Crête ectodermique apicale

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 de 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 entre eux pour diriger le développement ultérieur du membre .

La position du bourgeon du membre, et donc de l'AER, est spécifiée par les limites d'expression des gènes Hox dans le tronc embryonnaire. À ces positions, l'induction de la croissance cellulaire est censée être 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 . Le 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 suffisent à eux seuls à imiter l'AER.

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

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

Français Chez les embryons de souris, l'ectoderme ventral du membre antérieur émergent à E9,5 (jour embryonnaire 9,5 ) apparaît déjà plus épais que l'ectoderme dorsal et correspond au début de l'AER. À E10, cet épaississement est plus visible puisque l'épithélium se compose désormais de deux couches et se limite à la marge ventrale-distale 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 et 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 des bourgeons des membres de la souris s'aplatit et finit par devenir indiscernable 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 des poussins et des membres antérieurs des souris, les nageoires pectorales du 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'une est le maintien de l'AER. Alors que chez les oiseaux et les mammifères, l'AER du membre persiste jusqu'à la fin de la phase de structuration des doigts 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 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 la croissance des nageoires puisque le retrait de l'AEF entraîne la formation d'un nouvel AER puis d'un nouvel AEF. De plus, le retrait répété de l'AF entraîne un allongement excessif du mésenchyme de la nageoire, potentiellement en raison d'une exposition prolongée des signaux de l'AER au mésenchyme de la nageoire. Récemment, l'AER, dont on a longtemps pensé qu'il était constitué uniquement de cellules ectodermiques, est en fait composé de cellules mésodermiques et ectodermiques chez le poisson zèbre.

Les molécules associées comprennent :

• 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 restreinte au mésenchyme des membres 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 : Sécrété par les cellules de la crête ectodermique apicale. Agit sur les cellules du mésenchyme pour maintenir leur état prolifératif. Incite également les cellules mésenchymateuses à sécréter du FGF10, qui agit par l'intermédiaire de WNT3A pour soutenir l'expression du FGF8 par l'AER.
• WNT3A : agit comme intermédiaire dans la boucle de rétroaction positive entre l'AER et le mésenchyme des membres. Activé par l'expression de FGF10, active l'expression de FGF8.
• Shh : Sécrété par le ZPA dans le mésenchyme du bourgeon du membre. Crée un gradient de concentration qui dicte la formation des cinq doigts distincts. Le doigt 5 (petit doigt) résulte de l'exposition à de fortes concentrations de Shh, tandis que le doigt 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 bloque également (via Gremlin ) l'activité de la protéine morphogénique osseuse (BMP). En bloquant l'activité de la BMP, l'expression du FGF dans l'AER est maintenue.
• Gènes Hox : Responsables de la détermination de l'axe antéro-postérieur d'un organisme, et étroitement 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 les bourgeons des membres se formeront et quels membres s'y développeront.

Les sécrétions de FGF10 des cellules mésenchymateuses du champ du membre interagissent avec les cellules ectodermiques situées au-dessus et induisent la formation de l'AER à 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'à cette division.

L'AER agit pour :

• Maintenir le mésenchyme du membre dans un état mitotique actif et concentré sur sa tâche – la croissance distale du membre. Cela est réalisé par la sécrétion de FGF8 , qui signale aux cellules mésodermiques du membre de poursuivre la prolifération, et par 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 incite la ZPA à continuer de 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 des 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.
• Les FGF se communiquent avec les protéines qui déterminent les axes antéro-postérieur et dorso-ventral pour fournir des instructions concernant la différenciation et le destin des cellules. Les FGF sécrétés par l'AER interagissent avec le mésenchyme du membre, y compris le ZPA, pour induire une expression supplémentaire de FGF et de 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.

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 du ZPA. Une communication complexe s'ensuit lorsque les FGF sécrétés par l'AER et le Shh sécrété par le ZPA initient et régulent l'expression du gène Hox dans le bourgeon du membre en développement. Bien que de nombreux détails plus précis restent à résoudre, un certain nombre de connexions significatives entre l'expression du gène Hox et l'impact sur le développement des membres ont été découvertes. Le modèle d'expression du gène Hox peut être divisé en trois phases tout au long du développement du bourgeon du membre, ce qui correspond à trois limites clés du développement proximal-distal du membre. La transition de la première phase à la deuxième phase est marquée par l'introduction de Shh à partir du ZPA. La transition vers la troisième phase est ensuite marquée par des changements dans la façon dont le mésenchyme du bourgeon du membre répond à la signalisation Shh. Cela signifie que bien que la signalisation Shh soit nécessaire, ses effets changent au fil du temps à mesure que 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, les gènes HOXC les plus 3' ( HOXC4 , HOXC5 ) ne sont exprimés que dans les membres antérieurs (ailes) chez les poulets, tandis que les gènes les plus 5' ( HOXC9 , HOXC10 , HOXC11 ) ne sont exprimés que 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 du 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 proximité de l'AER, et diminue lors du déplacement d'avant en arrière, ce qui entraîne la plus faible expression de HOXB9 à proximité du ZPA postérieur. 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 imbriqués, dans lesquels ils sont activés uniformément le long de l'axe antéro-postérieur du membre lui-même, mais pas de l'axe antéro-postérieur de l'ensemble du corps. 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 uniquement aux régions les plus postérieures du bourgeon du 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 qu'une expression moindre se produit autour de l'AER, où seuls HOXD9 et HOXD10 sont exprimés.

L'AER maintient la croissance 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 afin qu'il soit à la hauteur de sa destinée (devenir un bras, une jambe, etc.).

1. Lorsque l'AER est retiré, le développement des membres s'arrête. Si une bille de FGF est ajoutée à la place de l'AER, le développement normal des membres se poursuit.
2. Lorsqu'un AER supplémentaire est ajouté, deux membres se forment.
3. Lorsque le mésenchyme du membre antérieur est remplacé par le mésenchyme du membre postérieur, un membre postérieur se développe.
4. Lorsque le mésenchyme du membre antérieur est remplacé par un mésenchyme non membre, l'AER régresse et le développement du membre s'arrête.
5. Lorsque l'AER d'un bourgeon de membre tardif est transplanté sur un bourgeon de membre plus ancien, le membre se forme normalement. L'inverse – la transplantation d'un bourgeon de membre précoce sur un bourgeon de membre tardif – entraîne également un développement normal du membre. Cependant, le mésoderme sous-jacent dans la zone de progression « est » déterminé par le destin. Si le mésoderme de la zone de progression est transplanté en même temps que l'AER, des doigts/orteils supplémentaires se forment (dans le cas d'une transplantation précoce à tardive) ou les doigts/orteils se forment trop tôt (dans le cas d'une transplantation tardive à précoce).

La formation de l’AER repose sur la limite dorso-ventrale

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

L'ablation de l'AER entraîne la formation de 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 du ZPA existant.

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 d'un nombre suffisant de billes peut induire la formation d'un membre supplémentaire « normal » à un endroit arbitraire de l'embryon.

La transplantation de l'AER pour flanquer le mésoderme entre les bourgeons des membres normaux donne lieu à 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 des caractéristiques de membre antérieur et de membre postérieur.

La transplantation d'un AER qui donnerait naissance à un bras (ou à une aile, car ces expériences sont généralement réalisées sur des embryons de poulet) dans un champ de membre en développement 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 proximales ( fémur , genou ) et des structures de bras distales ( main , doigts ). Ainsi, ce sont les cellules mésodermiques de la zone de progression, et non les cellules ectodermiques de l'AER, qui contrôlent l'identité du membre.

Le timing de l'AER ne régule pas la spécification du destin du mésoderme sous-jacent, comme le montre une série d'expériences. Lorsque l'AER d'un bourgeon de membre tardif est transplanté vers un bourgeon de membre plus précoce, le membre se forme normalement. L'inverse - la transplantation d'un bourgeon de membre précoce vers 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 en même temps que l'AER, des doigts/orteils supplémentaires se forment (pour une transplantation précoce → tardive) ou les doigts/orteils se forment trop tôt (pour une transplantation tardive → précoce).