Crête ectodermique apicale - Apical ectodermal ridge

Crête ectodermique apicale
Diagramme de bourgeon de membre.jpg
La crête ectodermique apicale est une région d'épithélium épaissi à l'extrémité la plus distale du bourgeon de membre. La zone d'activité polarisante (ZPA) se situe à la partie postérieure du bourgeon de membre.
Des détails
Identifiants
Latin crista ectodermalis apicalis
TE crête ectodermique_by_E5.0.3.0.0.3.4 E5.0.3.0.0.3.4
Terminologie anatomique

La crête ectodermique apicale ( AER ) est une structure qui se forme à partir des cellules ectodermiques à l'extrémité distale de chaque bourgeon de membre et agit comme un centre de signalisation majeur pour assurer le bon développement d'un membre. Une fois que le bourgeon du membre a induit la formation de l'AER, l'AER et le mésenchyme du membre, y compris la zone d'activité polarisante (ZPA), continuent de communiquer l'un avec l'autre pour diriger le développement ultérieur des membres .

La position du bourgeon de membre, et donc de l'AER, est spécifiée par les limites d'expression des gènes Hox dans le tronc embryonnaire. À ces positions, on pense que l'induction de l'excroissance cellulaire est médiée par une boucle de rétroaction positive des facteurs de croissance des fibroblastes (FGF) entre le mésoderme intermédiaire , le mésoderme de la plaque latérale et l' ectoderme de surface . FGF8 dans le mésoderme intermédiaire signale au mésoderme latéral, limitant l'expression de FGF10 par des signaux Wnt intermédiaires . Ensuite, le FGF10 dans le mésoderme de la plaque latérale signale à l'ectoderme de surface de créer l'AER, qui exprime le FGF8.

L' AER est connu pour exprimer FGF2 , FGF4 , FGF8 et FGF9 , tandis que le mésenchyme du bourgeon de membre exprime FGF2 et FGF10 . Des expériences de manipulation d'embryons ont montré que certains de ces FGF à eux seuls sont suffisants pour imiter l'AER.

Structure

Morphologiquement, l'AER émerge comme un épaississement de l'ectoderme au bord distal du bourgeon de membre. Cette structure distincte s'étend le long de l'axe antéro-postérieur du bourgeon de membre et sépare ensuite la face dorsale du membre de sa face ventrale.

Dans le bourgeon alaire des embryons de poulet, l'AER devient anatomiquement distinguable au stade tardif de développement 18HH (correspondant à des embryons de 3 jours), lorsque les cellules ectodermiques distales du bourgeon acquièrent une forme colonnaire les distinguant de l' ectoderme cubique . Au stade 20HH (correspondant à des embryons de 3,5 jours), l'AER apparaît comme une bande d' épithélium pseudostratifié qui se maintient jusqu'à 23-24HH (correspondant à des embryons de 4 à 4,5 jours). Par la suite, l'AER diminue progressivement en hauteur et finit par régresser.

Dans les embryons de souris, l'ectoderme ventral du membre antérieur émergent à E9,5 (jour embryonnaire 9,5) apparaît déjà plus épais par rapport à l'ectoderme dorsal et il correspond à l'AER précoce. En E10, cet épaississement est plus perceptible puisque l'épithélium est maintenant constitué de deux couches et se limite au bord ventral-distal du bourgeon bien qu'il ne soit pas détectable chez les spécimens vivants au microscope optique ou au microscope électronique à balayage (MEB). Entre E10.5-11, un AER linéaire et compact avec une structure épithéliale polystratifiée (3-4 couches) s'est formé et s'est positionné à la limite dorso-ventrale distale du bourgeon. Après avoir atteint sa hauteur maximale, l'AER dans les bourgeons des membres de la souris s'aplatit et finit par devenir impossible à distinguer de l'ectoderme dorsal et ventral. La structure de l'AER humain est similaire à celle de l'AER de la souris.

En plus des ailes chez les poussins et des membres antérieurs chez la souris, les nageoires pectorales chez le poisson zèbre servent de modèle pour étudier la formation des membres des vertébrés. Bien que les processus de développement des nageoires et des membres partagent de nombreuses similitudes, ils présentent des différences significatives, dont l'entretien de l'AER. Alors que chez les oiseaux et les mammifères, l'AER du membre persiste jusqu'à la fin du stade de la formation des chiffres et finit par régresser, l'AER de la nageoire se transforme en une structure étendue, appelée pli ectodermique apical (AEF). Après la transition AER-AEF à 36 heures après la fécondation, l'AEF est situé en aval des vaisseaux sanguins circonférentiels du bourgeon de la nageoire. L'AEF fonctionne potentiellement comme un inhibiteur de l'excroissance des nageoires puisque la suppression de l'AEF entraîne la formation d'un nouvel AER et par la suite d'un nouvel AEF. De plus, l'élimination répétée de l'AF conduit à un allongement excessif du mésenchyme de la nageoire, potentiellement en raison de l'exposition prolongée des signaux AER au mésenchyme de la nageoire. Récemment, l'AER, qui a longtemps été considérée comme constituée uniquement de cellules ectodermiques, se compose en fait de cellules mésodermiques et ectodermiques chez le poisson zèbre.

Molécules associées

Les molécules associées incluent :

  • FGF10 : Initialement, les protéines Tbx induisent la sécrétion de FGF10 par les cellules du mésoderme de la plaque latérale. Plus tard, l'expression de FGF10 est limitée au mésenchyme du membre en développement, où elle est stabilisée par WNT8C ou WNT2B . L'expression de FGF10 active la sécrétion de WNT3A , qui agit sur l'AER et induit l'expression de FGF8. Le mésenchyme, via la sécrétion de FGF10, est impliqué dans une boucle de rétroaction positive avec l'AER, via la sécrétion de FGF8.
  • FGF8 : Sécrétée par les cellules de la crête ectodermique apicale. Agit sur les cellules du mésenchyme , pour maintenir leur état prolifératif. Induit également les cellules mésenchymateuses à sécréter du FGF10, qui agit via WNT3A pour maintenir l'expression du FGF8 par l'AER.
  • WNT3A : Agit comme intermédiaire dans la boucle de rétroaction positive entre l'ARE et le mésenchyme des membres. Activé par l'expression de FGF10, active l'expression de FGF8.
  • Shh : Sécrétée par la ZPA dans le mésenchyme des bourgeons des membres. Crée un gradient de concentration qui dicte la formation des cinq chiffres distincts. Le chiffre 5 (petit auriculaire) résulte d'une exposition à des concentrations élevées de Shh, tandis que le chiffre 1 (pouce) à l'extrémité opposée du spectre se développe en réponse à de faibles concentrations de Shh. Il a été démontré que l'expression de Shh dans de nombreuses circonstances, mais pas dans toutes, est fortement liée à l' expression du gène Hox . Shh également (via Gremlin ) bloque l'activité de la protéine morphogénique osseuse (BMP). En bloquant l'activité BMP, l' expression du FGF dans l'AER est maintenue.
  • Gènes Hox : Responsables de dicter l'axe antéro-postérieur d'un organisme, et sont intimement impliqués dans la structuration du membre en développement en conjonction avec Shh. Influence l'activité des protéines TBX et FGF (et éventuellement Pitx1). Détermine où se formeront les bourgeons des membres et quels membres s'y développeront.

Développement

Les sécrétions de FGF10 des cellules mésenchymateuses du champ du membre interagissent avec les cellules ectodermiques ci-dessus et induisent la formation de l'AER sur l'extrémité distale du membre en développement. La présence d'une limite ectodermique dorso-ventrale est cruciale pour la formation de l'AER - l'AER ne peut se former qu'au niveau de cette division.

Une fonction

L'ARE agit pour :

  • Maintenir le mésenchyme du membre dans un état mitotiquement actif et concentré sur sa tâche - l'excroissance distale du membre. Ceci est réalisé par la sécrétion de FGF8 , qui signale aux cellules mésodermiques des membres de continuer la prolifération, et la sécrétion de FGF10 , qui finit par maintenir l'AER.
  • Maintenir l'expression des molécules qui établissent l'axe antéro-postérieur. Les FGF sécrétés par l'AER agissent sur les cellules du mésenchyme – y compris la zone d'activité polarisante (ZPA). Ainsi, l'AER amène le ZPA à continuer à sécréter Sonic hedgehog (Shh), qui est impliqué dans l' expression du gène Hox dans l'établissement de la polarité antéro-postérieure dans le membre en développement. Shh active également Gremlin , qui inhibe les protéines morphogénétiques osseuses (BMP) qui bloqueraient normalement l'expression du FGF dans l'AER. De cette manière, la ZPA et l'AER se soutiennent mutuellement grâce à une boucle de rétroaction positive impliquant les FGF, Shh et Gremlin.
  • Communiquez avec les protéines qui déterminent les axes antéro-postérieur et dorso-ventral pour fournir des instructions concernant la différenciation et le destin cellulaire. Les FGF sécrétés par l'AER interagissent avec le mésenchyme des membres - y compris le ZPA - pour induire une expression supplémentaire de FGF et Shh . Ces signaux régulent ensuite l' expression du gène Hox , qui influence l'activité de différenciation et détermine les phénotypes que les cellules adopteront. Le Shh sécrété active également Gremlin, qui inhibe les membres de la famille BMP. Les BMP inhibent l'expression du FGF dans l'AER, de sorte que le FGF sécrété par l'AER finit par fournir une rétroaction (via Shh et Gremlin) qui dictera la différenciation cellulaire impliquée dans la sculpture du membre.

Relation entre l'expression du gène Hox et la structuration des membres

Les gènes Hox , qui établissent initialement l'axe antéro-postérieur de l'embryon entier, continuent de participer à la régulation dynamique du développement des membres même après l'établissement de l'AER et de la ZPA. Une communication complexe s'ensuit lorsque les FGF sécrétés par l'AER et les Shh sécrétés par la ZPA initient et régulent l'expression du gène Hox dans le bourgeon de membre en développement. Bien que de nombreux détails plus fins restent à résoudre, un certain nombre de liens significatifs entre l'expression du gène Hox et l'impact sur le développement des membres ont été découverts. Le modèle d'expression du gène Hox peut être divisé en trois phases tout au long du développement des bourgeons des membres, ce qui correspond à trois limites clés dans le développement des membres proximaux-distaux . Le passage de la première phase à la deuxième phase est marqué par l'introduction de Shh de la ZPA. La transition vers la troisième phase est alors marquée par des changements dans la façon dont le mésenchyme des bourgeons des membres répond à la signalisation Shh. Cela signifie que bien que la signalisation Shh soit requise, ses effets changent avec le temps car le mésoderme est préparé à y répondre différemment. Ces trois phases de régulation révèlent un mécanisme par lequel la sélection naturelle peut modifier indépendamment chacun des trois segments des membres – le stylopode , le zeugopode et l' autopode .

Les gènes Hox sont « physiquement liés dans quatre groupes chromosomiques (Hoxa, Hoxb, Hoxc, Hoxd), et leur position physique sur le chromosome semble être en corrélation avec le moment et le lieu d'expression. Par exemple, la plupart des gènes 3' HOXC ( HOXC4 , HOXC5 ) sont exprimés uniquement dans les membres antérieurs (ailes) chez les poulets, tandis que les gènes plus 5' ( HOXC9 , HOXC10 , HOXC11 ) sont exprimés uniquement dans les membres postérieurs (jambes) . Les gènes intermédiaires ( HOXC6 , HOXC8 ) sont exprimés à la fois dans les membres supérieurs et inférieurs. Au sein du bourgeon de membre, l'expression varie également en fonction de la position le long de l'axe antéro-postérieur. C'est le cas de HOXB9 , qui est le plus fortement exprimé à côté de l'AER, et diminue lors du déplacement d'avant en arrière, ce qui entraîne la moindre expression de HOXB9 à côté de la ZPA postérieure. L'expression de HOXB9 est inversement proportionnelle au niveau d'expression de Shh, ce qui est logique, car le ZPA sécrète Shh. Les gènes HOXA et HOXD suivent pour la plupart des domaines d'expression emboîtés, dans lesquels ils sont activés uniformément le long de l'axe antéro-postérieur du membre lui-même, mais pas de l'axe antéro-postérieur du corps entier. Alors que les gènes HOXC et HOXB ont tendance à être limités à des membres spécifiques, HOXA et HOXD sont généralement exprimés dans tous les membres. HOXD9 et HOXD10 sont exprimés dans le membre en développement sur tout l'axe antéro-postérieur, suivis de HOXD11 , HOXD12 , HOXD13 , qui sont chacun exprimés dans des régions plus postérieures, HOXD13 étant limité aux régions les plus postérieures du bourgeon de membre. En conséquence, l'expression de HOXD se concentre autour de la ZPA postérieure (où HOXD9, 10, 11, 12 et 13 sont tous exprimés), tandis que moins d'expression se produit autour de l'AER, où seuls HOXD9 et HOXD10 sont exprimés.

Expériences de transplantation

Aperçu des résultats

L'AER maintient l'excroissance des membres grâce à la sécrétion de FGF, les cellules du mésenchyme déterminent l'identité

Ces expériences révèlent que le mésenchyme du membre contient les informations nécessaires concernant l'identité du membre, mais l'AER est nécessaire pour stimuler le mésenchyme à être à la hauteur de son destin (de devenir un bras, une jambe, etc.)

  1. Lorsque l'AER est retiré, le développement des membres s'arrête. Si une bille FGF est ajoutée à la place de l'AER, le développement normal du membre se poursuit.
  2. Lorsqu'un AER supplémentaire est ajouté, deux membres se forment.
  3. Lorsque le mésenchyme des membres antérieurs est remplacé par le mésenchyme des membres postérieurs, un membre postérieur se développe.
  4. Lorsque le mésenchyme des membres antérieurs est remplacé par du mésenchyme non-membre, l'AER régresse et le développement des membres s'arrête.
  5. Lorsque l'AER d'un bourgeon de membre tardif est transplanté dans un bourgeon de membre plus précoce, le membre se forme normalement. L'inverse – la transplantation d'un bourgeon de membre précoce à un bourgeon de membre tardif – entraîne également un développement normal du membre. Cependant, le mésoderme sous-jacent dans la zone de progression ''est'' le destin spécifié. Si le mésoderme de la zone de progression est transplanté avec l'AER, alors des doigts/orteils supplémentaires sont formés (pour une transplantation précoce -> tardive) ou les doigts / orteils sont formés trop tôt (pour une transplantation tardive -> précoce).
La formation de l'AER repose sur la limite dorso-ventrale

Les indices microenvironnementaux précis présents à la limite DV sont cruciaux pour la formation de l'AER. Lorsque le bourgeon de membre est dorsalisé - chez les mutants sans membres, par exemple - et qu'il n'existe aucune frontière dorso -ventrale, l'AER est incapable de se former et le développement du membre s'arrête.

Suppression/ajout d'AER

L'ablation de l'AER se traduit par des membres tronqués où seul le stylopode est présent. La transplantation d'un AER supplémentaire entraîne la duplication des structures des membres, généralement sous la forme d'une image miroir à côté du membre déjà en développement. La réflexion de l'image miroir est le résultat de l'AER transplanté obéissant aux signaux de la ZPA existante.

Les billes imbibées de FGF peuvent imiter l'AER

L'implantation d'une bille de plastique imbibée de FGF-4 ou de FGF-2 induira la formation d'un bourgeon de membre dans un embryon, mais la prolifération cessera prématurément à moins que des billes supplémentaires ne soient ajoutées pour maintenir des niveaux appropriés de FGF. L'implantation de billes suffisantes peut induire la formation d'un membre supplémentaire « normal » à un emplacement arbitraire dans l'embryon.

Formation de membres ectopiques

La transplantation de l'ARE au mésoderme de flanc entre les bourgeons normaux des membres entraîne des membres ectopiques . Si l'AER est transplanté plus près du bourgeon du membre antérieur , le membre ectopique se développe comme un membre antérieur. Si l'AER est transplanté plus près du bourgeon du membre postérieur, le membre ectopique se développe comme un membre postérieur . Si l'AER est transplanté près du milieu, le membre ectopique présente à la fois les caractéristiques des membres antérieurs et postérieurs.

L'ARE ne précise pas l'identité du membre

La transplantation d'un AER qui donnerait naissance à un bras (ou à une aile, comme ces expériences sont généralement effectuées sur des embryons de poulet) à un champ de membre se développant en une jambe ne produit pas un bras et une jambe au même endroit, mais plutôt deux jambes. En revanche, la transplantation de cellules de la zone de progression d'un bras en développement pour remplacer la zone de progression d'une jambe en développement produira un membre avec des structures de jambe en proximal ( fémur , genou ) et des structures de bras en distal ( main , doigts ). Ce sont donc les cellules mésodermiques de la zone de progression, et non les cellules ectodermiques de l'ARE, qui contrôlent l'identité du membre.

Le moment de l'AER ne précise pas le destin sous-jacent du mésoderme

Le moment de l'AER ne régule pas la spécification du devenir du mésoderme sous-jacent, comme le montre une série d'expériences. Lorsque l'AER d'un bourgeon de membre tardif est transplanté dans un bourgeon de membre plus précoce, le membre se forme normalement. L'inverse – la transplantation d'un bourgeon de membre précoce à un bourgeon de membre tardif – entraîne également un développement normal du membre. Cependant, le mésoderme sous-jacent dans la zone de progression est spécifié par le destin. Si le mésoderme de la zone de progression est transplanté avec l'AER, alors des doigts/orteils supplémentaires sont formés (pour une transplantation précoce → tardive) ou les doigts/orteils sont formés trop tôt (pour une transplantation tardive → précoce).

Les références

Liens externes