BIOLOGIE DU DEVELOPPEMENT

EMBRYOLOGIE CAUSALE ET MOLÉCULAIRE

Professeur Daniel BALAS

Ce document correspond à un enseignement qui était au programme du PCEM-1

Introduction

Chapitre 1 : Mécanismes impliqués dans le développement

I - Migrations cellulaires
II - Prolifération cellulaire
III - Différenciation cellulaire

Chapitre 2 : Contrôle du développement

I - Contrôles hormonaux

1 - Contrôle hormonal de la croissance
2 - Contrôle hormonal de la différenciation

II - Contrôles génique du développement

1 - Gènes impliqués dans la détermination morphogénétique
2 - Gènes de contrôle de la prolifération et de la différenciation
3 - Les protéines codées par les gènes du développement

Chapitre 3 : Développement des membres, un exemple d'intégration

Chapitre 4 : Conclusions

Chapitre 5 : Questions de réflexion

Chapitre 6 : Glossaire d'embryologie moléculaire

Si nous retraçons les principales étapes de l'embryologie, telles que nous les avons décrites en embryologie formelle, nous constatons que 3 propriétés essentielles conditionnent le développement embryonnaire :
a) Des mécanismes de prolifération et de croissance cellulaire : l'embryon augmente de volume et le nombre de cellules s'accroît.
b) Des mécanismes de migrations cellulaires : la motilité est essentielle pour la mise en place des tissus et organes. Cette motilité cellulaire dirigée conditionne un autre processus fondamental embryologique : la ségrégation droite/gauche. En d'autres termes, nous pourrions formuler la question suivante : pourquoi l'aspect extérieur du corps ainsi que certains organes (l'oeil, les oreilles) sont parfaitement symétriques ? Alors que d'autres structures se développent dans l'asymétrie (foie, coeur, intestin, la main, etc)
c) Des mécanismes de différenciation cellulaire qui permettent rapidement une adaptation fonctionnelle spécialisée dans un organisme pluricellulaire, tout en assurant la coordination des activités.

L'ensemble de ces mécanismes morphogénétiques est soumis à des contrôles multiples :

a) Un contrôle génique direct, avec la production de facteurs de transrégulation qui géreront, dans le temps et dans l'espace, l'expression transcriptionnelle impliquée dans la morphogénèse.

b) Un contrôle hormonal et/ou humoral ayant une double origine¹ :
- contrôle par l'hormonologie placentaire, avec en plus une régulation des échanges foeto-maternels² .
-contrôle embryonnaire direct par des facteurs de signalisation et/ou des facteurs de croissance produits in situ dans l'embryon en développement. Ces facteurs, au-delà d'une "action endocrine" classique ont bien d'autres modes d'action beaucoup plus fins et subtils : actions intracrines, autocrines, paracrines, neurocrines, etc., comme nous le verrons plus tard.
c) enfin la morphogénèse est la résultante de l'action simultanée et complexe de l'ensemble des paramètres cités. Nous sommes dans un modèle de régulation particulièrement difficile à cerner et à analyser quantitativement. Il s'agit typiquement d'un système non érgodique, où l'ensemble des interactions n'est guère reproductible en dehors d'un environnement naturel pratiquement impossible à restituer dans le temps et dans sa topographie tridimensionnelle.

La biologie du développement appelle à la modestie scientifique, à l'esprit critique et au doute dans la quête de la connaissance

EMBRYOLOGIE CAUSALE ET MOLÉCULAIRE : SÉMANTIQUE

Nous avons ajouté un glossaire en fin de document (chapitre 6).

Ce glossaire fournit les définitions précises de termes spécifiques à la biologie du développement.

Nous avons également ajouté quelques explications succinctes sur des notions abordées dans d'autres disciplines, et qui ne seront approfondies qu'ultérieurement dans le cursus de vos études .

Bien que courts, les renseignements fournis sont suffisants pour aborder le contenu de ce document de base.



L'étudiant est vivement invité à compulser ce glossaire pour appréhender plus facilement la biologie du développement.

I - MOTILITÉ CELLULAIRE ET DÉVELOPPEMENT

II - PROLIFÉRATION CELLULAIRE ET DÉVELOPPEMENT

III - DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE ET DÉVELOPPEMENT

L'organisme en développement est le siège d'une multitude de mouvements cellulaires qui sont à l'origine du remodelage plastique.
On peut très artificiellement établir au moins deux grands groupes dans ces mouvements : les mouvements morphogénétiques et les migrations cellulaires.

1 LES MOUVEMENTS MORPHOGÉNÉTIQUES

Ce sont des mouvements cellulaires d'ensemble dont nous citons 2 exemples

1.1 La formation du tube neural (figure 1 et 2)

La plaque neurale, d'origine ectodermique, s'enroule en gouttière neurale, puis en tube nerveux. Au cours de l'enroulement, les cellules de la plaque neurale subissent 2 transformations :
- elles s'allongent par polymérisation des microtubules axiaux
- elles subissent un rétrécissement de leur zone apicale par contraction d'un cadre de microfilaments transversaux principalement constitué d'actine.
Les deux événements expliquent une transformation cunéiforme des cellules qui facilite l'enroulement.
Durant ce processus de neurulation, la chorde et le mésoderme sous-jacent exercent une action inductrice sur le neurectoderme. Les cadhérines (protéines membranaires d'adhésivité cellulaire Ca2+ dépendantes) participent aussi à la mise en place du tube neural (voir aussi cours de biologie cellulaire et le cours d'histologie sur les interactions matricielles) : c'est l'expression différentielle des cadhérines qui explique en partie la reconnaissance spécifiques des cellules entre-elles, soit pour former le neurectoblaste soit pour demeurer jointives dans l'ectoblaste (respectivement, expression de cadhérines N ou E).

1.2 La gastrulation

Ce processus d'invagination cellulaire a été bien étudié chez les embryons d'amphibiens. L'invagination est initiée par des changements de forme des cellules qui mettent aussi en jeu les microfilaments d'actine, comme pour la formation du tube neural. Les cellules se déforment en "bouteille" en s'étirant et se contractant selon la partie de la cellule. Ce processus favorise la courbure du feuillet ectodermique dont l'invagination conduit à la formation de l'entoblaste puis à celle du mésoblaste. Par ailleurs la fibronectine, synthétisée par les cellules de l'ectoblaste, guide la migration des futures cellules mésodermiques entre l'ectoblaste et l'entoblaste (voir aussi les cours sur les matrices et sur la fibronectine).
Bien qu'encore non démontrés, des processus similaires ont sûrement lieu au cours de la gastrulation dans d'autres espèces animales, y compris chez les mammifères au niveau de la ligne primitive et du noeud de Hensen.

2 LES MIGRATIONS CELLULAIRES


Il s'agit de mouvement n'intéressant pas un feuillet entier et sa mise en place, mais le déplacement de cellules isolées, entre différents tissus de l'embryon ou au sein d'un même tissu au cours de sa différenciation. Les exemples seraient là encore multiples (crêtes neurales, somites, cellules germinales, devenir des cellules nerveuses primitives, cellules souches immunitaires, croissance des prolongements neuronaux, etc).
Nous ne fournirons que quelques exemples.

2.1 La migration des cellules des crêtes neurales (figure 3, partie droite)
Ces cellules quittent le neurectoderme du tube neural (voir aussi le cours d'embryologie formelle, 3e et 4e semaine) au moment de sa fermeture et migrent vers différents territoires pour s'y différencier en des types très variés : cellules nerveuses des ganglions rachidiens et des ganglions sympathiques, cellules la médullo-surrénale, cellules gliales, cellules pigmentaires, cellules à l'origine des os du crâne, cellules endocrines (ex : cellules à ACTH ou à calcitonine), etc.
En quittant le neurectoderme, les cellules des crêtes neurales migrent dans un espace extracellulaire élargi par la grande quantité d'acide hyaluronique (figure 2c, voir aussi cours d'histologie et tissu conjonctif). Notons que les N-CAM (voir figure 5), protéines membranaires d'adhésion indépendantes du calcium, et les cadhérines disparaissent des membranes des cellules des crêtes neurales pendant la phase de migration, alors que des intégrines membranaires apparaissent .
Pour se déplacer, ces cellules se lient par des récepteurs membranaires spécifiques (intégrines) aux molécules de la matrice extracellulaire (fibronectine et laminine ; figure 5)^3.
La capacité migratoire des cellules des crêtes neurales est également due à leur activité protéasique (caractère commun avec de nombreuses cellules tumorales migratrices) qui facilite le "passage" et la progression des cellules, en particulier en lysant les membranes basales (voir le cours d'histologie).
Les cellules des crêtes neurales qui vont former des cellules non nerveuses migrent entre l'ectoderme et les somites par une voie latérale.
Les cellules qui vont se différencier en cellules nerveuses se déplacent entre les somites et le tube nerveux ou la chorde par une voie ventrale. Elles se réassocient ensuite pour former les différents ganglions ou la masse de la médullo surrénale. La fin de la migration cellulaire est associée à une ré-expression des cadhérines et des N-CAM molécules favorables à l'adhésion des cellules.

2.2 La migration des cellules des sclérotomes (figure 3, partie gauche ; figure 6)
Après rupture de la membrane basale entourant le sclérotome primitif (également intervention de protéases), la migration des cellules du sclérotome est favorisée par l'apparition dans l'environnement somitique para axial d'une matrice extracellulaire riche en acide hyaluronique (élargissement et oedéme des espaces, facilitant la mobilité) et en fibronectine. La fibronectine a un rôle de "guidage" sur la trame matricielle par interaction avec les intégrines et la trame collagénique (les figures 7 à 9 détaillent ce mécanisme d'une manière très simplifiée, voire simpliste, mais didactique) .
Après migration, les cellules des sclérotomes s'immobilisent au niveau du tube neural et de la chorde pour former les ébauches des vertèbres. La fin de cette migration cellulaire est concomitante d'une diminution en acide hyaluronique et en fibronectine dans la matrice extracellulaire.

2.3 La migration des cellules germinales primordiales (figure 4)
Les cellules germinales primordiales apparaissent très précocement chez l'embryon. Elles vont migrer et coloniser les ébauches gonadiques, dans lesquelles elles formeront des gonies, cellules précurseurs des gamètes. La migration de ces cellules germinales primordiales est interstitielle chez les mammifères.
Comme précédemment, le déplacement cellulaire est guidé par une support matriciel essentiellement à base de fibronectine. Un chimiotactisme est exercé par l'épithélium germinatif qui est ainsi spécifiquement colonisé par les cellules germinales primordiales.
Des peptides régulateurs, tel le TGFß, auraient un rôle inducteur dans le chimiotactisme facilitant la reconnaissance puis l'implantation spécifique des cellules germinales dans cette zone strictement localisée de l'épithélium coelomique.

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II - PROLIFÉRATION CELLULAIRE ET DÉVELOPPEMENT⁴

On ne peut concevoir l’embryologie, formelle ou moléculaire, sans une connaissance approfondie des mécanismes de prolifération cellulaire : c’est bien au cours de l’embryogénèse que se produit la plus forte explosion de mitoses. C’est aussi au cours de l’embryogénèse que les mécanismes de régulation de la prolifération et de différenciation sont les plus sollicités.
Dès lors, il n’est pas étonnant de constater que la majorité des études fondamentales sur le cycle cellulaire aient été réalisées sur des cellules ou des organismes embryonnaires.

1 - CONNAISSANCES GÉNÉRALES SUR LE CYCLE CELLULAIRE

Le cycle cellulaire est étudié en Biologie Cellulaire. Certaines données sont donc considérées comme acquises. Elles sont parfois rappelées en plus petits caractères, ne figurant ici que pour l’homogénéité de la présentation

1-1 Rappels :

1.1.1 Principaux facteurs contrôlant la réplication :

La réplication de l'ADN fait intervenir une succession de protéines exerçant une fonction catalytique.
Pour mémoire, quelques mots clefs permettant de vérifier votre pré-requis : Fourche de réplication, primase, hélicase, ADN polymérase, chaîne précoce, chaîne tardive, fragments d'Okazaki, primosome, topoisomérase, etc.

1.1.2 Les phases du cycle cellulaire et de la mitose : voir ouvrages spécialisés et cours de Biologie Cellulaire

1.1.2.1 - L’interphase :
Elle correspond à 90 % de la durée totale du cycle cellulaire.
Elle permet les synthèses continues nécessaires aux métabolismes de la cellule.
Une exception : la réplication de l'ADN et la transcription des protéines histoniques n’a lieu que pendant la phase S. La duplication des deux brins de la molécule d'ADN, assure la formation de deux chromatides identiques par chromosome.
La phase S est encadrée par deux phases G de croissance, appelées phases G1 et G2. La durée de la phase G1 variant de quelques heures à quelques jours, conditionne la durée totale du cycle cellulaire.
Les phases G1 et G2 sont des phases essentielles du fonctionnement métabolique où les cellules somatiques s’accroissent et augmentent de volume en effectuant des synthèses, en particulier protéiques.

> Grâce aux phases G1 et G2 les cellules somatiques se divisent en conservant leur taille.

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2. LES CDK/CYCLINES AU COURS DU CYCLE CELLULAIRE (figure 13)

Comme décrit dans le rappel qui précède, le cycle cellulaire se divise en plusieurs étapes, regroupées en interphase et en mitose.
Ce différentes étapes sont sous la dépendance de cyclines. Ce sont des protéines à concentration oscillante au cours du cycle. Elles forment des hétérodimères avec des protéines kinases dépendantes du cycle (Cdk, aboutissant à un complexe CDK/Cycline actif. Ce sont ces dimères qui permettent le franchissement des étapes transitionnelles successives du cycle cellulaire en activant par phosphorylation les grands mécanismes impliqués (condensation des chromosomes, disparition de la membrane nucléaire, activation de la DNA polymérase, etc).
On distingue généralement le groupe des cyclines contrôlant la mitose (cyclines mitotiques) de celles intervenant dans l’interphase (cyclines G1/S). Leur rôle, et surtout leur mode de dégradation, est différent.
Il ne faut pas oublier que le contrôle du cycle cellulaire résulte de l’étude de modèles embryonnaires, en particulier des oeufs de batraciens, plus récemment de manipulations génétiques sur les ovocytes de souris.

2.1 La transition G2/M met en jeu le MPF (figure 13)

Il s’agit d'un facteur cytoplasmique appelé MPF (maturation mitosis promoting factor) capable de déterminer la transition G2/M. L’activité MPF varie de façon cyclique au cours des cycles mitotiques atteignant un taux maximum en métaphase .
Le MPF est un complexe phosphokinase/cycline. C’est un hétérodimère universel constitué par une cycline mitotique et une sous-unité catalytique, la Cdc2. Depuis la découverte d'autres kinases dépendantes d'une cycline, Cdc2 est aussi appelée Cdk-1 (cycline dépendent kinase ; nous ne retiendrons que cette dernière terminologie).
Les cyclines mitotiques (cyclines A et B) sont des protéines qui s'accumulent durant l'interphase et disparaissent rapidement lors de la mitose . L’expression de la cycline B est nécessaire au déroulement du cycle cellulaire et l'accumulation des cyclines mitotiques au-dessus d'un seuil critique entraîne l'entrée en mitose.

Le mécanisme d’action du MPF met en jeu des cascades de phosphorylations de CDK-1, transitoirement inactivantes puis activantes.
a) Une kinase (TyrK15 ou kinase Wee) phosphoryle CDK-1 sur la tyrosine 15 (Y15). Chez les eucaryotes supérieurs, une autre kinase associée à la membrane nucléaire phosphoryle CDK-1 sur la thréonine 14 (Thr14). Ces phosphorylations inhibent l'activité kinase du complexe MPF, et empêchent une entrée prématurée en mitose.
b) Ces inhibitions sont ensuite levées par expression de la protéine Cdc25, une phosphatase qui déphosphoryle Tl4 et Yl5.
Mais tant que l'ADN n'est pas entièrement répliqué, un mécanisme active TyrK15, et inhibe Cdc25 évitant toute entrée prématurée en phase M.
c) Ensuite une thréoninekinase CAK (cdk activating kinase, constituée d'une sous-unité catalytique Cdk7 et d'une sous-unité régulatrice de type cycline H), phosphoryle CDK1 sur la thréonine 161 (T161). CDK1 est alors activée tout autant qu’elle est associée à une cycline mitotique . Par ailleurs le MPF devenu actif suractive par phosphorylation le Cdc25 et inhibe la kinase Tyr15.
Ces mécanismes autocatalytiques expliquent le passage très brutal en phase M tout en maintenant un contrôle de sécurité interdisant le passage en M si la réplication était incomplète. C'est dire le haut niveau de contrôle de l'entrée en phase M et de rétrocontrôle de l'achèvement de la phase replicative !!!

L’activation du MPF initie les événements successifs de la mitose. En effet la kinase CDK-1 du complexe MPF actif phosphoryle de nombreux substrats : histone H1, lamines nucléaires, protéines du fuseau, protéines du nucléole..., ce qui permet l'entrée en mitose. et son déroulement ultérieur. CDK-1 peut aussi activer en cascade d'autres protéines kinases, lesquelles vont à leur tour phosphoryler d'autres cibles, etc

La kinase CDK-1, associée à une cycline mitotique (B), constitue donc le véritable chef d'orchestre des phosphorylations déclenchant les événements mitotiques. Elle est régulée par un processus autocatalytique qui facilite l’entrée en mitose tout autant que la réplication soit parfaitement achevée.

2.2 La sortie de la phase M (figure 13)

Une déphosphorylation de CDK-1 sur la Thrl6l est nécessaire à la sortie de mitose.

Mais c’est surtout la protéolyse des cyclines mitotiques qui entraîne l’inactivation de la protéine kinase CDK-1 du complexe MPF, et la sortie de la phase M. Cette protéolyse des cyclines est impérative; elle s’effectue par une polyubiquitinylisation préalable.

Par ailleurs, la kinase CDK-1 du complexe MPF stimule à retardement la dégradation des cyclines mitotiques par ubiquitinylisation. La constitution du fuseau de division entre également dans ce contrôle.

Cette dégradation des cyclines est génétiquement contrôlée (par exemple, le facteur CSF, facteur cytostatique mis en évidence sur l’oeuf de batracien, met en jeu le gène c-mos, et s'oppose à la dégradation des cyclines).

La polyubiquitinylisation représente un étiquetage permettant à la cellule de ne dégrader sélectivement que les protéines ubiquitinylisées grâce à 3 enzymes spécifiques fonctionnant dans un volumineux complexe, le protéasome. Un complexe El transfère 1'ubiquitine sur E2, et E3 catalyse l'addition successive d'ubiquitines sur la protéine à dégrader spécifiquement et portée par E2 (ici une cycline mitotique). Dès l'addition de plus d'une ubiquitine la protéine est reconnue par le protéasome. Il s'agit d'une microstructure contenu dans le hyaloplasme (il y en a des milliers, seulement visibles au microscope électronique). Les protéasomes sont enzymatiquement équipés pour assurer l'hydrolyse de la protéine qui a été étiquetée par des ubiquitines. Le mécanisme est consommateur d'énergie, ATP dépendant.

POUR GENERALISER,
Vous verrez plus tard que le contrôle de la protéolyse a un rôle essentiel dans le maintien des équilibres métaboliques et fonctionnels au cours du développement, et plus particulièrement le système ubiquitine dépendant (un commentaire annexe est fourni à la fin de ce chapitre).
Notons que la protéolyse par ubiquitinylisation contrôle également la plupart des autres protéines régulatrices du cycle. Autrement dit le schéma de la figure 13 est une simplification. La protéolyse est plus efficace qu'une régulation transcriptionnelle ou traductionnelle pour maintenir les taux optimaux des protéines régulatrices spécifiques de chaque étape du cycle cellulaire.


2.3 La transition Gl/S (figure 13)

Chez les mammifères, des cyclines G1, (cyclines C, D, E) associées à des kinases Cdk interviennent également dans la progression de la cellule en phase Gl. Par ailleurs, le complexe cycline E/Cdk2 est impliqué dans la transition G1/S.
Nous retrouverons ces mécanismes dans le paragraphe suivant

La quantité oscillante des cyclines G, au cours du cycle est liée aux variations de leur taux par un équilibre permanent transcription/dégradation. Ces mécanisme sont soumis à un contrôle génétique particulièrement strict

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3. LE CONTROLE DU CYCLE CELLULAIRE

3.1. DES FACTEURS D'ACTIVATION FACILITENT L'ENTRÉE DES CELLULES DANS LE CYCLE CELLULAIRE.

Les facteurs de croissance (nous les abordons dans un prochain chapitre) sont présents dans le milieu extracellulaire et contrôlent le cycle cellulaire. Ils se fixent sur leurs récepteurs membranaires spécifiques, ce qui entraîne, par l'intermédiaire d'une cascade de réactions, l'activation de messagers intracellulaires qui vont intervenir sur le cycle cellulaire.

L'ensemble de ces mécanisme entre dans le cadre de la régulation dite oncogénique⁵

LA VOIE DE LA TYROSINE KINASE figure 14) est une des voies préférentielle. Elle aboutit à l’activation de MAP kinases (mitogène activated protein kinase) cytoplasmiques. Les MAP kinases vont pouvoir activer d’autres kinases cytoplasmiques ou bien directement phosphoryler des protéines impliquées dans les processus de prolifération/différenciation. Mais les MAP kinases vont surtout pouvoir migrer dans le noyau où elles activent par phosphorylation des facteurs transrégulateurs (tels les oncogènes Jun/Fos que nous avons déjà décrit, l’oncogène Myc, etc). Elles stimulent ainsi la transcription des cyclines G1 précoces (cyclines C et D), lesquelles activent à leur tour la transcription de cyclines nécessaires à l'entrée en phase S (cycline E), puis à l'entrée en mitose (cyclines mitotiques, en particulier B).

Le détail des mécanismes de transduction du message par les facteurs de croissance et la voie des MAP kinases ne sont qu’à peine ébauchés dans ce cours. Ces connaissances seront reprises ultérieurement dans d’autres disciplines.

Le schéma de la figure 14 fournit un aperçu global. et nous reviendrons sur l'ensemble de ces notions dans le chapitre II (la cascade encadrée en pointillé sur la planche est hors programme du concours (Ras, Raf, Mek et PKC)).

3.2. DE PETITES PROTÉINES RÉGULATRICES (OU CKI : CYKLIN KINASE INHIBITORS) FREINENT L'ACTIVITÉ
DES COMPLEXES CDK/CYCLINE. (planches 15 et 16)

- Il y a de nombreuse protéines, comme la P15, la P16, la P21, la P24, la P27 etc. ayant des propriétés similaires. Toutes ces protéines servent de relais à des signaux exogènes et viennent interagir avec les hétérodimères que font les cyclines (A, B, C, D, E, H...) avec les Cdk(1, 2, 4, 5 ou 6). Ces petites protéines régulatrices contrôlent le cycle cellulaire. Elles agissent essentiellement dans la progression initiale de la phase G1.
De ce fait, on désigne par point R le point à partir duquel la progression en G1 devient indépendante des facteurs de croissance qui ont été relayés par les petites protéines de type P21, 27, etc. (planche 11). Les cellules à partir de ce stade R pourront entrer en phase S (si auparavant elle n'ont pas quitté le cycle pour une phase G0 ; voir plus loin).
Le point Start est souvent confondu avec le point R. Dans notre interprétation nous donnons au point Start une définition plus restrictive : il correspond strictement à l’entrée en phase S et à l’activation des DNA polymérases.
En bref, et pour des raisons purement didactique nous individualisons artificiellement un point S et un point R, même s'il s'agit du même stade : le point R pour décrire une régulation d'amont, survenant en phase G1 ; le point S pour une régulation d'aval , orienté sur le contrôle et l'initiation de la réplication.

Nous ne citerons que quelques exemples caractéristiques, typiques des épisodes de la croissance embryonnaire. Ils sont illustrés par toutes les figures du cours concernant le cycle cellulaire

- La protéine P27 empêche l'activation des complexes Cdk2/cycline E (planche 15). Elle est stimulée par le TGFß (transforming growth factor, facteur anti-prolifératif), par l’AMPc, et par bien d’autres facteurs impliqués dans la croissance.
C’est ainsi que la P27 peut servir de relais dans le processus d’inhibition de contact. : les cellules en culture non transformées et/ou non cancéreuses s’arrêtent de proliférer lorsque le tapis cellulaire arrive à totale confluence. Cette inhibition de contact se produit aussi dans les tissus in vivo. Elle explique en partie l’arrêt de prolifération d’un tissu en fin d’organogénèse. Elle explique aussi l’arrêt de prolifération dans un processus de régénération et de réparation d’un tissu lorsqu’il y a eu perte de substance.
Inversement la P27 est dégradée (ou inhibée) sous l'influence de l'interleukine 2 (ou IL-2), aboutissant à l’initiation d’un signal mitotique. Cela se produit essentiellement au cours des processus inflammatoires.

- La protéine P21, dont l'expression est activée par P53, inhibe l'activité des hétérodimères Cdk2/cyclines G1 et plus particulièrement de la cycline E (planche 16). Elle inhibe aussi la protéine PCNA (proliferating cell nuclear antigen) qui est un cofacteur obligé de l’ADN polymérase.

Notons que parmi ces facteurs protéiques de contrôle direct du cycle, la plupart ont une action intrinsèque inhibitrice : la régulation des cdk/cyclines s’effectue préférentiellement par régulation négative. Certaines de ces protéines (et les gènes correspondants) occupent une place privilégiée par leur capacité de contrôle à des stades clefs du cycle. Ces molécules correspondent à la famille des proto-antioncogènes suppresseurs de tumeurs. Rb, et surtout p53, constituent deux exemples types (la famille des gènes suppresseurs de tumeur est large et ne se limite pas aux deux gènes étudiés ici)

- E2F (planche 15) est un facteur de transcription dont l'activité est inhibée par certains produits d'anti-protooncogènes, en particulier RB.
Ainsi, E2F est inactivé en phase G, par son association avec la protéine RB (produit du gène du rétinoblastome, gène suppresseur de tumeur lorsqu’il n’est pas muté). A l’approche du point Start l'hyperphosphorylation de RB sous l’action du complexe Cdk2/cycline E, permet à E2F de se séparer de RB et de venir transactiver des gènes spécifiques de la phase S, en particulier les gènes de l'ADN polymérase-¶ (= synthèse du brin précoce, ou bien = processus de réparation). Ultérieurement le complexe Cdk2/cycline A contribue par phosphorylation à activer la réplication pendant la phases S, tout en inactivant (également par phosphorylation) le facteur E2F dont l’action au point start n’est plus utile.

- Dans ces mécanismes, la P53 (planche 16) occupe aussi une place privilégiée. Comme nous l’avons déjà vu, elle active la P21 qui vient alors bloquer la progression en phase G1 en inhibant CDK/Cycline G1 et en empêchant le franchissement du point R. La P21 vient aussi inactiver l’interaction du PCNA avec la polymérase ¶, bloquant ainsi la phase S. Simultanément, la P53 augmente la formation de la protéine Gadd45 et facilite la constitution d’hétérodimères Gadd45/PCNA qui sont impliqués dans l’activation des mécanismes de réparation de l’ADN. Enfin dans les cas de forte surexpression la P53 va pouvoir déclencher l’apoptose via le gène bax (voir aussi le prochain paragraphe)

A ce titre, la protéine P53 porte bien le non de gardienne du génome. En effet elle est particulièrement suractivée si des lésions apparaissent sur l’ADN, qu’il s’agisse de lésions spontanées liées à des défauts d’appariement, ou qu’il s’agisse de lésions induites par des agents mutagènes (Rayons, UV, drogues diverse...). Dans les 2 cas les effets de la P53 concourent à protéger les cellules. En effet, la P53 :
- bloque d’abord au point de restriction en G1
- bloque la réplication du DNA (deuxième sécurité)
- facilite alors simultanément la réparation
- enfin si la surexpression se prolonge, la P53 pourra supprimer par apoptose les cellules dont l’ADN est trop endommagé.

Nous voyons bien que l’ensemble des protéines oncogéniques impliquées dans le contrôle du cycle cellulaire ont un rôle très subtil de modulation. La plupart ont une action positive dans la cascade oncogénique. Mais certaines ont bien valeur d’antioncogènes. C’est le cas de la P53 et de RB qui méritent à ce titre une place à part dans le contrôle de la prolifération.

Bien évidemment, on conçoit que toute mutation de ces facteurs puisse générer un dysfonctionnement de la prolifération et un risque tumorigène, et au delà, de cancer. Les mutations de P53 et RB sont d’ailleurs retrouvées dans un très grand nombre de tumeurs.

- Une nouvelle famille de protéines les "pocket protéines" : (voir les schémas de la page suivante)
En se surajoutant aux facteurs précédemment décrits, elles apportent une régulation encore plus subtile du cycle cellulaire. En effet, des liens de modulation très fins existent entre E2F et RB. Ils gèrent l'amont et l'aval du point R (phase G1 précoce et/ou passage en G0, Retour dans le cycle et/ou initiation de la duplication du DNA au delà du point start), avec des variants des mêmes familles moléculaires
En effet, les pocket protéines, dont la protéine du rétinoblastome fait partie, comprennent aussi la p107 et la p130. Ces protéines interagissent obligatoirement dans l’activation de E2F par les cdk2/cyclines (voir cours d’embryologie causale figure 15). En outre les E2F ne deviennent facteur de transcription que sous une forme hétérodimérique, par liaison avec une autre protéine apparentée, la protéine DP (dont il existe 2 formes DP1 ou DP2). Les DP sont structurellement des E2F tronquées, ayant perdu le site de liaison à P107, p103 ou RB, ainsi que le site de liaison aux cyclines ; elles ne conservent qu’un site de liaison à l’ADN et un site de dimérisation en alpha-hélice)
Les variants de E2F vont être exprimés de façon séquentielle et variable, selon l’étape considérée et le cheminement dans le cycle (G1 > S ; G0 > G1 ; G1 > G0 ; voir aussi le paragraphe 4). Les facteurs E2F interagissent plus spécifiquement avec certaines pockets (E2F 1, 2, 3 avec le RB ; E2F 4 et 5 avec p130 ; E2F 4 avec p107). Le niveau de phosphorylation des pocket protéines participe largement à la modification des affinités de ces diverses protéines entre-elles.

Dans ces conditions p130 semble liée (en fonction de son niveau de phosphorylation) au blocage en phase G0 et/ou à l’arrêt de progression vers la phase S des cellules en voie de différenciation.
Inversement p107 et surtout RB sont impliqués dans le contrôle par E2F de l’entrée en phase S. (pour plus d'information : Mayol et al, Bioscience, 3, 11-24, 1998 ; Amati et al, Bioscience, 3, 250-258, 1998)
L'existence de molécules très similaires (famille E2F, Pocket protéines, CDK/cyclines, etc), mais pourtant spécifiques d'un temps précis du cycle, permet de comprendre la nécessité pour la cellule de maitriser les concentrations momentanées et utiles de ces facteurs, justifiant ainsi le rôle essentiel de la protéolyse par ubiquitinylisation.

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4. ENTRÉE / SORTIE DU CYCLE CELLULAIRE ; PHASE G₀ (figure 17)

Sous l'influence de divers facteurs, tel qu'une carence en facteur de croissance ou une perte de contact avec la matrice extracellulaire, une cellule de vertébré peut sortir transitoirement du cycle cellulaire et se trouver en phase de quiescence (G₀).

En outre, l'expression de certains facteurs de différenciation tels que les facteurs myogéniques, conduit à un stade terminal de différenciation où les cellules ne se divisent plus (G₀ définitif et/ou stabilisé). Les neurones mâtures représentent un exemple typique de cellules différenciées ayant perdu toute capacité ultérieure de prolifération.

La kinase Cdk5 (associée à une cycline D) intervient dans ce processus de différenciation cellulaire. Les complexes E2F/P130 contrôlent le processus (voir paragraphe 3-2);

Inversement, l'addition de sérum (riche en facteurs de croissance) dans la culture, plus généralement de bonnes conditions trophiques et nutritionnelles in vivo, avec une surexpression de proto-oncogènes, va permettre le retour au cycle cellulaire.
La kinase Cdk4, mobilisée sous l'effet de nombreux facteurs de croissance, est impliquée dans la transition G_O/G_l. Les complexes E2F/DP/p107 contrôlent ce stade ; ils sont relayés par les complexes E2F/DP/RB qui permettront l'activation des cycline E/cdk2 et le franchissement du point start (voir paragraphe 3-2).

5. CYCLE CELLULAIRE ET APOPTOSE⁶ (figures 17 et 18)

L'apoptose (ou mort cellulaire programmée) est souvent l'aboutissement d'une mitose inachevée ou d'une mitose ayant débuté dans des conditions inappropriées (ex : insuffisance en facteurs de croissance).
L’apoptose est également un mécanisme impliqué dans la sénescence cellulaire (nous en reparlerons dans d’autres cours).

Nous ne décrirons pas le mécanisme détaillé de l’apoptose, renvoyant l’étudiant au cours de biologie cellulaire.

Mais le mécanisme apoptotique concerne tout particulièrement les étapes embryologiques et nous avons cité de nombreux exemple de remodelage tissulaire par apoptose : au niveau du cloisonnement de l’oreillette, au cours de l’ouverture de la cavité nasale primitive, lors de l’involution différentielle des canaux de Wolff et de Muller, mais surtout le modelage de la palette et la formation des doigts.

Au plan intracellulaire l’apoptose est sous la dépendance de plusieurs protéines et de leurs gènes correspondants. (planche 90)
On peut les classer en facteurs apoptotiques ou au contraire antiapoptotiques.
Le gène bcl2 (et son homologue ced-9 chez des animaux plus inférieurs) est le prototype du facteur protecteur. Au contraire le gène Bax est générateur d’apoptose.
Le mécanisme d’action est typique de la modulation obtenue par la constitution d’hétérodimères ou d’homodimères entre les produits de ces gènes. L’hétérodimère bcl2/bax, normalement produit de façon majoritaire est par lui même protecteur.
Mais un surexpression de bcl2 aboutit à la formation d’un excès de l’homodimère bcl2/bcl2 qui est répresseur de l’apoptose. Inversement un excès de surexpression de bax se traduit par la surproduction de l’homodimère bax/bax, inducteur de l’apoptose en déclenchant la cascade hydrolasique spécifique de la destruction nucléaire et du DNA.

Bien entendu d’autres gènes sont impliqués dans le contrôle de l’apoptose. C’est en particulier le cas de BAG-1 (antiapoptotique) ou Bak, Bad, Ced 3 et 4 (apoptotiques). Le cas des gènes bcl est intéressant car dans certain cas ces gènes peuvent être soumis à un épissage alternatif modulateur d’apoptose. En effet la forme longue (bcl-Xl) possède une action antiapoptotique ; inversement la forme courte (bcl-Xc) est apoptotique.

Enfin, nous l’avons déjà vu, la P53 est un facteur intracytoplasmique de déclenchement possible de l’apoptose si des lésions majeures de l’ADN surviennent.
Les différents facteurs de contrôle intracellulaire de l’apoptose sont soumis à un contrôle extracellulaire expliquant l’entrée ou non en apoptose en fonction des conditions d’environnement. C’est ainsi que de nombreux facteurs de croissance sont antiapoptotiques. C’est particulièrement le cas des facteurs neurotrophiques protégeant les neurones de la mort cellulaire programmée (NGF, BDNF, CNTF).
Inversement d’autres facteurs sont apoptotiques. Mêmes s’il sont encore mal connus, ce sont eux qui déclenchent la mort cellulaire programmée au cours des épisodes embryonnaires.
De même, au plan immunologique, la sécrétion de la protéine Fas L, via son récepteur membranaire, pourra générer la mort des lymphocytes T.

6. POUR CONCLURE SUR LA PROLIFERATION, LE CYCLE CELLULAIRE ET SON CONTRÔLE :

La prolifération cellulaire est un processus fondamental de la vie cellulaire et du développement embryonnaire. Le cycle est fondamentalement différent au cours du développement précoce, les phases G1 et G2 étant escamotées.

Les événements précis et ordonnés du cycle cellulaire mettent en oeuvre une succession de complexes Cdk/cycline. La variabilité des hétérodimérisation offre une large gamme de régulations. L’activité de ces complexes implique des réactions de phosphorylation et déphosphorylation et l'expression de petites protéines modulatrices. dont le rôle est de mieux en mieux cerné. Celles-ci retardent notamment l'activation des complexes Cdk/cycline G1.
Parmi ces différentes molécules, les antioncogènes RB et P53 occupent une place privilégiée en bloquant le point Start pour RB, en assurant une action protectrice sur l’ADN et sa réplication à 4 niveaux coopératifs pour la P53.

La compréhension à l'échelle moléculaire des mécanismes régulateurs du cycle cellulaire ne doit pas faire oublier que la division cellulaire s'intègre dans un ensemble plus vaste (embryon en développement, tissu en croissance) où interviennent une information environnementale et/ou de communications entre les cellules. Les mécanismes intracellulaires qui conduisent une cellule à se dupliquer restent donc toujours dépendants de l'environnement cellulaire. La régulation du cycle doit être envisagée comme un ensemble de cascades réactionnelles variables au cours du temps, dirigées du milieu extracellulaire vers le noyau pour moduler une expression génique et la capacité de réplication de l’ADN.

Cette notion conduit à celle plus vaste de CASCADE ONCOGENIQUE. Nous la retrouverons fréquemment.
L'expression des proto-oncongènes et anti-oncogènes est rapidement induite par des facteurs de signalisation extra-cellulaires, en particulier des facteurs de croissance de nature polypeptidique dont les récepteurs sont localisés sur la membrane plasmique. A partir de l'intégration du message sur le récepteur membranaire, les étapes de modulation intracellulaire sont très complexes et nous venons des les aborder très partiellement.
A titre d'exemple, si nous reprenons le cas du rétinoblastome (figure 10) nous voyons que le complexe CDK2/Cycline E phosphoryle RB et libère E2F qui active l'entrée en phase S. La P27 (comme bien d'autres protéines intracellulaires de régulation : p15, p16, p21, p24, etc) est sensible à des facteurs exogènes. Le TGFß, par exemple, active la P27 (action antiproliférative). Au contraire l'interleukine-2 l'inhibe (activation prolifératrice).

L'environnement extracellulaire contrôle la division cellulaire grâce à une multitude de facteurs de signalisation dont il est difficile de fournir une liste.
Citons par exemple les IGF(s) (en particulier l'IGF-2) et l'Acide Rétinoïque sur lesquels nous reviendrons ultérieurement.

Sous l'influence de ces différents facteurs, les cellules contrôlent leur prolifération mais vont aussi s'engager dans les voies spécifiques du développement (détermination). Elles acquièrent alors des protéines spécifiques représentant des marqueurs de différenciation.

C'est bien l'ensemble de tous les facteurs endogènes comme endogènes, interagissant entre eux de façon très complexe en voies sérielles ou parallèles, qui constitue la(les) cascade(s) oncongénique(s) qui contrôlent la prolifération/différenciation cellulaire normale mais aussi pathologique.


III DIFFERENCIATION CELLULAIRE ET DEVELOPPEMENT

(Voir figure 19 )

1 RÔLE DES PROTÉINES INTRACELLULAIRES

Nous rappelons que la différenciation cellulaire est déclenchée dans la cellule par la mise en route d'un programmes génétiques spécifiques, mettant en jeu l'activation de facteurs protéiques de transcription qui agissent en se fixant à des séquences spécifiques de l'ADN pour influencer l'activité du complexe de transcription. Ce complexe, composé de l'ARN polymérase II et de ces facteurs généraux de transcription (tels que TFIIB+TFIID qui se fixent à la boîte TATA), initie la synthèse d'un ARN à partir d'une séquence donnée d'ADN (voir aussi les cours de Biologie cellulaire).
En fait, il existe de très nombreuses protéines régulatrices venant contrôler l'expression transcriptionnelle en s'associant par petits complexes sur des séquences privilégiées de l'ADN.
Par exemple, la différenciation des myoblastes en myotubes, associée à une interruption de leur prolifération, est déterminée par des protéines nucléaires de la famille des facteurs myogéniques (tels que MyoD1)⁷ . Des expériences de transfection ont montré que l'expression de ces facteurs dans différentes cellules induit leur engagement dans la myogénèse. Ces protéines pourraient intervenir de façon séquentielle. Ainsi, chez les mammifères, MyoD1 et Myf5 seraient impliquées dans la détermination musculaire (permettant l'obtention de myoblastes), puis la myogénine induirait la différenciation musculaire (conduisant à la formation de myotubes). Ces protéines de type MyoD sont des facteurs spécifiques de transcription, pouvant se lier à une séquence consensus appelée boîte E, par l'intermédiaire de leur région basique. La plupart des régions de contrôle des gènes musculaires renferment des boîtes E. De plus, ces protéines contiennent une séquence hélice boucle hélice (voir plus loin chapitre II-B-3) permettant la dimérisation avec d'autres membres de cette famille. Un facteur myogénique donné se fixera mieux à une boîte E s'il forme un hétérodimère avec les protéines ubiquitaires E12 ou E47 (Pour plus d'informations, voir Biologie moléculaire de la cellule p. 421, à propos des facteurs généraux de transcription).

2 RÔLE DES PROTÉINES EXTRACELLULAIRES

Les facteurs de croissance ont souvent une double potentialité. Ils peuvent induire d'abord la prolifération puis la différenciation des cellules. C'est le cas par exemple, des IGF permettant la multiplication puis la différenciation des cellules embryonnaires dans les tissus musculaires, osseux et nerveux. Par ailleurs, le rôle inhibiteur de certains facteurs protéiques extracellulaires sur la différenciation peut s'exercer soit au travers de l'expression de protéines intracellulaires inhibitrices de la différenciation, soit au travers de la modification de facteurs de transcription. Ainsi, le FGF s'oppose à la différenciation musculaire par la phosphorylation des facteurs myogéniques sur leur région basique, ce qui les rend incapables de se fixer à l'ADN. C'est aussi le cas du TGFB (figure 11 a).

Les mécanismes sont en fait beaucoup plus complexes car multifactoriels, mais surtout variables dans le temps et dans l'espace.

- Les facteurs de croissance sont très nombreux, généralement ils exercent une action complémentaire dans le temps.

- Les protéines de la matrice extracellulaire participent aussi dans des zones déterminées au contrôle de la différenciation en interagissant sur les cellules environnantes (cellules mésenchymateuses ou fibroblastiques, mais aussi cellules épithéliales par l'intermédiaire des lames basales).

D'une façon plus générale de très nombreux facteurs de transcription sont impliqués à la fois dans la prolifération et la différenciation cellulaires. Ce sont les niveaux relatifs d'expression de ces facteurs de transcription, sous l'influence d'un équilibre environnemental en facteurs de signalisation, qui modulent finement le comportement de la cellule en développement.

L'exemple fourni par la croissance et la différenciation musculaire est très intéressant et montre bien la finesse des mécanismes de modulation (figure 11 a et b).

Nous reprendrons à nouveau cette notion dans d'autres chapitres et tout au long du cours d'Histologie fonctionnelle :De nombreux mécanismes oncogéniques développés pour les premiers stades du développement se retrouvent à des degrés divers à l'âge adulte, au cours du vieillissement et/ou du cancer.

COMPLEMENTS ANNEXES SUR LA PROTEOLYSE

La protéolyse, ou dégradation de protéines, est un mécanisme très général et essentiel en biologie. Pour simplifier, nous dirons qu'il existe 3 grands mécanismes de protéolyse :

- la voie lysosomiale (voir cours de biologie cellulaire)

- la voie Calpaïne-dépendante (avec mobilisation du calcium), particulièrement impliquée dans les situations de stress et de choc aigus (au niveau cellulaire, comme au niveau tissulaire sur un organisme entier)

- enfin la protéolyse Ubiquitine-dépendante (l'ubiquitine étant un petit peptide d'une centaine d'acides aminés possédant une important domaine hydrophobe lui conférant une structure stérique bien particulière).


La protéolyse a une triple finalité :

- élimination des protéines endommagées ou mal repliées

- mécanismes de survie en conditions trophiques minimales

- dégradation des protéines à durée de vie courte. En effet, la dégradation des protéines est régulée et spécifique. C'est en grande partie le système à ubiquitine qui explique la durée de vie différentielle des protéines (donc aussi leur biodisponibilité et leur efficacité fonctionnelle dans le temps ; voir aussi la discussion sur la biodisponibilité de l'acide rétinoïque ou des IGF(s) en fin du chapitre sur le contrôle du développement des membres)


Les deux figures suivantes schématisent les mécanismes de protéolyse par ubiquitinylisation

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- Chapitre 2 -

FACTEURS CONTROLANT
LE DÉVELOPPEMENT
EMBRYONNAIRE

I - Contrôles hormonaux

1 - Contrôle hormonal de la croissance
2 - Contrôle hormonal de la différenciation

II - Contrôles génique du développement

1 - Gènes impliqués dans la détermination morphogénétique
2 - Gènes de contrôle de la prolifération et de la différenciation
3 - Les protéines codées par les gènes du développement

III - Conclusions

Questions de reflexion

Glossaire

1 CONTROLE HORMONAL DE LA CROISSANCE

1.1 L'activité métabolique du placenta endocrine.
      Rôle de l'hormone de croissance et de l'hormone lactogène placentaire (figure 1)

La croissance postnatale des mammifères est essentiellement sous la dépendance de l'hormone de croissance hypophysaire ou growth hormone (GH , appelée aussi hormone somatotrope) et des hormones thyroïdiennes. Ces hormones influencent peu ou pas la croissance foetale.
En fait, au cours de la vie foetale, c'est l'hormone placentaire lactogène (PL) ou hormone chorionique somatomammotrope (HCS) qui joue un rôle essentiel dans la croissance foetale. Chez l'homme, la structure primaire de la hPL est très semblable à celle de la hGH (96 % d'homologie) et à un degré moindre de celle de la prolactine. Elles sont aussi très proches sur le plan fonctionnel puisque la PL a des effets lactogènes via les récepteurs de la prolactine et des effets sur la croissance via les récepteurs de la GH.
Chez la femme, le placenta exprime aussi un gène codant pour une hormone de croissance spécifique, la hPGH (ou human placental growth hormone). Cette hormone pourrait être le principal stimulant de l'anabolisme maternel..
Présente à des taux faibles dans le sang du foetus humain, la PL agit surtout en favorisant l'adaptation du métabolisme maternel et chez la femme, la hPL possède une activité lipolytique directe de type "GH". Ainsi, lors d'un jeûne, la hPL favorise l'utilisation par la mère des acides gras comme source d'énergie, ce qui permet d'économiser le glucose que le foetus consomme de manière exclusive. Inversement, si les apports alimentaires sont excessifs, la hPL stimule la production d'insuline et augmente la sensibilité du tissu adipeux et du foie à cette hormone hypoglycémiante, favorisant ainsi la formation de réserves énergétiques (utilisable ultérieurement).
Outre le fait qu'elle est un intermédiaire maternel de la PL, l'insuline peut être considérée comme une hormone de croissance foetale à part entière. Qu'elle soit produite par le pancréas foetal sous l'effet d'une glycémie élevée (voir ci-dessus) ou synthétisée par les cellules embryonnaires. En fait, l'insuline est à la fois anabolisante, mitogénique et morphogénétique via ses propres récepteurs , ou ceux des IGF (voir plus loin).

Le mode d'action intracellulaire de l'hormone de croissance (celui de la PL est pratiquement identique) est bien connu. Il exploite une double voie, à partir de la reconnaissance du récepteur sur la membrane des cellules cibles . Une voie oncogénique tyrosinekinase qui par une cascade de phosphorylation surexprime des oncogènes impliqués dans l'activation du cycle cellulaire et de la prolifération. Mais la GH exploite aussi la voie de la Protéine kinase C (PKC) via le diacylglycérol (DAG). Cette deuxième voie, correspondant à la voie des phosphoinositides^9, contrôle plus spécifiquement le métabolisme intracellulaire en activant, par exemple la captation des acides aminés et la synthèse protéique, en stimulant la lypolyse. En fait les deux voies (Tyr-K et phosphoinositides) sont parfaitement coopératives : la première induisant la prolifération et la croissance tissulaire, l'autre stimulant l'anabolisme en augmentant le "fuel" énergétique disponible pour le tissu en croissance.

1.2 Le contrôle placentaire de la production des IGF(s) (figure 1, 3, 4, 5, 6)

La PL (mais aussi la GH), stimulent la synthèse des somatomédines ou insuline like growth factors (IGFs) dans de nombreux tissus foetaux. Bien démontré dans d'autres espèces, ces mécanismes existent sûrement dans l'espèce humaine.

Les IGF(s) sont des peptides dont la structure est très proche de celle de l'insuline. Il en est de même pour les récepteurs correspondants (voir un cours ou un traité de biochimie). En prenant aussi en compte l'insuline, il existe 4 types d'homorécepteurs pour ces peptides homologues. Cette parenté explique la coopérativité de l'insuline et des IGF(s), ainsi qu'une partie d'action commune consécutive à une liaison réciproque sur les récepteurs (figure 3, 4 et 5)

Le rôle des IGF(s) est de favoriser la croissance mais aussi le développement des tissus en exerçant deux types d'activités (figure 6) :
- Les IGF ont surtout une activité trophique, en stimulant la prolifération via l'activation de map-kinases. Mais les IGF(s) peuvent aussi dans d'autres systèmes cellulaires activer la la différenciation cellulaire (transformation des myoblastes en myotubes; des neuroblastes en neurones, etc).
- Mais les IGF(s) ont aussi une activité insuline-like qui permet d'orienter les flux métaboliques de façon à approvisionner les tissus en nutriments requis pour leur croissance.
Comme pour la GH les 2 voies sont coopératives. Elles sont détaillées sur la figure 6.

D'une façon plus générale : (figure 7 et 8)
a) Ces facteurs de croissance interviennent selon un mode paracrine¹⁰ , dans des structures composées de plusieurs types cellulaires, mais dont certains seulement produisent des IGF (par exemple, les IGF synthétisés par les fibroblastes ou les cellules de Sertoli du testicule agissent respectivement sur les cellules épithéliales adjacentes ou sur les cellules de la lignée germinale).
b) Il peuvent aussi agir selon un mode autocrine (fibroblastes, myoblastes, chondrocytes de l'épiphyse des os longs, neuroblastes du système nerveux central, etc), et même intracrine (non traité dans ce cours).
c) Ils agissent enfin selon un mode endocrine. Le mode endocrine est important chez le jeune et chez l'adulte (rétrocontrôle négatif via le sang sur la synthèse de la GH par l'adénohypophyse); il est beaucoup plus négligeable chez le foetus.

> La conception d'endocrinie, de paracrinie et d'autocrinie peut être généralisée à bien d'autres systèmes cytophysiologiques. Vous aurez l'occasion de réaborder très fréquemment ces mécanismes qui sont essentiels.

Par ailleurs, on peut nuancer les effets respectifs des IGF(s) et aussi de l'insuline, qui nous l'avons vu plus haut peut interagir avec les récepteurs tétramériques aux IGF(s), et vice-versa.
IGF-II constitue le peptide majeur chez le foetus, tandis que IGF-I est surtout produit au cours du développement postnatal sous le contrôle de la GH. Comme les hormones peptidiques en général, les IGF(s) exercent leurs effets biologiques par un récepteur situé sur la membrane plasmique de cellules cibles.
A l'exception du récepteur monomérique qui lie exclusivement IGF-II, il est possible de mobiliser l'un ou l'autre de ces récepteurs par l'un ou l'autre de ces ligands, mais à des concentrations plus élevées que celles permettant une interaction maximale entre un ligand donné et son récepteur spécifique (voir figure 3 et 4).

Dans les conditions physiologiques, il est admis que les effets métaboliques (transport et métabolisme du glucose, métabolisme des lipides, biosynthèse protéique...) sont traduits par le récepteur de l'insuline, tandis que les effets sur la multiplication et la différenciation cellulaires sont déterminés par les récepteurs des IGF.

Dans la mesure où le placenta contient aussi des récepteurs aux IGF(s), ces peptides produits par la mère sous l'effet stimulant de hGH et des hormones placentaires pourraient aussi participer indirectement à la croissance foetale en induisant chez la mère des effets métaboliques favorables à la nutrition du foetus et en stimulant le développement placentaire

1.3 Autres facteurs de croissance

Il existe de très nombreux facteurs de croissance qui ont, comme les IGF(s), des récepteurs membranaires à tyrosine-kinase. Mais bien d'autres facteurs (FGF, EGF, NGF, etc), et bien d'autres voies intra cellulaires, contribuent, individuellement ou en interaction, à la croissance de nombreux tissus.

Le cours de PCEM1 n'a pas pour but d'être exhaustif mais seulement de fournir une initiation à ces mécanismes complexes de contrôle du développement normal et pathologique.

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2 CONTROLE HORMONAL DE LA DIFFÉRENCIATION

Nous choisirons 2 exemples : la cellule musculaire et la maturation de l'alvéole pulmonaire¹¹.

2.1 La différenciation musculaire

Comme nous l'avons souligné précédemment, la plupart des facteurs de croissance (IGF, EGF, FGF, etc) sont aussi des facteurs de différenciation (des myoblastes en myotubes ou des neuroblastes en neurones, par exemple). L'action des IGF sur la différenciation des myoblastes en particulier semble s'effectuer en deux temps. L'effet le plus précoce consisterait à contrôler l'engagement des cellules dans le programme de différenciation, tout en maintenant un degré de prolifération des cellules satellites (voir cours sur le tissu musculaire) ; Cette action est dépendante de IGF-II. L'effet plus tardif serait une régulation de l'expression de facteurs de transcription (MyoD, myogénine), qui à leur tour contrôlent la différenciation terminale, en particulier l'expression des myosines. Cet effet serait davantage dépendant de IGF-I (et donc de GH, plutôt que de PL ?) (voir figure 19 chapitre 1 et figures 1 et 17 chapitre 2).

2.2 La maturation pulmonaire

Un autre exemple de différenciation anatomo-fonctionnelle prénatale est apporté par la maturation pulmonaire (figure 9). Après une phase de croissance et de ramification bronchique faisant intervenir des mécanismes de régulation locale, l'arbre bronchique se spécialise. Il acquiert un certain nombre de types cellulaires, en particulier les pneumocytes de type II, au cours de la formation des alvéoles pulmonaires. Le pneumocyte-II synthétisera le surfactant, dont les propriétés tensioactives empêchent les alvéoles de s'affaisser sur elles-mêmes. L'absence de surfactant entraîne un collapsus des alvéoles, à l'origine du syndrome de détresse respiratoire néo-natale (ou maladie des membranes hyalines). Chez l'homme, la synthèse de surfactant ne débute pas avant 22 semaines de gestation. Elle est due à la production de glucocorticoïdes circulant par les surrénales du foetus. Les glucocorticoïdes stimulent directement la synthèse de la fraction protéique du surfactant par le pneumocyte. La stimulation de la synthèse de la fraction lipidique est indirecte. Les glucocorticoïdes stimulent la production par les fibroblastes du Fibroblast Pneumocyte Factor qui stimule, par voie paracrine, celle des phospholipides. Les deux fractions sont associées dans l'appareil de Golgi, passent dans le cytoplasme, et sont sécrétées dans l'alvéole.
Ce mécanisme de différenciation explique qu'il est, à ce jour, difficile de faire survivre un prématuré de moins de 5 mois 1/2, et pallier à l'immaturité pulmonaire.

2.3 La différenciation sexuelle : gonades et voies génitales.

Nous citons l'exemple de la virilisation de la sphère génitale car il s'agit d'un des meilleurs modèles de mécanisme génétiquement déterminé de différenciation. Nous en fournissons un simple aperçu graphique sur la figure 10, sachant que cette régulation sera ultérieurement étudiée dans d'autres cours, en particulier en Biologie de la Reproduction (donc hors-programme de l'histo-embryologie du PCEM1).

RETOUR

II - CONTRÔLE GENIQUE DU DÉVELOPPEMENT

1 - GENES IMPLIQUES DANS LA DETERMINATION ET L'ENGAGEMENT MORPHOGENETIQUES

1.1 Des gènes maternels contrôlent les premières divisions de l'oeuf

Les premières divisions de l'oeuf fécondé s'effectuent sans que les premiers gènes zygotiques ne soient exprimés. Cela est parfaitement vérifié chez des espèces inférieures (batraciens). La mise en route du génome embryonnaire s'effectue cependant à un stade précoce, mais très probablement seulement au stade 8 cellules chez l'homme. En effet, notons qu'il n'y a pas de régionalisation de l'information dans le cytoplasme du zygote des mammifères jusqu'au stade 8 cellules, contrairement à d'autres classes de vertébrés : chaque blastomère peut donc être considéré comme équivalent aux autres (c'est tout le problème du clonage possible qui est alors posé ! Il sort du cadre de ce cours).

L'étude des gènes maternels dans le développement embryonnaire précoce est cependant rendue difficile par la très faible quantité de matériel génétique disponible. Nos connaissances sont donc encore rudimentaires chez les mammifères, encore plus chez l'homme. La distinction entre une information seulement apportée par des ARNm provenant de l'ovule, et celle qui serait apportée par une transcription persistant selon un patron transcriptionnel conservant le profil d'expression maternel, est loin d'être résolu (eu égard à la durée de vie des messagers la première hypothèse n'est plausible que chez des espèces ou les premiers clivages se font dans un espace de temps excessivement court ; c'est le cas des oeufs de batraciens. Néanmoins, on sait que la durée de vie des ARNm est beaucoup plus longue dans l'oeuf fécondé).

Des données récentes attribuent à l'ARN maternel oct-3 un rôle dans la première division de l'oeuf et au PDGF-alpha (platelet-derived growth factor) codé par un ARN maternel un effet autocrine activateur de la division cellulaire.

Le début de l'expression génique embryonnaire n'est donc effective qu'après le stade 8 blastomères (figure 11). Elle est concomitante de l'expression sur la membrane plasmique de Cadhérines E, aboutissant à la mise en place de jonctions inter-cellulaires : c'est l'initiation de la compaction et des phénomènes de polarisation dont nous avons déjà parlé en embryologie formelle.
Ultérieurement s'exprimeront dans la morula des cadhérines E (épithéliales) et P (dans le trophoblaste, futur Placenta), ce qui contribuera largement à la ségrégation cellulaire entre embryoblaste et trophoblaste.

1.2 Gènes impliqués dans la formation des feuillets et tissus embryonnaires.

1.2.1 Le rôle du noeud de Hensen au cours de la gastrulation. [Rappels sur la gastrulation : voir cours d'embryologie formelle]

Pendant la gastrulation, les signaux issus du mésoderme axial induisent une partie de l'ectoblaste pour former le neurectoderme, qui est à l'origine du tube neural. En effet, la greffe du noeud de Hensen d'un embryon donneur (au stade ligne primitive tardive) dans la région postérieure d'un embryon hôte (pris au même stade) induit la formation d'un axe embryonnaire surnuméraire complet dont les structures constitutives (chorde, somites et tube neural) sont issues du recrutement des cellules de l'embryon receveur dans la zone environnante à la greffe. Le noeud de Hensen des mammifères est donc un centre organisateur impliqué notamment dans l'induction neurale, mais en fait dans la symétrisation antéro-postérieure et dorso-ventrale de l'embryon, ainsi que dans toutes les répartitions droite/gauche.

Remarque : il est de plus en plus évident que le noeud de Hensen chez les mammifères a les mêmes propriétés inductrices que l'organisateur de Spemann chez les amphibiens. Mais un grand nombre de connaissances acquises chez les batraciens seront sûrement applicables à l'homme. Un étudiant curieux pourra utilement lire des études d'embryologie comparée, tant en embryologie formelle qu'en embryologie causale et moléculaire. Mais il s'agit d'une proposition hors du programme du concours.

1.2.2 Les gènes exprimés dans le noeud de Hensen et la ligne primitive

Compte tenu du rôle clef de la ligne primitive et du noeud de Hensen, il est évident que les gènes impliqués dans les déterminations morphogénétiques des feuillets sont multiples à ce niveau. Nous ne fournirons que quelques exemples.

1.2.2.1 Formation du noeud de Hensen et mise en route de la gastrulation. ; symétrisation : gène nodal.

Le gène nodal s'exprime très précocement chez la souris juste avant et pendant la gastrulation dans des territoires présomptifs qui entourent l'environnement immédiat du noeud de Hensen. L'inactivation de ce gène empêche la formation du noeud de Hensen et de la chorde. Il est donc nécessaire à la formation du noeud de Hensen et il participe à l'effet inducteur qu'exerce cette structure sur le processus d'invagination des cellules. Il est déterminant dans le lignage ultérieur mésodermique. Son expression est relativement prolongée dans le temps sans toutefois excéder la mise en place définitive de la chorde.
Mais surtout, nodal est essentiel dans la cascade symétrie/asymétrie des structures droite/gauche

1.2.2.2 Migrations cellulaire vers la partie antérieure de l'embryon : Gènes goosecoïd, Mixer et sox

Si le gène nodal semble spécifique des vertébrés supérieurs, le gène goosecoïd est plus ancestral et bien conservé dans le règne animal (il présente même des homologies avec des gènes du développement des insectes comme la drosophile).
Il est exprimé transitoirement dans le noeud de Hensen au début de la gastrulation. Les cellules qui l'expriment vont migrer à l'extrémité antérieure de l'embryon pour participer :
- à la formation de structures céphaliques dépendantes du mésoderme préchordal.
- au préalable, à la mise en place de l'entoblaste définitif à partir de l'épiblaste par migration au travers de la ligne primitive dans sa partie antérieure, proche du noeud de Hensen (voir cours d'embryologie formelle).

Il est à noter que l’induction entoblastique peut être autonome, indépendante de la présence d’ectoblaste ou de mésoblaste et s'effectuer sans gastrulation. C’est en tout cas le cas chez les vertébrés batraciens où 3 gènes s’avèrent nécessaires, mais suffisants, pour cette détermination : il s'agit de Mixer, qui lui même active SOX-17a et 17b (Henry et al : Science, 281, 1998).
Mixer est activé par la protéine VG1 similaire au TGFß. Or chez les batraciens VG1 est déjà présente à un pôle de l’oeuf. La préinduction entoblastique est donc d’origine maternelle.
On ne peut directement extrapoler du batracien au mammifère (il s'agit d'embryogénèse relativement éloignées, surtout pour le processus de gastrulation). Mais TGFß et VG1 sont à très forte homologie et de nombreux mécanismes sont conservés dans le phyllum des vertébrés. Nous savons aussi que d'autres gènes impliqués dans la polarité de l’oeuf chez l’insecte se retrouvent aussi chez les mammifères supérieurs. Par ailleurs nous savons que le produit de nodal est un protéine proche parente du TGFß (voir plus loin)
Il y a fort à parier que le rôle de la prégnance maternelle dans le déterminisme de polarisation de l’embryon précoce va subir des renouveaux de connaissance, y compris chez les mammifères. De toute façon, il est clair que le développement harmonieux de l’oeuf de mammifère est à ce jour impossible au delà du stade blastocyste, nécessitant l’environnement des annexes trophoblastiques et l'environnement maternel relayé par la circulation foeto-maternelle.

1.2.2.3 Déterminisme de la chorde : gène hnf3b (= hepatic nuclear factor 3b car d'abord identifié dans l'expression de la différenciation hépatique)
intervient dans le développement précoce.
Le gène hnf3b s'exprime dans le noeud de Hensen en début de gastrulation puis surtout dans la chorde et la partie ventrale du tube neural au cours de la neurulation (voir aussi les figures du paragraphe 1-2-2-6).
L'inactivation de ce gène (manipulations de recombinaison homologue chez des souris transgéniques) aboutit à la formation d'embryons dépourvus de noeud de Hensen et de chorde, avec absence de différenciation ventrale du tube neural et du développement des somites.

1.2.2.4 Induction caudale : gène brachyury

Le gène brachyury (ou gène T) s'exprime pendant la gastrulation près de la ligne primitive (dans les cellules de l'ectoderme et du mésoderme en formation) et dans le noeud de Hensen, puis après la gastrulation dans la chorde dorsale et l'emminence caudale.
La mutation Brachyury (du grec queue courte) ou mutation T chez la souris est caractérisée par une atrophie de la zone caudale. Ce gène, ou des gènes apparentés, sont sûrement responsables de grandes malformations survenant au cours de la 3ème semaine chez l'homme (cf la sirénomélie et/ou les syndromes de régression caudale).

1.2.2.5. Induction céphalique : Gènes Lim-1, Otx2, Pax

Le gène Lim-1 est exprimé au cours de la gastrulation dans la ligne primitive et le noeud de Hensen. Son tropisme topographique est opposé au gène brachyury.
L'inactivation de ce gène retarde la formation du noeud de Hensen. Il participe au développement des structures céphaliques.
Le gène Otx2 est aussi un inducteur précoce du territoire présomptif du neurectoderme avant même que le processus de gastrulation (ligne primitive et noeud de Hensen) ne soit initié.
Les gènes Pax sont aussi exprimé très précocement dans le tube neural en formation (voir figures du paragraphe 1-2-2-6)

1.2.2.6. Détermination du mésoblaste somitique et du neurectoblaste : gène TBX-6 (Chapman et al : Nature, 391, 1998)

Exprimé précocement dans le mésoblaste para-axial de la souris, TBX6 code pour un facteur de transrégulation sur le DNA (voir plus loin). Le knockout (= l'inactivation totale) de TBX6 chez la souris aboutit à l'absence de métamérisation : les somites primordiaux ne se segmentent pas. Mais surtout, le mésoblaste somitique se transforme in situ en tubes neuraux avec une nouvelle répartition de PAX3 et HNF3ß qui se surexpriment dans ces néotubes nerveux ou à proximité.

INTERPRETATION ET COMMENTAIRES :

• La chorde maintient bien un déterminisme axial : la surexpression locale de HNF3ß à proximité des néotubes nerveux cadre avec cette notion connue.
  Si l'orientation d’expression cranio-caudale est maintenue, par contre la différenciation somitique para-axiale (donc la capacité de métamérisation) est perdue par la simple inactivation du TBX6.
• Que penser alors du gène TBX6 ? Deux possibilités :
  - soit il code pour un facteur contribuant à l'inhibition de la différenciation neurale,
  - soit il code pour un facteur activateur de l'induction somitique du mésoblaste.
• Que penser désormais de la spécificité classique du tissu nerveux par rapport au tissu mésoblastique (ici le myotome) ? Quel est le vrai rôle de la gastrulation dans la détermination mésoblastique ?
• Que penser de la neurulation secondaire au niveau de l’éminence caudale ? Ne pourrait- elle être expliquée par un mécanisme similaire à la sous-expression locale de TBX6, facilitant alors une transformation neurale du mésoblaste de l'éminence caudale ?

1.2.3 Noeud de Hensen, ligne primitive : SYMETRIE/ASYMETRIE & spécification DROITE / GAUCHE

Le déterminisme Droite/Gauche a toujours intrigué les embryologistes (de même que la symétrie rayonnée par 5 des échinodermes : oursins, étoiles de mer, etc). Désormais nos connaissances sont moins rudimentaires et l’approche de la sectorisation Droite /Gauche connait des débuts d’explications. Nous fournissons un bref résumé des connaissances actuelles, et un schéma simplifié des travaux effectués sur l'embryon de souris.
Le déterminisme de l'asymétrie/symétrie répond à des objectifs très précis, et en particulier :
- la symétrie externe est essentielle au plan psycho-comportementral : elle est à la base de la reconnaissance visuelle des congénères.
- l'asymétrie interne est tout aussi essentielle. Outre le fait que les organes internes sont normalement dissimulés à la vue, l'asymétrie et les courbures des différents organes permettent un "empaquetage" utilisant un volume minimal (l'exemple des viscères abdominaux est typique : comment imaginer 3 mètres d'intestin grêle qui resteraient linéaires comme chez le lombric ou des animaux plus primitifs !)

- L’orientation D/G précoce au cours du développement, est en partie due à Nodal au moment de la formation de la ligne primitive et du noeud de Hensen. Avec :

- une surexpression de Nodal dans les cellules à destinée G.

- la non expression de Nodal dans les cellules à destinée D

Cette ségrégation de l'expression de Nodal à gauche est conditionnée par l'expression encore plus précoce du gène sonic hedgehog (Shh) à gauche¹² sur la plaque embryonnaire.

Shh induit à gauche un autre gène, lefty1, dont l'expression fonctionnelle est elle-même ségrégée à gauche par l'association avec un/des facteurs protéiques X (probablement membranaires ou intracellulaires ; en effet il est difficile d'imaginer la ségrégation à D ou à G part des protéines qui seraient sécrétées, et donc deviennent hautement diffusible), eux-aussi induits par shh.
Il faut également remarquer que shh est lui même inactivé à droite par le gène de l'activine¹³ . L'expression ultérieure à droite d'un autre gène, le gène snail, contribue aussi au déterminisme de la Droite (sans qu'on connaisse à ce jour toute la cascade).
In fine, Lefty1 conditionne l'expression à gauche de nodal (mais également d'un autre gène, lefty2, nécessaire en association avec nodal pour la détermination gauche).

- L’orientation ultérieure D/G au cours du développement ne dépend plus de Nodal puisqu'il cesse d'être exprimé.

C'est l'expression plus tardive et exclusivement à G du gène PITX2 qui prend le relais.
Ce mécanisme obéit à une cascade inductrice : PITX2 est induit par nodal associé au gène lefty2. En outre lefty2 contribue à l'inhibition de l'expression de snail à gauche, augmentant ainsi la discrimination droite/gauche

- PITX2 et asymétrie des organes internes

On comprend désormais beaucoup mieux les mécanismes de symétrisation axiale et de détermination droite/gauche.
Mais qu'en est il des structures non symétriques ? PITX-2 semble le candidat principal des déplacements et réorganisations cellulaires aboutissant aux asymétries d'organes tels que le coeur, le tube digestif, le foie, etc...

De nombreuses expériences le démontre, soit par technique de knockout (inactivation totale) du gène PITX2, soit au contraire en faisant surexprimer à droite le gène PITX2 (transfection de l'ARNm de PITX2). Dans tous les cas l'orientation naturelle des organes est perdue, montrant bien qu'à lui seul PITX2 peut être responsable de la position des organes internes et de leur rotation (ou enroulement).

Les microphotographies ci dessous sont une illustration des nombreux travaux actuels .
- L'une montre l'inversion totale de l'intestin et du coeur dans la larve de xénope (batracien) lorsqu'on, impose expérimentalement une expression de PITX-2 à droite
- L'autre montre l'expression à gauche de PITX2 chez l'embryon de souris au cours de la formation des courbures de l'estomac

Références : Meno et al : Cell, 94, 1998. Logan et al : Cell, 94, 1998. Piedra et al : Cell, 94, 1998. Yoshioka et al : Cell, 94, 299-307, 1998. Ryan et al, Nature, 394, 1998


1.3 Les gènes impliqués dans la régionalisation fine des tissus embryonnaires.

1.3.1 Gènes Hox, organisation antéro-postérieure de l'embryon et morphogénèse des membres.

1.3.1.1 Les quatre complexes HOX et leur logique d'expression.

Les gènes Hox ont été découverts chez les vertébrés sur la base de leur homologie avec les gènes HOM de la drosophile. Ces gènes Hox se répartissent en quatre complexes (HOX A, B, C, D) localisés sur quatre chromosomes différents. Trente huit gènes Hox sont actuellement connus chez les mammifères. Les gènes Hox présentent non seulement une homologie structurale avec les gènes HOM, mais ils présentent également la même logique d'expression à l'exception de Hox-C qui n'a pas d'équivalent sur le gène HOM (figure 12).

En effet, l'ordre des gènes Hox dans un complexe est le même que celui de leurs limites antérieures d'expression le long de l'axe antéro-postérieur de l'embryon.

Ainsi,
plus un gène est localisé en 3' d'un complexe, plus sa limite antérieure d'expression est antérieure dans l'embryon (règle de colinéarité spatiale),
et plus il est exprimé précocement (règle de colinéarité temporelle).
Dans les zones métamérisées, la limite d'expression antérieure est toujours brutale et nette. La limite d'expression postérieure est souvent plus diffuse. Cette différence d'expression, entre la limite craniale et la limite caudale, est particulièrement visible pour HOX-B2 sur la figure 13.

Deux gènes situés à la même position relative dans deux complexes différents présentent plus d'homologies entre eux que deux gènes voisins d'un même complexe.

Les gènes situés au même niveau dans chaque complexe HOX sont qualifiés de gènes paralogues. Ils peuvent s'exprimer simultanément dans une même zone embryonnaire et forment un complexe d'expression.

Tous les types de gènes paralogues ne sont pas représentés dans chaque complexe. Les complexes HOX et HOM sont probablement issus d'un gène ancestral commun.

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1.3.1.2 Les territoires d'expression des gènes Hox : (figure 13)

Par hybridation in situ sur des coupes d'embryon (en utilisant des sondes marquées d'ADN complémentaire), on peut déterminer les régions dans lesquelles les gènes Hox sont transcrits. Ces gènes s'expriment à partir de la gastrulation. Leurs domaines d'expression correspondent à des régions strictement définies de l'embryon.

a) Certains gènes Hox s'expriment notamment dans des territoires embryonnaires caractérisés par une organisation segmentaire : rhombomères du rhombencéphale ou cerveau postérieur, arcs branchiaux, sclérotome des somites et squelette axial. Dans le rhombencéphale, la limite antérieure d'expression des gènes Hox situés le plus en 3' dans chaque complexe coïncide avec les frontières entre rhombomères (figure 14).

b) Les gènes Hox s'expriment également dans des territoires non métamérisés : c'est surtout le cas dans les bourgeons des membres en développement, avec une colinéarité spatiale selon l'axe proximo-distal pour les gènes Hox-A et selon l'axe antéro-postérieur pour les gènes Hox-D. La figure15 résume ce contrôle d'expression morphogénétique.

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1.3.1.3 Le contrôle de l'expression des gènes Hox par l'acide rétinoïque

L'acide rétinoïque (un dérivé de la vitamine A) est synthétisé et sécrété par certaines cellules embryonnaires, par le noeud de Hensen lors de la gastrulation et par la zone d'action polarisante dans le bourgeon du membre.
Son caractère lipophile lui permet de traverser les membranes. Il agit alors dans le noyau des cellules cibles en se fixant à un récepteur actif sur la transcription des gènes Hox. La sensibilité des gènes Hox à l'acide rétinoïque dépend de la position sur le chromosome, les gènes situés en position 3' étant les plus sensibles. En raison de la règle de colinéarité spatiale, ce gradient de sensibilité se retrouve dans l'embryon lui-même : la sensibilité est maximale dans la zone antérieure de l'embryon (figure 12).

Si l'acide rétinoïque est nécessaire au développement homéotique, notons cependant que cette molécule peut devenir tératogène. Un excès d'acide rétinoïque exogène provoque des transformations homéotiques en repoussant vers l'arrière la limite d'expression des gènes Hox les plus postérieurs. De même,l'acide rétinoïque endogène réparti suivant un gradient de concentration dans le bourgeon du membre (avec un maximum dans la zone d'action polarisante ; voir aussi le cours d'embryologie formelle) est impliqué dans la différenciation antéro-postérieure du membre en activant plus particulièrement les gènes Hox-D (figure 15).

1.3.2 Autres gènes impliqués dans la régionalisation : Gènes Pax, Otx, engrailed, Wnt,, etc...

Citons pour exemple le gène Otx2. Il conduit à l'absence de structure céphalique et de cerveau antérieur, ce qui suggère que ce gène joue, comme Lim-1, un rôle essentiel dans l'activité d'un centre "organisateur" de la tête. Mais son action perdure, au même titre que l'expression des gènes Pax, ces derniers participant à la maturation du cerveau médian.

Nous ne faisons que citer quelques exemples renvoyant l'étudiant curieux à d'autres ouvrages. Il importe cependant que l'étudiant réalise que ce cours est loin de développer nos connaissances. Bien d'autres gènes, bien d'autres mécanismes sont connus, et nous aurons l'occasion de développer certains processus dans les cours spécifiques d'organogénèse et d'histologie.

1.4 Gènes impliqués dans la détermination

1.4.1 Exemple : Gènes de la famille MyoD1 et détermination musculaire

Expérimentalement, des fibroblastes d'embryons de souris cultivés en présence de certains agents pharmacologiques (S-azacytidine analogue structural de la cytidine) se différencient essentiellement en myoblastes. A partir de ce modèle expérimental on a pu comparativement étudier les gènes qui étaient déréprimés et qui contrôlent la myogénèse. La figure 16 illustre la procédure expérimentale.

Le gène murin MyoD1 (myoblast détermination gène n° 1) a ainsi été identifié.
Il est capable à lui seul (expérience de transfection du gène dans un fibroblaste normal) de convertir les fibroblastes ou d'autres types cellulaires en myoblastes. D'autres gènes, tels que la myogénine, Myf-5 et l'herculine interviennent aussi dans la myogénèse. Les gènes de la myogénèse appartiennent à une même famille très conservée au cours de l'évolution. Le fait que les gènes de la famille MyoD ne soient pas tous exprimés au même moment (la myogénine est par exemple exprimée plus tardivement que Myf-5 et plus précocement que l'herculine chez la souris) démontre qu'il existe une action séquentielle de ces gènes (figure17).

Les gènes de la famille MyoD peuvent auto-activer leur propre expression, ce qui amplifie rapidement le taux de protéines myogéniques, permettant ainsi le déclenchement et le maintien de la différenciation musculaire. Des études in vitro montrent que l'hormone thyroïdienne et l'acide rétinoïque, associés à leurs récepteurs nucléaires, accélèrent la différenciation musculaire en activant l'expression des gènes MyoD. Des proto-oncogènes (tels que c-ras, c-myc et c-jun) et certains facteurs de croissance (tels que FGF : fibroblast growth factor, TGFb : transforming growth factor) s'opposent au contraire à l'expression de ces gènes ou à l'effet de leurs produits tout en favorisant la prolifération cellulaire (voir aussi les autres chapitres consacrés à la régulation de l'expression des gènes du développement).
Nous percevons déjà que des mécanismes relativement simples peuvent donc à l'échelle moléculaire contrôler de façon fine l'équilibre entre prolifération et différenciation cellulaire.

1.4.2 Autres exemples : les gènes de la détermination du sexe.

Le déterminisme en cascade du sexe, le rôle du chromosome Y, le gène SRY sont autant d'exemples remarquables ; mais ils sont considérés hors programme de ce cours.

Un illustration succincte a déjà été fournie page 55

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2 - GENES DE CONTRÔLE DE LA PROLIFERATION ET DE LA DIFFERENCIATION


2.1 FACTEURS TRANSRÉGULATEURS ET CROISSANCE

2.1.1. E2F et entrée en phase S du cycle cellulaire (voir figure 15 page 28)

E2F est un facteur transrégulateur impliqué dans la réplication de l'ADN. En phase G1 du cycle cellulaire, E2F est inactivé par son association avec la protéine du rétinoblastome (RB), laquelle est le produit d'un antioncogène suppresseur de tumeur. Lors de la transition G1/S, l'hyperphosphorylation de RB entraîne la dissociation du complexe RB/E2F, permettant alors à E2F libre de transactiver des gènes de la réplication. Par ailleurs, durant la phase S, E2F s'insère dans un complexe qui inclut la cycline A. Ce complexe transactive des gènes spécifiques de la phase S. Ainsi, les effets de E2F se potentialisent au cours de la phase S.

Inversement, la non phosphorylation de RB empêche l'entrée dans le cycle cellulaire. Il s'agit là d'une des explications du passage des cellules en phase Go (revoir la figure 17 du chapitre 1. Se souvenir aussi du rôle modulateur des pocket protéines, grâce aux complexes qu'elles forment).

2.1.2 Fos-Jun et multiplication cellulaire

Les protooncogènes cellulaires sont des gènes cellulaires dont la forme activée appelée oncogène est impliquée dans l'apparition de cancers. Nous avons déjà abordé cette notion.
Les 3 figures suivantes schématisent à nouveau le concept de "cascade oncogénique"

Les proto-oncogènes c-jun et c-fos sont des gènes dits de réponse précoce, car ils font partie des premiers gènes qui s'expriment quand une cellule en Go (quiescente) est stimulée par l'addition de sérum dans le milieu de culture (figure page 89).
L'expression est transitoire durant l'entrée dans le cycle. Le facteur de transcription AP1 (hétérodimère Fos-Jun) reconnaît une séquence AP1 présente sur de nombreux gènes participant au contrôle de la prolifération cellulaire.


Fos, capable de s'associer à de nombreux partenaires, joue un rôle important dans la fonction de nombreux tissus.

Mais Fos et Jun doivent surtout être considérés comme des transducteurs précoces de signaux extracellullaires, conduisant à la multiplication cellulaire (mais parfois aussi à la différenciation), en particulier pour de nombreux facteurs de croissance.

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2.2 FACTEURS TRANSRÉGULATEURS ET DIFFÉRENCIATION

2.2.1 Facteurs myogéniques et différenciation musculaire

Comme nous l'avons déjà vu, MyoD1 (myoblast détermination n° 1) et d'autres facteurs de la même famille (myogénine, Myf5, herculine) contrôlent la différenciation musculaire. Ces facteurs à hélice-boucle-hélice (voir paragraphe suivant) peuvent former des hétérodimères actifs sur la transcription (ex : MyoDI/E12). Ils se fixent sur la séquence E de l'amplificateur (enhancer) de certains gènes participant à l'architecture et à la contraction du muscle, dont ils transactivent l'expression.

2.2.2 Récepteur de l'acide rétinoïque et morphogénèse du membre (voir figures page suivante)

Les premières données d'embryologie expérimentale avaient montré que l'organisation antéro-postérieure des membres et, en particulier, l'apparition ordonnée des différents doigts, dépendait d'une zone mésenchymateuse appelée zone d'action polarisante (voir aussi le cours d'embryologie formelle) ; elle produit majoritairement l'acide rétinoïque. Nous savons désormais que l'acide rétinoïque n'intervient pas directement par son gradient de concentration (ou intervient peu), mais davantage par l'intermédiaire de l'activation d'autres gènes (voir chapitre 3, avec l'exemple du membre).


Le récepteur de l'acide rétinoïque activé est un facteur transrégulateur qui participe au développement du membre.

a) Il active la mort cellulaire programmée interdigitale (apoptose) qui aboutit au modelage des doigts.

b) Il transactive divers gènes impliqués dans la mise en place des membres tels que des gènes de la détermination squelettique, les gènes myoD1, et les homéogènes (Hox D) participant au développement du membre, etc.

2.3 COMBINATOIRE ENTRE FACTEURS TRANRÉGULATEURS

Exemple : Jun-MyoD1 et bascule entre prolifération-différenciation

La figure de la page suivante schématise ce type d'interaction.

L'expression des facteurs myogéniques entraîne non seulement une différenciation musculaire, mais également un arrêt des divisions cellulaires.

De même, Fos et Jun empêchent la différenciation musculaire en réprimant l'activité transactivatrice des facteurs myogéniques. Une interaction physique entre la fermeture éclair à leucines de Jun et le domaine hélice-boucle-hélice de MyoD1 pourrait expliquer l'inactivation de MyoD1 au sein d'hétérodimères Jun/MyoD1.

La régulation de processus aussi différents que la prolifération cellulaire et la différenciation peut donc être déterminée par la simple combinaison en hétérodimères en fonction du niveau d'expression relative des facteurs de transrégulation..
Certains facteurs transrégulateurs sont cependant impliqués à la fois dans la prolifération et la différenciation.

2.4 LES FACTEURS TRANSRÉGULATEURS DE DIFFÉRENCIATION/CROISSANCE ET LEUR RÔLE DE MODULATION

Comme nous venons de le voir, les facteurs transrégulateurs se fixent sur des séquences spécifiques de l'ADN à proximité de leurs gènes cibles, ce qui leur permet de moduler le fonctionnement des complexes initiant la transcription : ils sont des intermédiaires entre un signal extra ou intracellulaire et les gènes cibles.

Ces possibilités de régulation sont amplifiées par l'expression combinatoire des facteurs transrégulateurs au sein de chaque cellule : les hétérodimérisations permettent d'affiner avec une très grande précision les mécanismes d'expression impliqués dans le développement.

Le paragraphe 3 (page 81) va permettre de mieux comprendre ces interactions en décrivant les aspects moléculaires des facteurs de transrégulation.

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3 - LES PROTEINES CODEES PAR LES GENES DU DEVELOPPEMENT

Il s'agit de protéines dont la séquence primaire explique parfaitement les interactions moléculaires, tant pour former le hétérodimères, que pour reconnaître les séquences spécifiques de l'ADN.

3.1 CERTAINES DE CES PROTÉINES SONT DES FACTEURS SPÉCIFIQUES DE TRANSCRIPTION `
(voir figures des 3 pages suivantes).

3.1.1 Ces protéines ont un site de fixation à l'ADN (voir éventuellement vos cours et ouvrages de biochimie et de biologie cellulaire pour des explications plus complètes sur la configuration et les mécanismes stéréospécifiques de ces molécules).

Les protéines à doigt à zinc :
C'est le cas de la protéine Krox-20 (exprimée avant la formation des rhombomères) et des récepteurs nucléaires de l'acide rétinoïque (exprimés notamment dans les bourgeons des membres). Mais les exemples pourraient être multipliés. Les récepteurs aux stéroïdes ont des configurations similaires.

Les protéines à région basique :
Ces protéines contiennent une région riche en acides aminés basiques leur permettant de se fixer sur des séquences spécifiques de l'ADN. Par exemple, cette région permet aux facteur myogéniques de se fixer sur la boîte E placée en amont de certains gènes musculaires ou myogéniques. De même, Fos et Jun, possèdent également une région basique leur permettant de se fixer sur le site AP1.

Les protéines à homéodomaine :
Les protéines HOX possèdent toutes un homéodomaine contenant un motif hélice-tour-hélice de fixation à l'ADN. En plus des 2 domaines en alpha-hélices représentés sur le schéma et constituant la structure hélice-tour-hélice, les protéines à homéodomaine possèdent toutes une troisième hélice qui n'a pas été figurée dans ce document.
Les protéines Lim-1, Otx, Engrailed, et bien d'autres, contiennent également un homéodomaine.

Autres facteurs spécifiques de transcription : protéines à paired-domaine, domaines POU, domaines HMG, domaines winged-helix, etc

> Hors programme; mais bien noter que les 3 exemples ci-dessus ne sont donc pas représentatifs de tous les types de protéines transrégulatrices de l'ADN.

3.1.2 Ces protéines contrôlent la transcription d'autres gènes

Ces protéines possèdent généralement un domaine leur permettant de réguler la transcription de gènes cibles sur lesquels elles se fixent. Ainsi la région riche en acides aminés acides présente dans la partie N-terminale des protéines myogéniques, constitue un domaine d'activation de la transcription, permettant par exemple à MyoD1 d'activer la transcription du gène d'une kinase musculaire. Les protéines de la famille MyoD peuvent contrôler ainsi directement leur propre transcription et celle de gènes spécifiques du muscle (voir cours sur le tissu musculaire).

Par ces mécanismes, le développement met ainsi en jeu une cascade de contrôles transcriptionnels. Par exemple, dans le rhombencéphale, Krox-20 active la transcription du gène Hox-B2, lequel code à son tour un facteur de transcription, etc... (voir figure 14)

Ainsi, les hétérodimères E12/MyoD se lient à l'ADN avec une affinité beaucoup plus grande que les homodimères. De même Jun/Fos se fixe plus électivement (complexe AP1) que Jun/Jun ou Fos/Fos.

Inversement, l'hétérodimérisation entre protéines à HBH peut aboutir à une inactivation de l'expression génique. Par exemple le facteur ubiquitaire Id (inhibitor of DNA binding) possède un motif HBH mais pas de région basique, si bien que les hétérodimères qu'il forme avec E2A ou MyoD sont incapables de se fixer à l'ADN. La protéine Id est donc un inhibiteur compétitif s'opposant à la formation d'hétérodimères E12/MyoD actifs. Un mécanisme similaire peut apparaître avec Jun et Fos (voir figure page 100). En fait, ce mécanisme inhibiteur est largement généralisable

3.1.3.2 Les protéines à leucine zipper (voir figure page 91)

De nombreuses molécules (récepteurs de l'acide rétinoïque, Fos et Jun, etc), possèdent un domaine de dimérisation de type fermeture éclair à leucines (FEL), constitué par une hélice contenant des leucines alignées parallèlement à l'axe de cette hélice.

L'établissement d'interactions hydrophobes entre les leucines de deux protéines pourvues d'un tel motif permet la formation de dimères dont l'association est renforcée. Les hétérodimères (type Fos/Jun) ont généralement une affinité pour l'ADN bien supérieure à celle des homodimères (figure page 89). La formation de tels dimères (ex : Jun/MyoD) explique aussi l'antagonisme entre prolifération et différenciation (voir figure page 80).

3.1.4 Des mécanismes de supra-contrôle multiplient les possibilités d’adaptation de l’expression transcriptionnelle.

Nous prendrons l'exemple de la régulation de certains homéogènes où plusieurs niveaux de contrôle sont clairement démontrés. En effet :

- Il existe une limitation régulée de l’accessibilité à l’ADN, et donc de la liaison du facteur de transrégulation homéotique à l‘ADN. Pour cela :
- Interaction des protéines à homéodomaines avec des protéines de rétention cytoplasmiques, limitant
l’accès au noyau.
- Rôle restrictif de la chromatine (voir cours d’embryologie causale dernier chapitre)
- Certaines Pocket Proteines ont un rôle essentiel dans ce contrôle : elles représentent de bonnes candidates dans la relation entre expression homéotique progressive et le nombre des cycles cellulaires.

- La liaison additionnelle d’autres facteurs de transcription est généralement nécessaire pour "capaciter" l’activation du facteur homéotique lié au DNA (= mécanismes coopératifs).

- Souvent plusieurs protéines homéotiques doivent se fixer sur des sites immédiatement adjacents, voire chevauchants sur l’ADN, pour initier l’activation transcriptionnelle (chevauchement et interaction sur les mêmes bases consécutives de l’ADN) (Tischler, 1998, voir schéma ci dessus)
- Enfin l’activation des gènes Hox eux-mêmes nécessite souvent une cascade d’activation.
Les boucles d’activation de Hox B1 fournissent un exemple : i) deux sites sont indispensables pour initier la transcription, formant un élément de réponse via la liaison de récepteurs de l’acide rétinoïque organisés en dimères (RAR : RXR ; voir page 78), . Ces sites nécessitent des protéines associées (RAP), dont l'une est elle-même induite par l’acide rétinoïque ii) un site régulateur encore plus distal peut aussi participer; il est également sensible à l’acide rétinoïque. iii) enfin la transcription de Hox B1 est potentialisée par autoactivation sur un site juxta proximal.

Toutes ces données, de plus en plus complètes, montrent que les réseaux d’interaction des gènes HOX au cours des programmes de différenciation sont excessivement complexes mais possèdent simultanément un très grand niveau de régulation, largement conservé dans toutes les espèces animales.
Le tableau ci-dessous fournit un exemple d’un organigramme possible chez la souris dans les zones métamériques.
(bien entendu, en aucun cas ce schéma ne doit être appris pour le concours : il n'est là que pour montrer le progrès actuel dans la connaissance des boucles de contrôle et de régulation morphogénétique).

Références :
Azpiazu et al : Genes & development, 12, 1998.
Brehm et al : Nature, 391, 1998
Magnaghi-Jaulin et al : Nature, 391, 1998
Langston et al : J. Biol. Chem, 272(4), 1997
Pinsonneault et al : EMBO J, 16, 1997.
Gilbert : Developmental Biology, Sinnauer Ass. Ed., 1997

3.2 MAIS D'AUTRES PROTÉINES SONT DES AGENTS DE LA COMMUNICATION CELLULAIRE

3.2.1 Des protéines sécrétées sont impliquées dans les processus d'induction embryonnaire.

C'est le cas de la protéine Nodal : elle est apparentée au TGFb. Elle est sécrétée par les cellules du noeud de Hensen. Elle exerce un effet inducteur, principalement sur la mise en place du mésoderme par une action paracrine.
Mais bien d'autres exemples, autre que la protéine Nodal, pourraient être cités.

3.2.2. Des récepteurs membranaires activés par leur ligand déclenchent les voies intracellulaire de transduction du signal.

Ces voies font partie à part entière, de la "cascade oncogénique" qui permet l'intégration et l'inter-régulation des facteurs de contrôles, intra comme extra-cellulaires, de l'expression génique. La voie de tyrosinekinase est sûrement une des plus importantes dans ces processus. Mais les voies de signalisation cellulaires sont multiples et dépassent largement le cadre du développement embryonnaire.

Cette approche est donc beaucoup plus générale. Elle sera largement reprise en biologie cellulaire, en biochimie. Nous en reparlerons nous-mêmes très souvent dans les différents chapitres des cours d'histologie fonctionnelle.

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RETOUR

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- Chapitre 3 -

UN EXEMPLE INTÉGRÉ
DE DÉVELOPPEMENT MORPHOGÉNÉTIQUE :
LES MEMBRES DES TÉTRAPODES

Avoir recours à ces modèles animaux ne pose aucun problème pour mieux connaître l'embryologie humaine. Nous l'avons vu, les gènes du développement sont hautement conservés.
Les mécanismes sont presque toujours applicables à toutes les espèces de vertébrés, avec des variantes d'interprétation minimes.

2 LES APPORTS DE L'EMBRYOLOGIE FORMELLE : (voir aussi tome 2 d'embryologie formelle)

On ne doit jamais négliger l'embryologie formelle qui restera une base nécessaire de connaissances. Reprenons les points essentiels :

Les membres s'accroissent par bourgeonnement apparent, mais avec cependant des particularités macroscopiques ou microscopiques :

2-1 L'accroissement des membres est centripète et s'effectue dans le sens disto-proximal. Autrement dit l'humérus est mis en place avant le complexe radius/cubitus et le carpe; les doigts étant constitués en dernier La microscopie conventionnelle a bien montré que la zone privilégiée des mitoses se situe dans une zone de mésoderme peu/ou pas différencié de l'extrémité distale du moignon de membre en croissance : c'est la zone de progression. (Toutes les données exposées sur le cycle et son contrôle pourraient être reprises ici à propos du membre)

2-2 L'extrémité du moignon de membre en croissance présente un bourrelet ectodermique particulier, la crête ectodermique, qui recouvre directement la zone mitotique de progression.

2-3 La formation des doigts ne résulte pas d'un bourgeonnement de l'extrémité de la palette, mais d'un remodelage par creusement de sillons interdigitaux au sein de la palette. Morphologiquement ce processus de résorption tissulaire est caractéristique de la mort des cellules par apoptose.

2-4 Les ébauches primordiales des tissus constitutifs des membres ont des origines très différentes, et l'embryologie formelle avait déjà permis de suivre ces origines :

- les muscles résultent d'une migration et segmentation des myotomes. Les groupes de muscles pénètrent dans le moignon en croissance.

- à l'inverse les tissus conjonctifs du muscle proviennent de cellules mésenchymateuses de la lame latérale et de la somatopleure en regard de l'ébauche de chaque membre. C'est ce tissu mésenchymateux qui fournit directement la zone de progression, zone élective de la prolifération cellulaire dans le membre en croissance.
Plu tardivement, certaines cellules mésenchymateuses du membre en croissance vont s'organiser in situ, se condenser et se différencier pour produire les ébauches cartilagineuses et les os. Certaines cellules dérivent aussi des dermatomes.

- enfin les nerfs se mettent en place progressivement par progression centrifuge à partir des racines médullaires au cours de la maturation du système nerveux mais aussi par migrations à partir de la crête neurale.

Mais l'embryologie formelle, purement descriptive, ne pouvait fournir d'explication correcte à l'embryologie des membres, même si elle laissait pressentir un déterminisme régulé et très complexe.
Seule l'approche expérimentale et moléculaire permet désormais de mieux comprendre. Bien des découvertes restent cependant à faire.

3 LES APPORTS DE L'EMBRYOLOGIE EXPERIMENTALE ET MOLECULAIRE :
MÉTHODES D'ÉTUDE

Dès le début du XXème siècle l'embryologie expérimentale a permis de cerner les cascades inductrices du développement en ayant recours à des techniques fines de manipulation.
- Ablation segmentaire de zones présomptives, techniques de greffes en position normale ou ectopique, greffes croisées entre espèces pour constituer des chimères (la réalisation de chimères caille/poulet a été particulièrement utile : voir cours d'embryologie formelle page 41), etc...
- Utilisation d'implants,
soit pour établir une barrière entre 2 tissus présumés interagir,
soit pour apporter directement in situ des drogues à vocation morphogénétique (acide rétinoïque par exemple).

Au cours des dernières décennies (nous dirons depuis 1975), l'apport des méthodes de biologie moléculaire a été décisive en permettant d'évaluer l'expression différentielle des gènes du développement, à la fois au niveau transcriptionnel (ARNm), et au niveau traductionnel (expression de la protéine spécifique, produit du gène).

Les techniques désormais classiques d'évaluation des ARNm par Northern-blotting, RT-PCR, RNase protection ou d'évaluation des protéines par Western-blotting sont essentielles, en biologie du développement ainsi que toutes les techniques plus classiques de biochimie ou de cytologie (voir vos cours de biochimie et de biologie cellulaire).

Mais certaines techniques sont encore plus indispensables en biologie du développement.
a) Les techniques microscopiques d'hybridation in situ ou de cytoimmunologie. Elles permettent de caractériser l'expression d'un gène à l'échelon cellulaire ou tissulaire avec une grande précision :
- soit en caractérisant l'ARNm en utilisant une sonde nucléique synthétique faite d'une courte séquence ad hoc (une trentaine de bases) du brin complémentaire de l'ARNm, marqué radioactivement ou par des techniques colorimétriques. Ce segment complémentaire s'hybridera in situ spécifiquement lorsque des conditions optimales sont respectées (illustration page 60 et 66).

- soit en caractérisant la protéine du gène par couplage avec des anticorps spécifiques et marqués pour les rendre visibles (par un isotope radioactif, par la fluorescéine, par diverses réactions colorimétriques), et spécifiquement dirigés contre cette protéine (illustration page 6).
Il est bien évident que ces techniques sont essentielles pour saisir dans le temps et dans l'espace les niveaux d'expression génique. Comment comprendre sans savoir si tel gène s'exprime à un moment donné dans la Crète ectoblastique, la zone de progression, un somite, etc ?

b) Les techniques de "dot-blotting" permettant à un stade embryonnaire donné de caractériser simultanément le niveau d'expression de plusieurs gènes. Des variantes plus modernes sont actuellement en plein essor. C'est en particulier les techniques de l'Atlas ( il existe plusieurs techniques similaires). Avec ces nouvelles techniques il devient possible d'analyser simultanément le niveau différentiel d'expression de 600 gènes différents ! La rapidité de travail sera donc considérablement accrue, même si à ce jour ces techniques sont encore délicates à fiabiliser et sont surtout très onéreuses.

c) Les techniques de manipulation génétique : Knock-out d'un gène, cellules ou organismes transgéniques, transfection d'ADN (stable ou instable) , utilisation d' ARNm anti-sens, etc... touts ces techniques visent, en modifiant l'expression d'un gène à mieux en cerner la fonctionnalité..

EN FAIT, aucune technique ne doit être rejetée : Les approches purement descriptives, les approches expérimentales sur l'embryon et celles dérivées de la biologie moléculaires, sont parfaitement complémentaires.
Une certitude : la biologie du développement est un long chemin initiatique qui représente une grande récompense par le niveau d'intégration qu'elle apporte. Mais la biologie du développement est simultanément frustrante car on ne voit guère de fin tant au niveau des connaissances individuelles à atteindre que dans la globalité évolutive du domaine.
En plus, la biologie du développement impose une bonne compréhension et une bonne connaissance des autres disciplines biologiques : biochimie, génétique, biologie cellulaire et moléculaire, sciences morphologiques.
Mais paradoxalement elle se suffit à elle même. De ce fait il est toujours possible, soit de l'aborder en premier, et de parfaire ultérieurement ses connaissances dans les autres disciplines, soit de l'envisager comme illustration concrète des connaissances acquises dans d'autres disciplines biologiques. Les deux types de démarche ne sont pas exclusives mais bien complémentaires. C'est ce qui se produira dans votre cursus d'études fondamentales.

4 DETERMINISME PRECOCE

Comme nous l'avions montré pour l'épiblaste avant la migration cellulaire à partir de la ligne primitive et du noeud de Hensen, il existe aussi un déterminisme précoce pour les membres. Des territoires présomptifs (champs morphogénétiques des membres) existent avant même l'apparition d'un bourgeonnement au niveau de certains étages métamériques.

4-1 Transplantation chimérique de somites : voir figure N° 7, Embryologie formelle, tome 2, page 41
- Un somite prélevé dans le territoire présomptif d'un membre chez la caille et transplanté chez le poulet, induit chez ce dernier la croissance d'un membre où toutes les cellules musculaires du membre sont de type caille
- C'est une spécificité à déterminisme régional : seul un somite prélevé à l'étage métamérique présomptif du membre (supérieur ou inférieur) possède cette propriété.
- Si l'induction somitique (le myotome) est une condition nécessaire pour le développement musculaire, elle est insuffisante pour obtenir le développement complet du membre.


4-2 Le mésoderme environnant de l'étage métamérique est aussi concerné. Cette zone de mésoderme est plus diffuse mais correspond bien à un champ présomptif de morphogénèse du membre. Elle inclut des composantes de la lame latérale primitive (cellules mésenchymateuses diffuses), et de la somatopleure en regard du future bourgeon du membre.

4-3 En outre, la lame intermédiaire est également inductrice de la croissance des membres (en fait la lame néphrogène à l'étage mésonéphrotique), puisque,

- l'interposition d'une feuille étanche entre mésonephros et les ébauches présomptives des membres,

- ou bien l'éxérèse du mésonéphros (corps de Wolff),
empêchent la croissance homolatérale des membres

4-4 Quels sont alors les facteurs de signalisation responsables de cette induction précoce ?

Ils sont multiples et il est hors de question de pouvoir tous les évoquer (voir les figures des 3 pages suivantes). Nous citerons à titre d'exemple des inducteurs de prolifération et/ou de différenciation bien connus, et décrits par ailleurs dans ce document :

I4-4-1 Très précocement certains gènes HOX (D9 et D10) s'expriment presque simultanément dans les groupes de somites impliqués dans la croissance des membres. L'expression a été démontrée par les techniques d'hybridation in situ.

4-4-2 Les IGF(s), et plus probablement l'IGF1, sont nécessaires à l'induction des membres :
- on sait que le mésonéphros exprime fortement les IGF
- l'imprégnation par l'implantation de billes d'IGF-1 in situ peut compenser l'exérèse du mésonéphros et restaurer la croissance des membres

4-4-3 Certains variants moléculaires du FGF (fibroblast growth factor) sont aussi impliqués : l'expression du FGF10 est très précoce dans le mésoderme du territoire présomptif, avant même l'apparition du membre. D'autres types de FGF seront exprimés plus tardivement (voir plus loin).

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LE FGF : UN FACTEUR DE CROISSANCE D’INITIATION PRECOCE DE L’EBAUCHE DES MEMBRES

- Gène du FGF: on note son expression dans le mésoblaste précoce (flèches) sous le tégument, avant même l’apparition des membres
- Si des cellules fibroblastiques sont transfectées pour exprimer le FGF(10) et greffées sous le tégument d’un embryon précoce on obtient une ébauche surnuméraire d’un membre dans la zone d'implantation.

Ohuchi et al : Development, 124, 1997

CONCLUSION : Le FGF est un facteur de croissance à fonction paracrine, inducteur précoce des membres

5 LES INTERACTION ECTO-MESODERMIQUES
(CRETE ECTOBLASTIQUE / ZONE DE PROGRESSION)

Les techniques de chimère ou de greffe croisées ont permis de mieux comprendre les interactions fondamentales entre tissu épithélial (ici, la crête ectoblastique) et le tissu conjonctif (ici, la zone de progression).

NOTA : Ces interactions s'effectuent au travers d'un item de jonction, la lame basale.
Nous invitons le lecteur à reprendre ultérieurement ces notions avec la description des interactions matricielles et des lames basales, étudiées dans le document de base d'histologie moléculaire "tissus conjonctifs".

Certaines expérimentations déjà anciennes sont des exemples remarquables d'embryologie expérimentale. Nous en avons retranscrit quelques unes sur les figures suivantes. Ces expériences (et quelques autres !) permettent de tirer les conclusions suivantes :
5-1 La crête ectoblastique est indispensable au développement du membre. Des études plus fines montrent qu'il s'agit d'un clone cellulaire très individualisé qui ne se mixe pas avec les cellules ectoblastiques environnantes (spécificité et polarisation strictes).
5-2 La crête ectoblastique représente un inducteur ubiquitaire de développement des membres :
- Elle n'apporte pas d'information topographique cranio-caudale¹⁶ (transférer la crête du membre inférieur sur le membre supérieur, ou inversement, ne change pas l'évolution spécifique du membre qui demeure d'un type conforme à sa position originelle).
- La crête est indépendante de l'âge du membre. Elle préserve ses potentialités inductrices
- Mais sa capacité d'induction est très forte et très précoce, par une détermination dès les premiers stades somitiques. Son rôle essentiel est de provoquer la prolifération cellulaire du mésoderme sous-jacent, surtout dans la zone de progression.
- Cette capacité inductrice explique l'apparition de structures surnuméraires lorsqu'une deuxième crête est greffée sur une ébauche de membre. Les polydactylies peuvent être provoquées (voir teratogénèse) par une mutagénèse hypertrophiante de la crête ectoblastique.
- Les facteurs émis par la crête ectoblastique pour induire la prolifération mésodermique sont encore mal connus, mais à coup sûr multiples.
Une certitude : une induction nerveuse précoce est nécessaire, avec la participation de facteurs de croissance d'origine gliale (voir cours sur les tissus nerveux).
Il est donc probable qu'il faille rechercher le déterminisme de la crête ectoblastique dans des étapes précoces de neurulation (chez l'homme un peu avant la 4eme semaine).
- Par contre un des facteurs directement produit par la crête ectoblastique, et sécrété par elle vers le mésoderme, est bien connu : c'est le FGF -2. A lui seul le FGF-2 peut provoquer la prolifération des cellules de la zone de progression et maintenir la croissance du membre (notons que la production locale d'un autre variant du FGF, le FGF-10, avait précédé la mise en place de l'ébauche du membre).
- Enfin des mécanismes plus complexes d'interaction matricielle sont toujours en cours d'investigation : une programmation de l'expression des intégrines, la variation des niveaux de peptidoglycanes, les variations des taux de fibronectine, etc (voir le cours d'histologie moléculaire sur les tissus conjonctifs) ... sont autant de facteurs venant moduler l'interaction entre crête ectoblastique et mésoderme sous-jacent via des facteurs de croissance. Des modèles mathématiques sont proposés pour expliquer la chronologie séquentielle et transitionnelle des programmes morphogénétiques du membre en croissance sous l'influence multiparamétrique des interactions ectoblaste/mésoblaste.

5-3 Inversement le mésoblaste possède des spécificités loco-régionales :

- Seul le mésoblaste de la zone de progression du membre est susceptible d'interagir avec la crête

- Le mésoblaste du membre (du moins celui de la zone de progression) conserve la mémoire de son origine (membre inférieur ou supérieur) et induit les structures correspondantes (de type membre supérieur ou inférieur)


6 UN AXE PROXIMO-DISTAL QUI TIENT COMPTE DE L'AGE EVOLUTIF DU MÉSOBLASTE

Les cellules qui quittent les premières la zone de progression sont à l'origine des régions proximales du membre (épaule, hanche).
Inversement les derniers cycles mitotiques de la zone de progression fournissent les parties distales du membre (doigts ou orteils).

Ceci explique les résultats de la figure suivante : du mésoderme prélevé sur un bourgeon tardif de membre ne permet que de développer des structures distales.

7 UN DETERMINISME DU MÉSOBLASTE QUI TIENT COMPTE DE SA POSITION ORIGINELLE SUR L'AXE CRANIO-CAUDAL ET DE SON ORIENTATION SPATIALE LOCALE

Le schéma de la page précédente permet de conclure que les cellules mésoblastique possèdent un encodage de position particulièrement efficace :

- Les champs morphogénétiques mésoblastiques sont déterminés selon l'axe cranio-caudal (partie 1 de la figure ci-dessus) : un champ du membre inférieur ne peut donner que les structures lui correspondant (donc une anatomie de type membre inférieur). Idem pour le membre supérieur qui ne peut fournir qu'une anatomie de membre supérieur.
Les facteurs précoces de cette détermination cranio caudale sont encore mal élucidés. Un contrôle par les gênes homéotiques est impliqué mais les raisons précises de la ségrégation précoce du "pattern" de type membre inférieur ou supérieur reste encore mystérieux.

- Plus remarquable est la découverte de l'existence d'un déterminisme de position du mésoblaste in situ, déterminisme qui préserve la mémoire du positionnement antéro-postérieur originelle (partie 2 de la figure ci-dessus).

Les faits expérimentaux montrent que le déterminisme de position est d'autant plus efficace que le greffon correspond à du mésoblaste proche de la crête ectoblastique et de la zone de progression. On a ainsi pu découvrir une zone particulière du mésoderme primitivement située à la limite postérieure de jonction entre l'ebauche du membre et le tronc, puis qui reste légèrement postérieure à la zone de progression durant la croissance du membre. Cette zone, sans limite nette, correspond à la ZAP (zone d'activité polarisante).

- Diverses expériences de transplantation on bien montré les propriétés fonctionnelles de la ZAP. La figure ci dessous résume les points essentiels. Tout se passe comme si :

- la ZAP établit par sa position un gradient antéro-postérieur (ou cranio caudal, ce qui revient au même)

- la ZAP sécrète un principe diffusible d'autant moins actif que l'on s'éloigne de la ZAP puisque ce composé serait alors en concentration décroissante (à moins que ce ne soit les cellules distantes qui deviennent moins sensibles !)

- les différentes parties du membre avaient une sensibilité différentielle au facteur sécrété par la ZAP. Cette sensibilité est bien décrite pour les doigts ou orteils . La maturation des doigts caudaux (auriculaire par exemple ; équivalent chez le poulet : doigt 4) nécessite une forte concentration du produit de la ZAP pour se différencier. Inversement de faibles concentrations sont nécessaires pour la maturation du pouce (équivalent chez le poulet : doigt 2 ). Ceci explique que dans des modèles de transposition double de la zap on puisse faire apparaître des images de doigts en miroir avec des types de différenciation au pro-rata de l'éloignement des 2 zones ZAP (des concentrations trop élevées du facteur émis par la ZAP pouvant même aboutir à la disparition du doigt 2 chez le poulet dans la zone entre les 2 ZAP)

- Le facteur sécrété par la ZAP serait l'acide rétinoïque (AR). Les expériences d'implantation de billes imprégnées d'acide rétinoïque en remplacement de la ZAP sont en faveur de cette hypothèse. En outre l'expression d'une protéine-binding est en faveur d'une modulation encore plus fine de l'activité de l'acide rétinoïque, puisque l'activité de l'AR est alors doublement modulée (voir plus loin la figure illustrant le concept de biodisponibilité) :

- par son propre niveau de synthèse/dégradation

- par le niveau d'expression de la protéine-binding.



C'est donc le niveau de biodisponibilité de l'AR, autrement dit la concentration locale en forme libre (en équilibre avec la forme liée à la protéine binding), qui conditionne l'action morphogénétique de l'AR. et le gradient fonctionnel morphogénétique¹⁷ .
Cette conception du mode d'action de la ZAP correspond au modèle morphogène de diffusion

- Mais de nombreuses considérations font que le rôle de l'AR doit être désormais minimisé. En particulier, les concentrations physiologiques mesurées d'AR sont insuffisantes pour activer les gènes du développement possédant une site de reconnaissance pour l'AR (ils sont très nombreux).
Une autre théorie peut alors expliquer le rôle de la ZAP . Elle fait appel au modèle de coordonnées polaires . Dans ce modèle la ZAP serait un inducteur initial permettant l'intégration :
- de la variable temps et plus exactement d'un décompte du nombre de cycles cellulaires et de mitoses successives dans le mésoderme de la zone de progression
- de la position en 3 dimensions des cellules. Tout se passerait comme si les cellules possédaient la capacité de mémorisation de leur position dans l'espace. Cet étiquetage différentiel des cellules en fonction de leur position dépendrait des molécules de liaison présentes sur la membrane (récepteurs, intégrines, molécules de jonction, etc... voir les cours d'histologie moléculaire). Dans ce modèle, les cellules adjacentes sont capables de se reconnaître et simultanément d'interpréter comme étrangères des cellules plus éloignées. En outre en fonction du temps les cellules vont modifier le programme de différenciation de leurs partenaires en changeant l'expression des molécules de surface et de liaison à la membrane.

NOTA : Cette notion d'interaction de surface et/ou avec les molécules matricielles environnantes est très importante pour comprendre les programmes de différenciation. Elle sera reprise dans le dernier chapitre du cours sur le tissu conjonctif.

Le modèle de coordonnées polaires obéirait à 2 règles fondamentales bien mises en évidence dans les modèles de réparation régénération des membres (par exemple, chez la salamandre qui peut parfaitement reconstituer un membre à partir d'un moignon ou même après l'amputation totale) :
- la règle de la plus courte intercalation : La prolifération cellulaire est déclenchée in situ dès que 2 cellules normalement non adjacentes sont juxtaposées. Ainsi les cellules vont être éloignées par des cellules nouvellement crées.
- la règle du cercle complet : une fois les cellules positionnées dans le plan local (ce plan dessinant donc une section grossièrement circulaire puisqu'il s'agit d'un membre) la prolifération/différenciation se développera ensuite dans l'axe perpendiculaire en formant d'abord les structures les plus distales.

- Dans le modèle de coordonnées polaires la ZAP jouerait plutôt le rôle d'initiation des processus en cascade. Un gène est fondamental pour ce fonctionnement de la ZAP : le gène sonic hedgehog (Shh).
Ce gène est exprimé dans les cellules de la ZAP où il est traduit en une protéine soluble sécrétoire qui diffuse dans l'environnement. C'est la sécrétion de FGF2 par la crête ectoblastique qui induit l'expression de Shh dans la ZAP.
En fait, il y a une coordination stricte entre la sécrétion de la protéine de Shh et celle de facteurs de croissance tel le FGF-2. La suppression de la crête interdit la maturation de la ZAP et l'expression de Shh. Inversement la suppression d'expression de Shh dans la ZAP aboutit à une inactivation de la crête ectoblastique et à l'absence de sécrétion de FGF-2. Il est clair que l'interaction entre crête et ZAP, donc entre FGF et Shh, permet d'harmoniser la croissance proximo-distale de membre avec la croissance cranio-caudale (antéro-postérieure).
L'ensemble des propriétés de la protéine exprimée par Shh est encore mal connu. La protéine Shh est reconnue par un récepteur membranaire. Le mécanisme implique plusieurs entités membranaires et tout se passe comme si Shh dévérouillait les voies d' activation des programmes de différenciation .
Le remplacement des cellules de la ZAP par des fibroblastes transfectés, exprimant en continu Shh, aboutit à une croissance normale du membre chez le poulet. En outres des expériences de transplantation surnuméraire des cellules transfectées reproduit les résultats obtenus avec des billes imprégnées d'acide rétinoïque. Signalons, comme pour l'AR, que la protéine Shh établirait des gradients de concentration dans le membre, agissant alors selon le modèle morphogène par diffusion.

Pour beaucoup d'auteurs, Shh représente donc le facteur actif et suffisant pour assurer toutes les fonctionnalités de la ZAP.

- Mais ce rôle primordial de Shh ne doit pas pour autant faire disparaître celui de l'AR :

- d'abord parce que pharmacologiquement l'AR est parfaitement capable de remplir la fonction de la ZAP

- mais aussi parce que dans des conditions pathologiques l'AR peut générer des malformations des membres, montrant son haut pouvoir morphogénétique intrinsèque.

- enfin parce que l'AR est indispensable pour activer des gènes du développement (voir chapitres précédents sur les facteurs de transrégulation)
- en particulier le gène Shh à des stades précoces.
- mais aussi l'ensemble des gènes HOX avec un gradient de sensibilité décroissant avec la date d'expression (voir chapitre 1-3). Or les gènes HOX sont indispensables pour le contrôle des "pattern" de différenciation du membre (voir paragraphe III-8)


En fait, nous sommes sur des modélisations non exclusives et parfaitement compatibles. Leur prévalence momentanée dépend sûrement de la variable temps et de conditions loco-régionales. Il est logique de supposer (en tout cas satisfaisant pour l'esprit) que le rôle d'un gradient d'AR soit précoce (ne serait ce que parce que l'AR permet de surexprimer hedgehog), puis que les mécanismes de coordonnées polaires et d'interactions cellulaires complexes apparaissent ensuite et viennent mettre en place plus finement les différents "patrons de différenciation" du membre (voir plus loin) sous l'induction principale de Shh.

8 LE DETERMINISME DORSO-VENTRAL
Nous avons surtout parlé du gradient proximo-distal et du gradient antéro-postérieur (cranio caudal). Reste le 3eme axe de l'espace, dorso-ventral.
En fait, force est de constater que nous n'avons pas beaucoup de données pour comprendre le déterminisme du dos de la main ou du pied par rapport à la paume ou la plante. La crête ectoblastique semble jouer un rôle important puisque la rotation à 180° de la coiffe ectoblastique produit une inversion des groupes musculaires de l'aile du poulet. Des gènes homéotiques comme engrailed seraient concernés pour spécifier le coté ventral.

9 CONTRÔLE HOMÉOTIQUE DE LA DIFFÉRENCIATON DES DOIGTS ET DE L'APOPTOSE INTERDIGITALE

Nous avons vu en embryologie formelle que les doigts se formaient dans la palette par creusement de sillons interdigitaux, les mécanismes étant apoptotiques.
Nous ne reviendrons pas sur les notions déjà abordées dans ce cours à propos du contrôle du cycle cellulaire et de l'apoptose. Le lecteur est invité à s'y reporter, les mécanismes décrits étant ubiquitaires, et donc applicables aussi au membre.
Nous ajouterons simplement quelques points :

- Les doigts se forment par apoptose mais d'autres structure du membre sont remodelées par apoptose. Par exemple cubitus et radius forment d'abord une ébauche cartilagineuse pleine qui s'individualise en radius et cubitus par creusement apoptotique longitudinal.

- Au delà du contrôle apoptotique classique (groupe bax/bcl2, etc), l'apoptose interdigitale est contrôlée par des gènes plus spécifiques de type homéotiques (il n'y a pas que les gènes hox qui sont homéotiques !), et en particulier :

- msx-1 qui ne s"exprime que dans le sillon interdigital

- le gène de la protéine binding de l'acide rétinoïque qui est aussi surexprimé dans les zones apoptotiques interdigitales
(par ce mécanisme il faut imaginer un cumul d'AR biodisponible, facilitant l'apoptose des sillons).

- enfin plus récemment (Yokouchi et al : Development, 122, 1996 ; Laufer et al : Science, 278, 1997) on a pu constater que les gènes BMP (4, 6 et 7) sont surexprimés dans la palette au niveau des sillons interdigitaux. Ils représenteraient un mode de modulation fin de l'apoptose. Les gènes BMP codent pour des récepteurs de membrane impliqués dans l'apoptose.
Inversement l'inactivation de BMP provoque une fusion persistante des doigts. Par ailleurs, le canard, dont les pattes sont palmées, et pour lequel l'apoptose interdigitale est incomplète, sousexprime toujours BMP.
Les gènes BMP sont des candidats chez l'homme pour expliquer certaines formes de syndactylie (voir teratogénèse).


10 L'IMPLICATION DE GENES HOMÉOTIQUES DANS LE DEVELOPPEMENT DUN MEMBRE : CONTROLE DU GRADIENT CRANIO-CAUDAL ET PROXIMO DISTAL

Nous ne reviendrons pas sur les points évoqués dans d'autres chapitres concernant les propriétés fondamentales des homéogènes (type Hox principalement).

Rappelons que les homéogènes servent à établir un système de coordonnées tridimensionnelles permettant l'expression harmonieuse des différentes structures de l'embryon.

- Avant même l'expression des gènes HOX paralogues dans le membre, d'autres homéogènes s'expriment et sont nécessaires.
Citons le gène Msx-1. Il est induit dans les cellules de la zone de progression sous l'influence de la crête ectoblastique (les facteurs sont mal précisés)). Msx-1 est indispensable pour maintenir en mitose les cellules de la zone de progression.
Notons qu'il s'agit bien d'une induction de la prolifération. Elle est à distinguer de l'induction de Shh (également dans la zone de progression et par la crête) dont les conséquences portent davantage sur la différenciation des cellules et l'apparition de patterns d'expression.

- L'expression des homéogènes de type hox produit dans le membre des patterns d'expression reproductibles dans leur chronologie et parfaitement orientés dans les 3 dimensions de l'espace. Il y a donc respect de la loi de colinéarité temporelle et de colinéarité spatiale entre l'orientation transcriptionnelle 3'-5' et le développement embryonnaire. Néanmoins nous verrons qu'il n'est pas aisé d'expliquer par la simple mécanique transcriptionnelle les délais de maturation du membre qui peuvent atteindre plusieurs semaines (voir chapitre de conclusion)


- Comme on le voit sur la figure de la page 113, la colinéarité spatiale s'effectue selon l'axe cranio-caudal (antero-posterieur) pour les gènes HOX D et selon l'axe proximo distal pour les gènes HOX A.
C'est au niveau des doigts, et pour les gènes HOX D, que l'existence de pattern d'expression spécifiques est la mieux démontrée. La maturation du doigt antérieur ne nécessite que D9 + D10 (pouce, gros orteil). Au contraire l'expression du doigt distal nécessite l'expression de tous les gènes de D9 à D13. Et bien entendu, les doigts intermédiaires ont des patrons d'expression relié à l'expression d'un nombre croissant de gènes HOX D , allant de D9 jusqu'à D13 (Voir la figure jointe).
Pour bien montrer la nature programmée de ces patrons, calquée sur celle des gènes HOX, l'expérience de Morgan (1992) est didactique et simple. L'équipe à effectué une transfection stable sur des embryon de poulet de façon à faire exprimer en continu le gène HOX D11. Le résultat sur la patte de poulet (seulement 4 doigts) a été conforme à l'hypothèse formulée : le premier orteil antérieur disparaît pour faire place à 2 orteils N°2, conformément aux patterns d'expression naturelle des gènes HOX D dans le membre inférieur (le doigt 1 nécessite l'expression isolée de D9+D10 ; ce n'est plus le cas après transfection où le premier pattern de doigt est d'emblée D9 + D10 + D11, donc celui du doigt 2).

- Il faut donc bien admettre un codage 3D par les gènes HOX. La connaissance actuelle (encore très incomplète) montre que la plupart des patterns sont en fait plus complexes à interpréter que ceux des doigts.
Nous savons en outre qu'il existe une coopérativité entre les différents gènes HOX paralogues (au moins D et A dans le membre). L'emboîtement topographique des différentes classes de gènes HOX multiplie ainsi les capacités statistiques de générer des patterns originaux, en plus susceptibles d'évolution dans le temps, eu égard à la règle de colinéarité temporelle.

11 CONCLUSIONS

En bref, nous avons tenté de résumer le développement des membres sur la figure ci-dessous.

Cette figure n'a pas la prétention de la perfection, au contraire. Mais elle devrait pouvoir vous aider à effectuer votre propre démarche de synthèse, en analysant et critiquant la valeur didactique de ce schéma.

Un certitude la croissance des membres montre bien que le développement morphogénétique résulte de l'interaction permanente de "meneurs" et de "suiveurs" dans un programme génétique qui harmonise des patterns d'expression ; nous parlerions en français de patrons de différenciation.

Ces différents patterns impliquent :

- une étape d'induction précoce mettant en jeu l'interaction crête ectoblastique/mésoderme sous-jacent, et encore plus précocement des signaux issus du mésoderme et des métamères primordiaux, ainsi que des crêtes neurales (pour l'induction de la crête ectoblastique)

- une ségrégation mésenchymateuse précoce, avec des origines différentes pour les muscles et pour les autres tissus (os, cartilage, tissu conjonctif lâche)

- un contrôle permanent de l'évolution en 3D des différents patterns.

Via la ZAP et la zone de progression, les gènes HOX jouent ensuite un rôle de "suiveur" essentiel dans l'exécution des programmes de différenciation et d'expression des patterns successifs.

Ces différents patterns tiennent compte :

- d'un déterminisme régional. Globalement les membres préservent la mémoire de leur origine métamérique : une main reste une main ; et un pied reste un pied .

- d'un déterminisme local de position temporo-dépendant : plus le mésoblaste a une origine tardive, moins il génère des structures proximales mais au contraire des structures distales. Inversement un mésoblaste précoce demeure totipotent, générant l'ensemble des segments d'un membre.
Dans tous les cas le mésoderme (la crête aussi) conserve la mémoire de l'orientation originelle du membre par référence à l'axe antéro-postérieur.

L'intérêt de la biologie moderne du développement est d'apporter des paramètres explicatifs à l'échelle moléculaire aux premières constatation de l'embryologie expérimentale. Les mécanismes fondamentaux sont finalement simples et peu nombreux, retrouvés avec des adaptations mineures dans tout le règne animal, et à plus forte raison quel que soit l'organe en formation considéré pour une même espèce.

Enfin , la logique de développement du membre est une bonne entrée en matière à la compréhension du développement des autres organes.

CONCLUSIONS

Le développement des mammifères est un processus continu et progressif mettant en jeu une succession ordonnée de gènes hiérarchisés dont les produits sont des facteurs spécifiques de transcription ou des agents de signalisation inter et intracellulaires qui contrôlent indirectement l'expression. Ce codage temporo-spatial constitue probablement un processus très ancien remarquablement conservé au niveau moléculaire dans l'évolution des espèces.

C'est probablement par une diversification progressive à partir d'un nombre relativement restreint de gènes ancestraux que sont apparus les nombreux gènes du développement. Ainsi, au cours de l'évolution, la duplication et la diversification de gènes ancestraux conduit à la formation de familles multigéniques (Hom/Hox, MyoD, Ox, Pax...) dont les membres présentent souvent des analogies fonctionnelles.

Mais la diversification de gènes appartenant à une même famille permet le plus souvent de multiplier et d'affiner les contrôles en attribuant à chaque gène une fonction propre. C'est donc par la coordination de gènes différents (appartenant ou pas à une même famille) et par leur expression différentielle dans le temps et dans l'espace que sont progressivement déterminées les spécificités de chaque cellule embryonnaire. Le développement met donc en jeu de véritables réseaux de gènes interdépendants (revoir la figure de la page 87).

De tels "blocs" de gènes se retrouvent dans la réalisation de différentes étapes du développement d'un même organisme : une même cascade de gènes homologues peut être réutilisée pour la réalisation d'une même fonction ou pour des fonctions tout à fait différentes.
En outre, à des degrés variables d'expression, un grand nombre de ces gènes maintiennent leur activité dans les étapes ultérieures de développement, allant même jusqu'à expliquer de nombreux mécanismes observés dans le vieillissement et dans le cancer.

La connaissance moléculaire du développement a formidablement progressé depuis quelques années. Il reste néanmoins des points encore très obscurs et la Biologie Moléculaire du Développement reste un champ immense de recherches.
Un exemple typique pourrait être pris dans le déterminisme temporel du déclenchement séquentiel de ces gènes. A l'évidence, il existe "une horloge biologique du développement". Mais quel en est le support ?

Pour justement ne pas conclure, et bien montrer que la biologie du développement est une science où les études sont "en marche" (On going study des anglo saxons) nous terminons ce cours par l'approche d'une question qui est loin d'être résolue (comme bien d'autres dans le domaine!)

La question pourrait être formulée de la façon suivante :

Comment concilier la colinéarité du schéma d’organisation 3’-5’ des gènes HOX sur l’ADN,
qui explique la différenciation cranio > caudale,
précoce > tardive, sur une durée de 1 à 2 mois chez l'homme (les membres par exemple),
... alors que pourtant la transcription des gènes d’un même complexe (de A1 à A13 par exemple) ne demande que quelques secondes !

Quelle adaptation permet de gérer 2 temps a priori bien différents (la rapidité transcriptionnelle et la relative lenteur de différenciation) ?

Quid, de la transcription à l’expression réelle de la différenciation ?


Voici une ébauche de réponse, sur un domaine de recherche actuellement en plein essor.

Nous avons vu que les gènes Hox déterminent l'identité des segments de la larve de drosophile. Mais ce mécanisme morphogénétique se poursuit au cours de la métamorphose : il spécifie également le plan d'ensemble de la drosophile adulte (l'imago). A l'évidence, une telle persistance de l'expression embryonnaire ne peut s'expliquer au travers des mécanismes habituels de transcription génique.
Il a pu être démontré que le maintien de l'expression des gènes homéotiques, sur un laps de temps aussi long et avec transfert vers deux êtres vivants distincts (larve vers imago), est due à l'action de deux groupes de gènes. Les gènes Polycomb, maintiennent les gènes Hox dans un état réprimé ; les gènes Trithorax maintiennent les gènes Hox dans un état actif.
Les produits de ces deux gènes ont en commun de se lier a la chromatine, soit gelant la transcription, soit laissant libre l'accès aux promoteurs. Les gènes polycomb et trithorax intègrent donc la variable temps ; ils sont capables de moduler leur action sur le niveau de condensation de la chromatine en fonction du nombre de cycles cellulaires écoulés.
Des expériences d'accélération des cycles cellulaires, ou à l’inverse de ralentissement, montrent très clairement la relation entre la vitesse (ou le rythme) des cycles et l'expression homéotique, sachant que l'héterochromatine correspond à une situation de répression génique, l'euchromatine au contraire la dérépression (voir Biologie cellulaire et les schémas des pages 120 et 121).
Les étapes intermédiaires entre l'expression des gènes de type polycomb / trithorax et le cycle cellulaire restent cependant à découvrir.
Mais il faut bien admettre que le cycle cellulaire peut en partie représenter l'étalon unitaire d'une horloge biologique qui conditionnerait tout le développement, la sénescence étant alors l'étape ultime d'un continuum. Nous reviendrons sur cette notion avec les expérience de sénescence cellulaire et la théorie de Hayflick (cours sur le tissu conjonctif et le fibroblaste)
Les vertébrés possèdent des gènes homologues de Polycomb et Trithorax qui, agissant aussi sur la chromatine, contrôleraient l'expression des gènes Hox selon un programme temporel, les segments antérieurs étant développés avant les segments postérieurs chez tous les chordés. Certains de ces gènes sont de la famille des suppresseurs de tumeur.
Pour certains chercheurs, ce mode de régulation de la transcription, par l'état de condensation de la chromatine, serait très primitif ; il aurait même précédé la régulation actuellement dominante, celle qui s'effectue aux étapes d'initiation de la transcription.

Le schéma de la page122 n’est qu’une image didactique pour illustrer le rôle des cycles cellulaires successifs, servant de base de temps pour “dégager” chronologiquement la chromatine et permettre une expression modulée des homéogènes (et sûrement de bien d’autres gènes) dans le programme morphogénétique du développement. A l'évidence il n'y a pas de petite roue pour "arracher" progressivement la chromatine et laisser exprimer les gènes Hox au fur et à mesure que "tournent" les cycles ; mais tout se passe pourtant comme s'il en était ainsi.
La réalité moléculaire est encore bien mystérieuse ! Les pocket protéines sont de bonne candidates pour mieux comprendre les interactions entre la condensation de la chromatine et le blocage des cycles cellulaires

Si nous terminons sans une véritable conclusion c’est pour respecter l’esprit de la discipline, en pleine évolution, avec un demi-vie de la connaissance des plus courtes, et où le savoir doit toujours être remis en question.

Raison de plus pour que chacun se forge sa propre synthèse et fasse sa propre appropriation de ce secteur encore très mystérieux de la biologie.

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a - Est ce logique par rapport à l'expression des gènes Hox ? En effet dans un bourgeon tardif tous les gènes homéotiques concernés s'expriment et sont déréprimés (de 9 à 13 par exemple).
b - Alors pourquoi le greffon ne peut il pas pas refaire le schéma complet de différenciation ? Comment expliquer ?
c- Quel rôle probable pour les mécanismes de modulation prolifération/différenciation ?
d- Quels rôles essentiel pour la zone de progression, avec la notion de patron de différenciation ?

197 - Prolifération/Différenciation sont des mécanismes chronologiques régulés, allant de l’extra-cellulaire vers le noyau. Justifier ; critiquer.

198 - Sur la figure de la page 66 de ce fascicule,

- le principe de colinéarité transcriptionnelle des complexes de gènes homéotiques,
- ou le contrôle chromatinien de l’expression homéotique (type pc-G et trx-G),
suffisent-ils à expliquer l’expression moins caudale de Hox-B2 par rapport à Hox-B4, alors que les deux embryons sont sensiblement au même stade (disons début de 5e semaine, s’il s’agissait d’un embryon humain) ?
Réflexions et commentaires.

208 - En ayant intégré la totalité du cours d’embryologie causale, pourriez vous envisager au moins 3 modes différents d’induction maternelle au cours du développement embryonnaire ?

209 - Ou s’exprime préférentiellement HNF3ß ? Son rôle est il suffisant pour induire la morphogénèse somitique ?

210 - Des arguments pour mieux comprendre la neurulation secondaire à partir de l”éminence caudale?

211 - Classiquement nodal est le chef d’orchestre de la gastrulation. Il est indispensable pour la mise en place du noeud de Hensen et de la ligne primitive ; il est donc inducteur de la symétrisation. Quels arguments nouveaux pour comprendre la symétrisation ?

212 - Voici un schéma reprenant l’expression de certains gènes au cours du développement précoce du disque embryonnaire chez le poulet (ce serait la même chose chez un mammifère mais bien plus difficile à mettre en évidence)
Quels sont vos commentaires ?

213 - Existe t’il un aide au maintien de la symétrisation D/G une fois la gastrulation achevée ?

214 - En quoi les FGF(s) sont importants dans la croissance des membres ?

215 - Pouvez vous attribuer 2 rôles à Shh ?

216 - avez vous une vision schématique du déterminisme droite/gauche ?

217 - L’apoptose interdigitale est-elle directement contrôlée par les gènes HOX ?

218 - Que faut il entendre par pattern de différenciation ?

219 - Pouvez-vous en quelques mots définir le contrôle antéro-postérieur des membres ?

220 - Pouvez-vous en quelques mots définir le contrôle proximo distal des membres ?

221 - Le rôle de la ZAP

222 - facteurs de signalisation produits par la ZAP

223 - Que vous suggère le terme de pocket protéines ? Quel intérêt dans la régulation du cycle cellulaire ?

224 - Le contrôle transcriptionnel des gènes homéotiques est-il aussi simple que celui présenté en début de cours, impliquant une colinéarité temporo-spatiale stricte entre la disposition 3’-5’ et l’expression longitudinale sur l’embryon ? Pouvez vous fournir quelques arguments ?

225 - Par quel mécanisme(s) moléculaires l’acide rétinoïque module l’expression de certains homéogènes.

226 - tous les homéogènes sont-ils de type HOX chez les mammifères ?

227 - Quelles originalités dans les interactions moléculaires des Pocket-protéines ?

228 - Quelles différences entre les protéines DP et E2F

229 - Pouvez vous fournir un schéma simplifié de la régulation d’un homéogène (Hox-B par exemple) par l’acide rétinoïque ?

230 - Quels arguments en faveur du rôle primordial de Shh dans la ZAP ?

231 - Quels arguments en faveur du rôle primordial de l’AR dans la ZAP ?

232 - Déterminisme des étapes précoces de croissance du membre (soit environ la 4eme semaine chez l’homme)

Acide rétinoïque : composé dérivé par oxydation du rétinol (ou vitamine A) et régulant, par l'intermédiaire de ses récepteurs nucléaires, l'expression de certains gènes de la morphogenèse.

Activine : protéine sécrétée appartenant à la famille du TGFß. Chez les mammifères mâles adultes, elle est produite et libérée par les cellules de Sertoli du testicule et exerce un rétrocontrôle positif sur la synthèse et la libération de FSH par l'adénohypophyse. Chez les amphibiens, au stade blastula, elle est un signal inducteur du mésoderme, capable d'agir en morphogène : elle active l'expression de certains gènes à homéoboîte (goosecoïd, brachyury) dans la zone marginale de la blastula et induit la myogénèse dans le mésoderme somitique.

ADN (acide déoxyribonucléique) : long polymère formé par l'association de déoxyribonucléotides, dont la base azoté peut être l'adénine (A), la thymine (T), la guanine (G) ou la cytosine (C) Chaque nucléotide est associé à son voisin par une liaison phosphodiester entre le carbone 3' du déoxyribose et le carbone 5' du déoxyribose suivant. L'ADN est une molécule bicaténaire dont les 2 chaînes polydéoxyribonucléotidiques sont enroulées en double hélice et associées par complémentarité des bases (AT, CG) en position tête-bêche l'une par rapport à l'autre (disposition antiparallèle), si bien qu'elles ont chacune à leur extrémité un carbone 3' et un carbone 5' libre. L'ADN constitue le support de l'information génétique.

adrénaline : catécholamine secrétée par les médullosurrénales.

albumine : holoprotéine hydrosoluble synthétisée par le foie et présente en grande quantité dans le plasma (près de 60 % des protéines totales, chez l'homme).

allèle : une ou plusieurs versions alternatives d'un même gène situées au niveau d'un même locus.

anaphase : troisième étape de la mitose caractérisée par la séparation des chromatides et le déplacement des deux lots de chromatides vers les deux pôles opposés de la cellule.

anoure : amphibien à métamorphose complète (grenouille, crapaud).

antagonisme : qualifie l'effet contradictoire de deux molécules.

apoptose : c'est une des formes de la mort cellulaire programmée, dont la caractéristique est la condensation de la chromatine, alors que la plupart des organites sont encore fonctionnels.

ARN : acide ribonucléotidique constitué d'une seule chaîne de ribonucléotides, dont le sucre est un ribose et les bases sont la cytosine, la guanine, l'adénine et l'uracile. L'ARN messager (ARNm) est une copie d'ADN traduite en protéines grâce aux ARN de transfert (ARNt) porteurs d'un anticodon et fixant un acide aminé et grâce aux ribosomes contenant de l'ARN ribosomal (ARNr).

ARN antisens : ARN complémentaire d'un ARN spécifique ; en s'hybridant à l'ARN spécifique, il en masque la fonction.

ARNm maternel: ARN messager issu de la transcription de gènes maternels, s'accumulant dans l'ovocyte et intervenant au cours des premières divisions du zygote. Les ARNm maternels seront ensuite dégradés et remplacés par des ARNm issus de l'activation différée de la transcription zygotique.

ARN polymérase : enzyme se liant à un promoteur de l'ADN, ouvrant la double hélice et catalysant la transcription d'un gène en un ARN.

autocrinie : qualifie la production par une cellule de médiateurs chimiques agissant sur cette même cellule.

blastomère : une des cellules embryonnaires formé par clivage du zygote.

BMP (bone morphogenetic proteins ou protéines morphogénétiques de l'os) : protéines sécrétées appartenant à la famille du TGFß et stimulant la formation de l'os. Certaines sont impliqués dans l'induction mésodermique ou dans le développement du bourgeon du membre chez les vertébré.
bourrelets neuraux (ou bourrelets médullaires épaississements latéraux délimitant la plaque neurale. Ils se rapprochent l'un de l'autre lors de la neurulation et fusionnent pour former le tube neural.

brachyury (Xbra chez le xénope, T chez la souris) gène codant un facteur de transcription d'un type unique. Chez la souris, il est exprimé dans le noeud de Hensen et la ligne primitive ; le produit de ce gène est nécessaire à la mise en place de la chorde et de la queue ; son expression serait nécessaire à la migration des cellules précurseurs de la chorde au cours de la gastrulation. Chez le xénope, il est exprimé dans toute la région marginale de la blastula tardive, puis dans les cellules qui participent à la formation de la chorde.

cadhérine : membre d'une famille de protéines transmembranaires qui assurent une adhésion spécifique et sélective inter-cellulaire. Les cadhérines sont calcium dépendantes

calcitonine : hormone peptidique hypocalcémiante sécrétée par les cellules C de la thyroïde.

calmoduline : petite protéine cytosolique possédant quatre sites de liaison pour le Ca2+ et servant de relais aux signaux calciques. Sa liaison avec quatre ions Ca2+ forme un complexe actif pouvant réguler l'activité de nombreuses enzymes. Elle active notamment des protéines kinases Ca2+ calmoduline-dépendantes, mais aussi des canaux ioniques membranaires. Elle intervient dans la plupart des cellules, et en particulier dans la contraction des fibres musculaires lisses ou dans la libération de neurotransmetteurs.

carte des territoires présomptifs : carte indiquant à quelles structures de l'embryon en construction vont appartenir les descendants d'une population de cellules occupant une région donné de la jeune gastrula.

caryotype: assortiment complet de chromosomes caractérisé par leur nombre, leur taille et leur forme, et spécifiques d'une cellule, d'un individu ou d'une espèce.

cathepsine : enzyme du groupe des endopeptidases qui catalyse l'hydrolyse des protéines. Des protéases similaires participent aux cascades protéasiques observées dans les migrations cellulaires (vie embryonnaire, cancer et métastases)

caudal : vers la partie postérieure de l'embryon.

Cdk (protéine kinase dépendante des cyclines) protéine n'ayant d'activité catalytique que si elle est associée à une cycline. Différentes Cdk associés chacune à une cycline spécifique déterminent le déroulement du cycle cellulaire en phosphorylant des protéines spécifiques.
ced (programmed cell death) : gène dont la mutation affecte le processus de mort cellulaire programmé et identifié chez le nématode Caenorhabditis elegans.

cellule de Leydig : cellule endocrine situé dans le tissu interstitiel du testicule des vertébré, entre les tubes séminifères, et sécrétant des androgènes, en particulier la testostérone.

cellule de Sertoli : cellule constitutive de la paroi du tube séminifère du testicule des vertébré et entourant les cellules de la lignée spermatique dont elle contrôle le développement.

cellule germinale primordiale (ou gonocyte) cellule souche des cellules reproductrices colonisant les crêtes génitales de l'embryon des vertébré à partir de l'entoblaste d'une zone postérieure de la vésicule vitelline, proche du canal vitellin.

chondrogenèse : prolifération des chondroblastes, précurseurs des chondrocytes du cartilage.

chromosome : élément composé d'une longue molécule d'ADN et de protéines associées, support des gènes et visible chez les eucaryotes sous forme de fins bâtonnets lors de la division cellulaire.

chromosomes homologues : paire de chromosomes morphologiquement identiques, présents dans les cellules diploïdes, et dont l'un est d'origine paternelle et l'autre d'origine maternelle. Ils ne contiennent pas nécessairement les mêmes allèles. Les paires de chromosomes homologues se forment lors de la prophase de la première division méiotique et sont dissociés lors de l'anaphase de cette même division. La fécondation rétablit les paires de chromosomes homologues.

cis (régulation en) : régulation de l'expression d'un gène par une séquence d'ADN non codante situé sur le même chromosome que ce gène (ex : enhancer, promoteur).

clivage (ou segmentation du zygote) : division du zygote par mitoses successives sans accroissement du volume global (les blastomères deviennent de plus en plus petites) et conduisant à la formation d'une morula chez les vertébrés.
collagénase : hydrolase qui coupe la liaison peptidique dans la région de la triple hélice de la molécule de collagène.

collagène : glycoprotéine fibreuse, présente dans tous les tissus de soutien (peau, tendons, ligaments, squelette)

combinatoire qualifie un processus dépendant d'une panoplie de facteurs dont les différentes combinaisons engendrent des effets différents.

complémentarité : qualifie la nécessité de l'action de deux molécules différentes pour qu'un même processus ait lieu.

compétence : aptitude transitoire d'un tissu embryonnaire indifférencié à percevoir un signal inducteur externe et à y répondre par une différenciation. La compétence vis-à-vis d'un signal inducteur évolue dans l'espace et dans le temps au cours de l'embryogénèse.

corticostéroïdes : hormones stéroïdes sécrétées par les corticosurrénales, comprenant les glucocorticoïdes (cortisol, corticostérone), les minéralocorticoïdes (aldostérone) et certains androgènes (androsténedione).

cranial : vers la partie antérieure de l'embryon

croissance : augmentation de la taille (croissance staturale) et de la masse (croissance pondérale) d'un organisme, résultant de la multiplication cellulaire et de l'augmentation de la taille des cellules dans tous les tissus.

cycle cellulaire : cycle de reproduction des cellules ; c'est un ensemble ordonné de phases permettant à la cellule de dupliquer son contenu (notamment les chromosomes des cellules eucaryotes) et de se diviser en deux. Le cycle des cellules eucaryotes se caractérise par la succession d'une interphase et d'une mitose.

cyclines : protéines dont la concentration intracellulaire est généralement oscillante au cours du cycle cellulaire ; elles forment des hétérodimères avec des protéines kinases dépendantes des cyclines (Cdk), participant ainsi à l'activation de ces enzymes. De tels dimères permettent à la cellule de franchir des transitions spécifiques du cycle.

cytokine : large terminologie englobant en grande majorité des peptides synthétisé par de nombreuses cellules et agissant localement, selon un mode paracrine ou autocrine (IGF, EGF, FGF, FPF, NGF, BDNF, NT-3, IL(s), interféron ... ). Les prostaglandines rentrent aussi dans cette catégorie.

dénutrition (ou sous-alimentation) : déficit quantitatif dans l'apport de nourriture.

détermination : processus par lequel une cellule embryonnaire se trouve irréversiblement engagé dans une voie de différenciation particulière.

déterminisme du sexe : ensemble des processus conditionné par le sexe génétique et conduisant une gonade indifférencié à s'engager dans une voie de différenciation testiculaire ou ovarienne.

différenciation : processus par lequel une cellule se transforme en un type cellulaire spécialisé

dimère : association de deux molécules identiques (homodimère) ou différentes (hétérodimère).

diploïde : qualifie tout organisme, toute cellule ou tout noyau possédant deux jeux de chromosomes homologues (2N chromosomes), l'un d'origine maternelle et l'autre d'origine paternelle.
disque imaginal : îlot de cellules embryonnaires indifférenciés mais déterminés, d'origine ectodermique, présent chez la larve des insectes holométaboles et qui permettra, au cours de la métamorphose, la formation d'un appendice spécifique (aile, patte, antenne...

doigt à zinc : motif polypeptidique de fixation à l'ADN, présent dans certains facteurs de transcription, constitué d'une chaîne d'acides aminé formant une boucle centré sur un atome de zinc. Par exemple, les récepteurs des hormones stéroïdes possèdent 2 doigts à zinc.

domaine d'une protéine : portion d'une protéine possédant une structure tertiaire (c'est-à-dire tridimensionnelle ; ex : hélice et, feuillet P) spécifique à laquelle est généralement associé une activité spécifique.

domaine fork-head : domaine polypeptidique de fixation à l'ADN caractéristique de certains facteurs de transcription, telles que la protéine Fork-head de la drosophile et la protéine HNF30 des vertébré.

domaine HMG : domaine polypeptidique de fixation à l'ADN codé par la boîte HMG que l'on trouve notamment dans les gènes SRY et Sox des mammifères.

domaine paired : domaine polypeptidique contenant un motif hélice-tour-hélice permettant la fixation à l'ADN, codé par la boîte paired présente notamment dans certains gènes de segmentation de la drosophile et dans les gènes Pax des mammifères.

domaine POU : domaine polypeptidique de fixation à l'ADN contenant un domaine spécifique POU et un homéodomaine POU.

drosophile (= Drosophila melanogaster) : petite mouche du vinaigre, constituant un modèle de choix pour étudier les gènes du développement.

ectoderme (ou ectoblaste) : feuillet embryonnaire le plus externe à partir duquel se forment le tissu nerveux et l'épiderme.

ectopique : qualifie l'expression d'un gène si celle-ci se déroule dans un territoire où ce gène ne s'exprime normalement pas.

embryogenèse : développement précoce d'un embryon à partir d'un zygote.

embryon : organisme en développement non encore autonome.

empreinte parentale (ou «sceau génomique » : inactivation différentielle de certains gènes selon leur origine maternelle ou paternelle.

endocrinie : qualifie le fonctionnement d'une glande qui déverse ses produits de sécrétion dans le milieu intérieur (sang des vertébrés).

endoderme (ou entoblaste) : feuillet embryonnaire interne à partir duquel se forment notamment les épithéliums des systèmes digestifs et respiratoires.

engagement : Entrée dans une voie de développement caractéristique.

enhancer (ou séquence activatrice) : séquence d'ADN augmentant la probabilité qu'un gène soit transcrit, probablement en agissant sur la chromatine ; un enhancer peut être très éloigné du gène qu'il régule (son action nécessiterait alors la formation de boucles d'ADN) et il peut interagir avec des facteurs de transcription spécifiques.

épigénétique : qualifie un facteur lié à l'environnement dans lequel vit un organisme et qui modifie l'expression de son programme génétique au cours de l'ontogénèse.

épissage alternatif (ou différentiel) : modification du choix des exons conservés lors de l'épissage, pouvant aboutir à la synthèse de protéines différentes à partir d'un même ARN prémessager.

épissage de l'ARN (splicing) : processus de maturation des transcrits primaires caractérisé par l'excision des introns et la soudure (épissage) des exons situés de part et d'autre de chaque intron excisé

épithélium : couche(s) de cellules jointives recouvrant une surface externe (ex : épiderme de la peau) ou tapissant une cavité(endothéium).

exon : segment d'ADN transcrit et généralement codant, alternant à l'intérieur d'un gène eucaryote avec les introns ; les copies d'exons présents dans le transcrit primaire sont conservés lors de sa maturation et se retrouvent donc dans l'ARN mâture fonctionnel.

facteur de croissance : désigne une large famille de polypeptides sécrétés par de nombreux types cellulaires et stimulant généralement de façon locale (par voie paracrine et/ou autocrine) la prolifération et/ou la différenciation. Certains (FGF, TGFß) sont des signaux inducteurs impliqué notamment dans l'induction mésodermique.

facteur de croissance dérivés du cerveau (ou BDNF : Brain Derived Neurotrophic Factor) : peptide sécrété par les neurones et les cellules musculaires. Il contrôle la différenciation et la survie des neurones, en particulier de motoneurones

facteur de croissance de l'épiderme (ou EGF Epithelial Growth Factor) : peptide produit par de nombreux types cellulaires (myoblaste, neuroblaste, chondroblaste) dont il stimule la prolifération et la différenciation.

facteurs de croissance des fibroblastes (ou FGF Fibroblast Growth Factor) : grande famille de peptides produits par de nombreux types cellulaires (fibroblaste, neuroblaste, gliobaste, chondroblaste) dont ils stimulent la prolifération et la différenciation. Il en existe deux grandes formes : a (acide) et b (basique).

facteur de croissance du ganglion ciliaire (ou CNTF : Ciliary Neurotrophic Factor) : peptide sécrété par les neurones et les cellules musculaires et contrôlant la différenciation et la survie des neurones, en particulier des motoneurones.

facteur de croissance du nerf (ou NGF : Nerve Growth Factor) : dimère protéique abondant dans les glandes salivaires de la souris mâle adulte et produit par les cellules nerveuses (neurones et cellules gliales). C'est la 1ere neurotrophine découverte. Elle stimule localement la poussé neuritique et maintient la survie des neurones du système nerveux central et périphérique.
facteur de croissance dérivé des plaquettes (ou PDGF I et Il : Plateled Derived Neurotrophic Factor) : protéine hétéodimérique produite par les plaquettes sanguines, mais aussi par d'autres types cellulaires. Elle stimule localement la prolifération des fibroblastes, myoblastes et glioblastes.

facteur de différenciation des pneumocytes (ou FPF : Fibroblast Pneumocyte Factor). : peptide produit par les fibroblastes du tissu pulmonaire sous l'effet des glucocorticoïdes et stimulant la synthèse de la fraction lipidique du surfactant par les pneumocytes de type II.

facteur de transcription : terme général regroupant toutes les protéines (sauf l'ARN polymérase) se liant à l'ADN pour initier ou contrôler la transcription.

facteur général de transcription : protéine nécessaire à la transcription des gènes d'une même classe et participant à la formation du complexe d'initiation qui se forme près du site de démarrage de la transcription.

facteur spécifique de transcription : protéine se fixant spécifiquement à une séquence régulatrice d'ADN (qui peut être éloigné du site d'initiation de la transcription) et contrôlant seulement la transcription des gènes possédant cette séquence. De tels facteurs déterminent notamment la spécificité tissulaire de l'expression des gènes et jouent un rôle important dans le développement embryonnaire.

fermeture-éclair à leucines (ou leucine zipper) motif de dimérisation caractérisant certains facteurs de transcription et constitué d'une structure en hélice et contenant des leucines alignées parallèlement à l'axe de l'hélice.

FGF (fibroblast growth factor) : famille de facteurs de croissance produits par de nombreux types cellulaires dont ils stimulent la prolifération. Ils inhibent la différenciation de nombreux types de cellules souches et constituent aussi des signaux inducteurs impliqué dans le développement embryonnaire.

fibroblaste : cellule du tissu conjonctif, sécrétant les différents composé de la matrice extracellulaire.

gène : ensemble de séquences d'ADN (régulatrices et transcrites) permettant la production régulé soit d'un ARN de structure (ARN de transfert et ARN ribosomaux), soit d'un ARN messager codant une chaîne polypeptidique spécifique (ou plusieurs chaînes par suite d'un épissage alternatif).

gène à effet maternel : gène transcrit dans l'organisme maternel au cours de l'ovogénèse et dont les produits peuvent agir très tôt lors du développement, embryonnaire, c'est-à-dire dès la fécondation et avant même que les gènes zygotiques ne soient exprimé ; les ARN maternels peuvent aussi intervenir plus tardivement au cours du développement embryonnaire (cas de la drosophile).

gène homéotique : gène responsable de l'acquisition par un territoire embryonnaire donné d'une identité positionnelle ; appelé aussi gène sélecteur homéotique car il sélectionne les gènes activé par exemple dans chaque parasegment de l'embryon de drosophile.

gène pair-rule : gène de segmentation dont l'expression périodique le long de l'axe antéropostérieur de l'embryon de drosophile détermine la subdivision en parasegments.

gène zygotique (ou gène à effet zygotique) : gène porté par le génome du zygote ; son origine est donc maternelle ou paternelle ; l'activation transcriptionnelle de ces gènes est différé par rapport à la fécondation, si bien que le début du développement embryonnaire est uniquement sous le contrôle de gènes à effet maternel.

génie génétique : ensemble de techniques permettant d'introduire un gène étranger dans le génome d'une bactérie ou d'une cellule eucaryote.

génome : totalité de l'information génétique d'un organisme ou d'une cellule.

génotype : ensemble des éléments codants du génome conduisant à l'expression du phénotype.

glucocorticoïdes : hormones stéroïdes sécrétées par les corticosurrénales (ex : corticostérone, cortisol).

gonade : glande sexuelle (ou génitale) produisant des hormones et des gamètes. La gonade mâle est le testicule, la gonade femelle est l'ovaire.

goosecoïd : gène codant un facteur de transcription à homéodomaine présentant des homologies avec les gènes bicoïd et gooseberry de la drosophile. Il est exprimé dans l'organisateur de Spemann chez les amphibiens, et dans le noeud de Hensen des mammifères. L'expression de ce gène induit la réalisation des mouvements morphogénétiques de la gastrulation et conduit à la différenciation des cellules mésodermiques et endodermiques les plus antérieures dans l'embryon.

GRF (ou Growth Hormone Releasing Factor. ou somatocrinine) : c'est un peptide hypothalamique responsable de la libération de l'hormone de croissance.

hedgehog : gène de polarité segmentaire de la drosophile codant une protéine sécrétée.

hélice-boucle-hélice (ou HLH : helix-loop-helix) : motif polypeptidique caractéristique de certains facteurs de transcription dont il permet la dimérisation (ex: MyoD1-E2A).

hélice-tour-hélice (ou HTH : helix-turn-helix) motif polypeptidique de liaison à l'ADN, présent notamment dans les homéodomaines et les domaines paired de certains facteurs de transcription.

hétérodimère : molécule résultant de la combinaison de deux molécules différentes.

hétérozygote (pour un gène donné : qualifie un organisme (ou une cellule) diploïde présentant deux allèles différents pour un gène donné sur les deux locus homologues d'une même paire de chromosomes homologues.

histone : protéine chromosomique basique spécifique des cellules eucaryotes et s'associant à l'ADN nucléaire.

histolyse ou cytolyse : destruction des tissus ou cellules sous l'action d'enzymes lytiques lysosomiales.Elle est fondamentalement différente de la mort cellulaire programmée par apoptose
gènes du developpement : Ils répondent aux spécificités suivantes :
- Intervention précoce
- Rôle sur la polarité de l’embryon
- Rôle sur la spécification de territoires
- Rôle sur la morphogénèse, la croissance ou la différenciation cellulaire, et sur la régulation de ces différents mécanismes.

hnf3ß (hepatic nuclear factor 3ß) : gène codant un facteur de transcription qui possède un domaine fork-head. Chez les mammifères, il est exprimé dans le noeud de Hensen et la corde et joue un rôle essentiel dans la formation de la corde.

HOM : famille de gènes homéotiques chez la drosophile codant des facteurs de transcription à homéodomaine, impliqué notamment dans la mise en place d'identité positionnelles de chaque parasegment suivant l'axe antéropostérieur de l'embryon.

homéoboîte (ou homéobox) : séquence d'ADN codant un homéodomaine.

homéodomaine : domaine polypeptidique contenant un motif hélice-tour-hélice permettant la fixation à l'ADN, codé par une homéoboîte présente notamment dans les gènes HOM et Hox.

homéogène : gène possédant dans sa séquence codante un motif de type homéobox.

homologie : similitude dans la structure d'un organe, d'une protéine ou d'un gène reflétant une origine commune lors de l'évolution (s'oppose au terme analogie, utilisé quand la similitude ne reflète pas une origine commune).

homozygote (pour un gène donné : qualifie un organisme (ou une cellule) diploïde présentant le même allèle sur les deux locus homologues d'une même paire de chromosomes homologues.
hormone : molécule (peptide, stéroïde ou amine biogène) synthétisée par une glande, déversée dans le sang (endocrinie) et agissant à distance sur une cellule cible.

hormone anti-mülérienne : hormone de nature glycoprotéque sécrétée par les cellules de Sertoli du testicule des mammifères mâles en développement.

hormone corticotrope (ou corticotrophine ou hormone corticostimulante ou ACTH : Corticotropic Releasing Hormone) : hormone peptidique sécrétée par la pars distalis de l'adénohypophyse.

hormone de croissance (ou STH : Somatotropic Hormone; ou GH : Growth Hormone; ou somatotrophine) : hormone peptidique sécrétée par la pars distalis de l'adénohypophyse.

hormone lactogène placentaire (ou hPL ou HCS hormone chorionique somatomammotrope) hormone peptidique sécrétée par le placenta et favorisant le développement du foetus.

hormone thyréotrope (ou TSH : Thyrotropic Releasing Hormone ; ou thyrotrophine ou hormone thyréostimulante) : hormone de nature glycoprotéique sécrétée par la pars distalis de l'adénohypophyse.

Hox : famille d'homéogènes des vertébrés codant des facteurs de transcription à homédomaine, impliqués dans la mise en place d'identités positionnelles le long de l'axe antéropostérieur dans le rhombencéphale et les somites, et impliqués également dans le développement du bourgeon du membre.
hybridation des acides nucléiques : processus par lequel deux séquences nucléotidiques complémentaires s'apparient ; technique utilisé pour détecter des séquences nucléotidiques spécifiques.

hybridation in situ : technique permettant notamment de localiser sur une coupe de tissu ou de cellule une molécule d'ADN ou d'ARN messager cette technique nécessite l'utilisation d'une sonde nucléotidique simple brin et marqué (par exemple radioactive), ce qui permet de détecter ensuite l'hybride formé (par exemple par autoradiographie).

hydrolase : enzyme coupant les liaisons ester, peptidique et osidique, par addition d'une molécule d'eau.

hypothalamus : structure nerveuse issue de la vésicule cérébrale de l'embryon. Elle est en liaison anatomo-fonctionnelle avec l'adénohypophyse, dont elle stimule ou inhibe le fonctionnement.

Id (inhibitor of DNA binding) : facteur protéique à hélice-boucle-hélice s'opposant à l'effet des facteurs transrégulateurs (myogéniques).

IGFs : voir somatomédines

induction embryonnaire : émission au cours de certains stades du développement embryonnaire d'un signal par une cellule embryonnaire inductrice vers une cellule embryonnaire compétente apte à recevoir ce signal. Le signal inducteur induit cette cellule compétente à s'engager irréversiblement dans une voie de différenciation particulière.

induction neurale : processus se produisant dans la gastrula des vertébrés et conduisant l'ectoderme dorsal à former du neurectoderme. Cette induction met en jeu des signaux verticaux provenant du mésoderme (chorde) sous-jacent et probablement aussi des signaux tangentiels (dans le plan de l'ectoderme).

insuline : hormone peptidique hypoglycémiante sécrétée par les cellules ß du pancréas endocrine.

intégrine : membre d'une grande famille de protéines transmembranaires, susceptibles d'une grande variabilité en fonction des formes moléculaires des deux sous unités cosntitutives (a et ß) du dimère qu'elles forment dans le plan de la membrane plsamique. Elles sont impliquées dans l'adhérence cellulaire, la réalisation de contact focaux intercellulaires par regroupement d'intégrines (clustering). Leur rôle dans la transmission de signaux (intérieur vers exterieur de la cellule, et vice versa), est essentiel pour l'adaptation cellulaire à son environnement, dans les mécanismes de différenciation et les processus de reconnaissance spécifiques inter-cellulaires.

interphase : période la plus longue du cycle cellulaire séparant deux divisions cellulaires mitotiques et comprenant successivement une première phase de croissance cellulaire (Gl), une phase S de réplication de l'ADN et une seconde phase de croissance (G2)-

intron : segment d'ADN transcrit mais non codant, alternant à l'intéieur d'un gène eucaryote avec les exons ; les copies d'introns présents dans le transcrit primaire sont excisés lors de la maturation de ce transcrit, si bien que l'ARN mâture fonctionnel se trouve dépourvu d'intron.

kinase : enzyme catalysant le transfert d'un groupement phosphoryle de l'ATP (ou parfois du GTP) à un substrat. Certaines kinases transfèrent le groupement phosphoryle d'un métabolite riche en énergie à l'ADP pour former de l'ATP.

lignage : Ensemble de la descendance d’une cellule

Lim-1 : gène codant un facteur de transcription à homéodomaine, exprimé chez les mammifères dans le noeud de Hensen et la ligne primitive. Son inactivation retarde la formation du noeud de Hensen et entraîne l'absence totale de structures céphaliques et de cerveau antérieur. Chez le xénope, le gène XLim-1 est exprimé dans l'organisateur de Spemann.
locus : position d'un gène donné sur un chromosome.

malnutrition : déficit qualitatif dans l'apport de nourriture.

matrice extracellulaire : enchevêtrement complexe de macromolécules extracellulaires sécrétées notamment par les fibroblastes (et les cellules mésenchymateuses) dans les tissus conjonctifs. Ce réseau qui entoure les cellules contient principalement des protéines fibreuses (collagène, élastine, fibronectine, laminine), ainsi que des glycosaminoglycanes et des protéglycanes (qui font de cette matrice un gel hydraté. Elle joue un rôle mécanique (support structural des cellules), mais intervient aussi dans le développement embryonnaire et le fonctionnement des cellules.

méiose : ensemble de deux divisions cellulaires successives précécé d'une seule phase de réplication de l'ADN et aboutissant à partir d'une cellule diploïde initiale à la formation de quatre cellules haploïdes. La première division, qualifié de réductionnelle, sépare les chromosomes homologues. La deuxième division, qualifiée d'équationnelle, sépare les deux chromatides de chaque chromosome.

mésencéphale : partie moyenne du cerveau des vertébré.

mésoderme chordal (ou chordomésoderme) : région du mésoderme axial de l'embryon de vertébré à l'origine de la chorde.

mésoderme préchordal : ensemble des cellules mésodermiques migrant les premières au cours des mouvements morphogénétiques de la gastrulation chez les vertébré, et formant la structure mésodermique la plus antérieure dans l'embryon, appelé plaque préchordale. Cette partie du mésoderme formera le mésenchyme céphalique, d'où dérive une partie du squelette et du mésoderme de la tête.

mésothélium : épithélium simple doublant les cavité séreuses du corps (ex : péritoine).

métamère unité d'organisation répétée dans le corps.

métamérie organisation caractérisée par la répétition d'unité le long de l'axe antéropostérieur de l'embryon.

métaphase : stade de la division nucléaire caractérisé par l'alignement des chromosomes dans le plan équatorial de la cellule.

microtubule : fibre du cytosquelette constituant une longue structure cylindrique et formé par la polymérisation de molécules de tubuline alpha et ß.

mitose : division de la cellule eucaryote au cours de laquelle les chromosomes sont visibles. Elle aboutit à la répartition de deux lots identiques de chromosomes dans deux cellules filles qui seront donc génétiquement identiques. Elle se fait en quatre étapes : prophase, métaphase, anaphase et télophase.

morphogène qualifie une substance présentant dans un territoire embryonnaire un gradient de concentration et qui détermine le développement de structures spécifiques en fonction de sa concentration, laquelle constitue une véritable information de position.

morphogenèse : ensemble de transformations anatomiques et physiologiques survenant au cours du développement de certains animaux et permettant le passage de la forme larvaire à la forme adulte.

mort cellulaire programmée : processus génétiquement déterminé qui aboutit à la dégénérescence de la cellule.

Mos : produit du proto-oncogène c-mos, cette sérine/thréonine kinase constitue un composant essentiel du facteur cytostatique CSF. Elle est impliqué dans les premiers stades de la maturation ovocytaire chez les amphibiens (rupture de la vésicule germinative, activation du MPF, expulsion du premier globule polaire). Elle intervient aussi dans le blocage de la maturation méiotique des ovocytes en métaphase Il chez les amphibiens et les mammifères.

MPF (M-phase-promoting factor) : hétérodimère protéique contenant une cycline mitotique et la kinase Cdc2 (encore appelé Cdkl) ; il permet l'entré de la cellule en phase M en induisant notamment la condensation de la chromatine et la fragmentation de l'enveloppe nucléaire ; à l'origine, ce facteur fut dénommé maturation-promoting factor car il permet la maturation des ovocytes Il d'amphibiens.

mutation : modification brutale du matériel génétique, spontanée ou provoquée par des agents mutagènes, transmissible si elle affecte le génome des gamètes ; certaines mutations modifient la séquence d'ADN, ce qui peut entraîner une modification de la structure et une altération de la fonction de la protéine traduite ; d'autres mutations modifient la structure chromosomique.

mutation homéotique : mutation qui induit les cellules d'une région du corps de l'embryon à se différencier comme si elles étaient localisés ailleurs dans l'embryon, ce qui perturbe le plan d'organisation de l'embryon, en modifiant l'identité d'un segment embryonnaire.

myoblaste : cellule embryonnaire uninucléée déterminé pour la différenciation myogénique.

myogenèse : processus du développement embryonnaire conduisant à partir de cellules mésodermiques des somites à la formation de myoblastes, puis de myotubes qui fusionnent pour former des fibres musculaires.

myotube : cellule myogénique différenciée plurinucléée, issue de la fusion de myoblastes et précurseur d'une fibre musculaire.

myotome : partie des somites à l'origine des muscles strié squelettiques.

N-CAM (neural-cell adhésion molecule) : Molécule d'adhérence cellulaire des neurones ; ces protéines transmembranaires permettent l'établissement d'une liaison entre neurones, cette liaison étant indépendante du calcium.

nécrose : voir histolyse / cytolyse

neuroblaste : neurone embryonnaire.

neurohormone : hormone peptidique sécrétée par des neurones du système nerveux central.

neurotrophine : facteur de croissance contrôlant localement la prolifération, la différenciation et la survie des neurones du système nerveux central et péiphéique.

nodal : gène isolé chez la souris, codant une protéine sécrétée appartenant à la famille du TGFß et dont l'expression est nécessaire à la formation du noeud de Hensen. Il est exprimé dans les cellules entourant le noeud de Hensen en début de gastrulation et participe à la mise en place du mésoderme.

oncogène : un des très nombreux gènes pouvant contribuer à transformer une cellule en cellule cancéreuse ; c'est généralement la forme muté d'un proto-oncogène devenue génératrice de tumeur.

ontogenèse : développement de l'individu, de l'oeuf fécondé jusqu'à l'état adulte.

organisateur de Spemann (ou centre organisateur) : tissu spécialisé de l'embryon d'amphibiens présent dans la zone marginale dorsale de la blastula âgée, puis dans la lèvre dorsale du blastopore de la jeune gastrula. Il émet des signaux inducteurs qui, en agissant sur les cellules mésodermiques voisines, participent à la régionalisation du mésoderme. Il émet également des signaux qui vont participer à l'induction neurale des cellules ectoblastiques voisines. Ce centre organisateur, découvert par Spemann et Manglod en 1924, est lui-même induit par le centre de Nieuwkoop pendant la segmentation.

organogenèse : mouvements morphogénétiques, inductions embryonnaires et régionalisations qui font suite à la gastrulation et conduisent au raffinement du plan d'organisation de l'embryon et à la mise en place des ébauches d'organes.

Otx2 : gène codant un facteur de transcription à homéodomaine. Il constitue un marqueur précoce du neurectoderme, puis du cerveau antérieur chez les mammifères.

paracrinie : qualifie la production par une cellule de médiateurs chimiques diffusant dans le milieu extracellulaire et agissant sur les cellules voisines.

Pax : famille de gènes du développement codant des facteurs de transcription à domaine paired, impliqué notamment dans l'établissement d'identité positionnelles suivant l'axe dorso-ventral dans le tube neural et les somites.

PCR (polymerase chain réction) : réction de polymérisation en chaîne ; 'Technique permettant d'amplifier de façon exponentielle des séquences spécifiques d'ADN par une succession de cycles dénaturation (séparation des brins complémentaires par une brève élévation de température) hybridation (des courtes amorces oligonucléotidiques s'associent à chaque brin d'ADN servant de matrice) - élongation (allongement des amorces grâce à une ADN polymérase).

permissif : qualifie le contrôle exercé par une molécule sur l'activité biologique d'une autre.

phénotype : ensemble des caractéristiques observables d'un organisme ou d'une cellule déterminés notamment par le génotype.

Phosphatase : enzyme qui catalyse l'hydrolyse des liaisons esters phosphoriques. Selon le pH où se situe leur activité optimale, on distingue les phosphatages acides et alcalines.

plasticité: possibilité d'adaptations fonctionnelles et de réarrangements structuraux au sein d'un tissu, en particulier le tissu nerveux, au cours du développement et chez l'adulte.

plaque équatoriale : ensemble des chromosomes regroupé dans un plan perpendiculaire à l'axe du fuseau mitotique, à égale distance des deux pôles de la cellule et observable en métaphase de mitose.

pleïotrope : qualifie un facteur dont les effets sont multiples.

pneumocyte : cellule épithéliale de revêtement des alvéoles pulmonaires. On distingue les Pneumocytes de type 1 (membraneux), nombreux et aplatis, constituant la surface d'échange, et les pneumocytes de type II (granuleux), sécrétant le surfactant.

pôle animal : région supérieure de l'oeuf, présente au sommet de l'hémisphère animal (lequel contient peu ou pas de vitellus) et proche du noyau.

pôle végétatif : région inférieure de l'oeuf, opposé au pôle animal. Elle constitue le pôle de l'hémisphère végétatif (lequel est souvent riche en vitellus).

polymérase : enzyme catalysant l'association d'un nombre plus ou moins grand d'unités chimiques identiques ou différentes, par exemple l'ADN polymérase ou les ARN polymérases.

potentialisation : qualifie l'effet plus important exercé par une molécule en présence d'une autre, plutôt que seule.

prolactine : hormone peptidique sécrétée par la pars distalis de l'adénohypophyse.

promoteur : séquence régulatrice de l'ADN situé en amont (en 5') de la région transcrite d'un gène, contenant le site de fixation de l'ARN polymérase et pouvant aussi fixer des facteurs protéiques contrôlant l'initiation de la transcription.

prophase : première étape de la mitose durant laquelle les chromosomes se condensent et le fuseau mitotique se forme.

prosencéphale : partie antérieure du cerveau embryonnaire des vertébré. Il se subdivisera en télencéphale (à l'origine des hémisphères cérébraux) et en diencéphale (à l'origine par exemple des vésicules optiques).

protéine kinase : enzyme qui catalyse le transfert du groupement phosphoryle de l'ATP à un acide aminé spécifique d'une protéine cible.

proto-oncogène : gène cellulaire normal généralement impliqué dans la régulation de la croissance ou de la division des cellules, codant des facteurs de croissance et leurs récepteurs membranaires, des transducteurs intracellulaires, des facteurs de transcription... Il peut devenir, par exemple par mutation, un oncogène induisant l'apparition d'un cancer.

Ras : produit du proto-oncogène c-ras, cette protéine G monomérique peut se fixer et hydrolyser le GTP ; elle intervient dans la voie de transduction de certains signaux, notamment ceux induisant la prolifération ou la différenciation cellulaire.

récepteur : toute molécule capable de reconnaître une autre molécule spécifique, porteuse d'une information. Ces récepteurs sont localisé dans les différentes membranes et le noyau de la cellule. Par définition la liaison d'une molécule (ligand) à un récepteur possède 3 propriétéq fondamentales : la liaison est spécifique, saturable, réversible

recombinaison homologue : technique permettant d'inactiver sélectivement un gène endogène chez un animal transgénique (souris) en remplaçant ce gène par un transgène quasiment identique mais dans lequel on a introduit une mutation qui l'inactive.

redondance : Plusieurs gènes pour une même fonction

régionalisation : acquisition de différences régionales concernant l'engagement de cellules embryonnaires dans une voie spécifique de développement.

réplication : reproduction conforme de macromolécules, telle que l'ADN.

réplication de l'ADN : processus de duplication des molécules d'ADN, dont le mécanisme est semi-conservatif.

rhombencéphale : partie postérieure du cerveau embryonnaire des vertébré. Il se subdivisera en mésencéphale (à l'origine notamment du cervelet) et en myélencéphale (qui va constituer le bulbe rachidien).

rhombomères : unité segmentaires (ou métamères) subdivisant le rhombencéphale des vertébrés ; ce sont de véritables unité de différenciation neuronale spécifique participant par exemple à la formation de nerfs crâniens différents.

segmentation : division (ou clivage) du zygote en un nombre croissant de blastomères. Ce terme est aussi utilisé pour le fractionnement d'un organisme, d'une structure ou d'un tissu en unité distinctes (ex : métamérisation chez les insectes, segmentation du mésoderme somitique et du rhombencéphale chez les vertébré).

séquence : succession linéaire de nucléotides (ou d'acides aminé) dans un acide nucléique (ou une protéine).

séquentiel : qualifie l'effet exercé dans le temps par des molécules différentes.

signal inducteur (facteur de signalisation) : substance informative émise par un territoire embryonnaire déterminé (tissu inducteur) et agissant sur un territoire embryonnaire indifférencié (tissu cible) en l'engageant irréversiblement dans une voie spécifique de différenciation.

somatomédines : facteurs de croissance de nature peptidique, appelé aussi Insuline-like Growth Factors ou IGF (somatomédine A ou IGF-1 et somatomédine C ou IGF-2), sécrétés par de nombreux tissus en développement et par le foie de l'adulte, sous' le contrôle de l'hormone de croissance.

sonic hedgehog : gène exprimé au cours du développement embryonnaire des vertébré et homologue du gène hedgehog de la drosophile. Il code une protéine sécrétée impliquée dans des processus d'induction embryonnaire («ventralisation » du tube neural, induction du sclérotome, polarisation du membre). Exprimé seulement du côté gauche du noeud de Hensen au cours de la gastrulation dans l'embryon de poulet, ce gène contribue à différencier le côté droit du côté gauche de cet organisme.

Sox : famille de gènes du développement codant des facteurs de transcription dont le motif de liaison à l'ADN est un domaine HMG très proche de celui de la protéine SRY.

SRIF (Somatotropic Release Inhibiting Factor ou somatostatine) : c'est un peptide hypothalamique inhibant la libération de l'hormone de croissance hypophysaire.

SRY (sex région Y) : gène situé sur le bras court du chromosome Y des mammifères, codant une protéine à domaine HMG, et déclenchant une cascade d'activations génétiques qui conduit à la différenciation testiculaire.

surfactant : phospholipide associé à une protéine qui s'étale en un film moléculaire à la surface des alvéoles et diminue ainsi la tension de surface du feuillet aqueux permettant l'extensibilité des alvéoles.

syncytium : formation cytoplasmique plurinucléée délimitée par une seule membrane plasmique et pouvant résulter soit d'une succession de divisions nucléaires sans division cytoplasmique (cas de l'embryon précoce de drosophile), soit de fusion de plusieurs cellules (cas de la fibre musculaire).

synergie : qualifie l'action de deux molécules allant dans le même sens, l'une potentialisant l'action de l'autre. L'effet qui en résulte est supérieur a la somme des effets individuels (1+1 > 2).
TBP (TATA-box-binding protein) : sous-unité du facteur général de transcription TFIID. Sa fixation sur la séquence TATA présente dans le promoteur des gènes de classe Il (gènes codant des protéines) est nécessaire à l'initiation de leur transcription par l'ARN polymérase Il.

télophase : quatrième et dernière phase de la mitose au cours de laquelle les deux lots de chromosomes fils se décondensent et s'entourent d'une enveloppe nucléaire tandis que s'achève la cytodiérèse.

territoires présomptifs : Localisation d’un lignage exprimant des potentialités spécifiques, reproductibles dans le temps, l’espace et l’espèce

TGFß (transforming growth factor P) : famille de facteurs de croissance contrôlant la prolifération et les fonctions de la plupart des cellules de vertébré. Les membres de cette famille sont synthétisés et sécrétés sous la forme de grands précurseurs inactifs, lesquels doivent subir ensuite une protéolyse pour devenir actifs. Cette famille englobe aussi la protéine Decapentaplegic de la drosophile, la protéine Vg1 du xénope, l'Activine et les protéines BMP et la protéine Nodal.

thyroïde : glande endocrine situé à la base du cou et dérivée de l'endoderme pharyngien. Elle sécrète la tétra-iodothyronine (T4), précurseur de la triiodothyronine (T3) obtenue par déiodation.
totipotent : qualifie une cellule ou un tissu non différencié capable de donner naissance à tous les types de cellules ou de tissus différencié (ex zygote, premiers blastomères).

traduction : processus par lequel l'information génétique contenue dans la séquence des nucléotides de l'ARN messager mâture est exprimé par la constitution d'une séquence d'acides aminés.
trans (régulation en) : régulation de l'expression d'un gène par l'intermédiaire d'un facteur capable d'interagir avec une séquence régulatrice de ce gène.

transcriptase inverse (ou transcriptase reverse) enzyme catalysant la formation d'un ADN complémentaire à partir d'un ARN. Elle permet aux rétrovirus (virus à ARN) de copier leur ARN en ADN qui s'intègre ensuite à l'ADN des cellules de l'hôte. Elle constitue aussi un outil en biologie moléculaire pour reproduire in vitro des séquences d'ADN à partir d'un ARN isolé

transcription : processus permettant de copier des séquences d'ADN en molécules d'ARN.

transcrit : ARN issu de la transcription d'une séquence d'ADN.

transduction : transmission d'un signal extracellulaire à l'intérieur de la cellule cible (possédant un récepteur spécifique à ce signal), mettant généralement en jeu une cascade de réactions et de molécules-relais intracellulaires et pouvant aboutir à un contrôle transcriptionnel dans le noyau.

transformation homéotique : changement d'identité d'un segment donné

transgène : séquence d'ADN exogène introduite dans un organisme receveur (par exemple en utilisant des vecteurs rétroviraux), insérée par recombinaison génétique à l'intéieur du génome du receveur et transmissible.

transgenèse : ensemble des techniques permettant de transférer un gène d'un organisme à un autre.

transgénique : qualifie un organisme dans lequel on a transféré un transgène et qui l'a incorporé dans son génome (ex : souris transgénique).

transposition : changement de localisation d'un transposon à l'intéieur d'une molécule d'ADN à une autre. Elle entraîne des recombinaisons génétiques et parfois des mutations.

tubuline : protéine monomérique (a et ß) dont la polymérisation conduit à la formation des microtubules, éléments constitutifs polarisés du cytosquelette.

urodèle : amphibien peu ou pas (néoténique) modifié à la métamorphose.

Vg1 : protéine sécrétée appartenant à la famille du TGFß. Elle est traduite à partir d'ARNm maternel dans la région végétative corticale de l'ovocyte de xénope. Lors de la rotation corticale déclenchée par l'entrée du spermatozoïde dans l'ovocyte, la protéine Vg1 est activée par clivage et participe alors, dans la jeune blastula, à l'induction de l'organisateur de Spemann.

vitellus : ensemble des substances de réserve accumulés dans le cytoplasme de l'ovocyte lors de sa phase de croissance et qui seront utilisés lors des premières phases du développement embryonnaire.

zone d'action polarisante (ZAP) : groupe de cellules localisés dans la partie postérieure du bourgeon du membre des vertébré, et contrôlant le schéma d'organisation antéro-postérieure du membre.

zygote : cellule diploïde issue de la fécondation du gamète femelle (l'ovocyte) par un gamète mâle (le spermatozoïde) et fondatrice d'un organisme.

¹

la régulation hormonale fera aussi partie du cours de Biologie de la Reproduction. Cet exposé sera davantage centré sur les mécanismes géniques et les transrégulations intracellulaires, sur les mécanismes intracellulaires de croissance et de différenciation.

²

Voir également vos cours spécifiques de Biologie cellulaire et de biochimie sur les molécules d'adhésion, ainsi que le cours d'histologie moléculaire sur le tissu conjonctif.

³ Voir aussi toutes les notions acquises en cours de Biologie cellulaire sur le cycle cellulaire, les mécanismes de la mitose, les mécanismes de la duplication de l'ADN.
Nous ne traitons ici que les points spécifiquement liés au développement embryonnaire.

⁴ QUELQUES DEFINITIONS UTILES :

1 Les proto-oncogènes : gène cellulaire normal généralement impliqué dans la régulation de la prolifération/ différenciation des cellules. Il codet pour des facteurs de croissance et leurs récepteurs, pour des transducteurs intra-cellulaires, pour des facteurs de transcription, etc. Par mutation le proto-oncogène peut devenir un oncogène induisant une prolifération/différenciation anormale et souvent un cancer. Les gènes jun, fos, myc sont typiques de cette classe.
2 Les oncogènes : c'est généralement la forme mutée d'un proto-oncogène. Il provoque la transformation cellulaire et une prolifération cancéreuse.
3 Les anti-oncogènes : les anti-oncogènes sont aussi à rapprocher des proto-oncogènes. Mutés ou non, ils jouent également un rôlr très importants dans le contrôle de la prolifération cellulaire. Par définition ils ont une action inhibitrice (Nous n'en citerons que deux : P53 et RB).

⁵ Nous ne considérons ici que les mécanismes de régulation de l'apoptose. Voir d'autres traîtés et les cours de Biologie Cellulaire pour les descriptifs morphologiques de l'apoptose ainsi que vous documenter sur l'ensemble des cascades évenementielles qui conduisent à la mort cellulaire programmée.

⁶ voir aussi le chapitre concernant le contrôle génique du développement et le paragraphe consacré aux gènes de détermination, ainsi que le cours d'histologie sur le tissu musculaire.

⁷ Cette partie du cours, en particulier les échanges foeto-maternels, sera reprise dans d'autres enseignements, en Biologie de la Reproduction ainsi qu'en Physiologi.e
Nous ne transcrivons ici que des aspects plus moléculaires, touchant les régulations intra-cellulaires.

⁸ Les grandes voies de régulation intracellulaire par les facteurs de signalisation exogènes (hormones, facteurs de croissance, etc) ne sont qu'à peine évbauchées dans ce cours, réduites à l'essentiel pour comprendre le développement. Le détail de ces voies (celle de l'AMPc, du GMPc, des tyrosines-kinases et mapkinases, des phosphoinositides et du calcium, etc...) seront revues dans d'autres cours, en particulier en biochimie.

⁹ Voir aussi la définition de paracrinie, endocrinie, autocrinie dans d'autres ouvrages plus généraux.

¹⁰ D'autres exemples (virilisation de la sphère génitale sous l'effet de la testostérone, dimorphisme sexuel de l'hypothalamus par exemple) seront abordés en Biologie de la Reproduction

¹¹ Les rôles du gène sonic hedgehog sont multiples, mais non abordés dans ce document (sauf dans le cadre de la fonctionnalité de la ZAP au cours du développement du membre ; voir chapitre 3)

¹² Cette notion est importante : elle "recule" la détermination droite/gaucvhe à des stades trés précoces et largement antérieur à la gastrulation. En effet on sait que l'activine est exprimée chez le batracien à des stades très précoce de l'oeuf, à un des poles (pole végétatif) dès le stade 32 cellules. L'activine est un des facteurs (avec VG1 et noggin)qui conditionne déjà à ce stade très précoce l'induction du mésoderme et de la chorde , donc toute l'orientation embryonnaire obtenue au cours de la gastrulation. L'activine est largement présente chez les mammifères à des stades précoces. Il y a donc fort à parier que les recherches prochaines démontrerons un déterminisme D/G également très précoce. Chez les insectes ce déterminisme est déjà contenu dans l'oeuf (très asymétrique), avant même la fécondation.

¹³ E2A est un gène dont l'expression fournira soit la protéine E12, soit la protéine E47 par épissage alternatif.

¹⁴ Nous n'aborderons ici que l'embryologie des membres de tétrapodes pour rester sur des modèles directement applicables à l'homme.

¹⁵ Par contre, par des mécanismes encore mal connus, la crête ectoblastique apporte aussi des informations précoces sur l'orientation antéro-postérieure locale. Dans certaines expériences, la coiffe ectoblastique a été découpée et replacée in situ avec un angle de rotation de 180°. Cette manipulation aboutit alors à l'inversion de position à 180° du membre selon le sens de rotation de la coiffe (un résultat similaire à celui présenté dans la figure 2 de la page 105, mais avec le mésoblaste. Qui, du mésoblaste précoce ou de la coiffe sus-jacente, déterminent l'orientation locale du membre sur un axe antéro-postérieur ? La question reste en suspens. Mais les relations permanentes entre le mésoderme et l'ectoblaste laissent penser qu'il s'agit d'interactions evoluant dans les deux sens, séquentiellement dans le temps.

¹⁶ cette notion de biodisponibilité est essentielle en biologie et vous la retrouverez très souvent. Elle permet une modulation beaucoup plus fine de l'action d'une molécule. Comme vous le remarquerez sur le schéma de nombreux facteurs de croissance fonctionnent sur ce principe et possèdent des protéines binding.
Nous ne l'avons pas cité dans le chapitre consacré au contrôle hormonal, mais c'est le cas pour les IGF(s) qui possèdent plusieurs proteines binding (IGF-BP1, 2 et 3). Les taux circulants d'IGF-BP1, 2 ou 3 dépendent d'autres facteurs de régulation (insuline, l'état nutritionnel, les taux de GH, etc), et ceci de façon variable selon la protéine binding considérée. Il en est de même pour l'hormonede croissance (GH) qui peut se lier à une GH-BP1 ou à une GH-BP2.
Il est facile d'imaginer la versatilité et la capacités physiologiques d'adaptation de tels systèmes, en particulier au cours de la morphogénèse.
Cette biodisponibilité existe aussi pour certaines drogues et médicaments, ainsi que pour certains micronutriments, en particulier des vitamines, dont la distrtibution aux tissus périphériques dépend aussi de leur transport et protection , dans le plasma et les liquides intersticiels, par des proteines de liaison plasmatiques. L'exemple de l'acide rétinoïque, variant de la vitamine A, est particulièrement illustratif. Mais n'oubliez pas que le concept de biodisponibilité est beaucoup plus général.