Établissement de la polarité de l`ovocyte et son contrôle

Établissement de la polarité
de l’ovocyte et son contrôle
par des gènes régulateurs
Polarités céphalo-caudale et dorsoventrale des ovocytes
• Ces axes de symétrie seront les axes de
l’embryon et de l’adulte.
• Résultats de l’activité de plusieurs gènes
qui s’expriment dans l’ovocyte.
• Gènes maternels ou à effet maternels.
Gènes maternels de polarités
• Gènes bicoïd
pôle céphalique
Inhibe de la traduction de l’ARNm caudal
Active la transcription du gène hunchback
• Gènes nanos
pôle postérieur
pas un facteur de transcription
réprime la traduction du gène hunchback
• Cytosquelette joue un rôle dans la migration et la
localisation des ARNm bicoïd et nanos.
Polarité dorso-ventrale
Acquisition de la polarité dorsale dans l’ovocyte de drosophile
Expression du plan de
développement chez l’embryon
de drosophile
Organisation de l’embryon suivant
l’axe antéro-postérieur
Régulation de l’expression d’un gène de segmentation (KNIRPS) sous l’action
combinée des gènes maternels de polarité, nanos et bicoïd
Organisation dorso-ventrale de
l’embryon
• Résultat de la translocation sélective d’un facteur de
transcription dans les noyaux du blastoderme ventral.
• Protéine dorsal active les gènes de ventralisation (snail
et twisted) et répriment les gènes de dorsalisation
(Tolloïd).
• Blastoderme syncytial, la protéine dorsal est dans les
noyaux de la face ventrale où sa concentration est
maximale, puis elle décroît dans les noyaux du
blastoderme latéral et devient nulle dans ceux de la
région dorsale du blastomère.
Les gènes de segmentation
Régulation de l’expression des premiers gènes de
segmentation chez l’embryon de la drosophile
Métamères et parasegments chez la drosophile
(exemple d’expression d’un gène pair-rule)
Au début de la gastrulation, le blastoderme est donc constitué
de rang de cellules organisés en parasegments polarisé, se
succédant suivant l’axe céphalo-caudal, chaque
parasegment étant aussi polarisé dorsoventralement.
Gènes de polarité
26 gènes de segmentation
Gènes sélecteurs homéotiques vont déterminer les structures
propres de chaque segment
Gènes homéotiques
Les gènes homéotiques déterminent les structures caractéristiques de chaque
segment en sélectionnant les gènes activés dans chaque segment.
T 1, T 2, T 3 : segments thoraciques
A 1, A 2, A 3....A 8 : segments abdominaux
Schéma du plan d'organisation de la drosophile sauvage normale
Cartographie des gènes homéotiques
Chez la drosophile, ces gènes sont localisés sur le chromosome 3, sont
regroupés en deux régions et ils forment 2 complexes de gènes :
• le complexe « Antennapedia »,
• le complexe « Bithorax ».
Cartographie des gènes homéotiques
posterior
anterior
5´
3´
• Le complexe Antennapedia est constitué de 5 gènes homéobox:
– Deformed (Dfd)– mutation affecte les parasegments 0 et 1
– Sex combs reduced (Scr) - mutation affecte les parasegments 2 et 3
– Antennapedia (Antp) – mutation affecte les parasegments 4 et 5
– Labial (Lab) et proboscidea (Pb) – partie de la tête
Structures de la tête et le thorax
Cartographie des gènes homéotiques
posterior
5´
anterior
3´
Le complexe Bithorax contrôle le développement des parasegments 5-14
• ultrabithorax (Ubx)
• abdominal-A (Abd-A)
• abdominal-B (Abd-B)
Structures du 3ème segment thoracique et de l’abdomen
Structure des gènes homéotiques
Homéobox: homéoboîte
Séquence de 180 pb
Homéodomaine : domaine de liaison à l’ADN de la protéine régulatrice
(Peptide 60 aa)
La structure protéique tridimensionnelle de l'homéodomaine s'organise en trois
hélices a qui forment le motif hélice-boucle-hélice (ou HLH pour Helix-LoopHelix)
.
Le motif HLH constitue le domaine d'interaction avec la molécule d'ADN. C'est
cette partie de la molécule qui s'insère dans le sillon de la double hélice de
l'ADN et contribue à ouvrir celle-ci pour la rendre transcriptionnellement active.
La séquence nucléotidique minimum reconnue par le motif HLH est constituée
des
quatre
bases
TAAT
(ou
ATTA
complémentaire).
Modèle montrant les interactions entre la double hélice d'ADN (à droite de la figure en bleu), et
l'homéodomaine (à gauche en vert). Les trois hélices a de l'homéodomaine sont stylisées sous forme
de trois cylindres qui constituent le motif HLH. Celui-ci vient s'intercaler dans le grand sillon de
l'ADN. Les sphères rouges, jaunes, blanches et bleues représentent les acides aminés qui interagissent
avec les bases nucléotidiques de l'ADN situées en vis à vis.
Structure des gènes homéotiques
• Les homéodomaines de toutes les protéines régulatrices sont
extrêmement proches par leur structure et ne diffèrent entre
eux que par quelques aa.
• Ce degré d’homologie élevé entre les gènes homéotiques
résulteraient de leur origine commune (gène ancestral).
• Les faibles différences dans la structure de leur homéodomaine
permettent à chaque d’elles de se lier préférentiellement aux
séquences régulatrices d’un gène déterminé.
• La nature de la régulation activation ou inhibition, dépendra
aussi d’autres domaines de la protéine régulatrice.
Expression des gènes homéotiques
posterior
5´
anterior
3´
• Gènes homéotiques s’expriment dés la gastrulation.
• La règle de colinéarité : l’ordre dans lequel ces gènes sont localisés sur le
chromosome de 3’ vers 5’ est identique à l’ordre dans lequel se succèdent les
aires anatomiques où ils s’expriment de la tête vers la queue.
Expression des gènes homéotiques
• L’expression des gènes homéotiques est régulée par des
protéines codées antérieurement par des gènes « gap » ou
« pair-rule ».
Exemple:
Fushi tarazu
Représentation des domaines d’expression des homéogènes du complexe HOM
Expression des gènes homéotiques
• Les gènes homéotiques exercent entre eux un contrôle de leur
domaine d’activation respectif.
drosophile mutante « ultrabithorax »
formation d’ailes dans le 3ème segment
thoracique
Tête de drosophile mutante "antennapedia"
La mutation Antennapedia a modifié les antennes en pattes.
Expression des gènes homéotiques
Un même gène homéotique peut exercer des contrôles différents.
Certains gènes homéotiques ont plusieurs promoteurs et des sites
d’initiation de la transcription qui sont activés par des protéines régulatrices
qui diffèrent suivant les régions de l’embryon.
Gène Antennapedia (Antp)
Activer par protéine Krüppel
1er promoteur
Supprimer par la protéine ultrabithorax
Protéine régulatrice Antp
Développement du thorax dorsal
Activer par protéine
hunchback et Fushi tarazu
2ème promoteur
Supprimer par la protéine oskar
Protéine régulatrice Antp
Développement du thorax ventral
(différenciation des pattes)
Expression des gènes homéotiques
•
Certains gènes homéotiques peuvent produire plusieurs
protéines régulatrices par le jeu de l’épissage alternatif.
Gène Ultrabithorax
Protéine Ubx 1
Protéine Ubx 2
1 seule protéine intervient dans la détermination de
l’identité des parasegments
Protéine Ubx1 + Protéine Ubx2 transforment toutes deux une antenne en patte
Les gènes régulateurs chez les vertèbres
• Gènes régulateurs contrôlant l’établissement des axes antéropostérieur (Goosecoïd-Brachyury) et dorso-ventral (Wnt pour
ventral).
• Ils entrent en jeu au moment de la gastrulation.
Les gènes régulateurs chez les vertèbres
-
Puis, gènes sélecteurs homéotiques qui déterminent le patron de l’organogenèse
: 4 complexes de gènes analogues à ceux de la drosophile.
-
règle de colinéarité,
-
gènes situés au même niveau dans chaque complexe sont à forte homologie
d’homéoboîte =gènes paralogues;
-
expression : domaine défini et diminuant d’avant en arrière,
-
(régulée par l’acide rétinoïque),
-
plusieurs dans une même structure embryonnaire,
-
gènes à limite d’expression + antérieure sont activés + tôt (comme pour
différenciation de l’embryon); ex : différenciation d’un membre
Cartes de répartition des gènes régulateurs homéotiques de la drosophile et d’un mammifères
En haut: complexe Hom-C, sur le chromosome 3 de la drosophile regroupant les complexes des gènes
Antennapedia
(ANT-C)
et
Bithorax
(BX-C).
En bas: Représentation cartographique des 4 complexes HOX: A, B, C, D portés par 4 chromosomes
différents. On distingue 13 groupes paralogues; les gènes HOM et HOX appartenant à un même groupe
paralogue présentent de fortes homologies.
Représentation des domaines d’expression des homéogènes du complexe HOM de la drosophile, et de
HOXB de la souris.
les gènes paralogues sont exactement superposés sur les deux cartes. On constate que, pour chaque gène, la
limite d’expression va en diminuant vers la région caudale. Pour une région donnée du corps, plusieurs gènes
homéotiques peuvent s’exprimer, avec parfois des degrés d’intensité différente.
Remarque : il faut donc noter une très grande conservation de ces gènes
Hom/Hox (droso/mammiferes) :
•
conservation de séquences (homeoboîte), de la structure protéique
(homéodomaine), de l’organisation génique sur le complexe (puisque les
complexes dérivent du même complexe ancestral)
• conservation du mode d’expression (tous ces gènes s’expriment selon des
territoires chevauchants, avec une frontière antérieure colinéaire à la
position des gènes sur le complexe)
• conservation de fonction : ils déterminent tous une identité de position aux
cellules dans l’embryon.