Développement du système nerveux
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Développement du système nerveux Induction neurale et formation de patrons Images tirées de « Fundamental Neuroscience », ©Academic Press, 1999 Traduction et présentation, © Claude Messier, 1999 Il y a trois stages dans le développement du système nerveux des vertébrés • L’ induction neurale • La neurulation • La formation de patrons neuraux Induction neurale • L’ induction neurale est le processus qui détermine une région de l’ ectoblaste embryonnaire qui deviendra la plaque neurale sur la surface dorsale de l’ embryon. neurulation • La neurulation est un processus morphogénétique durant lequel la plaque neurale forme le tube neural donnant ainsi au système nerveux sa forme et sa position finale dans l’axe dorsal de l’ embryon. formation de régions neurales • Le dernier processus, le plus complexe, est la formation de régions neurales. Ce processus implique une série d’ interactions inductives par lesquelles le tube neural est divisé en régions distinctes qui formeront les régions distinctes du système nerveux vertébré Vue latérale A futur épiderme Ectoblaste futur tissu nerveux Mesoblaste Endoblaste Mésoblaste préchordal Futur tissu nerveux Mésoblaste chordal Endoblaste TC ME M T Mésoblaste antérieur (préchordal) T:télencéphale M:mésencéphale TC:tronc cérébral ME:moëlle épinière lèvre du blastopore B C T/M TC ME Mésoblaste dorsal (organisateur) futur épiderme a n t é r i e u r Vue dorsale mésoblaste chordal ventral p o s t é r i e u r T/M TC ME antérieur ectoblaste placodal T M TC ME plaque neurale postérieur replis neuraux future plaque basale Développement initial de l ’embryon Donneur Receveur (non-pigmenté) (pigmenté) Plaque neurale primaire Plaque neurale secondaire Expérience démontrant l’importance de l’organisateur de Spemann. Celui-ci initie la formation de tissu nerveux en induisant l’ectoblaste dorsal à former un épithélium neurogénique plutôt que la différentiation épidermique. Axe embryonnaire primaire Tube neural Somite Notochorde rein intestin Cellules non-pigmentées du donneur L’ inducteur neural hypothétique a intestin stimulé un grand nombre de rein recherches Notochorde Somite Tube neural Axe embryonnaire secondaire l’organisateur de Spemann La recherche des inducteurs • La découverte que l’ ectoblaste pouvait être « neuralisé » par une variété de tissus, extraits de tissu et diverses molécules purifiées était problématique. • Ces subtances inductrices furent appelées “inducteurs artificiels” ou activateurs. • L’ ectoblaste semble préprogrammé à former du tissu nerveux et demande qu’à être activé dans cette direction. FCP TGF-ß-like • Une famille de polypeptides apparentée au facteur de croissance transformant (TGF- ß) appelés facteurs de croissance polypeptidique (FCP) TGF-ß-like semblent être des médiateurs des interactions tissulaires qui contrôlent le développement initial de l’ embryon. Exemples de FCP TGF-ß-like • activine • inhibitine • BMP-2 • BMP-4 Une expérience • Si l’on extrait des parties d’ectoblaste et on les placent en culture, les cellules se développent en cellules épidermales. • Si l’on dissocie les parties d’ectoblaste en cellules isolées, les cellules dissociées se développent en cellules nerveuses. • Les FCP TGF-ß-like BMP2 et BMP-4 vont induire le développement en cellules épidermales des cellules dissociées. Conclusions • L’ectoblaste sécrète les BMP • Les BMP épidermisent les cellules • Les inducteurs neuraux bloquent les effets des BMP et induisent par cette action les tissus nerveux • Trois inducteurs neuraux sont étudiés – la follistatine – la noggine – et la chordine Expression d’un inducteur neural Expression de l’ARN de chordine dans un embryon de poulet futur tissu nerveux noeud de Hensen (l’organisateur) ligne primitive Épiblaste Conclusions-1 • Chez les embryons de vertébrés, le système nerveux est originaire d ’une région de l ’ectoblaste qui est induite à se développer en neuroépithélium plutôt qu’en épiderme. • L ’ectoblaste se transforme en tissu nerveux en réponse à des signaux issus de l ’organisateur. Conclusions-2 • Les BMP épidermisent les cellules. • Les inducteurs neuraux bloquent les effets des BMP et induisent par cette action les tissus nerveux. • Le rôle exact de ces inducteurs reste inconnu pour l’instant Morphogénèse neurale initiale • Durant la neurulation primaire, la plaque neurale se plie au milieu et sur les côtés puis deux parties latérales s’élèvent et se fusionnent pour former le tube neural. • Le tube neural forme à ce moment une entité séparée de l ’ectoblaste non-neural. • Durant la neurulation primaire la spécialisation initiale de d’autres tissus se produit pour former les yeux, le nez, les oreilles et les neurones qui formeront le cerveau. Neurulation chorde replis neuraux crêtes neurales point d’ancrage épiderme latéral point d’ancrage médian épiderme tube neural crête neurale (ganglion sensitif de la racine postérieure Exemple de neurulation primaire • La formation de l’oeil débute par une invagination bilatérale de l’épithélium du tube neural au niveau du diencéphale pour former les vésicules optiques primaires • Le cupule de l’oeil entre en contact avec la surface de l’ectoderme adjacent pour former le cristallin. Épithélium du tube neural diencéphale Développement de l’oeil Ectoblaste de la tête Vésicule optique primaire Vésicule optique Vésicule du cristallin rétine pigmentaire rétine neuro-sensorielle nerf optique embryonnaire cristallin La morphogénèse requiert l’adhésion différentielle des cellules • L’adhésion différentielle des cellules est une propriété des tissus embryonnaires qui contribue au processus morphogénétique durant le développement initial du système nerveux. Une expérience • On sépare et isole les groupes de cellules destinées à devenir l’épiderme ou le système nerveux. • Puis on mélange les deux types de cellules • Par la suite, les deux populations de cellules se sont rassemblées et ré-organisées en structures tissulaires appropriées. • Les cellules épidermales reforment un épiderme à l’extérieur alors que les cellules neurale ont formées un tube neural à l’intérieur. Conclusions • L’adhésion différentielle des cellules joue un rôle important dans la formation de la crête neurale en facilitant la dissociation de l’ectoblaste en tissus neuraux et tissus épithéliaux et en changeant les propriétés des cellules neurales pour leur permettre de migrer et former le tube neural. La formation de patrons neuraux • La plaque neurale est un feuillet de cellules épithéliales qui sont homogènes au point de vue morphologique et cytologique. • À la fin de la formation du tube neural, on voit apparaître une série de constrictions qui divisent le tube neural en télencéphale, diencéphale, mésencéphale et rhombencéphale. Régionalisation du cerveau de l ’embryon de poulet Stage 6 Stage 12 T:télencéphale M:mésencéphale TC:tronc cérébral R: Rhombencéphale Régionalisation • Le tube neural continue ensuite de se subdiviser, produisant une série de renflements segmentés appelés neuromères. Caudalement, le tube neural devient un cylindre plus étroit qui est le précurseur de la moëlle épinière. Régionalisation • L ’épithélium neural produit ensuite une énorme diversité de types cellulaires spécifiques à chaque sous-région. • De plus les différents sous-groupes de neurones apparaissent à des endroits et des moments pré-déterminés. Interrogations ??? • Comment les cellules connaissentelles leur position? • Comment cette position est-elle encodée? • Comment cette information estelle utilisée par la suite pour la différentiation cellulaire et la migration tissulaire. Le système nerveux est organisé suivant deux axes principaux et un axe mineur • L ’axe antéropostérieur (rostrocaudal) • L ’axe médiodorsal • et l ’axe mineur: l ’axe intérieurextérieur. Celui ci a une moins grande contribution au développement. La formation de l’axe antéro-postérieur implique l ’établissement d ’une polarité • L ’établissement de la polarité du futur système nerveux semble associé à l ’établissement de l ’axe principal du corps durant le développement embryonnaire initial. • Bien que l ’on connaisse très peu les mécanismes permettant la formation des axes principaux, on suppose que l ’axe est initié par une interaction entre l ’organisateur (Le noeud de Hansen) et l ’ectoblaste Différentiation • Durant la gastrulation, le tissu de l ’organisateur caudal se retrouve sous la partie caudale de la plaque neurale où il se différentie en une structure en forme de tige appelé le notochorde (ou le chorde). La région du mésoblaste dorsal est appelé le mésoblaste chordal et il est dessous la portion de la plaque neurale qui deviendra le mésencéphale, le tronc cérébral et la moëlle épinière. • Le tissu de l ’organisateur se retrouve sous la portion antérieure de la plaque neurale et du chorde. Il se différentiera en mésoblaste préchordal qui deviendra le télencéphale. T M TC organisateur ME Krox20(TC) En-2 (M/TC) ga ni sa te ur ME TC M T Sandwich de Keller T:télencéphale M:mésencéphale TC:tronc cérébral ME:moëlle épinière Une autre expérience or Hox B1(ME) Expérience de Einsteck Mésoderme de la tête=transplant +(1) Deux têtes Mésoderme de la queue=transplant +(4) Deux queues Expérience de Einsteck • Les expériences de einsteck de Otto Mangold, dans lesquelles des portions des différents mésoblastes le long de l ’axe antérieur/postérieur ont été inséré dans le blastocoel sera la démonstration de la présence de différents inducteurs neuraux dans les différentes régions du mésoblaste dorsal. • Pour l’instant, on ne connaît pas l’identité de ces différents inducteurs. Résumé • La plaque neurale est divisée très tôt selon l’axe antérieur/postérieur en: – la plaque préchordale qui sera le télencéphale – et la plaque épichordale qui formera le mésencéphale, le tronc cérébral et la moëlle épinière • Les effets combinés des différents inducteurs neuraux produisent la polarité antérieure/postérieure qui sera raffinée durant les étapes ultérieures. • Des inducteurs neuraux qui agissent de façon à neuraliser l ’ectoblaste semblent responsables de l’induction de la plaque neurale préchordale alors que des signaux supplémentaires sont nécessaires pour l’induction de la plaque neurale chordale. Les régions développementales du système nerveux central sont définis par l’expression de gènes différents impair pair impair Étape 8-9: expression des gènes pair/impair Étape 9-10: restriction des lignées de cellules par affinité différentielle Étape 13: spécialisation des rhombomères et formation des limites L’expression génique semble limiter les futurs territoires de développement D T M r1 SC N Diagramme d ’un embryon au stage du tube neural montrant les domaines d ’expression des gènes « sonic hedgedog » (rouge), « engrailed » (bleu), « Wnt-1 » (jaune) et « Fgf8 » (vert) T=Télencéphale; D=Diencéphale; MO= Moëlle épinière; N= Notochorde; r1=rhombomère 1. Embryon stage 16 9. moëlle épinière 10. main 1. Arches branchiales 2. hémisphères cérébraux 4. télencéphale 5. tronc cérébral 6. mésencéphale “Brain & Spinal Cord”, ©M.A. England et J. Wakely, 1991 Une fois ces territoires délimités, les cellules progénitrices de la crête neurale se différencient et se multiplie pour ensuite migrer à l ’intérieur de leur territoire respectif m r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 b1 b2 b3 Embryon 6 semaines 4. 5. 6. 8. télencéphale tronc cérébral mésencéphale moëlle épinière “Brain & Spinal Cord”, ©M.A. England et J. Wakely, 1991 Embryon 10 semaines & Spinal Cord”, 1. noyau caudé 4. capsule interne “Brain ©M.A. England et J. Wakely, 1991 2. plexus choroïde 5. tronc cérébral 3. sulcus hypothalamique 6. noyau lentiforme Développement séquentiel du cerveau (vue latérale) Ca. 11-12 semaines Cb. 13-14 semaines Cc. 17-18 semaines Cd. 6-7 mois 1. 2. 3. 4. 6. 8. scissure centrale cervelet lobe frontal insula lobe occipital lobe temporal “Brain & Spinal Cord”, ©M.A. England et J. Wakely, 1991 FIN ial iam cam mlf point de sortie brm cva idl idm cdm i=ipsilatéral c=controlatéral a=ascendant d=descendant m=faisceau longitudinal médian l= faisceau longitudinal latéral exemple: ial= ipsilatéral ascendant dans le faisceau longitudinal latéral Commissure postérieure prétectum D4 D3 Épithalamus mésencéphale D2 sm sulcus limitans Thalamus dorsal 3ième nerf crânien Zli D1 Thalamus ventral Wnt-3/Gbx-2 Dlx Otx sm: stria medullaris Zli: Zona limitans intrathalamica Carte des plaques neurales d ’amphibien et de poussin rétine diencéphale mésencéphale a b c d e rhombencéphale moëlle épinière Chez les deux espèces, l ’infundibulum et l ’hypothalamus sont issus de la portion médiane rostrale de la plaque neurale. Le télencéphale provient de la partie plus postérieure et latérale (plus tard dorsale) de la plaque neurale. a=placode nasale; b=placode hypophysaire; c=placode olfactive; d=position présumée du bec; e=position présumée du diencéphale. Croissance des axones moteurs et migration de la crête neurale dans la région du tronc de l ’embryon de poulet Ganglion de la racine dorsale Tube neural Dermatome Somite Myotome Sclérotome notochorde Racine ventrale (motrice) ganglion sympathique aorte apoptose CN ? msx-2 ? r2 Bmp-4 r4 Follistatine Krox-20 pair impair pair 1 1 2 3 n’ n’ n 5 4 3 2 n plaque basale Neurone moteur Neurone moteur HNF3ß lsl-1 n n n n n n n n n n n n SHH n n n n n N C n n n n lsl-1 TC M N D T ME Développement initial d ’un embryon vertébré A) Stage blastulaire B) Midgrastulation C) Gastrulation terminée A)
