Morphogène - Morphogen

La morphogenèse des drosophiles des drosophiles est étudiée de manière intensive en laboratoire

Un morphogène est une substance dont la distribution non uniforme régit le modèle de développement tissulaire dans le processus de morphogenèse ou de formation de modèle , l'un des processus centraux de la biologie du développement , établissant les positions des divers types de cellules spécialisées dans un tissu. Plus spécifiquement, un morphogène est une molécule de signalisation qui agit directement sur les cellules pour produire des réponses cellulaires spécifiques en fonction de sa concentration locale.

En règle générale, les morphogènes sont produits par les cellules sources et diffusent à travers les tissus environnants dans un embryon au cours du développement précoce, de sorte que des gradients de concentration sont établis. Ces gradients entraînent le processus de différenciation des cellules souches non spécialisées en différents types de cellules, formant finalement tous les tissus et organes du corps. Le contrôle de la morphogenèse est un élément central de la biologie évolutive du développement (evo-devo).

Histoire

Le terme a été inventé par Alan Turing dans l'article " The Chemical Basis of Morphogenesis ", où il a prédit un mécanisme chimique pour la formation de modèles biologiques , des décennies avant que la formation de tels modèles ne soit démontrée.

Le concept de morphogène a une longue histoire en biologie du développement, remontant aux travaux du généticien pionnier de la drosophile (mouche des fruits) , Thomas Hunt Morgan , au début du 20e siècle. Lewis Wolpert a affiné le concept de morphogène dans les années 1960 avec le modèle du drapeau français , qui décrivait comment un morphogène pouvait subdiviser un tissu en domaines d' expression de gènes cibles différents (correspondant aux couleurs du drapeau français). Ce modèle a été défendu par le principal biologiste de la drosophile , Peter Lawrence . Christiane Nüsslein-Volhard a été la première à identifier un morphogène, Bicoïde , l'un des facteurs de transcription présents dans un gradient dans l' embryon syncitial de la drosophile . Elle a reçu le prix Nobel de physiologie et de médecine en 1995 pour ses travaux expliquant l' embryologie morphogénique de la mouche commune des fruits. Des groupes dirigés par Gary Struhl et Stephen Cohen ont ensuite démontré qu'une protéine de signalisation sécrétée, décapentaplegic (l' homologue de la drosophile du facteur de croissance transformant bêta ), agissait comme un morphogène au cours des dernières étapes du développement de la drosophile .

Mécanisme

Au cours du développement précoce, les gradients morphogènes entraînent la différenciation de types de cellules spécifiques dans un ordre spatial distinct. Le morphogène fournit des informations spatiales en formant un gradient de concentration qui subdivise un champ de cellules en induisant ou en maintenant l' expression de différents gènes cibles à des seuils de concentration distincts. Ainsi, les cellules éloignées de la source du morphogène recevront de faibles niveaux de morphogène et n'exprimeront que des gènes cibles à bas seuil . En revanche, les cellules proches de la source de morphogène recevront des niveaux élevés de morphogène et exprimeront à la fois des gènes cibles à seuil bas et haut. Des types de cellules distincts émergent à la suite de la combinaison différente de l'expression du gène cible. De cette manière, le champ de cellules est subdivisé en différents types en fonction de leur position par rapport à la source du morphogène. Ce modèle est supposé être un mécanisme général par lequel la diversité des types de cellules peut être générée dans le développement embryonnaire chez les animaux.

Certains des morphogènes les plus précoces et les mieux étudiés sont des facteurs de transcription qui se diffusent dans les embryons précoces de Drosophila melanogaster (mouche des fruits). Cependant, la plupart des morphogènes sont des protéines sécrétées qui signalent entre les cellules .

Gènes et signaux

Un morphogène se propage à partir d'une source localisée et forme un gradient de concentration à travers un tissu en développement. En biologie du développement, «morphogène» est rigoureusement utilisé pour désigner une molécule de signalisation qui agit directement sur les cellules (et non par induction en série) pour produire des réponses cellulaires spécifiques qui dépendent de la concentration en morphogène. Cette définition concerne le mécanisme, et non une formule chimique spécifique, de sorte que des composés simples tels que l'acide rétinoïque (le métabolite actif du rétinol ou de la vitamine A ) peuvent également agir comme des morphogènes. Le modèle n'est pas universellement accepté en raison de problèmes spécifiques liés à la mise en place d'un gradient dans le tissu décrit dans le modèle du drapeau français et des travaux ultérieurs montrant que le gradient morphogène de l'embryon de drosophile est plus complexe que le simple modèle de gradient ne l'indiquerait.

Exemples

Les morphogènes de mammifères proposés comprennent l'acide rétinoïque , le hérisson sonique ( SHH ), le facteur de croissance transformant bêta ( TGF-β ) / protéine morphogénique osseuse ( BMP ) et la Wnt / bêta-caténine . Les morphogènes chez la drosophile comprennent le décapentaplegic et le hérisson .

Au cours du développement, l'acide rétinoïque , un métabolite de la vitamine A , est utilisé pour stimuler la croissance de l' extrémité postérieure de l'organisme. L'acide rétinoïque se lie aux récepteurs de l'acide rétinoïque qui agissent comme des facteurs de transcription pour réguler l'expression des gènes Hox . L'exposition d'embryons à des rétinoïdes exogènes, en particulier au cours du premier trimestre, entraîne des anomalies congénitales.

Les membres de la famille TGF-β sont impliqués dans la structuration dorsoventrale et la formation de certains organes. La liaison au TGF-β aux récepteurs bêta du TGF de type II recrute des récepteurs de type I provoquant la transphosphorylation de ces derniers. Les récepteurs de type I activent les protéines Smad qui à leur tour agissent comme des facteurs de transcription qui régulent la transcription génique.

Sonic Hedgehog (SHH) sont des morphogènes essentiels à la structuration précoce de l'embryon en développement. SHH se lie au récepteur Patched qui, en l'absence de SHH, inhibe le récepteur Smoothened . Activé lissé à son tour provoque la translocation de Gli1 , Gli2 et Gli3 dans le noyau où ils activent des gènes cibles tels que PTCH1 et Engrailed .

Mouche des fruits

Drosophila melanogaster a un système de développement inhabituel, dans lequel les treize premières divisions cellulaires de l'embryon se produisent dans un syncytium avant la cellularisation . Essentiellement, l'embryon reste une seule cellule avec plus de 8000 noyaux régulièrement espacés près de la membrane jusqu'à la quatorzième division cellulaire, lorsque des membranes indépendantes sillonnent entre les noyaux, les séparant en cellules indépendantes. En conséquence, dans les embryons de mouche, des facteurs de transcription tels que Bicoïde ou Bossu peuvent agir comme des morphogènes car ils peuvent diffuser librement entre les noyaux pour produire des gradients de concentration lisses sans s'appuyer sur des mécanismes de signalisation intercellulaires spécialisés. Bien qu'il existe des preuves que des facteurs de transcription homéobox similaires à ceux-ci peuvent passer directement à travers les membranes cellulaires, on ne pense pas que ce mécanisme contribue grandement à la morphogenèse dans les systèmes cellulaires.

Dans la plupart des systèmes de développement, tels que les embryons humains ou le développement ultérieur de la drosophile , la syncytie ne se produit que rarement (comme dans le muscle squelettique) et les morphogènes sont généralement des protéines de signalisation sécrétées. Ces protéines se lient aux domaines extracellulaires des protéines réceptrices transmembranaires , qui utilisent un processus élaboré de transduction du signal pour communiquer le niveau de morphogène au noyau. Les cibles nucléaires des voies de transduction du signal sont généralement des facteurs de transcription, dont l'activité est régulée d'une manière qui reflète le niveau de morphogène reçu à la surface cellulaire. Ainsi, les morphogènes sécrétés agissent pour générer des gradients d'activité des facteurs de transcription tout comme ceux qui sont générés dans l' embryon syncitial de drosophile .

Des gènes cibles discrets répondent à différents seuils d'activité morphogène. L'expression des gènes cibles est contrôlée par des segments d'ADN appelés « amplificateurs » auxquels les facteurs de transcription se lient directement. Une fois lié, le facteur de transcription stimule ou inhibe alors la transcription du gène et contrôle ainsi le niveau d'expression du produit génique (généralement une protéine). Les gènes cibles à «seuil bas» ne nécessitent que de faibles niveaux d'activité morphogène pour être régulés et comportent des amplificateurs qui contiennent de nombreux sites de liaison à haute affinité pour le facteur de transcription. Les gènes cibles «à seuil élevé» ont relativement moins de sites de liaison ou de sites de liaison de faible affinité qui nécessitent des niveaux d'activité de facteur de transcription beaucoup plus élevés pour être régulés.

Le mécanisme général par lequel le modèle morphogène fonctionne peut expliquer la subdivision des tissus en modèles de types de cellules distincts, en supposant qu'il est possible de créer et de maintenir un gradient. Cependant, le modèle morphogène est souvent invoqué pour des activités supplémentaires telles que le contrôle de la croissance du tissu ou l'orientation de la polarité des cellules en son sein (par exemple, les poils de votre avant-bras pointent dans une direction) qui ne peuvent pas être expliqués par le modèle.

Éponymes

Le rôle organisateur que jouent les morphogènes au cours du développement animal a été reconnu dans la nomination en 2014 d'un nouveau genre de coléoptère, Morphogenia . L'espèce type, Morphogenia struhli , a été nommée en l'honneur de Gary Struhl, le biologiste du développement américain qui a joué un rôle déterminant dans la démonstration que les gènes décapentaplégiques et sans ailes codent pour des protéines qui fonctionnent comme des morphogènes pendant le développement de la drosophile .

Les références

Lectures complémentaires