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 du tube neural lors de la neurulation. La mise en place de ces axes est orchestrée par une structure fondamentale : l'organisateur de Spemann, correspondant à la lèvre dorsale du blastopore chez les amphibiens et au nœud de Hensen chez les amniotes. Bien que souvent associé à l'axe DV, son rôle s'étend aussi à l'axe AP et à l'asymétrie droite/gauche.
L'Organisateur de Spemann: Une Expérience Fondatrice
L'expérience de Spemann et Mangold en 1924 a démontré le rôle crucial de l'organisateur de Spemann. La greffe de la lèvre dorsale du blastopore d'une jeune gastrula d'amphibien sur la région ventrale d'un autre amphibien induit la formation d'un deuxième axe dorsal complet, avec deux tubes neuraux, deux cordes et deux séries de somites.
L'analyse des tissus dérivés du donneur et du receveur a révélé que la lèvre dorsale greffée se développe en corde, 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 mésoderme ventral (cellules sanguines).
Induction Précoce de l'Axe Dorsal
L'expérience de Gimlich et Gerhart a montré que les événements menant à la formation de l'organisateur de Spemann se produisent très tôt dans l'embryon. La transplantation d'un macromère dorsal (D1) vers la région ventrale d'un embryon de xénope de 32 cellules, conservant son blastomère dorsal (D1′), provoque une duplication de l'axe dorsal.
Ces événements sont liés à la rotation corticale qui suit la fécondation. Le cytoplasme du zygote, juste sous la membrane plasmique, se déplace d'un angle de 30° vers le point d'entrée du spermatozoïde. Cette rotation corticale est visible par le déplacement de billes fluorescentes injectées dans le cortex au pôle végétatif.
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La Rotation Corticale et l'Accumulation de β-caténine
La rotation corticale entraîne le déplacement de protéines clés, dont Dishevelled, accrochée à des vésicules transportées le long de microtubules. Dishevelled protège la β-caténine de la destruction induite par GSK3β, avec l'aide du ligand Xwnt11 et de la protéine Huluwa.
La β-caténine s'accumule alors sur la face dorsale de l'embryon et entre dans le noyau au stade 16 cellules, où elle s'associe aux facteurs de transcription LEF/TCF. L'injection de β-caténine dans les cellules ventrales provoque la formation d'un deuxième axe du corps avec deux têtes et deux tubes neuraux, mais uniquement dans la partie antérieure.
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 (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, un organisateur de Spemann.
Les blastomères végétatifs dorsaux expriment plus de gènes Xnr que les blastomères végétatifs ventraux, créant un gradient de ce morphogène. Les blastomères exprimant le plus de Xnr correspondent au centre de Nieuwkoop, 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) dépend de la rotation corticale et de l'entrée de la β-caténine dans le noyau.
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. Contrairement au xénope, c'est Wnt8a, et non Wnt11, qui contribue à activer la voie Wnt/β-caténine du côté dorsal.
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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 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.
L'Organisateur de Spemann: Un Inhibiteur de Signaux Inducteurs
La découverte des molécules sécrétées par l'organisateur de Spemann a révélé qu'il inhibe une série de signaux inducteurs (BMP, Wnt et Nodal). Cependant, inhiber un signal inducteur est aussi une instruction qui change la destinée d'une cellule et donc une induction. 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.
Le Rôle de Chordine dans la Dorsalisation
Chordine est exprimée dans la lèvre dorsale du blastopore et dans la corde en formation. L'injection d'ARNm de chordine rétablit les axes d'un embryon traité aux UV, qui a perturbé la rotation corticale.
Chordine 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. Cependant, Chordine a également un effet positif sur la signalisation BMP dans la région ventrale grâce à un mécanisme de navettage.
Détermination de l'Axe Primaire Animal-Végétatif
Dans la majorité des organismes deutérostomiens et protostomiens, une première polarité correspondant à l'axe animal-végétatif (A-V) est établie durant l'ovogenèse. Le pôle animal (A) est défini par la position des chromosomes méiotiques et le site d'extrusion des globules polaires, tandis que le pôle végétatif (V) est situé à l'opposé.
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Selon l'espèce, l'axe primaire A-V devient perceptible à différents stades de l'ovogenèse, se manifestant par des différenciations cytoplasmiques et corticales liées aux périodes de croissance de l'ovocyte et aux interactions avec les cellules folliculaires et nourricières environnantes.
Établissement de l'Axe A-V chez le Xénope
L'élaboration d'un axe primaire A-V est particulièrement bien connue chez le xénope. Cette polarité est manifeste dès le stade II de l'ovogenèse, lorsque l'un des nuages mitochondriaux arrive dans le cortex végétatif. Ces nuages contiennent une grande densité de mitochondries, du réticulum endoplasmique et des granules denses caractéristiques des plasmes germinatifs.
Au stade IV, des granules pigmentaires se positionnent sous le pôle animal, la vésicule germinative se déplace vers le cortex animal et des plaquettes vitellines emplissent l'hémisphère végétatif. Pendant la maturation, des vésicules golgiennes (granules corticaux) migrent vers la périphérie et accostent sous la membrane plasmique. Chez le xénope, les filaments intermédiaires constitués de kératines disparaissent, et la longueur comme la densité des microtubules diminuent. Des ARNm déterminants se localisent progressivement dans le cortex animal.
Détermination des Axes Embryonnaires A-P et D-V
L'ovocyte acquiert ses axes embryonnaires A-P puis D-V par deux événements de signalisation impliquant le réseau de microtubules et la protéine Gurken. Les ARNm déterminants sont ensuite transportés et ancrés aux pôles antérieur (ARN Bicoid) et postérieur (ARN Oskar puis Nanos) de l'ovocyte.
L'axe dorso-ventral est mis en place grâce au facteur sécrété Gurken. Les centrosomes sont situés dans la région antérodorsale, relocalisant la vésicule germinative vers ce côté de l'ovocyte. Après la cellularisation du blastoderme, Dorsal est exclu des noyaux des cellules dorsales et concentré dans les noyaux des cellules ventrales.
Rôle Déterminant de la Fécondation et du Spermatozoïde
L'entrée du spermatozoïde définit une polarité dans le positionnement du pronoyau mâle par rapport au noyau maternel femelle, influençant le positionnement des axes et l'activation du développement. Chez l'ascidie, le point d'entrée du spermatozoïde déclenche une vague calcique se propageant vers l'hémisphère végétatif, définissant le futur côté dorsal. La situation est comparable chez le xénope, où la vague calcique déclenche la reprise de la méiose et une contraction corticale.
Réorganisations Axiales Dirigées par les Asters
Chez le zygote de C. elegans, les interactions entre les microtubules astraux et le cortex initient un flux cortical d'acto-myosine du pôle postérieur vers le pôle antérieur. Ce flux donne naissance à un flux intracytoplasmique d'organites et de granules de sens opposé, médié par le cytosquelette. La mise en place de domaines corticaux est suivie de la translocation des granules polaires (granules P) vers le pôle postérieur.
Chez l'ascidie et le xénope, les réorganisations du cytosquelette suivent l'évolution des facteurs contrôlant le cycle cellulaire. La méiose s'achève, et les microtubules atteignent une longueur extrême, permettant la migration puis la rencontre des pronoyaux. Chez le zygote du xénope, une traînée de granules pigmentaires laisse une trace visible de ces mouvements. Une rotation se produit en direction de l'hémisphère animal, vers le point d'entrée du spermatozoïde, amplifiée par un réseau de microtubules périphériques situés dans la région végétative.
Mitose, Clivages et Polarisation des Embryons
La mitose met une touche finale aux translocations déclenchées par le spermatozoïde, puis poursuivies par le jeu des interactions entre asters et cortex. Le plan de premier clivage répartit les plasmes germinatifs également entre les blastomères, passant près du site de fécondation et des globules polaires, et délimite la position du futur organisateur dorsal (centre de Niewkoop). Le deuxième plan de clivage est orthogonal au premier et sépare la partie dorsale de la partie ventrale de l'embryon de xénope.
Chez le xénope, le centre de Niewkoop devient opérationnel dans la blastula et induit la formation du blastopore et des structures dorsales de l'embryon. La β-caténine est concentrée dès le stade 16 cellules dans les noyaux des cellules dorsales et est impliquée dans les effets dorsalisants du centre de Niewkoop, précurseur de l'organisateur de Spemann.
Xenopus laevis: Un Modèle d'Étude Privilégié
Le xénope est un modèle de choix pour étudier le développement embryonnaire, notamment grâce à la facilité d'observation des mouvements de la gastrulation. Deux espèces sont couramment utilisées : X. laevis et X. tropicalis. X. laevis produit de gros embryons, idéaux pour la microchirurgie embryonnaire, l'analyse de la surexpression des gènes et les études biochimiques. X. tropicalis, quant à lui, est un organisme diploïde, facilitant les études de perte de fonction.
L'expression des gènes dans les embryons de xénope peut être manipulée par microinjections d'ARNm et d'oligonucléotides morpholino antisens (MO) pour un gain ou une perte de fonction, respectivement. La technique CRISPR/Cas9 peut également être utilisée pour créer des mutations ou générer des lignées rapportrices.
Applications et Avantages de l'Utilisation du Xénope
Le xénope présente des avantages pour l'analyse comparative des structures, car l'injection d'une seule cellule de l'embryon à deux cellules peut cibler le côté gauche ou droit de l'embryon, fournissant un contrôle interne. Les embryons de xénope ont une carte du destin cellulaire bien définie, permettant des injections ciblées dans des organes ou des tissus spécifiques.
Les embryons de xénope se prêtent bien à des expériences de microchirurgie embryonnaire. Les premiers stades de clivage étant holoblastiques, le vitellus est distribué à toutes les cellules, permettant aux explants de survivre en utilisant les nutriments stockés. Le xénope est également utile pour produire des cultures cellulaires de cellules pluripotentes.
Exemples d'Études Utilisant le Xénope
Le xénope est un excellent modèle pour analyser le transcriptome d'explants de calotte animale, permettant d'étudier les signatures de l'induction neuronale et épidermique. Il a également permis de mettre en évidence le CSF (Cytostatic Factor), un facteur maintenant l'ovocyte en arrêt de cycle en métaphase II.
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