Guidage axonal - Axon guidance

Le guidage axonal (également appelé axone pathfinding ) est un sous-domaine du développement neuronal concernant le processus par lequel les neurones envoient des axones pour atteindre leurs cibles correctes. Les axones suivent souvent des chemins très précis dans le système nerveux, et comment ils parviennent à trouver leur chemin avec une telle précision est un domaine de recherche en cours.

La croissance des axones a lieu à partir d'une région appelée cône de croissance et l'atteinte de la cible axonale se fait avec relativement peu de molécules de guidage. Les récepteurs des cônes de croissance répondent aux signaux de guidage.

Mécanismes

Les axones en croissance ont une structure très mobile à la pointe de croissance appelée cône de croissance , qui "renifle" les activités extracellulaires dans l'environnement pour les signaux qui indiquent à l'axone dans quelle direction se développer. Ces signaux, appelés repères de guidage, peuvent être fixes ou diffusibles ; ils peuvent attirer ou repousser les axones. Les cônes de croissance contiennent des récepteurs qui reconnaissent ces signaux de guidage et interprètent le signal en une réponse chimiotrope . Le cadre théorique général est que lorsqu'un cône de croissance « détecte » un signal de guidage, les récepteurs activent diverses molécules de signalisation dans le cône de croissance qui finissent par affecter le cytosquelette . Si le cône de croissance détecte un gradient de signal de guidage, la signalisation intracellulaire dans le cône de croissance se produit de manière asymétrique, de sorte que les changements cytosquelettiques se produisent de manière asymétrique et que le cône de croissance se tourne vers ou s'éloigne du signal de guidage.

Une combinaison de méthodes génétiques et biochimiques (voir ci-dessous) a conduit à la découverte de plusieurs classes importantes de molécules de guidage axonal et de leurs récepteurs :

• Nétrines : Les nétrines sont des molécules sécrétées qui peuvent agir pour attirer ou repousser les axones en se liant à leurs récepteurs, DCC et UNC5 .
• Fentes : Protéines sécrétées qui repoussent normalement les cônes de croissance en engageant des récepteurs de classe Robo (Roundabout).
• Éphrines : Les éphrines sont des molécules de surface cellulaire qui activent les récepteurs Eph à la surface d'autres cellules. Cette interaction peut être attractive ou repoussante. Dans certains cas, les Ephrines peuvent également agir en tant que récepteurs en transduisant un signal dans la cellule d'expression, tandis que les Ephs agissent en tant que ligands. La signalisation dans les cellules porteuses d'éphrine et d'éphrine est appelée "signalisation bidirectionnelle".
• Sémaphorines : Les nombreux types de sémaphorines sont principalement des répulsifs axonaux et activent des complexes de récepteurs de surface cellulaire appelés plexines et neuropilines .
• Molécules d'adhésion cellulaire (CAMs) : protéines membranaires intégrales qui médient l'adhésion entre les axones en croissance et déclenchent la signalisation intracellulaire dans le cône de croissance. Les CAM sont la principale classe de protéines intervenant dans la navigation axonale correcte des axones se développant sur les axones (fasciculation). Il existe deux sous-groupes de CAM : les IgSF-CAM (appartenant à la superfamille des immunoglobulines) et les Cadhérines (CAM Ca-dépendantes).

De plus, de nombreuses autres classes de molécules extracellulaires sont utilisées par les cônes de croissance pour naviguer correctement :

• Morphogènes du développement, tels que les BMP, Wnts, Hedgehog et FGF
• Matrice extracellulaire et molécules d'adhésion telles que laminine, ténascines, protéoglycanes, N-CAM et L1
• Facteurs de croissance comme le NGF
• Neurotransmetteurs et modulateurs comme le GABA

Intégration des informations dans le guidage axonal

La croissance des axones repose sur une variété d'indices d'orientation pour décider d'une voie de croissance. Les cônes de croissance des axones en extension traitent ces signaux dans un système complexe d'interprétation et d'intégration du signal, afin d'assurer un guidage approprié. Ces indices peuvent être subdivisés fonctionnellement en :

• Des repères adhésifs, qui fournissent une interaction physique avec le substrat nécessaire à la protrusion des axones. Ces signaux peuvent être exprimés sur les cellules gliales et neuronales avec lesquelles l'axone en croissance est en contact ou faire partie de la matrice extracellulaire. Des exemples sont la laminine ou la fibronectine, dans la matrice extracellulaire , et les cadhérines ou molécules d'adhésion cellulaire de la famille des Ig , trouvées à la surface des cellules.
• Des signaux tropiques, qui peuvent agir comme des attractifs ou des répulsifs et provoquer des changements dans la motilité des cônes de croissance en agissant sur le cytosquelette par la signalisation intracellulaire. Par exemple, Netrin joue un rôle dans le guidage des axones à travers la ligne médiane, agissant à la fois comme un attractif et un répulsif, tandis que Semaphorin3A aide les axones à se développer à partir de l'épithélium olfactif pour cartographier différents emplacements dans le bulbe olfactif .
• Des indices modulateurs, qui influencent la sensibilité des cônes de croissance à certains indices de guidage. Par exemple, les neurotrophines peuvent rendre les axones moins sensibles à l'action répulsive de Semaphorin3A.

Compte tenu de l'abondance de ces différents indices de guidage, on croyait auparavant que les cônes de croissance intègrent diverses informations en additionnant simplement le gradient d'indices, dans différentes valences, à un moment donné, pour prendre une décision sur la direction de la croissance. Cependant, des études dans le système nerveux des vertébrés sur les axones traversant la ligne médiane ventrale ont montré que les signaux modulateurs jouent un rôle crucial dans l'ajustement des réponses axonales à d'autres signaux, suggérant que le processus de guidage axonal est non linéaire. Par exemple, les axones commissuraux sont attirés par Netrin et repoussés par Slit. Cependant, à mesure que les axones approchent de la ligne médiane, l'action répulsive de Slit est supprimée par le récepteur Robo-3/Rig-1. Une fois que les axones ont franchi la ligne médiane, l'activation de Robo par Slit fait taire l'attraction médiée par Netrin et les axones sont repoussés par Slit.

Stratégies cellulaires de formation des voies nerveuses

Axones pionniers

La formation d'un tractus nerveux suit plusieurs règles de base. Dans les deux systèmes d' invertébrés et de vertébrés nerveux voies nerveuses initiales sont formées par les axones pionniers de neurones pionniers . Ces axones suivent une voie reproductible, s'arrêtent à des cibles intermédiaires et se branchent à certains points de choix, dans le processus de ciblage de leur destination finale. Ce principe est illustré par l'extension du SNC des axones des neurones sensoriels chez les insectes.

Au cours du processus de développement des membres , les neurones proximaux sont les premiers à former des faisceaux axonaux tout en se développant vers le SNC. Aux stades ultérieurs de la croissance des membres, les axones des neurones plus distaux se fascinent avec ces axones pionniers. La suppression des neurones pionniers perturbe l'extension des axones ultérieurs, destinés à innerver le SNC. Dans le même temps, il convient de noter que dans la plupart des cas, les neurones pionniers ne contiennent pas de caractéristiques uniques et que leur rôle dans le guidage axonal peut être remplacé par d'autres neurones. Par exemple, dans les systèmes de connexion rétinotectaux de Xenopus , les axones pionniers des cellules ganglionnaires rétiniennes proviennent de la partie dorsale de l'œil. Cependant, si la moitié dorsale de l'œil est remplacée par une partie dorsale moins mature, les neurones ventraux peuvent remplacer la voie pionnière des cellules dorsales, après un certain délai. Des études sur la rétine du poisson zèbre ont montré que l'inhibition de la différenciation neuronale des progéniteurs rétiniens précoces empêche les axones de sortir de l'œil. La même étude a démontré des trajectoires de croissance aberrantes dans les neurones secondaires, suite à la croissance de neurones pionniers manquant d'un récepteur de guidage. Ainsi, alors que l'étendue de l'orientation fournie par les axones pionniers fait l'objet de débats et peut varier d'un système à l'autre, les voies pionnières fournissent clairement aux projections des suiveurs des indices de guidage et améliorent leur capacité à naviguer vers la cible.

Rôle de la glie

Les premiers axones en extension d'une voie interagissent étroitement avec les cellules gliales immatures. Dans le corps calleux en formation des vertébrés, les cellules gliales primitives migrent d'abord vers les zones épendymaires des hémisphères et la paroi dorsale du septum pour former une structure transitoire que les axones pionniers des fibres calleuses utilisent pour s'étendre. La signalisation entre la glie et les neurones dans le système nerveux en développement est réciproque. Par exemple, dans le système visuel de la mouche, les axones des photorécepteurs ont besoin de la glie pour sortir du pédoncule oculaire, tandis que les cellules gliales dépendent des signaux des neurones pour revenir le long des axones.

Repères

Les axones en croissance reposent également sur des structures neuronales transitoires telles que les cellules de guidage , lors de la recherche de chemin . Dans le système visuel de la souris , la formation appropriée du chiasma optique dépend d'une structure en forme de V de neurones transitoires qui croisent la glie radiale spécialisée sur la ligne médiane du chiasma. Les axones du chiasma se développent le long et autour de cette structure mais ne l'envahissent pas. Un autre exemple est la sous-plaque dans le cortex cérébral en développement qui consiste en une couche neuronale transitoire sous la zone sous-ventriculaire et sert de guide pour les axones entrant dans les couches corticales permanentes. La sous-plaque est similaire aux neurones chiasmatiques en ce que ces groupes cellulaires disparaissent (ou transitent dans d'autres types de cellules) à mesure que le cerveau mûrit. Ces résultats indiquent que les populations cellulaires transitoires peuvent jouer un rôle de guidage important même si elles n'ont aucune fonction dans le système nerveux mature.

Étudier le guidage axonal

Les premières descriptions du cône de croissance axonal ont été faites par le neurobiologiste espagnol Santiago Ramón y Cajal à la fin du XIXe siècle. Cependant, la compréhension de la biologie moléculaire et cellulaire du guidage axonal ne commencera que des décennies plus tard. Au cours des trente dernières années, les scientifiques ont utilisé diverses méthodes pour déterminer comment les axones se dirigent. Une grande partie des premiers travaux sur le guidage axonal a été effectuée chez la sauterelle , où des motoneurones individuels ont été identifiés et leurs voies caractérisées. Dans les organismes modèles génétiques comme les souris , les poissons zèbres , les nématodes et les mouches des fruits , les scientifiques peuvent générer des mutations et voir si et comment elles provoquent des erreurs de navigation des axones. Les expériences in vitro peuvent être utiles pour la manipulation directe des axones en croissance. Une méthode populaire consiste à cultiver des neurones et à exposer les cônes de croissance à des signaux de guidage purifiés pour voir si ceux-ci provoquent la rotation des axones en croissance. Ces types d'expériences ont souvent été réalisés à l'aide d'organismes modèles embryologiques non génétiques traditionnels, tels que le poulet et la grenouille à griffes africaines . Les embryons de ces espèces sont faciles à obtenir et, contrairement aux mammifères, se développent à l'extérieur et sont facilement accessibles à la manipulation expérimentale.

Systèmes de modèles de guidage axonal

Plusieurs types de voies axonales ont été largement étudiés dans des systèmes modèles pour mieux comprendre les mécanismes de guidage axonal. Les deux plus importantes d'entre elles sont peut-être les commissures et les cartes topographiques. Les commissures sont des sites où les axones traversent la ligne médiane d'un côté du système nerveux à l'autre. Les cartes topographiques sont des systèmes dans lesquels des groupes de neurones dans un tissu projettent leurs axones vers un autre tissu dans un arrangement organisé de telle sorte que les relations spatiales soient maintenues ; c'est-à-dire que les neurones adjacents innervent les régions adjacentes du tissu cible.

Formation de commission : attraction et répulsion

Comme décrit ci-dessus, les signaux de guidage axonal sont souvent classés comme « attrayants » ou « répulsifs ». Il s'agit d'une simplification, car différents axones répondront différemment à un signal donné. De plus, le même cône de croissance axonale peut modifier ses réponses à un signal donné en fonction du moment, de l'expérience antérieure avec le même ou d'autres signaux et le contexte dans lequel se trouve le signal. Ces problèmes sont illustrés lors du développement des commissures. La symétrie bilatérale du système nerveux signifie que les axones rencontreront les mêmes signaux de chaque côté de la ligne médiane. Avant de traverser (ipsilatéralement), le cône de croissance doit naviguer vers et être attiré vers la ligne médiane. Cependant, après avoir traversé (contralatéralement), le même cône de croissance doit se repousser ou perdre son attraction vers la ligne médiane et réinterpréter l'environnement pour localiser le bon tissu cible.

Deux systèmes expérimentaux ont eu des impacts particulièrement forts sur la compréhension de la régulation du guidage axonal médian :

Le cordon nerveux ventral de la drosophile

L'utilisation d'outils génétiques puissants chez la drosophile a conduit à l'identification d'une classe clé d'indices de guidage axonal, les fentes, et de leurs récepteurs, les Robos (abréviation de Roundabout). Le cordon nerveux ventral ressemble à une échelle, avec trois faisceaux d'axones longitudinaux (fascicules) reliés par les commissures, les « échelons » de l'échelle. Il y a deux commissures, antérieure et postérieure, dans chaque segment de l'embryon.

Le modèle actuellement accepté est que Slit, produit par les cellules de la ligne médiane, repousse les axones de la ligne médiane via les récepteurs Robo. Les axones à projection ipsilatérale (non croisés) ont toujours des récepteurs Robo à leur surface, tandis que les axones commissuraux ont très peu ou pas de Robo à leur surface, ce qui leur permet d'être attirés vers la ligne médiane par les Netrins et, probablement, d'autres indices encore non identifiés. Après le croisement, cependant, les récepteurs Robo sont fortement régulés à la hausse sur l'axone, ce qui permet à la répulsion médiée par Robo de surmonter l'attraction vers la ligne médiane. Cette régulation dynamique de Robo est au moins en partie accomplie par une molécule appelée Comm (abréviation de Commissureless), qui empêche Robo d'atteindre la surface cellulaire et de la cibler pour la destruction.

La moelle épinière des souris et des poulets

Dans la moelle épinière des vertébrés, les neurones commissuraux des régions dorsales se projettent vers le bas vers la plaque du plancher ventral. Les axones homolatéraux tournent avant d'atteindre la plaque du plancher pour se développer longitudinalement, tandis que les axones commissuraux traversent la ligne médiane et effectuent leur tour longitudinal du côté controlatéral. Étonnamment, les Netrins, Slits et Robos jouent également des rôles fonctionnels similaires dans ce système. Un mystère remarquable était l'absence apparente de tout gène comm chez les vertébrés. Il semble maintenant qu'au moins certaines des fonctions de Comm soient exécutées par une forme modifiée de Robo appelée Robo3 (ou Rig1).

Le système de la moelle épinière a été le premier à démontrer explicitement la réactivité modifiée des cônes de croissance aux signaux après exposition à la ligne médiane. Les neurones explantés cultivés en culture répondraient à la fente fournie de manière exogène selon qu'ils aient ou non été en contact avec le tissu de la plaque de plancher.

Cartes topographiques : gradients pour le guidage

Comme décrit ci-dessus, les cartes topographiques se produisent lorsque des relations spatiales sont maintenues entre les populations neuronales et leurs champs cibles dans un autre tissu. C'est une caractéristique majeure de l'organisation du système nerveux, en particulier dans les systèmes sensoriels. Le neurobiologiste Roger Sperry a proposé un modèle prémonitoire pour la cartographie topographique médiée par ce qu'il a appelé des « tags » moléculaires. Les quantités relatives de ces balises varieraient en gradients à travers les deux tissus. Nous considérons maintenant ces balises comme des ligands (indices) et leurs récepteurs axonaux. La classe de marqueurs la mieux comprise est peut-être celle des ligands Ephrin et de leurs récepteurs, les Ephs.

Dans le type de modèle de cartographie le plus simple, nous pourrions imaginer un gradient de niveau d'expression du récepteur Eph dans un champ de neurones, comme la rétine, les cellules antérieures exprimant des niveaux très faibles et les cellules postérieures exprimant les niveaux les plus élevés du récepteur. Pendant ce temps, dans la cible des cellules rétiniennes (le tectum optique ), les ligands de l'éphrine sont organisés selon un gradient similaire : haut postérieur à bas antérieur. Les axones rétiniens pénètrent dans le tectum antérieur et se dirigent vers l'arrière. Parce que, en général, les axones porteurs d'Eph sont repoussés par les Ephrines, les axones deviendront de plus en plus réticents à continuer à mesure qu'ils avanceront vers le tectum postérieur. Cependant, le degré auquel ils sont repoussés est déterminé par leur propre niveau particulier d'expression d'Eph, qui est déterminé par la position du corps cellulaire neuronal dans la rétine. Ainsi, les axones de la rétine antérieure, exprimant le niveau le plus bas d'Ephs, peuvent se projeter vers le tectum postérieur, même si c'est là que les Ephrines sont fortement exprimées. Les cellules rétiniennes postérieures expriment un niveau élevé d'Eph et leurs axones s'arrêteront plus en avant dans le tectum.

La projection rétinotectale de poulets, grenouilles et poissons

La grande taille et l'accessibilité de l'embryon de poulet en ont fait un organisme modèle préféré des embryologistes. Les chercheurs ont utilisé le poussin pour purifier biochimiquement les composants du tectum qui ont montré une activité spécifique contre les axones rétiniens en culture. Cela a conduit à l'identification d'Ephs et d'Ephrins comme les "étiquettes" hypothétiques de Sperry.

La projection rétinotectale a également été étudiée chez le Xénope et le poisson zèbre. Le poisson zèbre est un système potentiellement puissant car les criblages génétiques comme ceux effectués chez les invertébrés peuvent être effectués de manière relativement simple et à moindre coût. En 1996, des criblages à grande échelle ont été réalisés chez le poisson zèbre, y compris des cribles pour le guidage et la cartographie des axones rétiniens. De nombreux mutants n'ont pas encore été caractérisés.

Biologie cellulaire

La génétique et la biochimie ont identifié un grand nombre de molécules qui affectent le guidage axonal. La façon dont toutes ces pièces s'emboîtent est moins bien comprise. La plupart des récepteurs de guidage axonal activent des cascades de transduction de signaux qui conduisent finalement à une réorganisation du cytosquelette et des propriétés adhésives du cône de croissance, qui ensemble sous-tendent la motilité de toutes les cellules. Ceci a été bien documenté dans les neurones corticaux des mammifères. Cependant, cela soulève la question de savoir comment les mêmes indices peuvent entraîner un spectre de réponses de différents cônes de croissance. Il se peut que différents récepteurs activent l'attraction ou la répulsion en réponse à un seul signal. Une autre possibilité est que les complexes récepteurs agissent comme des "détecteurs de coïncidence" pour modifier les réponses à un signal en présence d'un autre. Une "diaphonie" de signalisation similaire pourrait se produire de manière intracellulaire, en aval des récepteurs à la surface cellulaire.

En fait, il a été démontré que les réponses de croissance des axones commissuraux sont attirées, réprimées ou réduites au silence en présence du récepteur DCC activé par la nétrine . Cette activité variable dépend de l'expression du récepteur Robo ou UNC-5 au niveau des cônes de croissance. De telle sorte que le récepteur Robo activé par Slit provoque un silence du potentiel attractif de la nétrine via le récepteur DCC. Alors que les cônes de croissance exprimant le récepteur UNC-5, répondent de manière répulsive à l'activation de Netrin-DCC. Ces événements se produisent à la suite d'interactions cytoplasmiques entre le récepteur DCC activé par la nétrine et le récepteur Robo ou UNC-5, qui altèrent finalement la signalisation cytoplasmique du DCC. Ainsi, l'image qui se dégage est que l'avancement des cônes de croissance est très complexe et soumis à la plasticité des signaux de guidage, de l'expression des récepteurs, des interactions avec les récepteurs et des mécanismes de signalisation ultérieurs qui influencent le remodelage du cytosquelette.

Translation du cône de croissance dans les axones guidés

La capacité des axones à naviguer et à ajuster les réponses à divers signaux extracellulaires, à de longues distances du corps cellulaire, a incité les chercheurs à examiner les propriétés intrinsèques des cônes de croissance. Des études récentes révèlent que les indices de guidage peuvent influencer les changements spatio-temporels dans les axones en modulant la traduction locale et la dégradation des protéines dans les cônes de croissance. De plus, cette activité semble se produire indépendamment de l'expression du gène nucléaire distal. En fait, dans les cellules ganglionnaires rétiniennes (CGR) avec des axones soma coupés, les cônes de croissance continuent de suivre et d'innerver le tectum des embryons de Xenopus.

Pour accueillir cette activité, on pense que les cônes de croissance regroupent les ARNm qui codent pour les récepteurs et les protéines de signalisation intracellulaires impliquées dans le remodelage du cytosquelette. Dans les systèmes de projection rétinotectale de Xenopus, il a été démontré que l'expression de ces protéines est influencée par des signaux de guidage et l'activation subséquente de la machinerie de traduction locale. Le signal attractif Netrin-1, stimule le transport de l'ARNm et influence la synthèse de l' β-actine dans les filopodes des cônes de croissance, pour restructurer et orienter les cônes de croissance RGC dans la direction de la sécrétion de Nétrine. Alors que le signal répulsif, Slit, est suggéré pour stimuler la traduction de la cofiline (un facteur de dépolymérisation de l'actine) dans les cônes de croissance, conduisant à la répulsion des axones. En outre, les axones commissuraux sectionnés chez les poussins présentent la capacité de traduire et d'exprimer le récepteur Eph-A2 lors du croisement de la ligne médiane. En conséquence, des études suggèrent que l'expression locale des protéines est un mécanisme pratique pour expliquer la nature rapide, dynamique et autonome de l'avancement des cônes de croissance en réponse aux molécules de guidage.

L'hypothèse de la croissance axonale et la dynamique consensuelle du connectome

Les techniques contemporaines d' IRM pondérée en diffusion peuvent également révéler le processus macroscopique du développement axonal. Le connectome , ou le braingraph, peut être construit à partir de données d' IRM de diffusion : les sommets du graphique correspondent à des zones cérébrales étiquetées anatomiquement, et deux de ces sommets, disons u et v , sont reliés par une arête si la phase de tractographie du traitement des données trouve une fibre axonale qui relie les deux zones, correspondant à u et v . De nombreux braingraphs, calculés à partir du Human Connectome Project, peuvent être téléchargés sur le site http://braingraph.org . Le Consensus Connectome Dynamics (CCD) est un phénomène remarquable qui a été découvert en diminuant continuellement le paramètre de confiance minimum à l'interface graphique du Budapest Reference Connectome Server. Le Budapest Reference Connectome Server décrit les connexions cérébrales de n=418 sujets avec un paramètre de fréquence k : Pour tout k=1,2,...,n, on peut visualiser le graphique des arêtes présentes dans au moins k connectomes . Si le paramètre k est diminué un par un de k=n à k=1, alors de plus en plus d'arêtes apparaissent dans le graphique, puisque la condition d'inclusion est relâchée. L'observation surprenante est que l'apparence des bords est loin d'être aléatoire : elle ressemble à une structure croissante et complexe, comme un arbre ou un arbuste (visualisé sur cette animation sur YouTube . Il est supposé que la structure croissante copie le développement axonal de le cerveau humain : les premières connexions en développement (fibres axonales) sont courantes chez la plupart des sujets, et les connexions qui se développent par la suite ont une variance de plus en plus grande, car leurs variances s'accumulent au cours du processus de développement axonal.

Association génétique

Le guidage axonal est génétiquement associé à d'autres caractéristiques ou caractéristiques. Par exemple, des analyses d'enrichissement de différentes voies de signalisation ont conduit à la découverte d'une association génétique avec le volume intracrânien.

Voir également

• Axone pionnier
• RTN4R médie l' inhibition de la croissance axonale

Les références

Liens externes

• Un séminaire grand public "Câbler le cerveau : comment les axones naviguent"