I- Contrôle génique du développement précoce des amphibiens
II- Données complémentaires récentes ; généralisations aux autres vertébrés
III- Analyse de 3 articles sur l'axialisation et le déterminisme D/G
IV- Contrôle hormonal du développement précoce chez les amphibiens
I LE
CONTRÔLE GÈNIQUE DU DÉVELOPPEMENT PRÉCOCE
DES AMPHIBIENS
1 DE L'OVOCYTE POLARISÉ À L'EXPRESSION DES PREMIERS GÈNES ZYGOTIQUES2. L'INDUCTION MÉSODERMIQUE ET LA RÉGIONALISATION DORSO-VENTRALE DU MÉSODERME
3. INDUCTION NEURALE ET RÉGIONALISATION DES STRUCTURES NEURALES
RETOUR
1 DE L'OVOCYTE
POLARISÉ À L'EXPRESSION
DES PREMIERS GÈNES ZYGOTIQUES
1-1 L'établissement précoce
des axes de polarité
- La polarité (pôle animal/pôle
végétatif) de l'ovocyte est établie lors de
l'ovogenèse (fig1)
Une position excentrée du noyau
L'ovocyte I de xénope présent dans l'ovaire est
naturellement bloqué au stade prophase de la première
division méiotique. En effet, il est dépourvu
d'activité MPF (M-phase promoting factor ; le MPF est
un hétérodimère formé de la kinase Cdc2
et d'une cycline mitotique de type B ; voit cours PCEM-1). C'est
seulement quelques heures avant la ponte que le MPF est activé
sous l'influence de la progestérone, permettant alors la
reprise de la méiose jusqu'au stade métaphase II.
Le volumineux noyau (ou vésicule germinative) de l'ovocyte I
en croissance est situé près du futur pôle animal
et il est le siège d'une intense activité de
transcription (chromosomes en écouvillon).
Une répartition asymétrique du vitellus
L'ovocyte de xénope subit dans l'ovaire une importante phase
de croissance au terme de laquelle il forme une volumineuse cellule
(plus d'un millimètre de diamètre) dont le contenu
cytoplasmique est hétérogène (œuf
hétérolécithe). Cette
hétérogénéité est due à une
répartition inégale des produits élaborés
pendant l'ovogenèse.
Le vitellus, composé de réserve dont l'origine est
'maternelle, s'accumule dans l'ovocyte au sein de vésicules
membranaires, les plaquettes vitellines. Les plaquettes vitellines
qui se forment sont de taille variable. Celles qui sont situés
près de la membrane du futur pôle
végétatif augmentent considérablement de taille
par accumulation importante de vitellus, si bien que l'essentiel des
réserves vitellines occupe finalement un seul
hémisphère (hémisphère
végétatif). L'autre moitié du volume ovocytaire
(hémisphère animal) se trouve au contraire
occupé par des granules vitellins de petite taille. L'ovocyte
1 présente donc au terme de la vitellogenèse un
gradient décroissant de vitellus selon un axe pôle
végétatif/pôle animal.
FIG 1
Une pigmentation asymétrique
Des granules pigmentaires contenant de la mélanine occupent la
partie corticale du cytoplasme de l'hémisphère animal,
alors que l'hémisphère végétatif reste
dépourvu de pigmentation.
Notons qu'il existe aussi un gradient d'ARN ribosomaux (contenus dans
les sous unités ribosomales) opposé à celui du
vitellus.
La distribution polarisé de certains ARNm maternels
Des ARN messagers d'origine maternelle s'accumulent aussi pendant
l'ovogenèse. Ainsi, l'ARNm Vg1, qui code une protéine
apparenté au TGFß (transforming growth factor
fi), est d'abord mis en réserve de manière uniforme
dans l'ensemble du cytoplasme ovocytaire. Puis il subit une
translocation qui met en jeu un «rail » de microtubules. Ce
déplacement des ARNm Vg1 aboutit à restreindre leur
localisation à la partie corticale du cytoplasme de
l'hémisphère végétatif (fig. 1). Le
maintien de cette distribution asymétrique fait intervenir un
complexe protéique d'ancrage des ARNm Vg1 aux micro filaments
d'actine du cortex végétatif D'autres ARNm maternels,
tels que l'ARNm XWnt11 (codant une protéine de la
famille Wnt) et l'ARNm Xcat2 (codant une protéine
apparenté à Nanos de la drosophile) vont aussi occuper
préférentiellement le pôle
végétatif de l'ovocyte du xénope. En raison de
la distribution asymétrique de certains ARNm maternels, les
blastomères issus de la segmentation du zygote ne contiendront
pas tous 1 a même information maternelle, ce qui contribue
à leur détermination.
L'axe pôle animal/pôle végétatif est donc
établi très tôt, et correspond approximativement
à la future polarité antéropostérieure de
l'embryon
La polarité dorso-ventrale est établie après
la fécondation L'ovocyte II achève sa
méiose
L'ovocyte Il de xénope émis lors de la ponte est
bloqué en métaphase II. L'achèvement de la
méiose nécessite une inactivation du MPF par
dégradation de, sa sous unité cycline. Or l'ovocyte Il
contient un facteur cytostatique (CSF = cytostatic factor)
dont le produit du proto-oncogène c-mos est l'un
des éléments. Ce facteur CSF empêche la reprise
de la méiose en s'opposant à la dégradation des
cyclines.
La fécondation provoque une entré de Ca2+ dans le
cytoplasme de l'ovocyte II. La vague calcique qui se propage
rapidement à partir du point de pénétration du
spermatozoïde active une protéine kinase de type II
dépendante de la calmoduline. Les facteurs MPF et CSF se
trouvent alors inactivé et l'ovocyte II achève sa
méiose (expulsion du second globule polaire).
Le zygote est le siège de la réaction corticale (ou
rotation corticale) (fig.2)
La pénétration du spermatozoïde dans l'ovocyte
provoque une réaction corticale caractérisée par
la rotation de 30' du cytoplasme cortical par rapport au cytoplasme
sous cortical. Ce mouvement, qui met en jeu le cytosquelette
sous-membranaire, entraîne une redistribution des granules
pigmentaires corticaux de l'hémisphère animal
d'où résulte la formation d'une zone corticale plus
claire appelé croissant gris (observable dans l'œuf de
grenouille). Ce croissant dépigmenté présent
à l'opposé du point de pénétration du
spermatozoïde, correspond à la région dorsale du
futur embryon. L'oeuf présente désormais un axe
dorso-ventral qui va conditionner la suite du
développement.
FIG 2
FIG 2b
La réaction corticale active des déterminants
dorsaux dans la future région dorsale de
l'embryon
La réaction corticale induit l'activation locale de
déterminants dorsaux. Ainsi, elle provoquerait l'activation
post-traductionnelle de la protéine Vg1 (probablement par
l'intermédiaire d'une protéase) exclusivement dans la
zone correspondant à la future région dorsale de
l'embryon (fig.2). Notons que l'expression ectopique de cette
protéine Vg1 mâture dans la région ventrale de
l'œuf conduit à la «dorsalisation » de cette
région.
1.2 La mise en route différée du
génome zygotique
- Les gènes zygotiques ne sont pas exprimé lors des
premières divisions de l'œuf
Le zygote subit d'abord un clivage (ou segmentation)
caractérisé par une succession de cycles cellulaires
très courts (35 minutes chez le xénope)
dépourvus de phase G de croissance. Le blastocoele
(cavité de la blastula), excentré vers le pôle
animal, apparaît dès le stade 8 blastomères.
Pendant cette période de cycles mitotiques très courts,
aucune activité de transcription n'est décelable, si
bien que les seules protéines produites sont issues de la
traduction d'ARNm maternels. La grande réserve d'histones,
présente au départ dans l'ovocyte, pourrait expliquer
l'inhibition de la transcription des gènes zygotiques. De
plus, la TBP (TATA-box-binding-protein) pourrait constituer un
facteur limitant pendant les premiers stades du développement.
En effet, la TBP joue un rôle essentiel dans l'initiation de la
transcription et la seule addition de ce facteur dans des oeufs
fécondés de xénope suffit à
déclencher une importante transcription. Au stade 32 cellules
chez le xénope et l'axolotl, une transcription de gènes
zygotiques est observable, quoique extrêmement
discrète.
- L'expression des gènes zygotiques est activé lors
de la transition blastuléenne (fig.3) De façon
brutale (à partir du douzième cycle chez le
xénope), le rythme de division des blastomères devient
plus lent (par apparition de phases G de croissance) et les cycles se
désynchronisent : les blastomères de
l'hémisphère végéatif,
caractérisée par leur grande taille, se divisent plus
lentement que les petits blastomères de
l'hémisphère animal. Cette transition abrupte, qui
apparaît au cours de la segmentation, est qualifié de
transition blastuléenne ou mi-blastula (stade MBT : mid
blastula transition). Elle coïncide avec une période
d'activation transcriptionnelle majeure des gènes
zygotiques.
FIG 3
2-1 Induction mésodermique et
gènes codant des signaux inducteurs et
modificateurs
- L'induction du mésoderme par les
blastomères végétatifs
À la fin de la segmentation, les trois tissus embryonnaires
(ectoderme, mésoderme et endoderme) sont déjà
déterminés. Par la technique des marques colorés
(utilisation de traceurs enzymatiques ou fluorescents), on peut
repérer un feuillet ou un organe en fonction de son
emplacement présomptif sur la blastula. Ainsi peut-on
établir une carte des territoires présomptifs de la
blastula (fig. 4). Les blastomères végétatifs de
la blastula vont contribuer à la formation de l'endoderme,
alors que les blastomères du pôle animal (ou calotte
animale) vont former l'ectoderme.
La région moyenne de la blastula (ou zone marginale de la
blastula) formant un anneau de part et d'autre du plan
équatorial, et situé entre l'hémisphère
animal et l'hémisphère végétatif, va
former le mésoderme. La détermination du
mésoderme est induite par les blastomères
végétatifs (expérience de Nieuwkoop (1969) fig.
5). En effet, dès le stade 32 cellules, les blastomères
végétatifs émettent des signaux induisants les
cellules de la zone marginale en mésoderme les
blastomères végétatifs dorsaux induisent du
mésoderme à caractère dorsal, alors que les
blastomères végétatifs ventraux et
latéraux induisent du mésoderme à
caractère ventral (fig. 6). Au stade 64 cellules, la greffe
d'un blastomère végétatif dorsal à la
place d'un blastomère ventral dans un embryon receveur
entraîne la formation d'un axe embryonnaire surnuméraire
en position ventrale. Les structures mésodermiques (corde,
somites) entrant dans la constitution de cet axe proviennent
exclusivement des cellules de la zone marginale dorsale de la
blastula receveuse, et non du blastomère dorsal greffé
(lequel contribue seulement à la formation de structures
endodermiques dans l'embryon hôte).
Les blastomères dorsaux végétatifs du stade 64
cellules qui permettent la formation d'un axe embryonnaire
dorsal en induisant les cellules de la zone marginale dorsale de la
blastula (sans participer aux structures mésodermiques de cet
axe) constituent le centre de Nieuwkoop, lieu d'émission des
signaux inducteurs du mésoderme dorsal.
- Les signaux inducteurs
Des calottes animales prélevées au stade blastula et
mises en culture en présence de facteurs de croissance de la
famille du FGF (fibroblast growth factor) ou du TGFß se
différencient en structures mésodermiques, ce qui fait
de ces facteurs des signaux inducteurs potentiels.
FIG 5
FIG 6c
FIG 7
FIG7b
- Les signaux modificateurs
Des signaux modificateurs «dorsalisent » le
mésoderme induit
L'injection d'ARNm activine dans un blastomère
végétatif au stade précoce de la segmentation de
l'œuf provoque la formation d'un second axe embryonnaire
dépourvu des structures antérieures ce qui
prouve que l'Activine ne mime pas la totalité de
l'activité du centre de Nieuwkoop. Par contre, l'injection
d'ARNm noggin ou d'ARNm de certains membres de la famille Wnt
(Wnt1 de souris, XWnt1 de xénope et wingless
de la drosophile) conduit à la formation d'un axe
antéro-postéieur surnuméraire complet, sans que
les cellules issues des divisions du blastomère injecté
ne participent au mésoderme de ce second axe embryonnaire. Les
gènes noggin et Wnt codent des protéines
sécrétées qui miment donc l'activité du
centre de Nieuwkoop (fig 7b). Ces protéines associées
aux facteurs inducteurs (Activine/FGF) modifient le caractère
dorso-ventral du mésoderme induit et participent ainsi
à la régionalisation du mésoderme. Ainsi, le FGF
seul induit in vitro la différenciation de la calotte
animale en mésoderme ventral, mais il permet la formation de
mésoderme dorsal si la calotte exprime artificiellement Xwnt8.
Notons qu'aucun des gènes Wnt dont l'expression
ectopique provoque la formation d'un axe embryonnaire
surnuméraire complet n'est exprimé précocement
dans les blastomères végétatifs de la jeune
blastula. Le facteur modificateur endogène de la famille Wnt,
qui reste à identifier, agirait sur un récepteur
activable par toutes les protéines Wnt testés.
La protéine Noggin (exprimé très
précocement à partir d'ARNm maternels) et un membre de
la famille Wnt sont des signaux modificateurs issus du centre de
Nieuwkoop et induisant, en synergie avec les signaux inducteurs
(Activine/FGF), la formation du mésoderme dorsal (fig. 7).
Des signaux modificateurs «ventralisent » le
mésoderme induit
Les blastomères végétatifs ventraux et
latéraux émettraient également des signaux
modificateurs ayant au contraire un effet «ventralisant »
sur le mésoderme induit. Ainsi, BMP-4 (bone morphogenetic
protein 4) est une protéine de la famille du TGFß,
présente dès le stade zygote, et participant à
la «ventralisation » du mésoderme induit.
2.2 Les premiers gènes exprimé par
la zone marginale induite codent des facteurs de
transcription
- Le gène X brachyury (Xbra) s'exprime
dans toute la zone marginale induite (fig. 8) Le gène Xbra
(homologue du gène brachyury de souris) est
fortement exprimé dans l'ensemble de la zone marginale de la
blastula tardive du xénope, sous l'influence des signaux
inducteurs (FGF et Activine). Le produit du gène Xbra
est impliqué dans la conversion des cellules ectodermiques
de la zone marginale en mésoderme. Ainsi, l'injection d'ARNm
Xbra dans la calotte animale ectodermique permet la formation
de dérivés mésodermiques. Une expression du
gène Xbra est nécessaire à la formation
de certains dérivés mésodermiques, telles que la
corde et la queue. En effet, la sur expression de ce gène par
injection d'ARNm Xbra dans un œuf de xénope
provoque non seulement une différenciation ectopique de
mésoderme, mais également la formation d'une queue
surnuméraire. La protéine codé par le
gène Xbra est un facteur de transcription d'un type
nouveau, capable d'activer la transcription d'autres gènes
codant eux-mêmes des facteurs de transcription tel que le
gène XHox3 spécifique de la région
caudale.
FIG 8
- Des gènes à homéoboîte s'expriment
dans la zone marginale dorsale (fig. 8)
L'action synergique des signaux inducteurs et modificateurs
libéré par le centre de Nieuwkoop induit l'expression d
e gènes spécifiques dans la zone marginale dorsale,
notamment de gènes codant des facteurs de transcription
à homéoboîte (goosecoïd, XLim-1,
Xnot, pintallavis et X FKH-1).
En utilisant une sonde oligonucléotidique correspondant
à la troisième hélice de
l'homéoboîte du gène bicoïd de
drosophile, des ARNm porteurs de ce motif ont pu être
identifié dans la blastula du xénope. Le gène
isolé par cette démarche fut baptisé
goosecoïd car il. possède
l'homéoboîte des gènes gooseberry et
bicoïd de drosophile. Le gène goosecoïd
est exprimé dans la zone marginale dorsale de la blastula
sous l'influence de l'Activine et va participer (ainsi que le
gène XLim-1) à la formation du mésoderme
précordal al (partie la plus antérieure du
mésoderme).
Le gène Xnot est exprimé sous l'influence de
l'Activine et du FGF dans les cellules de la zone marginale dorsale
qui vont former notamment la corde. La sur expression de ce
gène dans la zone marginale dorsale entraîne une
hypertrophie de la corde.
Les gènes X FKHI-1 et pentallavis sont d'abord
exprimé dans les parties antérieures et moyennes de la
zone marginale dorsale, puis sont fortement exprimé dans les
cellules de la corde. Ces gènes codent des facteurs de
transcription (avec domaine fork-head). Leur expression est
induite par l'Activine.
L'expression de ces gènes à homéoboîte,
induite par le centre de Nieuwkoop, va conférer à la
zone marginale dorsale des propriété
particulières. Cette zone de la blastula moyenne,
constitué de cellules qui vont former les structures
mésodermiques les plus dorsales, constitue l'organisateur de
Spemann.
2.3 La régionalisation dorso-ventrale du
mésoderme induit est réalisée au cours de
la gastrulation
- Les mouvements morphogénétiques de la gastrulation
(fig. 9)
La formation du blastopore
La gastrulation débute par l'apparition d'un petit sillon
transversal situé au dessous de la zone marginale dorsale.
Cette encoche blastoporale est le site d'initiation des mouvements
d'invagination de la gastrulation. Ces mouvements, qui permettent
à des territoires cellulaires qui recouvraient la blastula de
s'engouffrer dans l'embryon, s'accompagnent de la
différenciation de cellules en bouteille au fond de l'encoche
blastoporale. Cette encoche va progressivement s'étendre pour
former le blastopore circulaire qui va entourer le pôle
végétatif . L'invagination de cellules est très
prononcé au départ dans la région dorsale du
blastopore (ou lèvre dorsale), puis s'étend aux
lèvres latérales et à la lèvre ventrale
du blastopore.
FIG 10b
FIG 10c
- Le gène goosecoïd joue un rôle
déterminant dans l'activité de l'organisateur de
Spemann
L'iinjection d'ARNm goosecoïd dans les blastomères
végétatifs ventraux de la région
équatoriale d'un embryon de xénope au stade 32
cellules permet la formation d'un axe embryonnaire
surnuméraire. Les cellules filles des blastomères
injecté participent à la formation des structures
méodermiques dorsales de ce second axe. Les cellules
injectés peuvent aussi recruter dans ces structures les
cellules provenant des autres blastomères ventraux. Par
contre, l'injection d'ARNm goosecoïd dans les
blastomères dorsaux n'a aucun effet. Cette expérience a
donc, mimé l'effet de la greffe de l'organisateur de
Spemann.
L'expression ectopique de ce -gène dans des blastomères
ventraux ou dorsaux conduit ces cellules embryonnaires à
migrer activement vers la région antérieure de
l'embryon lors des mouvements morphogénétiques de la
gastrulation. Le gène goosecoïd confère
donc aux groupements de cellules qui l'expriment une forte
capacité migratoire. Ces cellules seront en effet les
premières à migrer dans la jeune gastrula. Ce sont
aussi les cellules qui vont migrer le plus loin à l'avant de
l'axe antéro-postéieur pour former le mésoderme
précordal.
L'existence d'un gradient décroissant dorso-ventral d'ARNm
goosecoïd dans la zone marginale de la jeune gastrula
traduit l'information de position préalablement
délivrée par les blastomères
végétatifs dorsaux de la blastula. Ce gradient
d'expression du gène goosecoïd pourrait participer
à la régionalisation du mésoderme.
L'expression de ce gène à homéoboîte
apparaît donc déterminante dans l'acquisition des
propriété de l'organisateur de Spemann. Cependant, la
réalisation du patron mésodermique met aussi en jeu
l'expression de gènes codant des facteurs diffusibles
(noggin, Wnt8).
- Le gène noggin est impliqué dans
l'activité«dorsalisante »de l'organisateur de
Spemann (fig. 11)
Au stade blastula, nous avons vu que le produit de l'ARNm maternel
noggin était un signal modificateur impliqué dans
l'activité du centre de Nieuwkoop et «dorsalisant»
la zone marginale dorsale (fig. 8). En réponse à
l'induction mésodermique, l'organisateur de Spemann de la
blastula âgée, puis de la gastrula, exprime le
gène zygotique noggin (probablement sous l'influence de
facteurs de transcription à homédomaine exprimé
dans la zone marginale dorsale). Le gène noggin reste
exprimé pendant la gastrulation dans les cellules du
mésoderme présomptif dorsal qui vont constituer le
mésoderme précordal et cordal. Des cellules de la zone
marginale ventrale mises en culture en présence de la
protéine Noggin purifiée se différencient en
structures méodermiques de type dorsal. La protéine
Noggin joue donc un rôle important dans les
propriétés «dorsalisante» de l'organisateur
de Spemann. Elle constitue un signal diffusible
«dorsalisant» impliqué dans la
régionalisation dorso-ventrale du mésoderme.
Le gène XWnt8 serait impliqué dans la
«Centralisation »du mésoderme (fig. 11) Nous
avons vu que l'expression ectopique de XWnt8 dans la jeune
blastula pouvait mimer l'activité du centre de Nieuwkoop.
Cependant, l'expression temporelle et spatiale de ce gène est
incompatible avec la possibilité que la protéine XWnt8
soit un signal, endogène émis par les
blastomères végétatifs dorsaux. En effet,
XWnt8 est un gène zygotique qui ne s'exprime
qu'à partir du stade blastula âgée, et son
domaine d'expression recouvre la zone marginale latérale et
ventrale de la jeune gastrula. Notons que la protéine XWnt8
est toujours absente des régions où s'exprime le
gène goosecoïd. L'injection d'ARNm
goosecoïd dans les blastomères ventraux
empêche l'expression du gène Xwnt8. Au contraire,
une injection dorsale d'ARNm XWnt8 entraîne une
expression ectopique de la protéine XWnt8 dans la zone
marginale dorsale, ce qui empêche la différenciation
normale des cellules de l'organisateur de Spemann. Ces cellules
devant normalement former le mésoderme précordal (ou
mésenchyme céphalique) et la partie antérieure
de la corde, cette expression ectopique de XWnt8
entraîne donc la formation d 'un axe embryonnaire
caractérisé par une atrophie du mésenchyme
céphalique et de la corde.
Le gène goosecoïd, dont l'expression
précède celle de XWnt8, et qui s'exprime
spécifiquement dans l'organisateur de Spemann, pourrait donc
inhiber l'expression de XWnt8 dans la zone marginale dorsale.
La protéine XWnt8 est un facteur diffusible qui pourrait
atténuer la réponse des cellules de la zone marginale
ventrale et latérale aux signaux «dorsalisants»
(telle que la protéine Noggin) émis par l'organisateur
de Spemann.
3. INDUCTION NEURALE ET RÉGIONALISATION DES
STRUCTURES NEURALES
3.1 Le mésoderme dorsal induit
l'ectoderme en tissu neural et contrôle la
régionalisation des structures neurales induites
(fig. 12a, b, c)
- La neurulation
La gastrulation est suivie par le processus de neurulation qui permet
la formation du tube neural dorsal. La région dorsale de
l'ectoderme de la gastrula âgée (ou neurectoderme) forme
une plaque neurale délimité par des
épaississements latéraux appelé bourrelets
neuraux. La plaque neurale épaissie se creuse ensuite en
gouttière neurale, tandis que les bourrelets neuraux se
soulèvent, se rapprochent l'un de l'autre et fusionnent,
isolant ainsi un tube neural clos. Ce tube dorsal va rapidement
présenter une régionalisation
antéro-postérieure : des renflements apparaissent dans
sa partie antérieure pour former les vésicules
céphaliques qui sont à l'origine du cerveau, en
arrière de ces vésicules, le tube neural
présente une structure homogène et formera la moelle
épinière. Une régionalisation dorso-ventrale du
tube neural apparaît ensuite (rhombomères : succession
dorso-ventrale de plaques longitudinales, de la moelle
épinière au mésencéphale).
- L'organisateur de Spemann est aussi un inducteur neural
Spemann et Mangold (1924) ont montré que la greffe de la
lèvre dorsale du blastopore dans la partie ventrale d'une
jeune gastrula conduisait à la formation d'un second axe
embryonnaire complet contenant un tube neural parfaitement
organisé Les cellules constituant le tube neural
surnuméraire sont toutes issues de l'ectoderme ventral de
l'hôte. Les cellules ectodermiques de la jeune gastrula ont
donc été induites en cellules neurales par le
mésoderme dorsal greffé
Les signaux verticaux induisent et régionalisent le
neurectoderme présomptif : les expériences
d'exogastrulation (Holtfreter, 1933)
L'oeuf fécondé de triton est placé dans une
solution saline hypertonique, ce qui va empêcher tout mouvement
d'invagination lors de la gastrulation. L'endoderme et le
mésoderme se développent alors à
l'extérieur de l'ectoderme (exogastrulation). Aucun tissu
neural n'est alors formé à partir de cet ectoderme. Un
contact entre le mésoderme et l'ectoderme est donc
nécessaire à l'induction neurale.
La méthode du «sandwich» (Holtfreter,
1936)
Une lèvre dorsale du blastopore préalablement
isolé est placé entre deux explants d'ectoderme d'une
jeune gastrula. L'ectoderme se différencie soit en structures
neurales antérieures si la lèvre dorsale provient d'une
jeune gastrula, soit en. structures neurales postérieures si
la lèvre dorsale provient d" une gastrula
âgée.
FIG 12a
FIG 12b
FIG 12c
Les expériences de Mangold (1933)
Des bandes de mésoderme prélevées à
différents niveaux dans le toit de l'archentéron d'une
jeune neurula de triton sont greffés dans le blastocoele d'une
jeune gastrula de façon à ce que le mésoderme
greffé soit en contact avec l'ectoderme ventral de l'embryon
receveur. Les larves formés présentent toutes un axe
secondaire ne contenant qu'une partie des structures neurales. Si
l'explant est prélevé dans la partie la plus
antérieure du mésoderme
invaginé(mésoderme précordal), l'axe secondaire
qui se développe est dépourvu de structure neurale
antérieure. Si l'explant est prélevé dans la
partie la plus postérieure., du mésoderme
invaginé (mésoderme caudal), les structures neurales de
l'axe -secondaire sont exclusivement caudales.
Des expériences récentes confirment les
résultats précédents. En effet, le blocage du
processus d'involution des cellules mésodermiques au stade
jeune gastrula conduit à une absence presque complète
de structures neurales. Ce même blocage effectué au
stade gastrula moyenne conduit à la formation d'un tube neural
dépourvu seulement de structures postérieures.
La polarité antéro-postérieure du
mésoderme dorsal inducteur est transmise au neurectoderme
présomptif lors de la gastrulation
Les cellules du mésoderme dorsal qui migrent les
premières vers le pôle animal lors de la gastrulation
induisent donc l'ectoderme sus-jacent à former des structures
neurales antérieures. Les cellules mésodermiques
dorsales qui s'invaginent plus tardivement au cours de la
gastrulation vont induire l'ectoderme sus-jacent à former des
structures neurales plus postérieures. La
régionalisation antéro-postérieure du
neurectoderme présomptif s'établirait donc
progressivement au cours de la gastrulation, mettant en jeu des
signaux inducteurs verticaux (fig. 12c).
- Les signaux tangentiels induisent et régionalisent le
neurectoderme présomptif
La mise en culture d'explants de jeune gastrula constitué
exclusivement de lèvre dorsale du blastopore et de l'ectoderme
dorsal permet l'obtention d'un tube neural présentant une
régionalisation antéro-postérieure normale.
L'induction et la régionalisation du neurectoderme
présomptif se sont donc réalisés, même en
l'absence de mésoderme sous-jacent. Des signaux inducteurs
tangentiels, émis par les cellules de l'organisateur de
Spemann avant que ne commence leur invagination, et diffusant dans le
plan de l'ectoderme (induction planaire), semblent donc suffisants
dans certaines conditions expérimentales pour permettre aux
cellules ectodermiques dorsales de constituer un tube neural
régionalisé
Une action synergique de signaux verticaux et planaires est
probablement nécessaire à l'induction et à la
régionalisation neurale (fig. 12c).
3.2 Certains gènes exprimé par
le mésoderme dorsal codent des signaux de l'induction
neurale
Le gène noggin code un inducteur neural
Le gène zygotique noggin, transcrit et traduit dans
l'organisateur de Spemann en réponse à l'induction
mésodermique, puis dans le mésoderme précordal
et cordal, code une protéine diffusible impliqué
d'abord dans la «dorsalisation » du mésoderme
induit, puis dans l'induction neurale. En effet, en l'absence de
mésoderme, l'incubation d-'ectoderme de blastula ou de
gastrula en présence de protéine Noggin purifié
conduit à la formation de tissus neuraux antérieurs.
Cette protéine déclenche la synthèse de
protéines spécifiques du .;tissu nerveux (ex : N-CAM
: neural-cell adhesion molecule) dans des cellules
ectodermiques de blastula âgée.
Le gène de la Follistatine code un inducteur neural qui
agirait en inhibant l'Activine Le blocage in vivo de
l'effet de l'Activine (par injection dans un œuf de
xénope d'ARNm codant un récepteur de l'Activine
délété de son domaine à activité
kinase) permet à un explant d'épiderme
présomptif d'embryon injecté de former du tissu neural.
L'activine exercerait donc un frein sur l'induction neurale. Ce frein
doit être levé par un inhibiteur de l'Activine. La
Follistatine, dont le gène est exprimé dans les
cellules de l'organisateur de Spemann, puis dans le mésoderme
précordal et cordal antérieur, est une protéine
sécrété antagoniste de l'Activine. Un explant de
neurectoderme présomptif surexprimant le gène de la
Follistatine se différencie en structures neurales
antérieures en l'absence de mésoderme sous-jacent. La
Follistatine est donc un inducteur de tissu neural antérieur,
qui agirait en levant l'inhibition exercé par l'Activine.
Un modèle d'induction neurale en deux étapes
La présence de Noggin et de FGFb induit l'ectoderme in
vitro à former des tissus neuraux postérieurs. Les
protéines Noggin et Follistatine ne sont pas les seules
à participer à l'induction neurale. Elles ne sont en
effet pas impliqués dans la formation des territoires neuraux
postérieurs. Nieuwkoop a suggéré un
modèle de l'induction neurale en deux phases : une
première phase dite d'activation permettrait à
l'ensemble de l'ectoderme d'acquérir des
caractéristiques neurales de type antérieur ; une
seconde phase dite de transformation serait due à un inducteur
réparti selon un gradient décroissant à partir
du pôle postérieur de l'embryon. Ce signal inducteur
transformerait les territoires antérieurs du neurectoderme en
structures neurales de plus en plus postérieures le long de
l'axe embryonnaire.
3.3 Certains gènes exprimé dans
l'ectoderme induit en réponse aux inducteurs neuraux
codent des facteurs de transcription
- Gène XASH3 et compétence de l'ectoderme
vis-à-vis des inducteurs neuraux
La compétence de l'ectoderme évolue
La capacité d'un territoire embryonnaire à s'engager
dans une voie de différenciation en réponse à un
signal inducteur est appelé compétence du tissu cible.
Ce n'est qu'au début de la gastrulation que l'ectoderme
acquiert cette compétence, l'ectoderme ventral étant
cependant moins compétent que l'ectoderme dorsal
vis-à-vis des inducteurs neuraux. L'influence des signaux
«dorsalisants » émis par le centre de
Nieuwkoop lors de l'induction du mésoderme dorsal pourrait
expliquer cette différence de compétence des
territoires ectodermiques. La compétence de l'ectoderme
évolue également au cours du temps. Ainsi, le
neurectoderme présomptif d'une jeune gastrula perd
progressivement sa capacité à former des structures
neurales. Notons que l'acquisition de la compétence est
associée à l'expression de gènes
spécifiques dans le tissu cible.
Le gène XASH3 serait impliqué dans le
contrôle de la compétence de l'ectoderme
vis-à-vis des inducteurs neuraux. Ce gène est
exprimé dans le neurectoderme présomptif lors de la
gastrulation. Son expression ectopique dans l'ectoderme
entraîne, sous l'influence d'inducteurs neuraux, un
développement excessif de tissu neural au détriment des
formations épidermiques. Le gène XASH3 code un
facteur de transcription contenant un motif
hélice-boucle-hélice , de dimérisation et un
domaine basique de fixation à l'ADN. il est apparenté
aux gènes proneuraux du complexe Achaete-Scute de la
drosophile, lesquels interviennent également dans la formation
de cellules neurales.
- Les gènes homéotiques XHox
Les gènes XHox3 et XHox6
En réponse aux' inducteurs neuraux, le neurectoderme exprime
des gènes spécifiques de cellules neurales, tels que le
gène codant les molécules membranaires
d'adhésion (N-CAM) et des gènes homéotiques
(gènes XHox : Xenopus homeobox). Ainsi, l'ectoderme
dorsal d'une jeune gastrula induit par le mésoderme dorsal
exprime fortement les gènes XHox3 et XHox6. Notons que
dans les expériences d'exogastrulation, les cellules
ectodermiques situés à proximité du
mésoderme dorsal non invaginé expriment le gène
XHox3, contrairement aux cellules ectodermiques qui en sont le plus
éloignés. Le facteur inducteur neural activant
l'expression du gène Hox3 serait donc ici un signal
tangentiel. L'expression ectopique des gènes
homéotiques XHox3 et XHox6 perturbe l'organisation
antéro-postérieure de l'embryon et notamment la
neurulation. Ainsi, l'injection d'ARNm XHox3 dans les
blastomères animaux en début de segmentation va
provoquer sa sur expression dans la région antérieure
de l'embryon, et par suite l'absence de formation céphalique.
Les gènes Hox3 et Hox6 ne sont exprimés que par
les cellules ectodermiques compétentes et induites par les
inducteurs neuraux, alors que le mésoderme dorsal ou les
cellules ectodermiques ventrales ne les expriment pas. Ces
gènes sont exprimés ensuite dans les cellules de la
plaque neurale puis du tube neural. Notons que le niveau d'expression
de ces homéogènes varie selon l'axe
antéro-postérieur. Ainsi, le gène XHox3
présente un gradient décroissant
postéro-antérieur.
La logique d'expression des gènes homéotiques XHox
(fig 13)
Les gènes Hox codent des facteurs de transcription à
homéodomaine, capables de contrôler la transcription
d'autres gènes, ce qui leur permet d'établir la
polarité antéro-postérieure des axes
embryonnaires (mésoderme axial et tube neural). Les
gènes Hox respectent le principe de colinéarité
dans l'espace, c'est-à dire que les gènes situé
le plus en 3' du chromosome ont leur limite antérieure
d'expression dans la région la plus céphalique. Ils
respectent également le principe de colinéarité
dans le temps, c'est-à dire que les gènes
exprimé dans la région antérieure de l'embryon
sont aussi ceux qui sont exprimé les premiers. L'acide
rétinoïque provoque une sur expression des gènes
XHox et ce sont les gènes situé en 3' du
chromosome qui y sont le plus sensibles. L'acide
rétinoïque libéré par l'organisateur de
Spemann est une substance morphogénétique qui
participerait à la régionalisation
antéro-postérieure de l'embryon. Lors des processus
induits par l'organisateur de Spemann, une quantité variable
d'acide rétinoïque entrerait dans les cellules axiales,
suivant leur position selon l'axe céphalo-caudal, ce qui
activerait de façon sélective divers gènes
homéotiques.
FIG 13
Le modèle privilégié que constitue le
xénope a permis de réaliser des progrès
considérables dans l'approche moléculaire de la
biologie du développement. précoce, en particulier de
mieux cerner la part revenaNt à l'induction initiale
maternelle par rapport au déclenchement plus tardif de
l'expression zygotique.
Avec l'utilisation d'autres modèles animaux, tels que le
poisson-zèbre et la souris (chez lesquels des études
génétiques sont possibles mais ne sont pas encore
autant développées), la compréhension des
mécanismes génétiques contrôlant le
développement embryonnaire précoce des
vertébrés ne cesse d'évoluer.
Certaines publications présentées en séminaire,
ainsi que les annexes fournirs avec ce document invitent à
approfondir sa formation personnelle, sur un domaine où la
connaissance évolue très rapidement.
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