organogenese bourgeon membre chiridien
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Organogenèse Le développement des membres des tétrapodes Valérie Ngô-Muller UFR Biologie et Sciences de la nature [email protected] Plan Introduction I- Origine du membre chiridien II- Le bourgeon de membre chiridien comme modèle d’étude III- Développement du bourgeon de membre Introduction Membres des tétrapodes Membre « chiridien »: terminé par une main (chir, cheir grec = main). Organogenèse = Développement harmonieux d’un organe. • Résultat conforme à l’espèce (programme développemental). • Mécanismes plus généraux de mise en place du plan d’organisation. • Organisation spatio-temporelle. Mise en place de la structure du squelette Mise en place des axes de POLARITE I- Origine du membre chiridien Une synapomorphie des tétrapodes Origine du membre chiridien • Caractère ancestral (point de départ): deux paires de nageoires paires • Paléozoïque (la plupart des grands clades de gnathostomes) • Premiers membres chiridiens: Dévonien (milieu Paléozoïque) Lamproie actuelle Dunkleosteus Ichthyostega Temnospondyle Eryops Tetrapods Diversité des membres chiridiens II- Le bourgeon de membre chiridien comme modèle d’étude Modèle d’étude • Depuis le milieu du 19ème siècle (Owen, notion d’archétype, d’homologies) • Evolution de la morphologie/radiation des vertébrés terrestres • Avantages: structure osseuse, organe relativement isolé, dont l’altération ne compromet pas la survie Modèle d’étude • Deux modèles animaux les plus étudiés: poulet et souris. • Poulet: accessibilité expérimentale (ablation de tissus, transplantation) • Souris: génétique (ablation de gènes) • Historiquement: amphibiens (Harrison, 1918) Modèle d’étude amphibien embryon d’Amblystoma maculatus de 6 jours Existence d’un champ morphogénétique Modèle d’étude aviaire • Hamburger, 1938: transplantation de tissus du flanc • Saunders, 1948: ablation de l’ectoderme apical • Zwilling, 1955: transplantation d’ectoderme du bourgeon de membre Prédétermination - Interactions cellulaires Modèle d’étude aviaire Techniques actuelles: • Expression ectopique de gènes: injection de cellules transfectées avec un rétrovirus aviaire contenant le gène à exprimer • Extinction de l’expression de gènes: interférence ARN Décortiquer les mécanismes moléculaires et cellulaires Modèle d’étude murin Techniques actuelles: • Expression ectopique de gènes: transgenèse • Extinction de l’expression de gènes: interférence ARN, invalidation de gènes (« knock-out ») Décortiquer les mécanismes moléculaires et cellulaires III- Développement du bourgeon de membre Questions • Comment les champs morphogénétiques des bourgeons sont-ils positionnés? • Pourquoi les vertébrés n’ont-ils que deux paires de membres? • Comment les membres antérieurs et postérieurs se spécifient-ils? • Comment se mettent en place les axes de polarité? • Comment forme-t-on une aile au lieu d’une patte? Induction Induction Induction Induction Induction Induction CRÊTE ECTODERMIQUE APICALE poulet Induction souris CRÊTE ECTODERMIQUE APICALE Induction Signaux morphogénétiques 1. Spécification du positionnement des bourgeons antérieurs et postérieurs le long de l’axe de l’embryon. 2. Prolifération des cellules mésodermiques. Voie de transduction générique Induction Spécification du positionnement des bourgeons antérieurs et postérieurs Gènes Hox Gènes homéotiques La perte de fonction d’un gène homéotique provoque la transformation de l’identité segmentaire (« gène sélecteur »). (Bateson 1894) Gènes Hox « homéodomaine » (1984) drosophile Gènes Hox embryon drosophile 3’ 5’ souris Co-linéarité spatiale et temporelle des « clusters » Hox. (1990) embryon souris Positionnement Bourgeon de membre antérieur: • se forme à la limite antérieure d’expression du gène Hoxc6 (entre les vertèbres cervicales et thoraciques) chez le poulet. • le gène Tbx5 y est spécifiquement exprimé. Positionnement Bourgeon de membre postérieur: • se forme à la limite antérieure d’expression du gène Hoxd9 (entre les vertèbres lombaires et sacrées) chez le poulet. • les gènes Pitx1 et Tbx5 y sont spécifiquement exprimés. Positionnement Positionnement Tbx5 Tbx4 Positionnement Tbx5 Tbx4 Expérience: bille de FGF Tbx5 Tbx4 Induction • Des signaux moléculaires de la famille des FGFs (émanant du mésoderme de la lame latérale) sont indispensables à la mise en route des interactions entre mésoderme et ectoderme nécessaires à la formation du membre. Induction FGF10 Induction • L’expression de FGF10 est stabilisée par d’autres facteurs de croissance (Wnt2b et Wnt8c) dans la zone de formation des membres (ant et post). • L’expression de FGF10 induit la synthèse de FGF8 dans la crête ectodermique apicale. • FGF8 entretient la synthèse de FGF10 par le mésoderme sous-jacent. Boucles de rétrocontrôle positif Induction FGF8 dans la crête ectodermique apicale Centres morphogénétiques La crête ectodermique apicale Un centre important de signalisation: • Maintien du mésenchyme sous-jacent dans un état prolifératif et plastique (croissance proximo-distale) • Maintien de la sécrétion des facteurs responsables de l’établissement de l’axe antéro-postérieur (pouce-auriculaire) • Intégration des signaux de polarisation antéro-postérieure et dorso-ventrale La crête ectodermique apicale Polarité proximo-distale • Modèle de la « zone de progression ». • Modèle de « programmation précoce des cellules précurseurs suivie de l’expansion de leurs descendantes » • Gènes Hoxa9 - 13 et Hoxb9 - 13 Polarité proximo-distale mutation HOXD13 Hoxa11-/Hoxd11-/- Schéma hypothétique de la correspondance entre Hox et segments du membre antérieur Polarité antéro-postérieure Zone polarisante: • amas de cellules mésodermiques, • spécifiée très tôt, • située à la jonction de l’ébauche naissante du bourgeon de membre et la paroi du corps, • Propriété de centre organisateur. Polarité antéro-postérieure Polarité antéro-postérieure Définition de la zone polarisante par Sonic Hedgehog Le morphogène Sonic Hedgehog • Ne diffuse pas en dehors de la zone polarisante, • Crée et entretient des gradients de protéines morphogénétiques de la famille BMP, • Ces BMP sont responsables de la spécification des doigts par l’intermédiaire du mésoderme interdigital (qui disparaîtra par apoptose). Identité des doigts Excision de la zone interdigitale noggin (noggin = inhibiteur des BMP) Gli3-/- Shh-/- Sonic Hedgehog • Contrôle l’expression des gènes Hoxd 9 - 13, soit directement, soit par l’intermédiaire des BMP. • On ne connaît pas encore la cascade complète depuis Shh jusqu’aux gènes effecteurs de la spécification des doigts (taille des condensations cartilagineuses, nombre de phalanges). Polarité dorso-ventrale • Définie par l’ectoderme qui enveloppe le bourgeon de membre. • Rotation de 180°C de l’ectoderme de couverture provoque l’inversion de la polarité D/V. • Il existe une protéine exprimée dans l’ectoderme dorsal et pas dans l’ectoderme ventral: Wnt7a. • Son absence provoque un phénotype « double-ventral ». Coordination des 3 axes • Les régulations génétiques qui orchestrent la mise en place des trois axes s’interconnectent: • Shh (polarité A/P) induit Fgf4 dans la crête ectodermique; Fgf4 participe au recrutement des cellules mésodermiques (polarité P/D) mais maintient aussi la production de Shh. • L’absence de Wnt7a (polarité D/V), outre le défaut de structures dorsales, provoque également le défaut de doigts postérieurs (polarité A/P). Sculpture de l’autopode Rôle de la mort cellulaire programmée (apoptose): • Palme ou patte? Il y a de l’apoptose dans le mésoderme interdigital chez le poulet, mais pas chez le canard. • Zones de nécrose interne, antérieure et postérieure (« nécrose morphogène »). Sculpture de l’autopode Sculpture de l’autopode bille de Gremlin poulet Formation des articulations • Protéines morphogénétiques de la famille des BMP Croissance de l’os • Cartilages de conjugaison (zone de prolifération, chondrocytes matures, chondrocytes hypertrophiés). • La longueur de l’os dépend du nombre de chondrocytes qui restent en état de se diviser. A retenir • L’expression des gènes Hox détermine l’endroit de formation des membres le long de l’axe A/P du corps. • La spécification antérieure ou postérieure d’un bourgeon de membre dépend respectivement de l’expression de Tbx5 et Tbx4. A retenir • Axe proximo-distal: crête ectodermique apicale induite par FGF10 (mésenchyme). La crête secrète à son tour du FGF8 (maintien de la zone de progression) • Formation successive des éléments proximaux, médians et distaux / 3 phases d’expression de gènes Hox particuliers. A retenir • Axe antéro-postérieur: zone polarisante induite par l’interaction entre la crête ectodermique et certaines cellules du mésenchyme qui se mettent à secréter Sonic Hedgehog (qui régule à son tour les gènes Hox). • Identité des doigts: mésoderme interdigital postérieur au doigt, BMP. A retenir • Axe dorso-ventral: Wnt7a dans l’ectoderme dorsal. • Apoptose: mise en forme finale du membre avec élimination des tissus non définitifs (ex. palmure/pas de palmure). • Différenciation du cartilage: BMP.
