Organogenèse du système nerveux

CAPES 2006-2007
Organogenèse du système nerveux
cours: Christine Laclef
Introduction
I. Induction neurale
A- Mise en évidence par l’expérience de Spemann et Mangold en 1924
B- Signaux moléculaires impliqués dans l’induction neurale
1) Signaux verticaux: inhibiteurs de BMP
2) Signaux horizontaux: FGF, RA et Wnt
II.Neurulation
A- Formation du tube neural
B- Changement de forme et d’adhésivité des cellules
II. Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
A- Les subdivisions du cerveau
B- Molécules de signalisation et centres organisateurs
C- Rôle des gènes Hox
III. Régionalisation dorso-ventrale du tube neural
IV. Différenciation neuronale
A- Détermination des neuroblastes
B- Migration des précurseurs neuronaux
C- Projection et guidage axonal: exemple de l’oeil
1
D’où venons nous?
50 000 milliards de cellules
350 types cellulaires
Comment une cellule unique peut-elle être à l’origine d’un organisme
aussi complexe que le notre?
2
Engagement progressif des cellules dans une voie de différenciation
Cellule totipotente -> pluripotente -> spécifiée -> déterminée -> différenciée
3
Engagement progressif des cellules
ectodermiques dans une voie de
différenciation
4
Engagement progressif des cellules dans une voie de différenciation
La cellule du territoire B placée dans un
milieu de culture neutre se différencie
conformément à sa destinée initiale:
-> cellule B spécifiée
Témoin
5
Engagement progressif des cellules dans une voie de différenciation
Si la cellule B spécifiée placée
dans un environnement différent
peut changer de destinée:
-> cellule B non déterminée
Une cellule spécifiée est
engagée de façon réversible
dans une voie de différentiation
Si la cellule B spécifiée placée
dans un environnement différent
ne peut pas changer de destinée:
-> cellule B déterminée
Témoin
cellule B
spécifiée
Une cellules déterminée est
engagée de façon irréversible
dans une voie de différentiation
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Différents modes de spécification des cellules embryonnaires
Spécification cellulaire autonome
-> pas d’interaction cellulaire
- Développement en mosaïque -
Spécification cellulaire par induction
-> interactions cellulaires indispensables
- Développement à régulation Importance relative de ces 2 modes de spécification cellulaire
variable d’une espèce à l’autre
7
La spécification cellulaire autonome
s’observe lorsque dans une cellule des molécules cytoplasmiques ont une répartition
hétérogène. Des divisions asymétriques génèrent des cellules filles dont l’héritage
cytoplasmique est différent et qui de ce fait s’engagent dans des voies de
différenciation différentes.
-> pas d’interaction cellulaire
--> Développement en mosaïque: dès un stade précoce, les cellules ne peuvent
évoluer que vers leur destin normal. Chaque partie de l’embryon se développe
8
indépendamment des autres, les interactions cellulaires sont limitées.
La spécification cellulaire par induction
s’observe lorsque dans une cellule reçoit de son environnement les informations
nécessaires à son engagement dans une voie de différenciation particulière. La
position relative des cellules est très importante
-> Interactions cellulaires
indispensables
--> Développement à régulation: les potentialités cellulaires sont beaucoup plus
importantes que celles qui s’expriment au cours du développement normal.
9
 Système nerveux: réseau de neurones
 Neurone: cellules excitables, propageant
un signal électrique le long d'extensions
cellulaires (dendrites et axones) et
interagissant avec les cellules voisines via des
synapses (électriques ou chimiques).
-> Caractéristiques cellulaires conservées au
cours de l’évolution.
Chez les vertébrés:
Système nerveux central
- Cerveau
- Moelle épinière
Système nerveux périphérique
- Sympathique
- Parasympathique
10
 Le système nerveux périphérique
11
 Le système nerveux central
12
Chez les vertébrés
Diversité des formes
Conservation des subdivisions
homme
souris
oiseau
poisson
13
I – Induction neural
 Organisme modèle: le xénope
14
A- Première mise en évidence du phénomène d’induction au cours du développement
 Expérience de Spemann & Mangold (1924)
15
A- Première mise en évidence du phénomène d’induction au cours du développement
 Expérience de Spemann & Mangold (1924)
16
Induction neurale
 Caractéristiques de l’induction neurale:
-> Spécificité régionale de l’induction neurale
mise en évidence par transplantation de
différentes régions de mésoderme axial:
17
Induction neurale
 Caractéristiques de l’induction neurale:
-> Action inductrice de la lèvre dorsale du blastopore variable au cours du temps:
Transplantation de lèvre dorsale du blastopore
donneur: stade précoce
donneur: stade tardif
18
Induction neurale
 Caractéristiques de l’induction neurale:
-> Détermination de l’ectoderme
au cours de la gastrulation chez un
urodèle:
19
Induction neurale
 Caractéristiques de l’induction neurale:
-> Détermination de l’ectoderme au cours de la gastrulation chez un urodèle:
20
Induction neurale
 Caractéristiques de l’induction neurale:
Exp: mise en culture des
cellules de la calotte animale
- cellules en explant
- cellules dissociées
- cellules dissociées + BMP4
CCL: Induction neurale
= levée d’inhibition
= voie de différenciation par
défaut en absence de BMP
21
B- Signaux moléculaires impliqués dans l’induction neurale
Modèle d’induction neurale en deux étapes:
activation-transformation
proposé par Nieuwkoop (1952)
1- induction neurale (neurectoderme antérieur)
par des signaux verticaux
2- postériorisation
par des signaux horizontanx
22
B- Signaux moléculaires impliqués dans l’induction neurale
1- induction neurale par des signaux verticaux: Inhibiteur de BMP4
23
B- Signaux moléculaires impliqués dans l’induction neurale
1- induction neurale par des signaux verticaux: Inhibiteur de BMP4
24
 Voie de transduction des signaux BMP
25
B- Signaux moléculaires impliqués dans l’induction neurale
2- Induction neurale par les signaux horizontaux:
- les rétinoïdes
- les FGF
 Effet postériorisant de ces molécules
- les Wnt
Ex: Rôle des rétinoïdes
-Dérivés de la vitamine A.
-Produits dans le mésoderme paraxial (somitique).
-Chez tous les vertébrés, un excès d’acide
rétinoïque conduit à la perte de la tête et à une
expansion du rhombencéphale postérieur et de la
moelle épinière.
-Une carence en rétinoïdes (diète sans vitamine A,
mutant Raldh2, etc…) provoque une perte du
rhombencéphale postérieur et une expansion du
rhombencéphale antérieur.
26
 Voie de transduction de l’acide rétinoique
27
B- Signaux moléculaires impliqués dans l’induction neurale
1- Des inhibiteurs de la voie des BMP (Chordine, noggin, follistatine)
provenant de l’organisateur entravent la formation de l’épiderme, du
mésoderme et de l’endoderme ventro-latéral.
2- Un gradient de facteurs caudalisants (RA, FGF, Wnt)
entraînent l’expression régionale des gènes Hox responsables de la
segmentation du tube neural posterieur
2-
3- Des inhibiteurs de la voie Wnt
(cerberus, Frzb, dickkopf) provenant de la
partie antérieure de l’organisateur (endomésoderme pharyngé) permettent
l’induction des structures céphaliques:
« organisateur de tête »
1-
3-
>> Importance de ces
signaux dans la
régionalisation AP du
tube neural (Cf. III)
28
 Voie de transduction canonique des signaux Wnt
29
II – Neurulation
A- Formation du tube neural
 Aspect morphologique: chez le xénope
film développement du Xénope
(réalisé par J.F. Riou, Laboratoire de biologie du Développement)
30
Neurulation
 Aspect morphologique: chez le xénope
31
Neurulation
 Aspect morphologique: chez le xénope
32
II – Neurulation
A- Formation du tube neural
 Aspect morphologique: chez le poulet
Film: fermeture du tube neural chez le poulet
(réalisé par J.F. Colas, Laboratoire de Biologie du Développement)
33
Neurulation
 Aspect morphologique: chez le poulet
34
II – Neurulation
A- Formation du tube neural
d19
 Aspect morphologique: chez l’homme
d20
d23
35
II – Neurulation
A- Formation du tube neural
 Aspect morphologique: chez l’homme
La gastrulation chez l’homme:
36
II – Neurulation
A- Formation du tube neural
 Aspect morphologique: chez l’homme
- Fermeture progressive du tube neural
- Défauts de fermeture et pathologies associées:
-> anencéphalie
-> spina bifida
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B- Changement de forme et d’adhésivité cellulaire
38
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
A- Les subdivisions du cerveau:
 Modèle: homme
Stade 3 vésicules
Stade 5 vésicules
39
A- Les subdivisions du cerveau:
 Modèle: homme
40
A- Les subdivisions du cerveau:
 Modèle: souris
41
A- Les subdivisions du cerveau:
42
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
A- Les subdivisions du cerveau:
 La compartimentation précoce du cerveau de l’embryon
préfigure l’organisation fonctionnelle du cerveau adulte
Cerveau moyen
Telencephale
Cervelet
Pons
Moelle
Diencephale
tronc cérébral
embryon de souris à E9.5
Cerveau de souris adulte
43
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
B- Les molécules de signalisation et les centres organisateurs
 Pendant la gastrulation des signaux extrinsèques
établissent une régionalisation AP dans la plaque neurale
2-
1-
3-
44
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
B- Les molécules de signalisation et les centres organisateurs
Les centres organisateurs secondaires:
- ANR (anterior neural ridge): FGF8
- ZLI (zona limitans intrathalamica): Shh
- MHB ou organisateur isthmique (midbrain hindbrain boundary): FGF8 & Wnt1
Hybridation in situ
révélant l’expression
des gènes indiqués
45
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
B- Les molécules de signalisation et les centres organisateurs
46
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
B- Les molécules de signalisation et les centres organisateurs
Mise en évidence du centre organisateur isthmique
Expérience: greffes caille/poulet
- Une greffe de la région isthmique dans une région plus
antérieure induit dans les tissus adjacents de l’hôte un
changement de devenir des cellules.
47
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Segmentation du cerveau postérieur
48
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Segmentation du cerveau postérieur
La segmentation du rhombencéphale est essentielle à la
mise en place des nerfs crâniens branchiomoteurs
49
50
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
Morphology
 Segmentation du cerveau postérieur
Anatomy
Neurogenesis Expression
51
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Segmentation du cerveau postérieur
La segmentation du rhombencéphale est essentielle à la mise en place des nerfs
crâniens branchiomoteurs et à la détermination des cellules de crete neurale céphalique
52
C- Rôle des gènes Hox
 Régionalisation AP de la
moelle épinière
53
C- Rôle des gènes Hox
 Régionalisation AP de la moelle épinière
Les cellules de crêtes neurales troncales, lombaires et sacrées participent à la mise en place du
système nerveux périphérique sympathique et parasympathique
La destinée des cellules de crête neurale est fixée par
leur trajet de migration.
54
55
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Régionalisation AP de la moelle épinière
Rappel sur les gènes Hox
- colinéarité spatiale
- colinéarité temporelle chez les vertébrés
56
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Régionalisation AP de la moelle épinière
Rappel sur les gènes Hox
- colinéarité spatiale
- colinéarité temporelle
57
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Régionalisation AP de la moelle épinière
58
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Régionalisation AP de la moelle épinière
59
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Régionalisation AP de la moelle épinière
60
III – Régionalisation antéro-postérieure du tube neural
C- Rôle des gènes Hox
 Régionalisation AP de la moelle épinière
61
Rôle des gènes Hox dans la
spécification de nombreux tissus:
- Tube neural
- Crêtes neurales
- mésoderme paraxial
- système circulatoire
- endoderme
62
IV – Régionalisation Dorso-ventrale du tube neural
 Principales structures de la moelle épinière en développement
63
IV – Régionalisation Dorso-ventrale du tube neural
 Signaux ventralisant et dorsalisant mis en place au cours de la neurulation
Shh: signal ventralisant
BMP: signaux dorsalisant
64
 Régionalisation dorso-ventrale de la moelle épinière
65
IV – Régionalisation Dorso-ventrale du tube neural
 Régionalisation dorso-ventrale de la moelle épinière
une greffe ectopique de notocorde induit une seconde plaque du plancher et deux régions
suplémentaires de motoneurones
66
III – Régionalisation Dorso-ventrale du tube neural
 Régionalisation dorso-ventrale du cerveau
- Au niveau du rhombencéphale:
- Au niveau du télencéphale:
67
68
V – Différenciation neuronale
69
V – Différenciation neuronale
A- Détermination des neuroblastes
La position du corps cellulaire des neuroblastes
est fonction du cycle cellulaire:
Les mitoses ont lieu du coté luminal (tube neural
d’un embryon de poulet)
70
 Détermination des neuroblastes et des glioblastes
71
 Détermination successive des neuroblastes et des glioblastes
- Le tube neural primitif contient des cellules neuroépithéliales indifférenciées
- Première vague de mitose - différenciation: genèse des neuroblastes, précurseurs des neurones du SNC.
Lorsque les neurones se forment, le tube neural devient stratifié avec 3 couches:
- couche ventriculaire
- couche intermédiaire du manteau (contient les corps cellulaires des neurones)
- couche marginale (contient les fibres nerveuses)
- Vagues suivantes de mitose - différenciation: genèse des glioblastes, précurseurs de plusieurs types
72 de
cellules gliales. Notamment, la glie radiaire permet la migration des neuroblastes dans le tube neural.
V – Différenciation neuronale
A- Détermination des neuroblastes par inhibition latérale
La détermination des neuroblastes à
partir d’une population homogène
de précurseurs neurogéniques fait
intervenir un processus d’inhibition
latérale faisant intervenir la voie de
signalisation Notch-Delta.
73
V – Différenciation neuronale
A- Détermination des neuroblastes par divisions asymétriques
Production programmée de différents types de neurones à différents moments à partir des
progeniteurs neuronaux (neuroblastes) en cours de division dans le cortex cérébral d’un mammifère.
- Les neuroblastes se divisent au niveau de la couche ventriculaire:
division asymétrique genèse d’une cellule souche et d’un neurone
(répartition asymétrique de déterminants cytoplasmique; ex: Numb)
74
V – Différenciation neuronale
B- Migration des pécurseurs neuronaux
75
V – Différenciation neuronale
B- Migration des pécurseurs neuronaux
développement neuronale
chez l’homme à partir de la
5ième semaine
moelle épinière
Cervelet
zone marginal
zone intermédiaire
(manteau)
zone ventriculaire
(épendymal)
cortex cérébral
76
 Mise en évidence de la migration
radiale des précurseurs neuronaux
77
V – Différenciation neuronale
B- Migration des pécurseurs neuronaux
Migration le long de la gli radiaire
78
V – Différenciation neuronale
B- Migration des pécurseurs neuronaux
- Les neurones migrent le long des cellules de la glie radiaire vers les couches périphériques
• Les neurones nés en premier s’établissent le plus près de leur lieu de naissance
• Les neurones nés plus tard migrent plus loin et s’établissent dans des couches
périphériques concentriques
- Les générations successives de neurones occupent ainsi différentes couches du cortex et ont
différents caractères intrinsèques selon leur date de naissance
79
V – Différenciation neuronale
C- Projection et guidage axonal: exemple de l’oeil
La vésicule optique croît vers l’extérieur du
diencéphale et induit la différenciation du
cristallin au niveau de l’épiderme.
La couche interne de la cupule devient la rétine, alors que
la couche externe devient l’épithélium pigmentaire
Le cristallin induit ultérieurement la différenciation de la cornée au
niveau de l’épiderme
80
V – Différenciation neuronale
C- Projection et guidage axonal: exemple de l’oeil
Structure de l’oeil humain
81
Organisation stratifiée des cellules de la rétine
82
V – Différenciation neuronale
C- Projection et guidage axonal: exemple de l’oeil
Carte des projection rétino-tectales chez un xénope adulte:
- l’oeil droit innerve le tectum gauche
- l’oeil gauche innerve le tectum droit
Carte des projections rétino-tectales chez le poisson zèbre
injection de fluorochromes vert et rouge dans des régions différentes
de l’oeil: observation des aire dans le tectum colorées par transport
antérograde des colorants
83
V – Différenciation neuronale
C- Projection et guidage axonal: exemple de l’oeil
De multiples signaux guident le mouvement des axones des
cellules ganglionnaires de la rétine vers le tectum optique
établissement des couches de la rétine
Croissance axonale
progression ordonnées vers le nerf optique
Décision: croiser ou tourner
Homing vers les régions cibles
Arrivée au niveau de la cible
établissement d’une carte topographique
84
V – Différenciation neuronale
C- Projection et guidage axonal: exemple de l’oeil
Séléctivité des axones rétiniens se développant sur les membranes du tectum
Croissance des
axones en
culture
Les axones des neurones de la
moitié temporale de la rétine
suivent les bandes de la
membrane antérieure du tectum
P: tectum posterieur
A: tectum antérieur
Les axones des neurones de la
moitié nasale de la rétine suivent
les bandes de la membrane
postérieure du tectum
85
V – Différenciation neuronale
C- Projection et guidage axonal: exemple de l’oeil
Les différences d’adhésivité des axones rétiniens sur les
membranes tectales résultent d’interactions entre Eph,
recepteurs tyrosine kinase, et leur ligands, les ephrines
- Gradient d’Eph recepteur sur les axones rétiniens
- Gradient d’ephrines (ephrin A2-A5) dans le tectum
86
V – Différenciation neuronale
C- Projection et guidage axonal: exemple de l’oeil
La mise en place du gradient d’éphrines
dans le tectum optique dépend du
gradient d’Engrailed dans le
mésencéphale établi en réponse au signal
Fgf8 produit par l’organisateur isthmique.
87
V – Différenciation neuronale
C- Projection et guidage axonal
Molécules de signalisation guidant la croissance axonale
Signaux longue distance / signaux de proximité
88
Maturation des cellules nerveuses
- Etablissement des synapses
- Myélinisation des axones
89
Maturation des cellules nerveuses
Après la naissance
- Maintenance des synapses actives
- Dégénérescence par apoptose des neurones inactifs
- Plasticité des connections neuronales
- Existence de cellules souches (nombre réduit)
-> Mono-innervation des fibres musculaires par un motoneurone
-> Un même type de fibre est innervé par un même type de
motoneurone
90