mise au point Morphogenèse vertébrale et malformations Vertebral morphogenesis and malformations V. Vincent*, S. Vincent*, O. Pourquié* L * Institut de génétique et de biologie moléculaire et cellulaire (IGBMC), CNRS UMR 7104, Inserm U964, université de Strasbourg, Illkirch. es vertèbres, les côtes, les muscles squelettiques et le derme dorsal proviennent tous d’une seule et même structure embryonnaire appelée “somité”. Les somites sont des structures épithéliales dérivées du mésoderme présomitique (PSM). Les somites et le PSM forment le mésoderme paraxial. Les somites sont formés rythmiquement par paires, par segmentation du PSM à son extrémité antérieure. Les paires de somites sont produites de façon symétrique de part et d’autre du tube neural et de la notochorde, et sont ajoutées successivement dans le sens antéropostérieur. Le mésoderme constitue le feuillet embryonnaire qui va donner les tissus internes de l’embryon, les muscles et l’os, notamment. Il est internalisé pendant la gastrulation, phase durant laquelle est établi le plan d’organisation de l’embryon. Pendant l’embryogenèse, l’embryon s’organise tout d’abord de manière symétrique, selon un axe antéropostérieur (tête-queue) et dorsoventral. Par la suite, certains viscères comme le cœur ou le foie se développent de manière latéralisée. Cette asymétrie droite/gauche n’est mise en place qu’après la gastrulation, c’est-à-dire bien après que l’axe antéropostérieur et l’axe dorsoventral sont établis. Certains organes sont asymétriques, tels, par exemple, le cœur et l’estomac, qui sont situés à gauche, ou les poumons, qui ont 3 lobes à droite et 2 à gauche chez l’homme, tandis que d’autres tissus, comme le cerveau, se développent de façon symétrique. La colonne vertébrale, avec les vertèbres, les côtes et les muscles du squelette, illustre parfaitement ce caractère métamérique et symétrique le long de l’axe antéropostérieur. Dans cette revue, nous nous intéresserons aux mécanismes génétiques de la somitogenèse, à la formation des vertèbres et des côtes, des muscles axiaux et des disques intervertébraux. Nous parlerons également des conséquences qu’implique un développement pathologique de ces tissus. Des somites aux vertèbres ➤➤ Chez l’embryon humain, la formation des somites débute vers le 25e jour du développement, peu de temps après la gastrulation. Le PSM correspond à la région dans laquelle se trouvent les cellules progénitrices des futurs somites et donc des muscles, du squelette axial et du derme dorsal, qui sont encore à un stade indifférencié. Le PSM est régulièrement balayé par une vague d’expression de gènes cycliques à chaque formation de somite. Ces vagues rythmiques de transcription identifient un oscillateur moléculaire appelé “horloge de segmentation”. Cet oscillateur contrôle le rythme de production des somites à partir du PSM. Les principaux gènes cycliques appartiennent aux voies de signalisation intercellulaires Notch, FGF (Fibroblast Growth Factor) et Wnt (de Wingless et integration). Des études génomiques ont permis d’identifier l’essentiel des gènes cycliques chez la souris, mais le mécanisme contrôlant leur transcription périodique n’est pas encore identifié à ce jour (1, 2). ➤➤ Durant leur maturation, les somites se subdivisent tout d’abord en 2 domaines : le sclérotome et le dermomyotome. Le sclérotome est la structure qui est à l’origine du squelette axial, c’est-à-dire les vertèbres et les côtes. Une partie du sclérotome est à l’origine du syndétome d’où sont issus les tendons. Le dermomyotome contribue à la formation du myotome et de tous les muscles du squelette du tronc et des membres. Il contribue aussi à la formation du derme dorsal et du tissu adipeux brun. ➤➤ Différents gènes et protéines interviennent dans le contrôle de la différenciation des somites en éléments qui constituent l’ossature, la musculature et les cartilages de la colonne vertébrale. La notochorde et le plancher ventral du tube neural expriment le facteur Sonic hedgehog (Shh), qui induit la différen- 18 | La Lettre du Rhumatologue • No 381 - avril 2012 LR381-NN-2001_V2.indd 18 17/04/12 09:17 Points forts »» La morphogenèse vertébrale est un processus complexe : la formation des vertèbres est contrôlée par un oscillateur moléculaire appelé ”horloge de segmentation”, agissant lors du développement embryonnaire. Le dérèglement de cet oscillateur chez l’homme conduit à des scolioses congénitales. »» La scoliose idiopathique pourrait résulter de défauts du système contrôlant l’asymétrie droite/gauche chez l’embryon. »» La mutation de certains gènes associés au processus de segmentation conduit à des malformations vertébrales. »» Chez l’homme, on retrouve des malformations vertébrales liées à des défauts de segmentation comme le syndrome de Jarcho-Levin, le syndrome de Klippel-Feil, le syndrome d’Alagille ou le syndrome polymalformatif de VACTERL. ciation des cellules somitiques en sclérotome. Par la suite, ces cellules du sclérotome induisent 2 facteurs de transcription, Paired box 1 et 9 (PAX1, PAX9). Les cellules du quadrant ventromédial des somites sous l’influence de ces facteurs de transcription perdent alors leur structure épithéliale et deviennent du mésenchyme. Ces cellules se différencient ensuite en cellules cartilagineuses puis en cellules osseuses. Les gènes de la voie de signalisation Wnt exprimée dans la partie dorsale du tube neural et la partie dorsolatérale du mésoderme paraxial induisent l’expression de 2 autres facteurs de transcription, Paired box 3 et 7 (PAX3 et PAX7). Ces 2 facteurs de transcription contribuent à la formation de cellules musculaires au niveau du dermomyotome et du myotome (3). La Bone Morphogenetic Protein 4 (BMP4), protéine exprimée dans la lame latérale du mésoderme, inhibe la différenciation du myotome et inhibe Shh (4) [figure 1, p. 20]. ➤➤ Lors de leur formation, les somites acquièrent une identité régionale selon l’axe antéropostérieur qui est ensuite traduite en types anatomiques de vertèbres différentes (cervicale, thoracique, lombaire, sacrée). Ce mécanisme est contrôlé par la famille de gènes Homeobox, Hox (5). Au niveau thoracique uniquement, les somites fournissent les vertèbres ainsi que les côtes. Au niveau sacral, les vertèbres fusionnent pour former le sacrum (6). Le nombre total de somites formés, tout comme le rythme de production des paires de somites, est caractéristique de l’espèce. L’embryon humain a 44 paires de somites, la souris 65, le poulet 52, le poisson zèbre 30, et ce nombre peut atteindre 500 chez certaines espèces de serpents. Ainsi, on peut voir se former les somites de façon cyclique toutes les 30 minutes chez le poisson zèbre, toutes les 90 minutes chez le poulet, toutes les 120 minutes chez la souris et environ toutes les 8 heures chez l’homme (figure 2, p. 21) [7]. Horloge de segmentation et scoliose congénitale ➤➤ La périodicité de la production des somites a conduit à postuler l’existence d’un oscillateur agissant dans les cellules du PSM. En 1976, Cooke et Zeeman ont proposé un modèle appelé “the clock and wavefront model” pour rendre compte du mécanisme de segmentation chez les vertébrés (8). Ce modèle proposait l’existence d’une horloge contrôlant la formation rythmique des somites dans le PSM. La première preuve expérimentale de l’existence de cette horloge, appelée “horloge de la segmentation” découle de l’observation de l’expression cyclique du gène c-Hairy 1 dans les cellules du PSM de l’embryon du poulet (9). Des gènes cycliques ont été identifiés chez le poisson, les oiseaux et les mammifères, suggérant que l’horloge de segmentation est conservée chez les vertébrés, y compris chez l’homme (figure 3, p. 22) [10]. Avant leur individualisation morphologique à l’extrémité antérieure du PSM sous forme de somites, les futurs segments embryonnaires sont tout d’abord définis au niveau moléculaire sous forme d’une bande de cellules exprimant certains gènes dits “de segmentation”. Cette bande se forme dans la partie antérieure du PSM et définit génétiquement les futures frontières du somite. Le niveau où se forme cette bande est appelé “front de détermination”. Sa position est définie par 2 gradients de concentration parallèles présentant leur maximum dans la partie la plus postérieure de l’embryon : un gradient de signalisation de la voie FGF ainsi qu’un gradient de signalisation de la voie Wnt (11, 12). Les facteurs sécrétés FGF 4 et FGF 8 sont distribués en gradients et maintiennent les cellules du PSM à un stade indifférencié (13). Le front de détermination correspond à un seuil de concentration des ligands FGF et Wnt dans le PSM. Passé ce seuil, les cellules du PSM deviennent compétentes pour répondre au signal périodique de l’horloge de segmentation. À chaque nouvelle oscillation, les cellules qui ont passé le niveau du front de détermination au cours du cycle précédent répondent de manière synchrone au signal de l’horloge en activant les gènes de segmentation. Ce mécanisme conduit à l’expression de facteurs de transcription comme le gène Mesp2 dans le PSM antérieur, dans 2 groupes de cellules localisés de part et d’autre du tube neural et situés juste après le front de détermination. Au sein de ces bandes s’établira la polarité antéropostérieure des somites caractérisée par l’expression des gènes marqueurs de cette polarité, Mesp2 et Ephrin B2, au futur compartiment postérieur, et des gènes Uncx4.1, Mots-clés Somites Horloge de segmentation Scoliose Colonne vertébrale Vertèbre Highlights »»The morphogenesis of the spine is a complex process: vertebrae formation is under the control of a molecular oscillator, called segmentation clock, acting during embryonic development. Dysfunction of this oscillator leads to congenital scoliosis in human. »»Idiopathic scoliosis could be the result of defects in the system establishing left/right asymmetry in the embryo. »»Mutation of some genes involved in the segmentation process leads to vertebrae malformations. »»In human, vertebrae malformations associated with segmentation defects are found in syndromes such as JarchoLevin syndrome, Klippel-Feil syndrome, Alagille syndrome or VACTERL syndrome. Keywords Somites Molecular clock Vertebrate segmentation Spine Vertebra La Lettre du Rhumatologue • No 381 - avril 2012 | 19 LR381-NN-2001_V2.indd 19 17/04/12 09:17 mise au point Morphogenèse vertébrale et malformations Figure 1. Le mésoderme paraxial ou la différenciation des somites. Les somites sont produits dans le mésoderme paraxial à partir de la région postérieure du mésoderme présomitique de l’embryon. Différents stades de différenciation des somites sont réprésentés sur des schémas de coupe transversale d’un embryon de souris (1 à 5, positions indiquées sur l’embryon en haut à gauche). Dans la partie la plus postérieure, les somites sont des structures épithéliales (1) situées de part et d’autre du tube neural et de la notochorde. La partie ventrale du tube neural et la notochorde (en jaune) produisent le facteur sécrété Shh (flèches jaunes), qui induit la différenciation du sclérotome dans le quadrant ventromédial du somite (2) : les cellules du sclérotome perdent leur structure épithéliale et deviennent mésenchymateuses (en bleu). La partie épithéliale résiduelle du somite (en mauve) correspond au dermomyotome. Shh (flèches jaunes) ainsi que différents facteurs sécrétés Wnt (flèches vertes) provenant de la partie dorsale du tube neural et de l’ectoderme dorsal (en vert) induisent la délamination des cellules de la lèvre épaxiale (médiale-dorsale, en rose) et la formation du myotome (en rose), qui s’intercale entre le dermomyotome et le sclérotome (3). La formation de muscle à partir de la lèvre hypaxiale (ventrolatérale) est initialement inhibée par la production de BMP4 (trait rouge) par le mésoderme de la lame latérale. Dans les somites plus antérieurs (4), la lèvre hypaxiale (en rose) ainsi que les lèvres rostrale et caudale (non représentées) contribuent à la formation du myotome, puis (5) la partie centrale du dermomyotome perd sa structure épithéliale et contribue au derme dorsal (cellules vertes) et à la réserve de progéniteurs des cellules musculaires nécessaires à la continuité du développement musculaire (cellules violettes). Ectoderme Toit neural Plancher neural Notochorde Wnt Somite Dermomyotome BMP Shh Sclérotome Myotome Tbx18 et EphA4 au futur compartiment antérieur. Cette polarité antéropostérieure des somites est fondamentale, car la future vertèbre se formera à la suite de la fusion de la partie postérieure d’un somite avec la partie antérieure du somite consécutif, au cours d’un phénomène décrit par R. Remak au XIXe siècle et appelé “resegmentation” (Remak R. Untersuchungen über die Entwickelung der Wirbelthiere. G. Reimer, Berlin, 1855). La subdivision du somite est aussi fondamentale pour la segmentation du système nerveux périphérique, car seule la partie antérieure du somite autorise la migration des cellules ou des axones du système nerveux. Mutations de gènes et malformations ➤➤ Les scolioses congénitales représentent 1 à 2 cas pour 10 000 naissances. Elles sont associées à des déformations vertébrales ou costales, visibles à l’examen radiologique, ainsi qu’à des malformations d’autres organes dans de nombreux cas. Elles sont souvent liées à des complications pulmonaires, du fait des malformations de la cage thoracique. Leur traitement implique une prise en charge orthopédique quasi systématique. Plusieurs mutations que l’on trouve dans la pathologie de plusieurs types de scolioses congénitales ont été identifiées chez 20 | La Lettre du Rhumatologue • No 381 - avril 2012 LR381-NN-2001_V2.indd 20 17/04/12 09:17 mise au point l’homme et sont toutes associées à des gènes impliqués dans l’horloge de segmentation (14). ➤➤ Les dysostoses spondylocostales ou spondylothoraciques, comme le syndrome de Jarcho-Levin, présentent en général des hémivertèbres, une fusion des vertèbres et des côtes, un thorax court, une scoliose et une petite taille. Des mutations de 4 gènes de la voie Notch liés à l’horloge de segmentation − les gènes Mesp2, Delta-Like 3 (DLL3), Lunatic Fringe (LFNG) et Hairy and Enhancer of Split 7 (HES7) [15] − ont été associés à ces pathologies. ➤➤ Pour le syndrome d’Alagille, la mutation de 2 gènes de la voie Notch ont été identifiés, Jagged 1 (JAG1) et Notch 2 (14). Ce syndrome regroupe des vertèbres en aile de papillon, une cholestase chronique liée à une paucité des voies biliaires intrahépatiques, une sténose de l’artère pulmonaire, ainsi que des problèmes oculaires et rénaux associés. Antérieur Adulte Embryon Disque Intervertébral Dermomyotome Muscles axiaux Myotome Sclérotome Vertèbre Tube neural Moelle épinière Inactivation des voies FGF et Wnt Postérieur Chez la souris, les mutations de gènes des voies FGF et Wnt conduisent fréquemment à des troncations de l’axe similaires aux syndromes d’agénésie caudale observés chez l’homme et dont l’étiologie moléculaire est encore inconnue (13). Les homologues humains de ces gènes constituent des candidats intéressants susceptibles d’expliquer de telles malformations chez l’homme. Contrôle de la symétrie bilatérale et scoliose idiopathique Dans l’embryon de souris, l’asymétrie droite/gauche qui se manifestera ultérieurement par le développement asymétrique des organes internes est établie par les rotations des cils du nœud de la ligne embryonnaire qui produisent un flux orienté vers la gauche. Ce flux balaie la surface ventrale du nœud et provoque l’accumulation de la protéine Nodal qui se répand dans le mésoderme latéral gauche où elle induit le développement spécifique de la partie gauche de l’embryon. Cette asymétrie contrôle le positionnement latéralisé du cœur et de certains viscères. Plusieurs études ont montré le rôle important de l’acide rétinoïque au cours du développement embryonnaire dans le maintien de la coordination et la régulation de la symétrie bilatérale des somites (16, 17). D’autres études ont montré que la plupart des gènes Hox sont contrôlés par l’acide rétinoïque. Ces gènes régulent l’identité des somites selon l’axe antéropostérieur (5). Figure 2. Des somites aux éléments de la colonne vertébrale. Représentation schématique d’une vue dorsale des somites d’un embryon et d’une colonne vertébrale d’adulte. La correspondance des domaines embryonnaires et adultes est indiquée par les lignes discontinues rouges. Chaque vertèbre adulte est le résultat de la contribution de la partie postérieure du somite en position N (en mauve foncé) et de la partie antérieure du somite en position N-1 (en mauve pâle). Les muscles de la colonne vertébrale (en rose) dérivent du myotome des somites. Le décalage entre la position des vertèbres et des muscles axiaux permet l’articulation de la colonne vertébrale. Ainsi, il a été montré qu’un dysfonctionnement de la voie de l’acide rétinoïque entraîne la désynchronisation de l’horloge de segmentation des 2 côtés de la ligne médiane conduisant à la formation de somites asymétriques. Le fait que, dans les scolioses idiopathiques, la courbure de la colonne vertébrale s’oriente dans la plupart des cas du côté droit au niveau thoracique, suggère un lien possible avec le système de contrôle de l’asymétrie droite-gauche embryonnaire (18, 19). Les scolioses idiopathiques affectent 1 à 5 % de la population et leurs causes sont encore à ce jour inconnues. Cette déformation de la colonne vertébrale peut s’avérer gênante d’un point de vue esthétique, du fait de l’apparition d’une bosse ou d’une déformation plus marquée du rachis, mais elle peut en outre provoquer des gênes fonctionnelles ou respiratoires. Actuellement, le renforcement musculaire, le port d’un corset et un suivi régulier constituent la base du traitement. Dans le cas de scolioses importantes ou réfractaires, une chirurgie est proposée au patient. La Lettre du Rhumatologue • No 381 - avril 2012 | 21 LR381-NN-2001_V2.indd 21 17/04/12 09:17 mISE AU POInT Morphogenèse vertébrale et malformations Antérieur Gradients Acide rétinoïque Somites Segments spécifiés génétiquement Front de détermination Mésoderme présomitique Progéniteurs FGF Wnt Postérieur Domaine d’expression de Mesp2 Domaine de production d’acide rétinoïque Oscillations de l’expression des gènes cycliques Figure 3. Horloge de segmentation. Les somites sont produits de façon cyclique à partir du mésoderme présomitique (PSM). Sous l’action de l’horloge moléculaire (“clock ”), la partie postérieure du PSM est le siège de vagues d’expression de gènes cycliques schématisées en vert selon une orientation rostrocaudale (“wavefront”). La spécification des somites dans la partie antérieure du PSM se traduit par la stabilisation de l’expression des gènes cycliques et par l’expression de gènes tels que Mesp2 (en jaune), qui préfigurent la polarité des futurs somites (Mesp2 marque le futur côté postérieur du somite). Le seuil de spécification des somites, appelé “front de détermination”, correspond à un niveau d’intersection entre 2 gradients opposés, l’un postérieur (FGF et Wnt, en bleu) produit par le bourgeon de queue (en orange) et l’autre antérieur (acide rétinoïque, en rose). Une fois spécifiés au niveau moléculaire, les somites s’individualisent par épithélisation. La recherche clinique Actuellement, nous ne disposons que de quelques données sur les causes génétiques de ces malforma- tions vertébrales. Notre laboratoire propose de centraliser et d’analyser les informations cliniques des patients qui en sont atteints. Ces données seront enregistrées dans une base qui sera en relation avec une autre base rassemblant tous les phénotypes et les connaissances concernant le processus de segmentation embryonnaire chez les vertébrés. Cette approche permettra d’identifier des gènes candidats responsables des phénotypes chez les patients. Cette étude augmentera la compréhension actuelle des malformations vertébrales et conduira à une meilleure prise en charge du patient. Conclusion La morphogenèse vertébrale est un processus complexe, dont nous commençons à comprendre les mécanismes moléculaires. Un acteur clé de ce processus morphogénétique est l’oscillateur moléculaire, ou “horloge de segmentation”, qui contrôle la production rythmique des précurseurs des vertèbres et impose la périodicité de la colonne vertébrale. Cet oscillateur fait intervenir les voies de signalisation Notch, FGF et Wnt. Si ces cascades moléculaires sont déréglées ou interrompues, elles provoquent des anomalies vertébrales de degré plus ou moins important. Cependant, ces mécanismes de régulation ne sont pas encore tous connus. Une meilleure connaissance de la mise en place des somites, de l’axe antéropostérieur et de l’asymétrie droite/gauche offrirait la possibilité de trouver un traitement plus fin et plus adapté à chaque patient. Savoir quel gène est responsable de tel phénotype segmentaire pourrait permettre d’identifier précisément la malformation vertébrale ou de prédire l’évolution d’une scoliose. Mieux connaître les gènes responsables de ces malformations pourrait aboutir à la création d’un outil de diagnostic prénatal pour un meilleur suivi thérapeutique de ces patients. ■ Références bibliographiques 1. McGrew MJ, Pourquié O. Somitogenesis: segmenting a 8. Cooke J, Zeeman EC. A clock and wavefront model for vertebrate. 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