Les vertébrés, membres du groupe des bilatériens, présentent une organisation corporelle définie par trois axes principaux : antéro-postérieur (AP), dorso-ventral (DV) et droite-gauche. En tant que chordés, ils se distinguent par un système nerveux central dorsal, formé à partir d'un tube neural issu de la neurulation. L'organisateur de Spemann, une structure clé située au niveau de la lèvre dorsale du blastopore chez les amphibiens et du nœud de Hensen chez les amniotes, joue un rôle central dans la mise en place de ces axes. Bien que souvent associé à l'axe DV, son implication dans l'établissement de l'axe AP et de l'asymétrie droite-gauche est également cruciale.
L'organisateur de Spemann : une expérience fondatrice
L'expérience de Spemann et Mangold, réalisée en 1924, a révolutionné la biologie du développement. Elle consistait à transplanter la lèvre dorsale du blastopore d'une jeune gastrula d'amphibien sur la région ventrale d'un autre embryon. Cette manipulation aboutissait à 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 de la contribution des cellules du donneur et du receveur a révélé que la lèvre dorsale greffée se développait en corde, tout en induisant les tissus ventraux environnants à former du tissu nerveux et des somites. En l'absence de ces signaux, les tissus ventraux se seraient différenciés en épiderme et en mésoderme ventral.
Mécanismes précoces de mise en place de l'organisateur
L'expérience de Gimlich et Gerhart a démontré que les événements conduisant à la formation de l'organisateur de Spemann sont actifs dès les premiers stades du développement embryonnaire. La transplantation d'un macromère dorsal (D1) vers la région ventrale d'un embryon de xénope de 32 cellules provoque une duplication de l'axe dorsal, similaire à celle observée lors de la greffe de l'organisateur de Spemann.
Ces événements sont étroitement liés à la rotation corticale qui suit la fécondation. Cette rotation, caractérisée par un déplacement du cytoplasme sous la membrane plasmique, entraîne la formation d'un croissant gris, marquant la future région dorsale de l'embryon.
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La rotation corticale induit le déplacement de protéines telles que Dishevelled, transportée le long de microtubules, et du ligand Xwnt11. Dishevelled protège la β-caténine de la destruction, favorisant son accumulation sur la face dorsale de l'embryon et son entrée dans le noyau au stade 16 cellules, où elle s'associe aux facteurs de transcription LEF/TCF.
Convergence des voies de signalisation β-caténine et Nodal
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 et, par conséquent, l'organisateur de Spemann.
L'injection de β-caténine dans les cellules ventrales provoque la formation d'un deuxième axe corporel, 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, donnant naissance à l'organisateur de Spemann. Les blastomères végétatifs qui expriment le plus de Xnr correspondent au centre de Nieuwkoop, un centre 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 et de l'entrée de la β-caténine dans le noyau. VegT est également impliqué dans l'activation de l'expression de ces gènes.
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L'organisateur de Spemann chez le poisson-zèbre et le poulet
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, tels que squint, goosecoid, bozozok et chordin, induisant ainsi la formation de l'organisateur de Spemann. Contrairement au xénope, c'est Wnt8a, et non Wnt11, qui contribue à activer la voie Wnt/β-caténine du côté dorsal.
Chez l'embryon de poulet, les signaux qui induisent le nœud de Hensen (l'organisateur de Spemann des amniotes) sont actifs assez longtemps, permettant le développement d'un nouvel organisateur en cas d'ablation du premier. Le nœud de Hensen correspond à une zone traversée par des populations de cellules au cours de la gastrulation et constamment induite 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. Un "nœud de Hensen humain" induit du tissu neural dans l'ectoderme d'un embryon de poulet.
L'organisateur de Spemann : un inhibiteur de signaux inducteurs
De manière surprenante, l'organisateur de Spemann sécrète des inhibiteurs de signaux inducteurs tels que BMP, Wnt et Nodal. Cette inhibition est considérée comme une induction, car elle modifie la destinée des cellules. 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.
Chordine est exprimée dans la lèvre dorsale du blastopore et dans la corde en formation lors de la gastrulation. L'injection d'ARNm de chordine rétablit les axes d'un embryon traité aux UV, sans rotation corticale.
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Rôle de BMP dans la détermination des destins cellulaires
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), tandis qu'une haute activité BMP spécifie des destinées ventrales (lames latérales).
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, favorisant ainsi les destins dorsaux. Chordine et BMP diffusent dans l'espace extracellulaire et forment des gradients d'activité opposés dans l'embryon. Chordine a également un effet positif sur la signalisation BMP dans la région ventrale grâce au navettage qu'elle réalise de BMP.
Mise en place du système nerveux
Le système nerveux des vertébrés se met en place lors du développement embryonnaire. La partie dorsale du neurectoderme, appelée neuroderme, donne naissance à l'ensemble des structures nerveuses. L'ectoderme donne les structures épidermiques, tandis que le mésoderme donne les tissus musculaires et les reins.
Au cours de la neurulation, le 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, l'ébauche du système nerveux céphalique.
La vésicule initiale 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). À ce stade, le tube neural antérieur est composé de cinq vésicules.
La mise en place et la différenciation des vésicules neurales sont sous le contrôle des gènes du développement. L'importance relative de ces vésicules varie considérablement au sein des différents groupes de vertébrés.
Construction d'un embryon à partir de gradients de morphogènes
Le développement de l'embryon de vertébré dépend de processus moléculaires et cellulaires complexes qui instruisent progressivement les cellules embryonnaires, leur conférant leur identité et contrôlant leur comportement.
L'expérience pionnière de Spemann et Mangold a révélé le rôle organisateur de la lèvre blastoporale dorsale, capable d'induire un axe embryonnaire secondaire lors de sa transplantation dans une région ventrale. Les facteurs dorsaux sécrétés par le greffon inhibent l'activité des morphogènes ventraux, générant un nouveau gradient qui récapitule, en miroir, le gradient d'activité morphogénique présent chez l'embryon sauvage.
Des études ont montré que la marge embryonnaire ventrale agit comme un organisateur caudal, tandis que les régions latérales et dorso-latérales organisent respectivement le tronc et la partie céphalique postérieure. Ainsi, les activités organisatrices de l'embryon ne sont pas restreintes au centre organisateur de Spemann, mais sont distribuées tout le long de la marge embryonnaire et forment un continuum du territoire dorsal jusqu'au territoire ventral.
Deux gradients de morphogènes, BMP et Nodal, définissent les conditions minimales pour organiser un axe embryonnaire complet. La voie de signalisation BMP est active ventralement et son activité décroît progressivement en direction de la marge dorsale, alors que l'activité Nodal est présente dans toutes les cellules marginales, mais est plus forte à la marge dorsale. Il existe ainsi une variation continue du rapport des activités BMP/Nodal depuis les territoires ventraux vers les territoires dorsaux.
L'injection, dans un blastomère du pôle animal au stade 128 cellules, de mélanges d'ARN messagers codant pour BMP et Nodal résulte en la formation de structures ectopiques identiques à celles qui sont induites par les greffons issus des différentes régions de la marge embryonnaire. Un rapport BMP/Nodal élevé conduit à la formation de queues ectopiques, alors que des rapports plus faibles résultent en l'induction de structures troncales ou de parties céphaliques postérieures. L'injection d'ARNm Nodal seul conduit à la formation de mésendoderme axial, mimant l'activité du centre organisateur de Spemann.
La création expérimentale de deux gradients opposés de BMP et de Nodal récapitule au pôle animal de l'embryon la variation graduelle du rapport entre les activités des voies de signalisation BMP et Nodal observée dans la région marginale d'un embryon sauvage, conduisant à l'organisation d'un axe secondaire complet à partir des cellules du pôle animal.
Ces gradients opposés de Nodal et BMP peuvent non seulement conduire à la formation d'un axe embryonnaire complet et indépendant de l'axe embryonnaire primaire, mais ils peuvent également instruire des cellules embryonnaires pluripotentes in vitro.
Conclusions
Le développement embryonnaire des vertébrés est un processus complexe orchestré par des interactions moléculaires et cellulaires finement régulées. L'organisateur de Spemann, structure clé dans la mise en place des axes embryonnaires, agit à la fois comme inducteur et inhibiteur de signaux, modulant l'activité de morphogènes tels que BMP et Nodal. La manipulation expérimentale de ces gradients de morphogènes permet de construire in vivo et in vitro des axes embryonnaires complets, démontrant ainsi leur rôle fondamental dans l'organisation du plan corporel des vertébrés.
Ces découvertes, obtenues grâce à l'utilisation de modèles animaux tels que le xénope et le poisson-zèbre, ouvrent des perspectives intéressantes pour la compréhension du développement embryonnaire chez les mammifères, y compris l'homme. Des études complémentaires sont en cours pour reproduire ces résultats chez la souris, afin de confirmer la conservation des mécanismes fondamentaux de l'embryogenèse au sein des vertébrés.
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