temps, les feuillets embryonnaires s’étendent hors du corps de l’embryon et vont continuer à former les annexes : vésicule vitelline, amnios et allantoïde. Celles-ci s’individualisent tandis que l’isolement de l’embryon par rapport à la masse de l’œuf s’accentue rapidement. A 96 heures d’incubation, il n’est plus relié à la vésicule vitelline et à l’allantoïde que par les pédicules vitellins et allantoïdiens. La cavité amniotique l’entoure alors complètement. Tandis que l’archentéron en se refermant vers l’avant, l’arrière et les côtés va donner le tube digestif de l’embryon, les tissus endodermiques et l’hypoblaste qui le prolongent vont proliférer hors de l’embryon, s’étaler à la surface du jaune, tendre à l’englober et à constituer la vésicule vitelline. Cet endoderme extra-embryonnaire est suivi dans sa croissance par le mésoderme extra-embryonnaire, creusé d’un cœlome extra-embryonnaire; on y distingue un feuillet interne ou splanchnopleure et un feuillet externe ou somatopleure. La vésicule vitelline est richement vascularisée pour le transfert des réserves vers l’embryon. L’endoderme sécrète des enzymes qui fragmentent les granules vitellins et les rendent assimilables. L’ectoderme extra-embryonnaire double ces formations vers l’extérieur. La cavité amniotique se forme à partir de 30 à 33 heures d’incubation. C’est un diverticule endodermique, issu de la face ventrale de l’intestin postérieur, qui apparaît à 60 heures d’incubation. Sa croissance est rapide. L’allantoïde envahit tout le cœlome extra-embryonnaire et entoure l’amnios et la vésicule vitelline en refoulant l’albumen. L’amnios, l’allantoïde et la séreuse sont éliminés en même temps que la coquille. Il reste 1/3 à 1/5 du jaune.
L'Organisateur de Spemann et la Définition des Axes Embryonnaires chez les Vertébrés
Les Vertébrés font partie des Bilatériens et ils ont à ce titre 3 axes : antéro-postérieur (AP), dorso-ventral (DV) et droite-gauche. Ils font partie des Chordés, donc ce sont des Epineuriens : leur système nerveux central est entièrement dorsal et formé à partir d’un tube neural produit au cours de la neurulation. La structure fondamentale qui coordonne la mise en place des axes des vertébrés s’appelle l’organisateur de Spemann qui correspond à la lèvre dorsale du blastopore chez les Amphibiens et au nœud de Hensen chez les Amniotes. Il a souvent été présenté dans son rôle de mise en place de l’axe DV mais il est également important pour l’axe AP et l’asymétrie droite/gauche. L’expérience de Spemann et Mangold réalisée en 1924 est une des expériences fondatrices de la biologie du développement. Elle consiste en la greffe de la lèvre dorsale du blastopore d’une jeune gastrula d’amphibien sur la région ventrale d’un autre amphibien. On obtient alors un embryon puis une larve qui possède deux axes dorsaux c’est-à-dire deux tubes neuraux, deux cordes, deux séries de somites.
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Mécanismes Moléculaires Impliqués dans la Formation de l'Organisateur de Spemann
L’organisateur de Spemann se met en place à la convergence entre deux voies de signalisation complémentaires : la voie de la β-caténine qui est 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 (et donc un organisateur de Spemann). Les effets dorsalisants de la β-caténine peuvent être observés lorsqu’elle est injectée dans les cellules du côté ventral. Cela provoque la formation d’un deuxième axe du corps avec deux têtes et deux tubes neuraux.
La β-caténine maternelle joue un rôle important dans la formation du bouclier et de l’axe DV chez le poisson zèbre. La β-caténine maternelle active la transcription de gènes spécifiques dorsaux, notamment squint, goosecoid, bozozok et chordin (chd), induisant ainsi la formation de l’organisateur de Spemann (Schier et Talbot, 2001). Contrairement au xénope, ce n’est pas Wnt11 mais Wnt8a qui contribue à activer la voie Wnt/β-caténine du côté dorsal (Lu et al., 2011).
Le Nœud de Hensen comme Organisateur chez les Amniotes
Chez les embryons de poulet, les signaux qui induisent le nœud de Hensen sont actifs assez longtemps, car on peut enlever un nœud de Hensen et un autre se développera à la place. Le nœud de Hensen correspond plus à une zone qui est traversée par des populations de cellules au cours de la gastrulation et qui est constamment induite par un centre inducteur situé au milieu de la ligne primitive et qui sécrète cVg1 et Wnt8C. On peut différencier un organisateur de Spemann à partir de cellules souches pluripotentes humaines en présence de Wnt et d’activine.
Inhibition des Signaux Inducteurs par l'Organisateur de Spemann
À la surprise générale, la découverte des molécules sécrétées par l’organisateur de Spemann a révélé que c’est une structure qui inhibe toute une série de signaux inducteurs (BMP, Wnt et Nodal). Mais inhiber un signal inducteur est aussi une instruction qui change la destinée d’une cellule et donc aussi une induction ! Un inhibiteur de morphogène peut aussi être considéré comme un morphogène. Ainsi, l’organisateur de Spemann sécrète des antagonistes de BMP tels que Chordine et Noggin, des antagonistes de Wnt tels que Dkk1, Frzb1 et Crescent, et des inhibiteurs multivalents comme Cerberus. Juste avant la gastrulation, l’activité BMP (qui peut s’observer en étudiant la phosphorylation des transducteurs de sa voie Smad1, Smad5 et Smad8) établit un gradient ventral haut à dorsal bas, et 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 (Schohl et Fagotto, 2002). 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.
Rôle des Gènes Hox dans la Délimitation Antéro-Postérieure
Les gènes Hoxd sont des gènes du développement, ils conditionnent l'acquisition par un territoire embryonnaire donné d'une identité positionnelle. Le niveau d'expression du génique (moment de l'expression, lieu de l'expression et intensité d'expression) est variable en fonction de la position du gène sur la chromosome. Les gènes 5' Hoxd sont les gènes à expression tardive (puisqu'ils se trouvent à l'extrémité 5' du chromosome), postérieure et à fort niveau d'expression. Ces gènes 5' Hoxd régulent l'action de SHH donc régulent la différenciation du membre selon l'axe antéro-postérieur.
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Délimitation Antéro-Postérieure chez la Drosophile
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). Au cours du développement précoce de la drosophile, les facteurs de transcription distribués en gradients dans l’unique cellule aux multiples noyaux servent de morphogènes pour contrôler la spécification du destin cellulaire en contrôlant l’activité des enhancers, des silencers et des promoteurs. Signalons qu’au cours de l’embryogénèse, ce sont les parasegments et non directement les segments qui sont délimités.
Rôle de Bicoid dans la Régionalisation Antérieure
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.
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. 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.
Rôle de Nanos dans la Régionalisation Postérieure
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. C’est un répresseur qui régule la segmentation en bloquant la traduction de l’ARNm hunchback (hb) maternel (Cho et al., 2006). 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) (Marhabaie et al., 2024).
Développement de la Face et du Cou
A la fin de la période de délimitation de l'embryon (4ème semaine de développement), le tube digestif primitif occupe la partie centrale du tube embryonnaire, et il est séparé de la vésicule vitelline à sa partie antérieure par la membrane pharyngienne, et à sa partie caudale par la membrane cloacale. Ces bourgeons faciaux sont séparés les uns des autres par des sillons faciaux (zones d’affrontement des bourgeons). Au début de la 5ème semaine de développement, les placodes olfactives s’invaginent pour former des cupules olfactives.
La lèvre supérieure a une double origine : elle est formée au niveau du philtrum par le massif médian et latéralement, par les massifs externes. Les globes oculaires se forment à partir de 2 ébauches : une ébauche optique et une ébauche cristallinienne. Le diencéphale émet des évaginations : les vésicules optiques. La partie distale de ces vésicules optiques va s’invaginer pour former des cupules optiques. Le palais primaire, ou processus incisif, est de forme triangulaire à base antérieure. Il s’agit de la composante profonde du massif médian.
L'appareil branchial se situe latéralement et progresse symétriquement vers l'avant, entourant l'intestin pharyngien. Au cours du développement branchial, apparaît à l'extérieur de la paroi latérale de l'embryon, une dépression ectodermique. Chaque bande épaisse ou arc branchial est composé d'un axe mésodermique, recouvert en surface d'ectoderme, et à la profondeur d'endoderme. Les arcs branchiaux, au nombre de 6, sont numérotés, comme les poches et les sillons, de haut en bas, dans le sens « crânio-caudal ».
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