Différenciation régionale - Regional differentiation

Dans le domaine de la biologie du développement , la différenciation régionale est le processus par lequel différentes zones sont identifiées dans le développement de l' embryon précoce . Le processus par lequel les cellules deviennent spécifiées diffère d'un organisme à l'autre .

Détermination du destin cellulaire

En termes d'engagement de développement, une cellule peut être soit spécifiée, soit déterminée. La spécification est la première étape de la différenciation. Une cellule spécifiée peut voir son engagement inversé alors que l'état déterminé est irréversible. Il existe deux principaux types de spécification : autonome et conditionnelle. Une cellule spécifiée de manière autonome se développera en un destin spécifique basé sur des déterminants cytoplasmiques sans tenir compte de l'environnement dans lequel la cellule se trouve. Une cellule spécifiée de manière conditionnelle se développera en un destin spécifique basé sur d'autres cellules environnantes ou des gradients de morphogène . Un autre type de spécification est la spécification syncytiale , caractéristique de la plupart des classes d' insectes .

La spécification chez les oursins utilise à la fois des mécanismes autonomes et conditionnels pour déterminer l'axe antérieur/postérieur. L'axe antérieur/postérieur se situe le long de l'axe animal/végétal mis en place lors du clivage . Les micromères induisent le tissu voisin à devenir endoderme tandis que les cellules animales sont spécifiées pour devenir ectoderme . Les cellules animales ne sont pas déterminées car les micromères peuvent amener les cellules animales à prendre également des destins mésodermiques et endodermiques. Il a été observé que la β-caténine était présente dans les noyaux au pôle végétal de la blastula . Grâce à une série d'expériences, une étude a confirmé le rôle de la -caténine dans la spécification cellulaire autonome du destin des cellules végétales et la capacité d'induction des micromères. Des traitements au chlorure de lithium suffisants pour végétaliser l'embryon ont entraîné une augmentation de la b-caténine localisée dans le noyau. La réduction de l'expression de la -caténine dans le noyau est corrélée à la perte du destin des cellules végétales. Les greffes de micromères dépourvues d'accumulation nucléaire de -caténine n'ont pas pu induire un deuxième axe.

Pour le mécanisme moléculaire de la -caténine et des micromères, il a été observé que Notch était présent uniformément sur la surface apicale de la blastula précoce mais était perdu dans les cellules mésenchymateuses secondaires (SMC) au cours de la blastula tardive et enrichi dans les cellules endodermiques présumées dans blastula tardive. L'encoche est à la fois nécessaire et suffisante pour la détermination des SMC. Les micromères expriment le ligand de Notch, Delta, à leur surface pour induire la formation de SMC.

Les niveaux nucléaires élevés de b-caténine résultent de la forte accumulation de la protéine échevelée au pôle végétal de l'œuf. échevelé inactive la GSK-3 et empêche la phosphorylation de la -caténine. Cela permet à la -caténine d'échapper à la dégradation et d'entrer dans le noyau. Le seul rôle important de la -caténine est d'activer la transcription du gène Pmar1. Ce gène réprime un répresseur pour permettre aux gènes micromères d'être exprimés.

L' axe aboral/oral (analogue aux axes dorsal/ventral chez d'autres animaux) est spécifié par un homologue nodal . Ce ganglion était localisé sur la future face orale de l'embryon. Les expériences ont confirmé que nodal est à la fois nécessaire et suffisant pour favoriser le développement du destin oral. Nodal a également un rôle dans la formation de l'axe gauche/droit.

Tuniciers

Les tuniciers ont été un choix populaire pour l'étude de la spécification régionale car les tuniciers ont été le premier organisme dans lequel la spécification autonome a été découverte et les tuniciers sont liés à l'évolution des vertébrés.

Les premières observations chez les tuniciers ont conduit à l'identification du croissant jaune (également appelé myoplasme). Ce cytoplasme a été séparé des futures cellules musculaires et s'il était transplanté, il pourrait induire la formation de cellules musculaires. Le déterminant cytoplasmique macho-1 a été isolé comme facteur nécessaire et suffisant pour la formation des cellules musculaires. Comme pour les oursins, l'accumulation de b-caténine dans les noyaux a été identifiée comme à la fois nécessaire et suffisante pour induire l'endoderme.

Deux autres destins cellulaires sont déterminés par spécification conditionnelle. L'endoderme envoie un signal de facteur de croissance des fibroblastes (FGF) pour spécifier le destin de la notocorde et du mésenchyme. Les cellules antérieures répondent au FGF pour devenir notocord tandis que les cellules postérieures (identifiées par la présence de macho-1) répondent au FGF pour devenir mésenchyme.

Le cytoplasme de l'œuf détermine non seulement le destin des cellules, mais également l'axe dorsal/ventral. Le cytoplasme du pôle végétal précise cet axe et la suppression de ce cytoplasme entraîne une perte d'information sur l'axe. Le cytoplasme jaune précise l'axe antérieur/postérieur. Lorsque le cytoplasme jaune se déplace vers la partie postérieure de l'œuf pour devenir un cytoplasme végétal postérieur (PVC), l'axe antéro-postérieur est spécifié. L'ablation du PVC entraîne une perte de l'axe tandis que la transplantation vers l'antérieur inverse l'axe.

C. elegans

Au stade bicellulaire, l'embryon du nématode C. elegans présente un comportement en mosaïque . Il y a deux cellules, la cellule P1 et la cellule AB. La cellule P1 était capable de fabriquer toutes ses cellules destinées alors que la cellule AB ne pouvait fabriquer qu'une partie des cellules qu'elle était destinée à produire. Ainsi, la première division donne la spécification autonome des deux cellules, mais les cellules AB nécessitent un mécanisme conditionnel pour produire toutes ses cellules fatales.

La lignée AB donne naissance aux neurones, à la peau et au pharynx. La cellule P1 se divise en EMS et P2. La cellule EMS se divise en MS et E. La lignée MS donne naissance au pharynx, aux muscles et aux neurones. La lignée E donne naissance aux intestins. La cellule P2 se divise en cellules fondatrices P3 et C. Les cellules fondatrices C donnent naissance aux muscles, à la peau et aux neurones. La cellule P3 se divise en cellules fondatrices P4 et D. Les cellules fondatrices D donnent naissance au muscle tandis que la lignée P4 donne naissance à la lignée germinale.

• Spécification de l'axe

L'axe antéro-postérieur est spécifié par le spermatozoïde du côté postérieur. Au stade à deux cellules, la cellule antérieure est la cellule AB tandis que la cellule postérieure est la cellule P1. L'axe dorsal/ventral de l'animal est défini par une position aléatoire des cellules au cours du stade à quatre cellules de l'embryon. La cellule dorsale est la cellule ABp tandis que la cellule ventrale est la cellule EMS.

• Localisation des déterminants cytoplasmiques

La spécification autonome de C. elegans découle de différents déterminants cytoplasmiques. Les protéines PAR sont responsables de la partition de ces déterminants dans l'embryon précoce. Ces protéines sont situées à la périphérie du zygote et jouent un rôle dans la signalisation intracellulaire. Le modèle actuel de la fonction de ces protéines est qu'elles provoquent des changements locaux dans le cytoplasme qui conduisent à une accumulation différente de protéines dans la partie postérieure par rapport à la partie antérieure. Le Mex-5 s'accumule dans la partie antérieure tandis que les granules PIE-1 et P (voir ci-dessous) s'accumulent dans la partie postérieure.

• Spécification de la lignée germinale

Les granules P ont été identifiés comme les déterminants cytoplasmiques. Bien qu'ils soient uniformément présents lors de la fécondation, ces granules se localisent dans la cellule P1 postérieure avant la première division. Ces granules sont encore localisés entre chaque division en cellules P (ex. P2, P3) jusqu'après la quatrième division où ils sont placés dans les cellules P4 qui deviennent la lignée germinale.

• Spécification des cellules EMS et P1

D'autres protéines susceptibles de fonctionner comme des déterminants cytoplasmiques localisés dans la lignée P1 comprennent SKN-1, PIE-1 et PAL-1.

SKN-1 est un déterminant cytoplasmique qui est localisé dans la lignée cellulaire P1 et détermine le destin des cellules EMS. PIE-1 est localisé dans la lignée cellulaire P2 et est un répresseur général de la transcription. SKN-1 est réprimé dans les cellules P2 et est incapable de spécifier un destin EMS dans ces cellules. L'activité répressive de PIE-1 est nécessaire pour empêcher la lignée germinale de se différencier.

• Spécification des cellules fondatrices C et D

PAL-1 est nécessaire pour spécifier les destins des cellules fondatrices C et D (dérivées de la lignée P2). PAL-1, cependant, est présent à la fois dans EMS et P2. Normalement, l'activité PAL-1 est réprimée dans EMS par SKN-1 mais pas réprimée dans P2. Les cellules fondatrices C et D dépendent de PAL-1, mais un autre facteur est nécessaire pour distinguer C de D.

• Spécification de la lignée E

La spécification de la lignée E dépend des signaux de P2 vers la cellule EMS. Des composants de la signalisation Wnt ont été impliqués et ont été nommés gènes maman . mom-2 est un membre de la famille des protéines Wnt (c'est-à-dire le signal) et mom-5 est un membre de la famille des protéines frizzled (c'est-à-dire le récepteur).

• Spécification de ABa et ABp

La spécification de ABa et ABp dépend d'un autre événement de signalisation cellule-cellule. Une différence entre ces deux types de cellules est que ABa donne naissance au pharynx antérieur tandis que ABp ne contribue pas au pharynx. Un signal de la SEP au stade 12 cellules induit le pharynx dans les cellules descendantes ABa mais pas dans la descendance ABp. Les signaux des cellules P2 empêchent l'ABp de former le pharynx. Ce signal du P2 s'est avéré être APX-1 au sein de la famille de protéines Delta. Ces protéines sont connues pour être des ligands de la protéine Notch . Le GLP-1, une protéine Notch, est également requis pour la spécification du devenir de l'ABp.

Drosophile

Axe antérieur/postérieur

La structuration antérieure/postérieure de la drosophile provient de trois groupes de gènes maternels. Le groupe antérieur dessine la tête et les segments thoraciques. Le groupe postérieur dessine les segments abdominaux et le groupe terminal dessine les régions terminales antérieure et postérieure appelées terminalia (l'acron dans la partie antérieure et le telson dans la partie postérieure).

Les gènes du groupe antérieur comprennent le bicoïde. Le bicoïde fonctionne comme un facteur de transcription morphogène gradué qui se localise dans le noyau. La tête de l'embryon se forme au point de concentration la plus élevée de bicoïde et le motif antérieur dépend de la concentration de bicoïde. Bicoid agit comme un activateur transcriptionnel des gènes de l'espace bossu (hb), buttonhead (btd), des stigmates vides (ems) et orthodentique (otd) tout en agissant également pour réprimer la traduction de la caudale. Une affinité différente pour le bicoïde dans les promoteurs des gènes qu'il active permet l'activation dépendante de la concentration. Otd a ​​une faible affinité pour le bicoïde, l'hb a une affinité plus élevée et sera donc activée à une concentration plus faible en bicoïde. Deux autres gènes du groupe antérieur, l'hirondelle et l'exupérante, jouent un rôle dans la localisation du bicoïde vers l'antérieur. Bicoïde est dirigé vers l'antérieur par sa région non traduite 3' (3'UTR). Le cytosquelette des microtubules joue également un rôle dans la localisation du bicoïde.

Les gènes du groupe postérieur comprennent les nanos. Semblable au bicoïde, les nanos sont localisés au pôle postérieur en tant que morphogène gradué. Le seul rôle des nanos est de réprimer l'ARNm du bossu transcrit maternellement dans le postérieur. Une autre protéine, pumilio, est nécessaire aux nanos pour réprimer le bossu. D'autres protéines postérieures, oskar (qui attache l'ARNm des nanos), Tudor, vasa et Valois, localisent les déterminants de la lignée germinale et les nanos à la partie postérieure.

Contrairement à l'antérieur et au postérieur, les informations de position pour les terminaux proviennent des cellules folliculaires de l'ovaire. Les terminaux sont spécifiés par l'action de la tyrosine kinase du récepteur Torso. Les cellules folliculaires sécrètent comme un torse dans l'espace périvitellin uniquement aux pôles. Torso-like clive le tronc pro-peptide qui semble être le ligand du torse. Trunk active Torso et provoque une cascade de transduction de signal qui réprime le répresseur transcriptionnel Groucho qui à son tour provoque l'activation des gènes de l'espace terminal sans queue et huckebein.

Segmentation et gènes homéotiques

La structuration des gènes maternels a pour effet d'influencer l'expression des gènes de segmentation . Les gènes de segmentation sont des gènes exprimés de manière embryonnaire qui spécifient le nombre, la taille et la polarité des segments. Les gènes gap sont directement influencés par les gènes maternels et sont exprimés dans des régions locales et chevauchantes le long de l'axe antérieur/postérieur. Ces gènes sont influencés non seulement par les gènes maternels, mais aussi par les interactions épistatiques entre les autres gènes gap.

Les gènes gap fonctionnent pour activer les gènes pair-rule . Chaque gène de règle de paire est exprimé en sept bandes en raison de l'effet combiné des gènes gap et des interactions entre les autres gènes de règle de paire. Les gènes paire-règle peuvent être divisés en deux classes : les gènes paire-règle primaires et les gènes paire-règle secondaires. Les gènes de règles de paires primaires sont capables d'influencer les gènes de règles de paires secondaires, mais pas l'inverse. Le mécanisme moléculaire entre la régulation des gènes primaires paire-règle a été compris grâce à une analyse complexe de la régulation de pair-saut. Les interactions régulatrices positives et négatives par les gènes maternels et gap et une combinaison unique de facteurs de transcription fonctionnent pour exprimer un saut égal dans différentes parties de l'embryon. Le même gène gap peut agir positivement dans une bande mais négativement dans une autre.

L'expression des gènes de règle de paire se traduit par l'expression des gènes de polarité de segment en 14 bandes. Le rôle des gènes de polarité des segments est de définir les limites et la polarité des segments. On pense que les moyens par lesquels les gènes accomplissent cela impliquent une distribution ou une cascade de signaux sans ailes et en hérisson initiée par ces protéines. Contrairement aux gènes gap et pair-rule, les gènes de polarité segmentaire fonctionnent dans les cellules plutôt que dans le syncytium. Ainsi, les gènes de polarité des segments influencent la structuration par la signalisation plutôt que de manière autonome. De plus, les gènes gap et pair-rule sont exprimés de manière transitoire tandis que l'expression des gènes de polarité de segment est maintenue tout au long du développement. L'expression continue des gènes de polarité de segment est maintenue par une boucle de rétroaction impliquant hedgehog et wingless.

Alors que les gènes de segmentation peuvent spécifier le nombre, la taille et la polarité des segments, les gènes homéotiques peuvent spécifier l'identité du segment. Les gènes homéotiques sont activés par les gènes gap et les gènes pair-rule. Le complexe Antennapedia et le complexe bithorax sur le troisième chromosome contiennent les principaux gènes homéotiques requis pour spécifier l'identité segmentaire (en fait l'identité parasegmentaire). Ces gènes sont des facteurs de transcription et sont exprimés dans des régions chevauchantes qui sont en corrélation avec leur position le long du chromosome. Ces facteurs de transcription régulent d'autres facteurs de transcription, des molécules de surface cellulaire jouant un rôle dans l'adhésion cellulaire et d'autres signaux cellulaires. Plus tard au cours du développement, les gènes homéotiques sont exprimés dans le système nerveux selon un schéma antérieur/postérieur similaire. Les gènes homéotiques sont maintenus tout au long du développement par la modification de l'état de condensation de leur chromatine. Les gènes Polycomb maintiennent la chromatine dans une conformation inactive tandis que les gènes trithorax maintiennent la chromatine dans une conformation active.

Tous les gènes homéotiques partagent un segment de protéine avec une séquence et une structure similaires appelées homéodomaine (la séquence d'ADN est appelée l'homéoboîte). Cette région des protéines homéotiques se lie à l'ADN. Ce domaine a été trouvé dans d'autres protéines régulatrices du développement, telles que le bicoïde, ainsi que chez d'autres animaux, y compris les humains. La cartographie moléculaire a révélé que le groupe de gènes HOX a été hérité intact d'un ancêtre commun des mouches et des mammifères, ce qui indique qu'il s'agit d'un système de régulation du développement fondamental.

Axe dorsal/ventral

La protéine maternelle, Dorsal, fonctionne comme un morphogène gradué pour fixer la face ventrale de l'embryon (le nom vient de mutations qui ont conduit à un phénotype dorsalisé ). Dorsal est comme le bicoïde en ce sens qu'il s'agit d'une protéine nucléaire; cependant, contrairement au bicoïde, la dorsale est uniformément répartie dans tout l'embryon. La différence de concentration résulte du transport nucléaire différentiel. Le mécanisme par lequel le dorsal se situe différemment dans les noyaux se déroule en trois étapes.

La première étape se passe dans la face dorsale de l'embryon. Le noyau de l'ovocyte se déplace le long d'une piste de microtubules d'un côté de l'ovocyte. Ce côté envoie un signal, gurken , aux récepteurs de torpilles sur les cellules folliculaires. Le récepteur de torpille se trouve dans toutes les cellules folliculaires; cependant, le signal de gurken ne se trouve que sur la face dorsale antérieure de l'ovocyte. Les cellules folliculaires changent de forme et de propriétés synthétiques pour distinguer la face dorsale de la face ventrale. Ces cellules du follicule dorsal sont incapables de produire la protéine pipe requise pour la deuxième étape.

La deuxième étape est un signal des cellules folliculaires ventrales à l'ovocyte. Ce signal agit après que l'ovule ait quitté les cellules folliculaires, ce signal est donc stocké dans l'espace périvitellin. Les cellules folliculaires sécrètent du windbeutel, du nudel et du pipe, qui créent un complexe activateur de protéase. Parce que les cellules du follicule dorsal n'expriment pas de tuyau, elles ne sont pas capables de créer ce complexe. Plus tard, l'embryon sécrète trois protéases inactives ( gastrulation défectueuse, serpent et Easter ) et un ligand inactif ( spätzle ) dans l'espace périvitellin. Ces protéases sont activées par le complexe et clivent le spätzle en une forme active. Cette protéine active est distribuée dans un gradient ventral à dorsal. Toll est un récepteur tyrosine kinase pour le spätzle et transduit le signal spätzle gradué à travers le cytoplasme pour phosphoryler le cactus . Une fois phosphorylé, le cactus ne se lie plus à la dorsale, le laissant libre d'entrer dans le noyau. La quantité de dorsale libérée dépend de la quantité de protéine spätzle présente.

La troisième étape est l'expression régionale des gènes zygotiques décapentaplégique ( dpp ), zerknüllt , tolloid , twist , escargot et rhomboïde en raison de l'expression de dorsale dans le noyau. Des niveaux élevés de dorsale sont nécessaires pour activer la transcription de la torsion et de l' escargot. De faibles niveaux de dorsale peuvent activer la transcription du rhomboïde. Dorsal réprime la transcription de zerknüllt, tolloid et dpp. Les gènes zygotiques interagissent également entre eux pour restreindre leurs domaines d'expression.

Amphibiens

Axe dorsal/ventral et organisateur

Entre la fécondation et le premier clivage dans les embryons de Xénope , le cytoplasme cortical du zygote tourne par rapport au cytoplasme central d'environ 30 degrés pour découvrir (chez certaines espèces) un croissant gris dans la région marginale ou médiane de l'embryon. La rotation corticale est alimentée par des moteurs de microtubules se déplaçant le long de réseaux parallèles de microtubules corticaux. Ce croissant gris marque la future face dorsale de l'embryon. Le blocage de cette rotation empêche la formation de l'axe dorsal/ventral. Au stade tardif de la blastula, les embryons de Xénope ont un axe dorsal/ventral clair.

Au début de la gastrula, la plupart des tissus de l'embryon ne sont pas déterminés. La seule exception est la partie antérieure de la lèvre dorsale du blastopore. Lorsque ce tissu a été transplanté dans une autre partie de l'embryon, il s'est développé normalement. De plus, ce tissu a pu induire la formation d'un autre axe dorsal/ventral. Hans Spemann a nommé cette région l'organisateur et l'induction de l'axe dorsal l'induction primaire.

L'organisateur est induit à partir d'une région végétale dorsale appelée centre de Nieuwkoop. Il existe de nombreux potentiels de développement différents à travers les embryons au stade blastula. La coiffe végétale ne peut donner naissance qu'à des types cellulaires endodermiques alors que la coiffe animale ne peut donner naissance qu'à des types cellulaires ectodermiques. La zone marginale, cependant, peut donner naissance à la plupart des structures dans l'embryon, y compris le mésoderme . Une série d'expériences de Pieter Nieuwkoop a montré que si la zone marginale est supprimée et que les calottes animale et végétale sont placées côte à côte, le mésoderme provient de la calotte animale et les tissus dorsaux sont toujours adjacents aux cellules végétales dorsales. Ainsi, cette région végétale dorsale, nommée le centre de Nieuwkoop, a pu induire la formation de l'organisateur.

Les tests de jumelage ont identifié les protéines Wnt comme des molécules du centre de Nieuwkoop qui pourraient spécifier l'axe dorsal/ventral. Dans les tests de jumelage, des molécules sont injectées dans le blastomère ventral d'un embryon au stade de quatre cellules. Si les molécules spécifient l'axe dorsal, des structures dorsales seront formées sur la face ventrale. Les protéines Wnt n'étaient pas nécessaires pour spécifier l'axe, mais l'examen d'autres protéines de la voie Wnt a conduit à la découverte que la -caténine était nécessaire. La β-caténine est présente dans les noyaux sur la face dorsale mais pas sur la face ventrale. Les niveaux de -caténine sont régulés par GSK-3. Lorsqu'elle est active, la GSK-3 phosphoryle la β-caténine libre, qui est ensuite ciblée pour la dégradation. Il existe deux molécules possibles qui pourraient réguler la GSK-3 : GBP (GSK-3 Binding Protein) et Disheveled . Le modèle actuel est que ceux-ci agissent ensemble pour inhiber l'activité de la GSK-3. Disheveled est capable d'induire un axe secondaire lorsqu'il est surexprimé et est présent à des niveaux plus élevés sur la face dorsale après la rotation corticale ( Symetry Breaking and Cortical Rotation ). Cependant, l'épuisement de Disheveled n'a aucun effet. GBP a un effet à la fois épuisé et surexprimé. Des preuves récentes, cependant, ont montré que Xwnt11, une molécule Wnt exprimée dans Xenopus , était à la fois suffisante et nécessaire pour la formation de l'axe dorsal.

La formation du mésoderme provient de deux signaux : un pour la partie ventrale et un pour la partie dorsale. Des tests de coiffe animale ont été utilisés pour déterminer les signaux moléculaires de la coiffe végétale qui sont capables d'induire la coiffe animale à former le mésoderme. Dans un test de coiffe animale, les molécules d'intérêt sont soit appliquées dans le milieu dans lequel la coiffe est cultivée, soit injectées sous forme d'ARNm dans un embryon précoce. Ces expériences ont identifié un groupe de molécules, la famille du facteur de croissance transformant-β (TGF-β). Avec les formes négatives dominantes de TGF-β, les premières expériences n'ont pu identifier que la famille de molécules impliquées et non le membre spécifique. Des expériences récentes ont identifié les protéines liées aux nœuds de Xenopus (Xnr-1, Xnr-2 et Xnr-4) comme les signaux induisant le mésoderme. Les inhibiteurs de ces ligands empêchent la formation du mésoderme et ces protéines présentent une distribution graduelle le long de l'axe dorsal/ventral.

Les ARNm localisés dans le végétal, VegT et éventuellement Vg1, sont impliqués dans l'induction de l'endoderme. Il est supposé que VegT active également les protéines Xnr-1,2,4. VegT agit comme un facteur de transcription pour activer les gènes spécifiant le destin endodermique tandis que Vg1 agit comme un facteur paracrine.

La β-caténine dans le noyau active deux facteurs de transcription : siamois et twin. La β-caténine agit également en synergie avec VegT pour produire des niveaux élevés de Xnr-1,2,4. Siamois agira en synergie avec Xnr-1,2,4 pour activer un niveau élevé des facteurs de transcription tels que goosecoid dans l'organisateur. Les zones de l'embryon avec des niveaux inférieurs de Xnr-1,2,4 exprimeront le mésoderme ventral ou latéral. La β-caténine nucléaire agit en synergie avec le signal du destin cellulaire mésodermique pour créer l'activité de signalisation du centre de Nieuwkoop afin d'induire la formation de l'organisateur dans le mésoderme dorsal.

Fonction organisateur

Il existe deux classes de gènes responsables de l'activité de l'organisateur : les facteurs de transcription et les protéines sécrétées. Goosecoid (qui a une homologie entre bicoid et groseille) est le premier gène connu à être exprimé dans l'organisateur et est à la fois suffisant et nécessaire pour spécifier un axe secondaire.

L'organisateur induit le mésoderme ventral à devenir un mésoderme latéral, induit l'ectoderme à former du tissu neural et induit des structures dorsales dans l'endoderme. Le mécanisme à l'origine de ces inductions est une inhibition de la voie de signalisation de la protéine morphogénétique osseuse 4 qui ventralise l'embryon. En l'absence de ces signaux, l'ectoderme revient à son état par défaut de tissu neural. Quatre des molécules sécrétées de l'organisateur, chordin, noggin, follistatin et Xenopus nodal-related-3 (Xnr-3), interagissent directement avec BMP-4 et bloquent sa capacité à se lier à son récepteur. Ainsi, ces molécules créent un gradient de BMP-4 le long de l'axe dorsal/ventral du mésoderme.

BMP-4 agit principalement dans la région du tronc et de la queue de l'embryon tandis qu'un ensemble différent de signaux fonctionne dans la région de la tête. Xwnt-8 est exprimé dans tout le mésoderme ventral et latéral. L'endomesoderme (peut donner naissance soit à l'endoderme soit au mésoderme) au bord d'attaque de l'archenteron (futur antérieur) sécrète trois facteurs Cerberus , Dickkopf et Frzb . Alors que Cerberus et Frzb se lient directement à Xwnt-8 pour l'empêcher de se lier à son récepteur, Cerberus est également capable de se lier à BMP-4 et Xnr1. De plus, Dickkopf se lie à LRP-5, une protéine transmembranaire importante pour la voie de signalisation de Xwnt-8, conduisant à l'endocytose de LRP-5 et finalement à une inhibition de la voie Xwnt-8.

Axe antérieur/postérieur

La structuration antérieure/postérieure de l'embryon se produit quelque temps avant ou pendant la gastrulation . Les premières cellules à involuer ont une activité d'induction antérieure tandis que les dernières cellules ont une activité d'induction postérieure. La capacité d'induction antérieure provient des signaux antagonistes Xwnt-8 Cereberus, Dickkopf et Frzb discutés ci-dessus. Le développement de la tête antérieure nécessite également la fonction des IGF (facteurs de croissance analogues à l'insuline) exprimés dans la ligne médiane dorsale et le tube neural antérieur. On pense que les IGF fonctionnent en activant une cascade de transduction de signal qui interfère et inhibe à la fois la signalisation Wnt et la signalisation BMP. Dans le postérieur, deux candidats à la postériorisation des signaux comprennent l'eFGF, un homologue du facteur de croissance des fibroblastes, et l'acide rétinoïque .

Poisson

La base de la formation de l'axe chez le poisson zèbre est parallèle à ce qui est connu chez les amphibiens. Le bouclier embryonnaire a la même fonction que la lèvre dorsale du blastopore et agit comme l'organisateur. Lorsqu'il est transplanté, il est capable d'organiser un axe secondaire et son retrait empêche la formation de structures dorsales. La β-caténine a également un rôle similaire à son rôle chez les amphibiens. Il ne s'accumule dans le noyau que sur la face dorsale ; la β-caténine ventrale induit un axe secondaire. Il active l'expression de Squint (une protéine de signalisation liée à Nodal aka ndr1) et Bozozok (un facteur de transcription homéodomaine similaire à Siamois) qui agissent ensemble pour activer l'oie dans le bouclier embryonnaire.

Comme chez Xenopus, l'induction du mésoderme implique deux signaux : un du pôle végétal pour induire le mésoderme ventral et un des cellules végétales dorsales équivalentes du centre de Nieuwkoop pour induire le mésoderme dorsal.

Les signaux de l'organisateur sont également parallèles à ceux des amphibiens. Noggin et chordin homologue Chordino, se lie à un membre de la famille BMP, BMP2B, pour l'empêcher de ventraliser l'embryon. Dickkopf se lie à un homologue Wnt Wnt8 pour l'empêcher de ventraliser et de postéririser l'embryon.

Il existe une troisième voie régulée par la β-caténine chez les poissons. La -caténine active le facteur de transcription stat3. Stat3 coordonne les mouvements cellulaires pendant la gastrulation et contribue à établir la polarité planaire.

Des oiseaux

L'axe dorsal/ventral est défini chez les embryons de poulet par l'orientation des cellules par rapport au vitellus. La ventrale est en bas par rapport au jaune tandis que l'animal est en haut. Cet axe est défini par la création d'une différence de pH « à l'intérieur » et « à l'extérieur » du blastoderme entre l'espace sous-germinal et l'albumine à l'extérieur. L'espace sous-germinal a un pH de 6,5 tandis que l'albumine à l'extérieur a un pH de 9,5.

L'axe antérieur/postérieur est défini lors du basculement initial de l'embryon lors du dépôt de la coquille. L'œuf est constamment tourné dans une direction cohérente et il y a une stratification partielle du jaune; les composants jaunes plus clairs seront près d'une extrémité du blastoderme et deviendront le futur postérieur. La base moléculaire de la partie postérieure n'est pas connue, cependant, l'accumulation de cellules aboutit finalement à la zone marginale postérieure (PMZ).

Le PMZ est l'équivalent du centre de Nieuwkoop, c'est que son rôle est d'induire le nœud de Hensen. La transplantation de PMZ entraîne l'induction d'une séquence primitive, cependant, la PMZ ne contribue pas à la séquence elle-même. Semblable au centre de Nieuwkoop, la PMZ exprime à la fois Vg1 et la β-caténine localisée dans le noyau.

Le nœud de Hensen est équivalent à l'organisateur. La transplantation du nœud de Hensen entraîne la formation d'un axe secondaire. Le nœud de Hensen est le site où commence la gastrulation et il devient le mésoderme dorsal. Le nœud de Hensen est formé à partir de l'induction de PMZ sur la partie antérieure de la PMZ appelée faucille de Koller . Lorsque la séquence primitive se forme, ces cellules se développent pour devenir le nœud de Hensen. Ces cellules expriment le goosecoid conformément à leur rôle d'organisateur.

La fonction de l'organisateur chez les embryons de poulet est similaire à celle des amphibiens et des poissons, cependant, il existe quelques différences. Semblable aux amphibiens et aux poissons, l'organisateur sécrète des protéines Chordin, Noggin et Nodal qui s'opposent à la signalisation BMP et dorsalisent l'embryon. L'induction neurale, cependant, ne repose pas entièrement sur l'inhibition de la signalisation BMP. La surexpression des antagonistes des BMP ne suffit pas à induire la formation de neurones ni à surexprimer la formation de blocs de BMP des neurones. Alors que toute l'histoire de l'induction neurale est inconnue, les FGF semblent jouer un rôle dans le mésoderme et l'induction neurale. La structuration antérieure/postérieure de l'embryon nécessite des signaux comme le cerbère de l'hypoblaste et la régulation spatiale de l' accumulation d' acide rétinoïque pour activer les gènes 3' Hox dans le neuroectoderme postérieur (cerveau postérieur et moelle épinière).

Mammifères

La spécification la plus ancienne dans les embryons de souris se produit entre le trophoblaste et les cellules de masse cellulaire interne dans les cellules polaires externes et les cellules apolaires internes respectivement. Ces deux groupes sont spécifiés au stade de huit cellules lors du compactage, mais ne sont déterminés qu'au stade de 64 cellules. Si une cellule apolaire est transplantée à l'extérieur au cours du stade 8-32 cellules, cette cellule se développera comme une cellule trophoblastique.

L'axe antérieur/postérieur dans l'embryon de souris est spécifié par deux centres de signalisation. Dans l'embryon de souris, l'œuf forme un cylindre avec l'épiblaste formant une coupe à l'extrémité distale de ce cylindre. L'épiblaste est entouré par l'endoderme viscéral, l'équivalent de l'hypoblaste de l'homme et du poussin. Les signaux pour l'axe antérieur/postérieur proviennent du nœud primitif . L'autre site important est l' endoderme viscéral antérieur (AVE). L'AVE se situe en avant de la position la plus antérieure du nœud et se trouve juste sous l'épiblaste dans la région qui sera occupée par l'endomésoderme en migration pour former le mésoderme de la tête et l'endoderme de l'intestin antérieur. L'AVE interagit avec le nœud pour spécifier les structures les plus antérieures. Ainsi, le nœud est capable de former un tronc normal, mais nécessite des signaux de l'AVE pour former une tête.

La découverte de l'homéoboîte chez les mouches drosophiles et sa conservation chez d'autres animaux a conduit à des progrès dans la compréhension de la structuration antérieure/postérieure. La plupart des gènes Hox chez les mammifères montrent un modèle d'expression qui est parallèle aux gènes homéotiques chez les mouches. Chez les mammifères, il existe quatre copies des gènes Hox. Chaque ensemble de gènes Hox est paralogue aux autres (Hox1a est un paralogue de Hox1b, etc.) Ces paralogues présentent des schémas d'expression qui se chevauchent et pourraient agir de manière redondante. Cependant, les doubles mutations dans les gènes paralogues peuvent également agir en synergie, indiquant que les gènes doivent travailler ensemble pour fonctionner.

Voir également

• Formation de motifs
• Spécification (norme technique)

Les références