Figure 1. Cycle de vie de Xenopus laevis Les stades de

Figure 1. Cycle de vie de Xenopus laevis
Les stades de développement de Xenopus laevis sont définis par les tables de Nieuwkoop et
Faber. Le développement embryonnaire du xénope est subdivisé en différentes phases définies
notamment sur base de critères morphologiques : la fécondation, le clivage, la gastrulation, la
neurulation et l’organogenèse. Après la période d’organogenèse, un à deux mois s’écoulent
avant que le têtard n’entame sa métamorphose pour former un xénope adulte. Ce dernier est
mature sexuellement à l’âge d’un an.
A
B
Figure 2. Formation et différenciation de la crête neurale
(A) La CN est induite à la bordure de la plaque neurale. Au début de la gastrulation, la CN est
positionnée à la jonction de la plaque neurale et de l’ectoderme non-neural. Durant la
neurulation, la CN se retrouve au niveau dorsal du tube neural. Chez la plupart des vertébrés,
les cellules de la CN se délaminent et migrent après la fermeture du tube neural. (B) La CN se
différencie en de nombreux types cellulaires. Représentation schématique d’un embryon de
xénope au stade neurula et au stade bourgeon caudal. Les subdivisions majeures de l’axe
antéro-postérieur ainsi que le type de dérivés de la CN provenant des différentes subdivisions
sont indiqués.
Figure 3. Modèle moléculaire de la spécification des feuillets embryonnaires et de
l’induction neurale chez le xénope
Au stade blastula, la combinaison de VegT et β-catenin induit la formation du centre de
Nieuwkoop au niveau du pôle végétal dorsal. Les cellules du centre de Nieuwkoop vont
générer un gradient dorso-ventral de Xnrs qui vont induire les cellules adjacentes à former du
mésoderme. Différents facteurs maternels vont limiter l’activité des Xnrs dans le pôle animal
et spécifier l’ectoderme. β-catenin va induire la formation du centre BCNE dans l’ectoderme
dorsal tandis que la combinaison des Xnrs et de β-catenin induisent le centre de Spemann, au
niveau de la région équatoriale dorsale de l’embryon. Ces deux centres vont générer un
gradient dorso-ventral de BMPs, en sécrétant des inhibiteurs extracellulaires des BMPs et
induire les cellules de l’ectoderme à former du côté dorsal du tissu neural et du côté ventral
de l’épiderme. CNS, système nerveux central; BCNE, Blastula Chordin Noggin Expression
center; β-cat, β-catenin.
Figure 4. Modèle en double gradient d’induction de la crête neurale
(A) Un gradient médio-latéral de BMPs est établi dans l’ectoderme et spécifie la bordure de la
plaque neurale à une concentration intermédiaire. (B) Un gradient antéro-postérieur croissant
de Wnts et FGFs transforme la partie postérieure et latérale de la bordure de la plaque neurale
en future CN. Le niveau des signaux Wnts est maintenu bas dans la partie antérieure de la
plaque neurale par des inhibiteurs extracellulaires comme Dickkopf. A, antérieur; P,
postérieur; M, médial; L, latéral.
Intermediate BMPs activity
Extracellulars signals
+Wnts
NP
Specification
Determination/Maintenance
Neural border
NP/NB TF
Pax3
Zic1
NP
+FGFs
NE
NB/NE TF
Msx1
AP2α
Neural crest
NE
NC specific TF
Snail2
FoxD3
SoxE
Figure 5. Mécanismes moléculaires régulant la spécification de la crête neurale
Une dose intermédiaire de BMPs en combinaison avec des signaux Wnts et FGFs induit
l’expression des gènes de la bordure de la plaque neurale à la jonction de la plaque neurale et
de l’ectoderme non-neural. Ces gènes répartis en deux sous-groupes selon leur domaine
d’expression, vont spécifier la bordure de la plaque neurale. Le premier est exprimé dans la
plaque neurale et en bordure de la plaque neurale (Pax3, Zic1) et le second dans l’ectoderme
non-neural et la bordure de la plaque neurale (Msx1, AP2α). La combinaison de ces facteurs
de transcription induit à son tour l’expression des gènes spécifiques de la CN tels que Snail2,
FoxD3 et les gènes SoxE qui vont déterminer la CN.
A
B
C
Figure 6. Mécanismes contrôlant la transition épithélio-mésenchyme
(A) Les cellules épithéliales perdent leur polarité apico-basale. (B) Changement dans
l’architecture des cellules : perte d’adhésion cellulaire et réorganisation du cytosquelette.
(C) Dégradation de la membrane baso-latérale par des métalloprotéases, délamination et
migration. Les facteurs activés durant l’EMT sont en rouge et les facteurs réprimés en
bleu. TJ, tight junction; GJ, gap junction; AJ, apical junction.
Figure 7. Mécanismes moléculaires impliqués dans la migration des cellules de la crête
neurale
La migration de la CN céphalique est régulée par les Eph/éphrines et les sémaphorines
tandis que la migration de la CN troncale est régulée par les Eph/éphrines, les sémaphorines
et Slit/Robo. Les différents facteurs contrôlant la migration des cellules de la CN sont
montrés. Les flèches représentent les chemins des cellules de la CN en migration.
L’expression des différents facteurs dans les rhombomères (rb), la CN (NC) et le mésoderme
(m) est montrée. De plus, la régionalisation antéro-postérieure de la migration de la CN est
régulée par les Eph/éphrines et les sémaphorines.
Figure 8. Arbre phylogénétique de la famille Hairy and Enhancer of Split
La famille Hairy and Enhancer of Split est divisée en 4 sous-familles : Hairy,
Enhancer of Split, HRT/Hey et Stra13. Hairy2 fait partie de la sous-famille Hairy.
A
B
C
D
cns
e
pr
ba
nb
st 11
E
st 13
fp
nc
st 18
nc
st 10
st 11
st 11.5
st 13
st 14
st 17
st 34
Figure 9. Expression de Hairy2 chez le xénope
(A-D) Profil d’expression spatial de Hairy2 durant le développement. (E) Représentation
schématique de l’expression de Hairy2 durant la gastrulation et la neurulation. Les
stades de développement sont indiqués. nb, bordure de la plaque neurale; fp, plancher du
tube neural; ba, arcs branchiaux; nc, CN; pr, pronéphros; e, œil; cns, système nerveux
central. Les embryons sont montrés en vue dorso-antérieure (A-C, E) ou en vue latérale
(D).
basic
N-term
Orange
HLH
HC
WRPW
intermediate
Figure 10. Représentation schématique de la structure de la protéine Hairy2
Les différents domaines de Hairy2, conservés chez les autres membres de la sous-famille
Hairy, sont indiqués.
Figure 11. Arbre phylogénétique de la famille Stat
La famille des Stats comprend 7 membres chez les vertébrés. Les homologues de Stat3
et des autres Stats chez le poisson zèbre (Dr), le xénope (Fr), l’humain (Hs) et la souris
(Mm) sont montrés.
pSer727
pTyr705
A
N-term
DNA binding
SH2
Stat3α
Coiled-coil
mArg31
Linker
Transactivation
aLys685
B
Stat3β
C
Figure 12. Représentation schématique de la structure de la protéine Stat3
(A) Les différents domaines et les sites de modifications post-traductionnelles de Stat3
sont montrés. Le site de méthylation en Arg31, le site d’acétylation en Lys685 et les sites
de phosphorylation en Tyr705 et Ser727 sont indiqués. (B) L’isoforme tronquée de Stat3
en C-terminal (Stat3β) dont la plus grande partie du domaine de transactivation et le site
de phosphorylation en Ser727 sont délétés, est représentée. (C) Représentation de la
structure tridimensionnelle d’un dimère de Stat3 lié à l’ADN. Les domaines de Stat3, les
sites de modifications post-traductionnelles et la localisation des sites de liaison à de
nombreuses protéines sont montrés.
Figure 13. Mécanismes moléculaires d’activation de Stat3
Représentation schématique des différents mécanismes de phosphorylation de Stat3 au
niveau du résidu Tyr705 en réponse à des signaux extracellulaires. Stat3 est activé par des
récepteurs aux cytokines via des tyrosine kinases, les JAKs. Cependant des récepteurs
aux facteurs de croissance possédants une activité tyrosine kinase intrinsèque (RTKs) et
des récepteurs 7M peuvent activer Stat3 directement ou par l’intermédiaire d’autres
tyrosine kinases (PTKs) comme Src. La phosphorylation de la Tyr705 génère des dimères
de Stat3 qui entrent dans le noyau et se lient spécifiquement à des gènes cibles.
Figure 14. Voie de signalisation canonique JAK-Stat
Phosphorylations séquentielles de tyrosines catalysées par les interactions cytokinesrécepteurs. La dimérisation du récepteur permet la transphosphorylation et l’activation
des JAKs. L’activation des JAKs est suivie de la phosphorylation de l’extrémité Cterminale du récepteur et du recrutement des protéines Stat3 au niveau de leur domaine
SH2. Après phosphorylation en Tyr705, Stat3 dimérise et entre dans le noyau pour activer
ses gènes cibles.
Figure 15. Régulation négative de Stat3
Stat3 est inhibé par de multiples mécanismes dans le cytoplasme et dans le noyau. Les
phosphatases (a) et les protéines SOCS (b) bloquent l’activation de Stat3 dans le
cytoplasme en le déphosphorylant ou en bloquant son interaction avec les récepteurs,
respectivement. Dans le noyau, des phosphatases nucléaires (c) peuvent
déphosphoryler Stat3. L’interaction avec les protéines PIAS (d) qui interagissent avec
Stat3 phosphorylé, bloque sa capacité de se lier à l’ADN et d’activer ses gènes cibles.
De plus, des isoformes de Stat3 tronquées en C-terminal (e) peuvent agir comme
dominant négatif soit en occupant les sites de liaison à l’ADN comme des protéines
non-fonctionelles, soit en se liant à la protéine Stat3 sauvage.
A
B
Figure 16. Régulation du transport nucléo-cytoplasmique de Stat3
(A) Représentation schématique des régions nécessaires à l’importation (NLS : Nuclear
Localization Sequence) et à l’exportation (NES : Nuclear Export Sequence) de Stat3
dans le noyau. (B) L’importine α3 se lie au NLS de Stat3 localisé dans le domaine
coiled-coil et transloque Stat3 dans le noyau. L’exportation nucléaire de Stat3 est
médiée par une exportine, CRM1, qui interagit avec Stat3 au niveau de ses NES. CC,
domaine coiled-coil; DBD, domaine de liaison à l’ADN; PTKs, protéines tyrosine
kinases; PTPases, protéines tyrosine phosphatases.
A
FGF
FGF
Plasma membrane
Plasma membrane
FGFR4
Stat3
Id3
P
Hairy2
Hairy2
FGFR4
Id3
Stat3
Id3
Nucleus
Nucleus
Stat3
P
Stat3 target genes ON
Stat3 target genes OFF
B
Ligand
Ligand
Plasma membrane
Plasma membrane
Receptor
Receptor
X
Stat3
P
Z
Z
Stat3
Nucleus
Nucleus
Y
Stat3
P
Stat3 target genes ON
Stat3 target genes OFF
Figure 1. Modèle moléculaire de la régulation de Stat3
(A) Régulation de Stat3 dans la CN. Stat3 est recruté au niveau de FGFR4 par Hairy2.
FGFR4 phosphoryle Stat3. Stat3 entre dans le noyau et active la transcription de ses gènes
cibles. Ensuite, Id3 inhibe la phosphorylation de Stat3 en bloquant son interaction avec
FGFR4 et Hairy2. Les gènes cibles de Stat3 ne sont plus transcrits. (B) Régulation de
Stat3 : hypothèse générale. Stat3 est recruté au niveau des récepteurs par des cofacteurs
(X) exprimés de manière tissu spécifique. Similairement, Stat3 coopère dans le noyau
avec d’autres facteurs de transcription (Y), exprimés eux aussi de manière restreinte, afin
d’activer un groupe de gènes communs. Stat3 est ensuite bloqué par d’autres facteurs (Z)
qui peuvent agir au niveau de sa liaison aux récepteurs, de son transport nucléocytoplasmique ou de sa capacité à lier l’ADN.
Ectoderm
FGFs
Intermediate BMPs
BMP4
Stat3
Neural plate
border
Neural border genes
Hairy2
Delta1/Notch
Wnts
Id3
Neural crest
Neural crest specific
genes
Figure 2. Modèle d’induction de la crête neurale chez le xénope
Intégration des voies de signalisation FGF, Wnt, BMP et Notch avec Hairy2, Stat3 et Id3 à
la bordure de la plaque neurale. Durant la gastrulation, les FGFs et un niveau intermédiaire
de BMPs induisent la formation de la bordure de la plaque neurale dans l’ectoderme en
activant l’expression des gènes de la bordure de la plaque neurale. Stat3, activé directement
par les signaux FGFs, maintient à l’état indifférencié la bordure de la plaque neurale en
induisant l’expression de Hairy2 qui, à son tour, réprime les gènes spécifiques de la CN et
diminue la transcription de BMP4. Stat3 active aussi l’expression des gènes de la bordure de
la plaque neurale. Ensuite, Hairy2 et Stat3 coopèrent pour induire Delta1, un ligand de
Notch. La voie Notch active ses cibles directes dont Id3 et initie la transition des cellules de
la bordure de la plaque neurale en cellules de la CN. Id3 interagit avec Stat3 et Hairy2 et
bloque leur activité, permettant l’expression des gènes spécifiques de la CN. Les signaux
Wnts sont également requis en aval des FGFs, de Stat3 et de Hairy2 pour induire la CN et
activer les gènes spécifiques de la CN. Les flèches noires pleines représentent des
régulations transcriptionnelles et les flèches noires en pointillés des régulations indirectes.
Les flèches bleues représentent des interactions protéine-protéine.
Developmental stage
Expression in Neural Crest
Neural Border cell
Notch
st. 11
Neural Crest common
progenitor cell
Notch ?
st. 12
st. 13
Notch ?
Chondroblast
st. 14
Notch ?
Chondrocyte
Neuroblast
Notch ?
Neuron
Melanoblast
Melanocyte
Glioblast
st. 32
Sox10
Sox9
Snail2
Id3
Hairy2
Glial cell
Figure 3. Modèle hypothétique de différenciation de la crête neurale chez le xénope
Génération hypothétique des progéniteurs de la CN à partir des cellules de la bordure de
la plaque neurale. Le mécanisme moléculaire centré sur Stat3 pourrait être utilisé par les
différentes populations de cellules pour proliférer et se différencier successivement en
progéniteurs de la CN, en progéniteurs restreints (chondroblastes, neuroblastes,
mélanoblastes et glioblastes) et en cellules différenciées telles que les chondrocytes,
neurones, mélanocytes et cellules gliales. Notch pourrait jouer le rôle d’initiateur des
différents programmes de différenciation. Le moment d’expression de certains facteurs
de transcription importants dans la CN est montré. Hairy2, Id3, Snail2, Sox9 et Sox10
sont exprimés respectivement aux stades 11, 12-12.5, 12, 12-12.5 et 14. Les flèches
blanches indiquent le renouvellement cellulaire des différents progéniteurs.