Introduction
Le développement embryonnaire des tritons, comme celui de tous les vertébrés, est un processus complexe et fascinant. Il est orchestré par une série d'événements précis qui conduisent à la formation d'un organisme multicellulaire à partir d'une seule cellule, l'œuf fécondé. Parmi ces événements, la fixation de l'embryon et l'induction neurale jouent un rôle crucial. Cet article se propose d'explorer en détail ces aspects du développement embryonnaire du triton, en s'appuyant sur les connaissances actuelles en biologie du développement.
Organisation axiale chez les vertébrés
Les vertébrés, en tant que Bilatériens, possèdent trois axes principaux : antéro-postérieur (AP), dorso-ventral (DV) et droite-gauche. En tant que Chordés, ils sont également caractérisés par un système nerveux central dorsal, formé à partir d'un tube neural lors de la neurulation.
Rôle de l'organisateur de Spemann
La structure fondamentale qui coordonne la mise en place de ces axes est l'organisateur de Spemann. Chez les Amphibiens, il correspond à la lèvre dorsale du blastopore, tandis que chez les Amniotes, il s'agit du nœud de Hensen. L'organisateur de Spemann joue un rôle essentiel dans la mise en place de l'axe DV, mais il est également important pour l'axe AP et l'asymétrie droite/gauche.
Expériences fondatrices de Spemann et Mangold
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. Cette greffe entraîne la formation d'un embryon puis d'une larve possédant deux axes dorsaux, c'est-à-dire deux tubes neuraux, deux cordes et deux séries de somites.
L'analyse des tissus dérivés du greffon et du receveur a révélé que la quasi-totalité du tube neural et des somites supplémentaires proviennent du receveur, tandis que la corde provient du donneur. Ainsi, la lèvre dorsale du blastopore greffée, en se développant en corde, induit les tissus ventraux alentour à former du tissu nerveux et des somites. En l'absence de ces signaux, les tissus ventraux auraient donné de l'épiderme et du mésoderme ventral.
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Importance de la rotation corticale
L'expérience de Gimlich et Gerhart montre que la transplantation d'un macromère dorsal (D1) vers la région ventrale d'un embryon de xénope de 32 cellules provoque une duplication d'axe dorsal. Cela indique que les événements qui mènent à la formation de l'organisateur de Spemann sont à l'œuvre très tôt dans l'embryon. Ces événements sont liés à la rotation corticale qui suit la fécondation.
La rotation corticale est un déplacement du cytoplasme du zygote juste sous la membrane plasmique d'un angle de 30° vers le point d'entrée du spermatozoïde. Ce mouvement entraîne le basculement de la calotte pigmentaire de l'hémisphère animal, laissant à l'opposé du point d'entrée du spermatozoïde des traînées de pigment cortical qui prennent la forme d'un croissant gris. La future région dorsale de l'embryon apparaît alors du côté le plus clair du zygote.
La rotation corticale implique 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, favorisant ainsi son accumulation sur la face dorsale de l'embryon et son entrée dans le noyau au stade 16 cellules. La β-caténine s'associe alors aux facteurs de transcription LEF/TCF.
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, et donc un organisateur de Spemann.
L'injection de β-caténine dans les cellules du côté ventral provoque 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.
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Les gènes Xnr sont plus exprimés du côté dorsal que ventral, générant 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 du côté dorsal. VegT est également impliqué dans l'activation de l'expression de ces gènes.
Le bouclier embryonnaire chez le poisson-zèbre
Chez le poisson-zèbre, la β-caténine maternelle joue un rôle important dans la formation du bouclier 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. Contrairement au xénope, c'est Wnt8a qui contribue à activer la voie Wnt/β-caténine du côté dorsal.
Induction neurale par le nœud de Hensen
Chez les embryons de poulet, les signaux qui induisent le nœud de Hensen (l'organisateur de Spemann des Amniotes) sont actifs assez longtemps. 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.
Il est possible de différencier un organisateur de Spemann à partir de cellules souches pluripotentes humaines en présence de Wnt et d'activine. Ces cellules peuvent induire du tissu neural dans l'ectoderme d'un embryon de poulet.
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Inhibition des signaux inducteurs
L'organisateur de Spemann sécrète des antagonistes de BMP, Wnt et Nodal, tels que Chordine, Noggin, Dkk1, Frzb1 et Crescent, et des inhibiteurs multivalents comme Cerberus. Cette inhibition des signaux inducteurs est aussi une instruction qui change la destinée d'une cellule et donc aussi une induction. Un inhibiteur de morphogène peut donc être considéré comme un morphogène.
Rôle de la chordine
La chordine est exprimée dans la lèvre dorsale du blastopore (organisateur de Spemann) au début de la gastrulation et dans la corde lorsqu'elle se forme à la gastrulation. L'injection d'ARNm de chordine rétablit les axes d'un embryon traité aux UV, sans rotation corticale.
Gradient d'activité 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. Dans le mésoderme, la faible activité BMP spécifie des destinées dorsales (somites par exemple) alors qu'une haute activité BMP spécifie des destinées ventrales (lames latérales par exemple).
La 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, la chordine a également un effet positif sur la signalisation BMP dans la région ventrale grâce au navettage qu'elle réalise de BMP.
Induction neurale : un processus clé
L'induction neurale est un processus d'interaction qui permet à un tissu inducteur (le mésoderme dorsal ou organisateur de Spemann-Mangold) de modifier le destin d'un tissu cible (l'ectoderme) et de le spécifier en neuroectoderme, conduisant à la formation du système nerveux. Elle se déroule pendant la gastrulation et conduit, sur la face dorsale de l'embryon, à la formation de la plaque neurale qui est à l'origine de l'ensemble du système nerveux. L'embryon d'amphibien, notamment le triton et l'ambystome, a été le modèle de choix pour étudier ce processus.
Les étapes de l'induction neurale
La gastrulation débute environ 9 heures après la fécondation et dure environ 7 à 8 heures chez le xénope. Elle débute par l'internalisation des cellules du mésoderme dorsal au niveau de la lèvre du blastopore. Pendant la gastrulation, les cellules de l'ectoderme embryonnaire donnent naissance aux progéniteurs épidermiques sur la face ventrale de l'embryon, et aux progéniteurs neuraux sur la face dorsale.
La recherche de la molécule inductrice
Pendant plus de 60 ans, de nombreux laboratoires ont essayé de découvrir la nature de la molécule émise par l'organisateur qui orientait les cellules de l'ectoderme dorsal vers un destin neural. Toutefois, ces travaux furent vains en raison de plusieurs raisons, notamment les limites des techniques traditionnelles de biochimie et les faibles concentrations des substances inductrices.
Malgré ces recherches infructueuses, un certain nombre de résultats méritent d'être retenus : l'inducteur serait une molécule secrétée, il agirait sur un récepteur membranaire, son action n'aurait pas besoin d'être de longue durée et l'ectoderme de l'embryon d'amphibien au stade blastula peut être disséqué et mis en culture dans un milieu purement ionique sans facteurs de croissance.
Le système des calottes animales
Le système des calottes animales est un modèle simplifié d'induction neurale. Avant la gastrulation, au stade blastula, les cellules de l'ectoderme sont pluripotentes. Ce tissu peut être isolé (calottes animales) de l'embryon et mis en culture dans un milieu salin. Dans ce milieu, les cellules de la calotte animale donneront de l'épiderme. L'addition dans le milieu d'un inducteur neural (la Concanavaline A [ConA], ou la protéine Noggin) oriente les cellules dans la voie neurale. Seuls les signaux planaires issus du mésoderme diffuseront vers l’ectoderme.
Rôle du calcium
Le calcium joue un rôle important dans la transduction du message neuralisant. Des inducteurs artificiels comme la ConA, dont la concentration peut être maitrisée, peuvent être utilisés pour étudier ce mécanisme. Des élévations transitoires de calcium intracellulaire sont le signal déclencheur capable d'engager les cellules de l'ectoderme dans la voie neurale.
Découverte des inhibiteurs de BMP
Les premières expériences décisives furent effectuées au cours des années 1990 avec la découverte des inhibiteurs de BMP (Bone Morphogenetic Protein), tels que Noggin, Chordin et Follistatine. L'inhibition de la signalisation activine, un autre membre de la famille du TGF-b, induit l'expression de marqueurs neuraux. Ainsi, le blocage de la signalisation activine permet aux cellules de l'ectoderme d'exprimer leur destin neural.
Il fut alors rapidement démontré que ces molécules se liaient physiquement à BMP4, bloquant ainsi sa fixation sur son récepteur et empêchant d'activer la voie de signalisation BMP et donc la détermination épidermique.
Imagerie calcique in vivo
L'imagerie calcique in vivo a permis de visualiser les signaux calciques dans l'embryon en développement. Des flashs de calcium intracellulaire, de durées variables, débutent à la fin du stade blastula et augmentent en nombre jusqu'au milieu de la gastrulation, soit pendant l'induction neurale. Ces flashs ne sont observés que dans l'ectoderme dorsal, là où se déroule l'induction neurale.
Mécanisme de transduction du signal neuralisant
La signalisation BMP4 met en jeu des récepteurs à activité sérine/thréonine kinase (BMPRI et BMPRII). Lors de la fixation de BMP4 sous forme de dimères, la phosphorylation de BMPRI par BMPRII déclenche la phosphorylation des protéines effectrices SMAD et leur relocalisation dans le noyau où elles agissent alors comme facteurs de transcription sur les gènes cibles (gènes épidermiques). Lorsque la voie BMP est active, les gènes neuraux sont réprimés.
La protéine extracellulaire Noggin inhibe la voie BMP. Sa liaison avec BMP4 inhibe d'une part l'activation des gènes épidermiques et d'autre part augmente l'interaction entre le canal TRPC1 et le domaine C-terminal du récepteur BMPRII.
L'activation de TRPC1 induit la dépolarisation de la membrane. Le mécanisme de régulation fait intervenir le répresseur transcriptionnel KCNIP1. Les protéines KCNIP contrôlent la transcription des gènes de manière directe. Lorsque la voie BMP est active, le site DRE est occupé et la transcription est réprimée. La dépolarisation membranaire induite par TRPC1 sur les sites EF-hand modifie l'affinité des tétramères KCNIP pour le site DRE, la transcription est alors possible.
Rôle de Geminin
Geminin est présent dans les territoires neuraux présomptifs, contrôle la prolifération des progéniteurs neuraux et sa perte de fonction empêche la formation des structures neurales antérieures.
Induction neurale : un mécanisme par défaut
Pendant longtemps on a pensé que le mécanisme de l'induction neurale était instructif, une molécule libérée par le mésoderme serait capable d'orienter les cellules de l'ectoderme dans la voie neurale. Les progrès ont été significatifs dans les années 1990 avec un changement de paradigme montrant que l'induction neurale pouvait être un mécanisme par défaut. En effet, la différenciation épidermique nécessitait un signal inducteur tandis que la différenciation neurale demandait seulement l'inhibition du signal épidermique.
Si la plupart des scientifiques du domaine se sont concentrés sur le signal inducteur, très peu de travaux ont concerné sa transduction. est nécessaire et suffisante pour neuraliser l'ectoderme. Ils expliquent en grande partie pourquoi des substances hétérologues étaient inductrices. Ces molécules modifiaient de nombreux paramètres cellulaires, tels le pH, l'activation de canaux ioniques, la fluidité de la membrane. n'a pas besoin d'être de longue durée. se comporte comme un déclencheur irréversible de phénomènes plus tardifs comme la transcription des gènes neuraux.
Perspectives
La compréhension du mécanisme complet de l'induction neurale a demandé pratiquement un siècle de recherche. Les cellules souches embryonnaires humaines offrent la possibilité d'étudier l'induction neurale. joue probablement un rôle essentiel dans le choix entre destin neural ou destin épidermique dans la mesure où elle est régulée positivement lors de l'induction neurale dans les cellules souches embryonnaires humaines.
Le Triton marbré : un exemple concret
Le Triton marbré (Triturus marmoratus) est un exemple d'urodèle que l'on peut rencontrer en France. Seuls trois pays accueillent le Triton marbré dans leurs mares : le Portugal, l'Espagne et la France. C'est ici que les adultes se rencontrent et se reproduisent. Le développement de l'embryon dure environ 16 jours et la phase larvaire 2 à 3 mois.
Le Triton marbré est classé parmi les espèces vulnérables dans le livre rouge des vertébrés de France. Il est également protégé au niveau européen et national.
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