Bases moléculaires du développement

Bases moléculaires du développement
Jusqu'à maintenant, nous avons fait de l'embryologie descriptive cad macroscopique mais tout ces
changements de formes sont liés à des changements tissulaires, eux-mêmes liés à la vie des cellules
(différenciation, migration, mort..), liée au fonctionnement des molécules. Le fait que des
changements moléculaires entrainent des changements macroscopiques s'appelle la morphogénèse.
Chez la drosophile, par exemple, la mutation des gènes entraine des malformations. Le gène code
donc pour une molécule du développement qui est indispensable : c'est le concept de gène de
développement. Ces molécules de développement sont impliquées dans :
●
la prolifération cellulaire
●
la migration cellulaire
●
la diffèrenciation cellulaire
●
les intéractions et inductions
●
l'apoptose
Les produits des gènes du développement découverts chez les invertébrés à partir de leurs mutations
sont conservés chez les vertébrés dont l'homme. C'est la notion de conservation phylogénétique des
mécanismes du développement (même cascade de molécules).
I. Les facteurs de transcription
Ce sont des molécules majeures dans la différenciation cellulaire. Ce sont souvent des protéines qui
peuvent intéragir par un motif d'AA avec l'ADN et donc avoir une action sur la transcription des
gènes cad sur le contenu et donc sur la différenciation cellulaire.
A. Motif hélice-coude-hélice
C'est un morceau de protéine capable de se lier à l'ADN. Il possède 2 hélices α : une courte en
Nterm et une longue en Cterm. Entre les 2, il existe un coude d'AA qui donne sa
conformation repliée à la molécule. C'est par la grande hélice en Cterm que la molécule
se fixe sur un site concentrique spécifique de l'ADN. Tandis que la petite hélice en
Nterm organise la conformation générale. 2B.
Cette molécule peut rester isolée ou alors s'associer à d'autres pour former un motif
+ compliqué :
●
●
●
l'homéodomaine qui code pour l'homeobox est formé de 3 hélices α : 2 faisant
partie du motif HCH et 1 n'étant pas intégrée au motif. L'hélice 3 en Cterm et
l'hélice 2 appartiennent au motif HCH alors que l'extrèmité Nterm, en amont
de la 1ère hélice, sert à fixer, maintenir et favoriser l'intéraction en
présentant le motif de liaison à l'ADN. 3A.
Le domaine POU est un facteur de transcription lié à un facteur de croissance.
Il est constitué d'un homéodomaine et d'autres motifs qui permettent une
intéraction avec l'ADN a 2 endroits et donc la renforce. 3A.
Le gène PAX a un rôle important dans la morphogénèse. Il est formé d'un
homéodomaine et d'un domaine pared.
B. Motif leucine zipper
Il a la forme d'une épingle à linge et est formé d'une hélice α à pas grand. Les
leucines sont dimérisées, de motif identique. Celui-ci se plante sur l'ADN pour
intéragir sur 2 sites symétriques : c'est une intéraction en dimère. 3B.
C. Motif à doigts de zinc
Il se trouve dans un facteur de transcription activé par des hormones stéroïdes. Il
est formé d'une hélice α, de 2 feuillets β et entre, il y a 2 histidines (his) et 2
cystéines (cys) tenues par un atome de Zn. Ces motifs se mettent en série et les
protéines qui les portent peuvent s'associer sur de multiples sites à l'ADN ce qui
forme une intéraction très prolongée et spécifique. 3B.
D. Motif hélice-boucle-hélice
IL est formé de 2 hélices α : une courte et une longue comme le motif HCH mais il
possède plus + d'AA et cette longueur plus importante forme la boucle de ce motif.
De +, ces motifs se dimèrisent pour intéragir avec l'ADN par leur longue hélice α en
Cterm un peu aussi comme une épingle sur des sites symétriques. 4A. C'est un motif
particulier qui existe sur tous les facteurs de transcription qui régule la myogénèse.
Le développement du muscle se fait par la différenciation de cellules indifférenciées
en cellules remplies de toutes les protéines filamenteuses qui font la contraction. Ces
protéines sont synthétisées par cette cascade régulée par des gènes qui code pour
ces facteurs de transcription à HBH.
II. Signalisation cellulaire
C'est l'ensemble des interactions de cellules à cellules. C'est le support de l'induction
qui est l'action d'une cellule qui va interagir avec un facteur qui agit sur le récepteur
d'une cellule cible. Le facteur va déclencher une cascade de signalisation qui entraine
des modifications de la différenciation cellulaire. Ceci servira à une nouvelle
acquisition ou au maintient.
Il existe 2 sortes de ces facteurs qui sont sécrètés par ces cellules inductrices et qui
agissent sur ces cellules cibles. Ces facteurs sont appelés des ligand. Ils sont soit :
●
●
Liposolubles. Ce sont e général des hormones qui sont transportées dans le sang
ou le tissu interstitiel par un transporteur puis relâchées face à la membranes
de la cellule cible. Dans la cellule cible, elles sont captées par un récepteur
spécifique ce qui permet la translocation dans le noyau où le facteur sera à
nouveau libéré pour intervenir en tant que facteur de croissance. 4B.
Hydrosolubles. Ils sont véhiculés dans le sang et le liquide interstitiel ce qui
permet la communication de cellules très proches : c'est une action paracrine.
Ils interagissent avec la cellule via un récepteur transmembranaire.
L'activation du récepteur entraine le déclenchement de synthèse, la
modification de molécules... une cascade de signal intracellulaire qui peut avoir
de multiples effets même dans le transport nucléaire (facteur de croissance).
4B.
A. Les ligands
Il existe une très grande famille de ligand qui est les facteurs de croissance.
1. Facteurs de croissance
Ce sont des dipeptides diffusibles qui ont été décrits car dans la multiplication cellulaire, il y a +
que la seule action mitogène, il y a aussi la différenciation, la migration, l'apoptose... Ces facteurs
de croissance sont regroupés dans de multiples familles en fonction du type de cellules qui les
fabriquent ou vers lesquelles ils sont particulièrement dirigés :
●
EGF = epidermal growth factor. Ils ont un rôle important.
●
Fibroblaste GF. Il en existe 23, ils ont des rôle précis et divers
●
IgF = insulin like GF. IgF1 sert dans la multiplication des chondrocytes et leur croissance en
longueur.
●
Superfamille des Tgβ qui sont des facteurs de croissance tel que :
–
BNP = bone morphogenic protein qui aide les fibroblastes à devenir des chondroblastes pour
construire l'os.
–
Actinine
–
MIF qui intervient dans la différenciation sexuelle.
La fonction principale des facteurs de croissance est l'implication dans les interactions entre les
cellules épithéliales et le TC. C'est l'interaction épithélio-mésenchymateuse. Par exemple, pour le
développement des poumons, il faut que le mésenchyme pousse sur l'épithélium. Le fibroblaste
secrète des facteurs de croissance qui agissent sur les cellules épithéliales et les ces cellules
fabriquent aussi un ou plusieurs facteurs de croissance qui agissent sur les fibroblastes et forme la
paroi. Tous les organes à tuyaus vont se développer grâce à l'induction des cellules, l'intéraction
épithélio-més.
2. Sonic Hedghog (SHH)
Il est codé par un gène équivalent au gène de la drosophile qui a un rôle important dans la
segmentation de la mouche. L'homme possède 3 gènes de la famille Hedghog dont sonic. Celui-ci
code pour un facteur qui va être synthétisé par une cellule. Le peptide actif SHH va se fixer sur le
cholestérol. Ceci est indispensable à l'action du ligand. SHH est libéré avec son cholestérol sur les
cellules cibles où il se fixe au récepteur patched qui libère ainsi le récepteur smoothened qui
entraine la cascade intracellulaire. Cette cascade de smoothened active le facteur de transcription
GLI qui entre alors dans le noyau et donne effet au signal soluble. S'il y a une mutation sur un de
ces gènes, les malformations qui en sont la conséquences sont voisines.5A
3. Acide rétinoïque
C'est une molécule importante dans le développement précoce. C'est un dérivé du rétinol(=vitamine
A). Le rétinol pénètre dans le cytoplasme et est envoyé par différents transporteurs jusqu'à ce que
l'acide rétinoïque soit libéré dans le cytoplasme cellulaire, ou via un récepteur il est transporté dans
le noyau et se fixe à deux récepteurs fusionnés qui vont interagir sur une séquence spécifique dite
"séquence rare". Ceci entraine des effets multiples. Comme SHH, l'acide rétinoïque agit très tôt.
SHH s'exprime dans beaucoup de tissus (la chorde, l'intestin primitif) et a un rôle important dans le
développement du SNC, la construction du cerveau et de la partie motrice de la moelle. Toute
mutation entraîne des malformations. 5A
4. Ligand Delta
Le ligand delta s'associe spécifiquement au récepteur Notch. Ce n'est pas un ligand diffusible, il est
attaché à la membrane cellulaire et pour agir il doit donc activer Notch, il faut donc que les cellules
soient rapprochées: c'est une induction de contact. Par exemple, dans la différenciation des
neurones, la différenciation des cellules accolées aux neurones est inhibée par l'action du ligand
delta car ces cellules possèdent le récepteur Notch. Ces cellules ne sont pas différenciées et donnent
des cellules périphériques. 5B.
B Récepteur transmembranaire
1. Récepteurs à protéines G
Ils peuvent se lier aux facteurs de croissance et vont comprendre un récepteur à 7 domaines
transmembranaires où se fixent les ligands. La fixation du ligand entraîne la fixation du récepteur à
la protéine G, ce qui entraîne l'activation de la protéine G. Celle ci active une enzyme qui appartient
au complexe du récepteur, c'est l'adénylate-cyclase. La fixation entraîne donc une augmentation de
l'AMP c (principalement) mais il peut aussi y avoir une inactivation de l'adénylate cyclase. 6A.
2. Récepteurs à activité enzymatique
Ils fixent le ligand avec:
●
Un domaine extra-cellulaire spécifique du ligand
●
Un domaine trans-membranaire d'amarrage à la membrane cellulaire
●
Un domaine intra-cellulaire qui contient l'enzyme qui sera activée par l'arrivée du ligand (ce
sont en général des kinases)
La fixation du ligand entraîne une dimérisation des récepteurs qui active la kinase et ceci entraîne
des phosphorylations. 6B
a) Le récepteur à tyrosine-kinase.
Le domaine intra-cellulaire comporte de nombreuses tyrosines qui vont être phosphorylées en
premier par les kinases. Par exemple le FGF dans le liquide extra-cellulaire s'accroche aux protéoglycanes ce qui permet la présentation aux cellules. Le récepteur fixe le FGF, il y a une dimérisation
qui entraine un signal. 6B. Les domaines intra-cellulaires sont spécifiques des différentes familles
des facteurs de croissance; il y a donc une extrème diversité. 7A.
b) Le récepteur à sérine-thréonine kinase.
Ce sont les récepteurs attitrés de la superfamille.
III- Adhérence cellulaire.
Les molécules qui permettent l'adhérence cellulaire permettent aussi la communication cellulaire
par le rapprochement de ces cellules. Cette adhérence, donc interaction, a deux grands intérêts:
●
La
reconnaissance de cellules identiques qui permet le groupement de cellules donc la
cohérence d'un tissus.
●
L'interaction avec la matrice, c'est le rôle de la migration cellulaire ( grastrulation, crête
neurale et TIV)
A- adhérence entre cellules et matrice.
Elle se fait par les intégrines qui sont des molécules transmembranaires attachées à l'intérieur de la
cellule par le cytosquelette. Elles possèdent aussi un domaine extra-cellulaire qui varie beaucoup, il
correspond à un récepteur à différentes molécules de la matrice extra-cellulaire. En fonction du type
de récepteur qu'il y a dans la cellule, l'intégrine s'attache à telle ou telle matrice, ce qui peut
entraîner une migration ou non. Tout ceci a un rôle important dans la construction de l'épithélium,
dans la migration...
B- Adhérence entre cellules
1- Les cadhérines
Elles ont besoin de calcium (Ca++) et elles ont un domaine intra-cellulaire qui s'accroche au
cytosquelette et un domaine extra-cellulaire qui correspond au récepteur permettant la
reconnaissance de la cellule. Exemple: E-cadhérine reonnait et s'accroche au L1Cam
2- La superfamille des immunoglobulines
Elles sont indépendantes de la présence de Ca++ et possèdent un domaine intra cellulaire,
transmembranaire, et extra-cellulaire. Elles forment des boucles qui sont liées par des cystéines
(pont diS) ce qui leur donne leur structure particulière. Exemple: N-Cam est importante dans la
différenciation cellulaire du SNC ( mutation de N-Cam peut entraîner des malformations du SNC)
et la guidance axonale (guide la croissance des axones). Avant la gastrulation, le tissu superficiel de
l'embryon va porter des récepteurs au N-Cam qui donnent la cohérence au tissus et quand la
gastrulation commence, les cellules épithéliales deviennent des cellules mésenchymateuses (MIE)
et perdent ainsi leurs molécules d'adhérence cellulaire. C'est la transition épithéliomésenchymateuse.
IV. Exemples
A. Latéralité gauche-droite
On observe celle qui est évidente par la dissymétrie (coeur à gauche). L'acquisition de cette
latéralité se fait à 2 mois. La perte de symétrie se fait à J25 lorsque le tube cardiaque fait une boucle
(se plicature) qui possède toujours une convexité sur la droite. C'est le 1er évènement
morphologique qui définit un côté gauche et un côté droit. C'est un évènement macroscopique qui
est néanmoins préparé par les molécules. Cette boucle définie le situs viscéral qui peut être :
●
normal, on parle alors de solitus (pointe du coeur à gauche, foie à droite,etc...)
●
miroir, il se dit alors inversus (boucle à gauche)
●
une cause de malformation, on le dit alors embigus.
Une mutation de ces molécules peut entraîner une modification du situs. Toute anomalie du situs
s'appelle une hétérotaxie.
La forme de la boucle apparait à J25 mais le déterminisme moléculaire de l'assymétrie est plus
précoce, il se fait à partir du NH. En effet, les cellules du NH portent des cils mobiles qui battent et
entretiennent un flux liquidien vers la gauche. La migration de facteurs de croissance dont FGF8
vers la gauche, induit une différenciation sur la lèvre gauche du NH par l'expression du gène SHH.
Sur la droite, le gène exprimé est celui du récepteur à l'activine par un autre facteur de croissance.
L'expression de ces 2 gènes entraîne l'expression de gènes caractéristiques du côté gauche et de
même à droite. La vie moléculaire va être différente du côté droit et du côté gauche. Ceci explique
la plicature à droite. 8A.
Cette cascade de signalisation a été découverte par l'étude de situs inversus qui montraient des
problèmes de cils (difficulté respiratoire, stérilité...). Ainsi on remonte jusqu'à des gènes qui
interviennent dans le situs.
B. Induction neurale.
Elle se fait lors de la naissance du neurectoblaste qui se passe pendant la gastrulation par la
différenciation de cellules de l'ectoblaste superficiel. Cette différenciation donnera, au centre, la
plaque neurale tandis que le reste donnera l'épiderme. Sous l'ectoblaste, circule BMP4 qui trouvera
des récepteur que en dehors de la chorde. En effet, celle-ci synthétise un autre facteur diffusible
appelé chordin qui peut fixer les récepteur au BMP4 et ainsi empêcher la fixation de celui-ci. Les
cellules où pourra agir BMP4 donneront de l'épiderme par induction de la différenciation de ces
cellules. Les cellules où BMP4 ne peut agir donneront du neurectoblaste. La différenciation de ce
tissu est donc un différenciation par défaut. 8B.
C. Organisation antéro-postérieure.
Elle correspond au fait que l'embryon possède une différenciation spécifique du corps par la
segmentation, les étages...Mais à l'intérieur de chaque segments, il existe aussi une organisation
spécifique. Cette organisation est sous la dépendance de gènes qui codent pour des facteurs de
transcription à homéodomaine : ce sont les gènes HOX. La mouche a 2 segments du milieu du
thorax. Si le 3ème segment non thoracique se transforme en un 2ème segment thoracique, il ya une
différenciation homéotique et un segment est pris pour un autre. 9A. Les gènes responsables de
cette mutation sont les homeobox qui organise la structure de la drosophile dans le sens antéropostérieur en s'exprimant dans les différents segments. Un gène va donner l'identité morphologique
du segment. Il y a une conservation phylogénétique de ces gènes car, chez l'homme, il existe 4
complexes HOX qui donne la morphologie d'autres segments. 9B.
L'embryon humain exprime ces gènes HOX dans tous les tissus. Les territoires d'expression
définissent des segments connus chez l'homme. Les gènes HOX définissent donc la même chose
chez la drosophile ou chez l'homme. Lors du développement des membres, les gènes HOX ont une
expression différentielle qui font que l'homme possède 5 doigts, par exemple. Ces gènes ont une
grande importance dans la morphogénèse précoce, la différenciation des tissus pour donner la forme
des tissus. 10A.
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