La neurulation est une étape cruciale du développement embryonnaire chez les amphibiens, comme chez tous les vertébrés. Elle se caractérise par la formation du tube neural, précurseur du système nerveux central (cerveau et moelle épinière). Ce processus complexe implique une série de mouvements cellulaires coordonnés et de changements d'adhérence cellulaire, aboutissant à la séparation de l'ectoderme en différentes parties : une partie neurale, une partie épidermique et, chez les Vertébrés, une partie intermédiaire entre les deux appelée la bordure neurale. Cet article explore les mécanismes fondamentaux de la neurulation chez les amphibiens, en s'appuyant sur des exemples concrets et des études récentes.
Partition de l'Ectoderme et Formation de la Plaque Neurale
Au cours de la neurulation, l'ectoderme se divise en trois territoires distincts. Cette partition est visible par double hybridation in situ d’une jeune neurula de xénope, ici en vue dorsale, avec une sonde reconnaissant l’ARNm de Sox2 et une autre sonde reconnaissant l’ARNm de EpK (kératine épidermique). Le facteur de transcription Sox2 est un marqueur général très précoce de la plaque neurale en développement chez tous les vertébrés étudiés à ce jour. Chez le poulet, par exemple, l’expression de Sox2 commence au stade de la ligne primitive tardive (stades HH 4-4+) dans le futur territoire neuronal. Une plaque neurale morphologiquement reconnaissable ne devient visible qu’après le début de l’expression de Sox2.
La plaque neurale, qui deviendra le tube neural, est plus large dans la région crânienne que dans la région médullaire. Une neurula de xénope en vue dorsale illustre bien cette différence, montrant la plaque neurale céphalique (qui deviendra le cerveau) élargie par rapport à la plaque neurale médullaire (qui deviendra la moelle épinière). Cette observation suggère que des mécanismes distincts sont nécessaires pour la fermeture du cerveau en développement.
Mécanismes Cellulaires de la Neurulation
La neurulation est un processus dynamique qui repose sur plusieurs mécanismes cellulaires clés.
Constriction Apicale et Rôle de l'Actine-Myosine
La dépression dans la plaque neurale qui initie la formation de la gouttière neurale dépend de la constriction apicale des cellules de la ligne médiane qui ont un rôle moteur essentiel. La constriction apicale dépend des interactions entre l’actine et la myosine. Des régulateurs de l’actine et de la myosine sont nécessaires pour la fermeture de la plaque neurale. Le régulateur du réseau d’actine p190Rho-GAP est nécessaire à la neurulation. p190Rho-GAP est un inactivateur de la petite GTPase Rho qui participe à l’organisation des microfilaments d’actine dans la cellule. La perte du régulateur de l’interaction actine-myosine Shroom entraîne une augmentation de la surface cellulaire apicale dans le neuroépithélium crânien, ce qui correspond à un défaut de constriction apicale. Au contraire, la surexpression de Shroom provoque une constriction apicale ectopique de cellules de l’ectoderme qui ne participent habituellement pas au tube neural. Shroom agit en contrôlant la localisation de ROCK (Rho-associated kinase) qui phosphoryle et active la myosine-II non musculaire en la phosphorylant sur sa sérine 19. Une interaction directe entre Shroom (ici Shrm2) et ROCK provoque directement et indirectement le renforcement de la phosphorylation de la myosine-II non musculaire et son action sur la réorganisation du cytosquelette et le changement de forme des cellules (dont la constriction apicale).
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Réarrangements Planaires et Protrusions Cellulaires
Des réarrangements planaires sont aussi nécessaires pour les mouvements de la neurulation et ils contribuent à rétrécir et à plier la plaque neurale. Aux stades ultérieurs de la fermeture, les cellules aux bords de la plaque neurale forment des protrusions avant l’apposition au début des événements de fusion épithéliale.
Fusion Épithéliale et Adhérences Cellulaires
Pour la dernière étape de la neurulation où a lieu une «fusion» épithéliale, les cellules individuelles ne fusionnent pas réellement les unes avec les autres, mais les cellules situées aux bords des tissus apposés forment des adhérences de novo pour créer un épithélium continu. La fermeture du tube neural implique ainsi un type particulier de fusion épithéliale, dans laquelle deux tissus distincts doivent fusionner et se remodeler : le neuroépithélium pseudostratifié et l’ectoderme de surface squameux. Initialement, chacun de ces deux tissus forment une couche ectodermique continue ; cependant, lors de la fusion du pli neural, la continuité de cet épithélium est interrompue aux jonctions bilatérales NE/ES, et de nouvelles adhérences se forment entre les épithéliums accolés de chaque côté.
La neurulation s’accompagne aussi de changements d’adhérences cellulaires. L’ectoderme de la souris exprime initialement la E-cadhérine mais au cours de la neurulation, la plaque neurale destinée à devenir le tube neural, éteint l’expression de la E-cadhérine et exprime la N-cadhérine à la place. L’absence de N-cadhérine provoque une déformation du tube neural chez la souris. Cependant, des études complémentaires montrent que l’architecture épithéliale du neurectoderme semble normale chez les souris N-cad-/- indiquant qu’une autre cadhérine compense son absence.
Gradient et Signalisation Moléculaire
Les positions dorso-ventrales correspondent à des positions médiolatérales dans la plaque neurale avant la fermeture du tube neural. Les identités neuronales à différentes positions médio-latérales dans la plaque puis dorso-ventrales dans le tube sont régulées par les protéines sécrétées Shh, Wnt et BMP, avec des niveaux élevés de Shh produisant des destins cellulaires ventraux, des niveaux modérés de Shh et de BMP produisant des destins cellulaires intermédiaires et des niveaux élevés de Wnt et BMP produisant des destins cellulaires dorsaux. BMP agit donc comme un morphogène qui a une action dorsalisatrice en fonction de sa concentration et s’oppose à l’action ventralisatrice de Shh.
Les gradients de BMP/Wnt et celui de Shh établissent une polarité dorso-ventrale dans le tube neural (avec les motoneurones (MNs) par exemple qui se développent dans la région ventrale) et les gradients de FGF/acide rétinoïque (RA) et Wnt établissent une polarité antéro-postérieure (avec, de manière simplifiée, FGF exprimé aux extrémités antérieure et postérieure du tube neurale et l’acide rétinoïque dans les régions intermédiaires).
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Rôle de Sox2 dans la Spécification Neurale
Sox2 est nécessaire et suffisant pour produire du tissu neural. Des souris transgéniques sont générées qui permettent d’exprimer Sox2 dans du mésoderme présomitique grâce à un promoteur spécifique de cette région. On réalise des coupes dans les embryons obtenus. Les coupes sont de plus en plus antérieures du haut vers le bas (neurulation pas encore achevée dans la région la plus postérieure). On réalise une immunofluorescence permet de détecter la présence de Sox2 et de Pax6, un marqueur de tube neural. On constate qu’en dehors de ce tube, Pax6 est aussi exprimé dans des groupes de cellules latérales dans le mésoderme pré-somitique exprimant Sox2 (flèches).
La Bordure Neurale : Une Région Intermédiaire Clé
La bordure neurale qui se situe entre le futur tube neural et le futur épiderme donne deux types de cellules : les cellules de la crête neurale (CCN) et les cellules des placodes (pour ces dernières seulement dans la bordure neurale antérieure). Les CCN donnent naissance à la plupart des neurones et des cellules gliales du système nerveux périphérique, aux cellules de la médullosurrénale, à une grande partie du squelette craniofacial, aux mélanocytes et aux vaisseaux à la sortie du cœur.
L'expression de certains des marqueurs les plus couramment utilisés pour l’ectoderme non-neural, la bordure neurale et le tube neural. Pax3, Zic1 et Msx1 sont exprimés à la bordure neurale, l’expression de Six1 délimite l’ectoderme préplacodal qui donne naissance aux placodes, Sox2 est exprimé dans la plaque neurale et Epk marque l’ectoderme non neural. Notez le chevauchement partiel entre Pax3 et Sox2 dans la plaque neurale latérale correspondant à la future partie dorsale du tube neural ; et aussi le chevauchement de Zic1 et Six1 dans l’ectoderme préplacodal.
Conséquences des Anomalies de la Neurulation
L’échec de la fermeture complète du tube neural entraîne des malformations congénitales : anencéphalie quand pas de fermeture à l’avant et spina bifida quand pas de fermeture à l’arrière. Les anomalies de fermeture du tube neural sont parmi les malformations congénitales humaines les plus courantes, affectant 1 grossesse sur 1000 dans le monde. La fermeture du tube neural à l’extrémité antérieure (au neuropore antérieur ou céphalique) se fait généralement entre le 26ème et le 27ème jour de développement. L’absence de cette fermeture provoque l’absence de cerveau et de crâne. Comprendre les mécanismes par lesquels la plaque neurale des vertébrés se replie et fusionne pour former un tube neural fermé est donc d’une importance primordiale pour mieux comprendre l’origine de ces anomalies et pour développer des méthodes pour leur prévention.
De l'Ovocyte à la Neurula : Un Aperçu du Développement Embryonnaire Précoce
Comme chez tous les vertébrés, l’organogenèse est un phénomène discontinue. Après une phase de multiplication, les ovogonies deviennent des ovocytes primaires restant bloqués en prophase méiotique. Viennent ensuite les ovocytes secondaires qui, une fois libérés de l’ovule, sont captés par l’oviducte. Il y a lors fécondation. En trois ans, l’ovocyte primaire augmente de taille : elle passe de cinquante micromètres à 2 millimètres. Ces ovocytes permettent le stockage de matériaux dans les ovaires. endogènes (ARN messagers, transcrits), ils permettent une multiplication nucléaire. Dans l’ovaire, l’ovocyte primaire augmente considérablement de taille durant trois ans chez Rana esculenta, avant la ponte ovulaire. Dans l’ovocyte primaire, il y a stockage de matériaux nutritionnels d’origine exogène apportés par la circulation maternelle. Il y a des protéines, des vitellogénines qui sont synthétisées par le foie de la mère et captées par les cellules folliculaires entourant l’ovocyte puis, transformées par l’ovocyte après déshydratation en complexes phosphoglycolipoprotéiques. L’ovocyte primaire stocke aussi du matériel d’origine endogène permettant l’expression de l’information génétique. A maturité, cet ovocyte primaire a un noyau volumineux excentré vers le côté. L’ovocyte va stocker des matériaux exogènes. Le précurseur est la vitellogénine (470 kDa). Celle-ci est synthétisée par le foie de la femelle, elle circule dans le sang et va être internalisée dans des endosomes puis dans des lysosomes et, elle sera enfin dégradée en phosphovitine et lipovitelline qui vont être déshydratées et qui vont donner les plaquettes vitellines (structure cristalline). Elles sont stockées en réserve puis dégradées par des enzymes le moment venu. Au pôle végétatif : les grosses plaquettes vitellines vont rester sur place. Les matériaux endogènes : ont trouve du glycogène stocké autour des noyaux, des ribosomes, du réticulum endoplasmique et des lipides (tous sont répartis autour du noyau). On trouve de l’ARN de tous types qui est réparti d’une certaine manière. L’ARN messager Vg va coder pour la synthèse de facteurs de développement du pôle ventral dans l’induction du mésoderme. Cet ovocyte se libère de l’ovaire et sera émis dans l’oviducte femelle. Il y a alors reprise de la première division méiotique, métaphase I, avec production d’un globule polaire qui donnera un ovocyte II qui restera en métaphase II dans l’oviducte. Cet ovocyte s’entoure d’une gangue glycoprotéique (muqueuse) qui est sécrétée durant le transport dans l’oviducte. Elle a pour fonction de créer des conditions favorables pour la fécondation. Elle apporte des ions comme Ca2+ et Mg2+. Elle a aussi un rôle protecteur en empêchant les œufs de se déshydrater quand ils sont émis hors du cloaque. Celle-ci est variable chez les amphibiens. A Les anoures. La fécondation est externe. La fécondation doit avoir lieu dès l’émission des ovocytes par la femelle. B Les urodèles. La fécondation a lieu au niveau du cloaque de la femelle ; il n’y a pas d’organe copulateur. Le mâle émet un spermatophore (formation mucilagineuse) au niveau duquel sont agglutinés les spermatozoïdes. Il y a monospermie chez les anoures (un seul spermatozoïde rentre) mais polyspermie chez les urodèles (5 ou 6 spermatozoïdes rentrent mais un seul va féconder le noyau). Le spermatozoïde perd son flagelle. L’acrosome vient se fixer sur un récepteur, traverse la membrane vitelline et, au contact de la membrane plasmique, va produire une dépolarisation de la membrane en modifiant le potentiel de celle-ci. Cette dépolarisation de quelques minutes est suivie d’une repolarisation. Ce phénomène entraîne une libération de Ca2+ (Ca qui provient du réticulum endoplasmique lisse et des mitochondries) dans la région corticale de l’œuf. Ce Ca permet la polymérisation des filaments d’actine (allongement de la cellule), ce qui a pour effet d’amener à la surface des granules corticaux. Ces granules libèrent leur contenu en faisant fusionner leur membrane (exocytose). Le gel formé dans l’espace périvitellin permet la rotation de l’œuf dans la demi-heure : c’est le premier phénomène d’activation externe. On trouve la rotation d’équilibre. Cette rotation est appelée rotation de symétrisation et montre que l’embryon a délimité ses régions. Lorsque la fécondation est monospermique, le croissant gris apparaît toujours diamétralement opposé au point de pénétration du spermatozoïde. La future face dorsale n’est pas une région très déterminée. Le décollement de la membrane empêche la polyspermie. Le déplacement des molécules suppose l’initiation d’un mouvement et l’utilisation d’un support. Au cours de la rotation de symétrisation, on constate la formation d’un réseau de microtubules orientées parallèlement à la surface de l’œuf et servant de support au déplacement des déterminants moléculaires. Tout ceci plaide en faveur d’une localisation moléculaire différentielle déterminant la future face dorsale de l’embryon. Du cytoplasme de la région du croissant gris qui est injecté sur la face ventrale d’un autre embryon va induire un deuxième embryon (siamois). C’est une phase de divisions cellulaires : on passe d’un œuf unicellulaire à une blastula (6 à 10000 cellules). Le premier plan de division passe par l’axe pôle animal/pôle végétatif, dit méridien et donne 2 blastomères égaux. Les cycles cellulaires se poursuivent rapidement, sont synchrones jusqu’à la 10ème ou 12ème division puis, deviennent asynchrones. Il y a une expression maternelle des gènes : toutes les protéines synthétisées le sont à partir d’ARN maternel stocké. On a l’apparition d’un asynchronisme des divisions cellulaires. Au départ, on a un stade morula. Il y a apparition d’une cavité de segmentation. Cette blastula va synthétiser des molécules. A la fin de la segmentation, les micromères (du pôle animal) vont former la matrice extracellulaire qui permettra la suite des événements. Ces trois feuillets vont migrer et s’emboîter pour former l’ectoderme, le mésoderme et l’endoderme. Il y a apparition d’une encoche blastoporale sous l’emplacement du croissant gris. Cette invagination intéresse un peu d’endoblaste, la plaque précordale (pharynx) puis le cordomésoblaste ainsi que le mésoblaste somitique et latéral. Quand la gastrulation est terminée, les lames mésodermiques droite et gauche ne se sont pas encore rejointes. D’un germe à deux ensembles cellulaires (pôle animal et pôle végétatif), on passe progressivement, au cours de la gastrulation, à trois ensembles cellulaires qui s’emboîtent les uns dans les autres pour donner trois feuillets fondamentaux. Le processus d’induction neurale se fait lors de la gastrulation. Le cordomésoblaste vient au contact de l’ectoderme et induit celui-ci en plaque neurale (neurectoderme). Au début de la neurulation, il y a mise en place de la plaque neurale. Ces traînées pigmentaires sont dues à un épaississement du neurectoderme en plaques neurales. Des bourrelets neuraux vont s’épaissir, se soulever puis se souder pour former le tube neural. La fermeture se fait d’abord dans la région du tronc puis dans celle de la queue (région caudale) et enfin, dans la région antérieure. Ce tube nerveux donnera l’encéphale et la moelle épinière. Pendant que se déroule la neurulation, on assiste à une régionalisation du mésoblaste en lame cellulaire pleine formant la voûte et les parois latérales de l’archantéron. Alors que les lames latérales se rejoignent ventralement, le mésoderme dorsal s’individualise, la corde s’isole et le mésoderme dorsal se métamérise en somites (blocs métamérisés). La région dorsale externe va donner le dermatome (derme de la peau). La région supérieure interne va donner le myotome (muscle strié), la partie inférieure interne donnera le sclérotome (les vertèbres). L’endoblaste donnera l’épithélium du tube digestif, de l’appareil urinaire et pulmonaire. Celui-ci est étroite association avec le mésoderme splanchnique. Au cours de la neurulation, le germe s’allonge dans le sens antéropostérieur. A la fin de cette neurulation, on distingue la tête et la queue : c’est le stade du bourgeon caudal. On assiste à une régionalisation du système nerveux donnant l’encéphale et la moelle épinière. Cet encéphale va devenir inducteur vis à vis de l’ectoblaste. Le rhombencéphale induit la placode auditive ou otique. Le système nerveux des Vertébrés se met en place lors du développement embryonnaire. La partie dorsale du neurectoderme correspond au neuroderme, qui donnera l’ensemble des structures nerveuses. L’ectoderme donnera les structures épidermiques (peau, etc.). Le mésoderme donnera essentiellement les tissus musculaires, les reins. Suite à la gastrulation et à la neurulation, les différents feuillets se sont mis en place, aboutissant au plan d’organisation de l’animal. Au cours de la neurulation, ce neuroderme subit d’importants mouvements morphogénétiques, aboutissant à la formation d’un tube neural dorsal. La partie antérieure du tube neural présente un renflement, correspondant à une vésicule unique. Il s’agit là de l’ébauche du système nerveux céphalique. Le tube neural est représenté selon l’axe antéro-postérieur (A - P). La vésicule initiale (à peine observable in vivo) donne naissance à trois vésicules : le prosencéphale (antérieur), le mésencéphale (moyen), et le rhombencéphale (postérieur). Le prosencéphale se divise ensuite en un télencéphale antérieur et un diencéphale, tandis que le rhombencéphale donne le métencéphale et le myélencéphale (postérieur). A ce stade, le tube neural antérieur est donc composé de cinq vésicules. On peut noter que le prosencéphale a déjà commencé à se développer chez l’embryon de poulet (on observe deux vésicules optiques latérales en formation). Embryons de 85 heures observés après coloration (à gauche) ou en coupe sagittale (à droite). On note la présence de plusieurs vésicules céphaliques provenant du développement des trois vésicules précédentes. Les yeux, issus du diencéphale, sont déjà bien développés. À ce stade de développement, le métencéphale est encore peu visible. La mise en place et la différenciation des vésicules neurales est sous le contrôle des gènes du développement. L’importance relative de ces vésicules (et surtout des structures qui en dérivent) varie énormément au sein des différents groupes de Vertébrés.
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