Worldlex Wiki Le développement des membres chez les vertébrés est un domaine de recherche actif en biologie du développement et en biologie évolutive , la plupart des travaux de cette dernière étant axés sur la transition de la nageoire au membre .
La formation des membres débute dans le champ morphogénétique des membres , lorsque les cellules mésenchymateuses du mésoderme de la lame latérale prolifèrent jusqu'à provoquer le bombement de l' ectoderme sus-jacent, formant ainsi un bourgeon de membre . Le facteur de croissance des fibroblastes (FGF) induit la formation d'un organisateur à l'extrémité du bourgeon de membre, appelé crête ectodermique apicale (CEA), qui guide le développement ultérieur et contrôle la mort cellulaire . La mort cellulaire programmée est nécessaire à l'élimination de la palmure entre les doigts .
Le champ des membres est une région spécifiée par l'expression de certains gènes Hox , un sous-ensemble de gènes homéotiques , et de facteurs de transcription T-box : Tbx5 pour le développement des membres antérieurs ou des ailes, et Tbx4 pour le développement des pattes ou des membres postérieurs. L'établissement du champ des membres antérieurs (mais pas de celui des membres postérieurs) nécessite la signalisation par l'acide rétinoïque dans le tronc en développement de l'embryon, à partir duquel émergent les bourgeons des membres. De plus, bien qu'un excès d'acide rétinoïque puisse altérer la morphogenèse des membres en activant de manière ectopique l'expression de Shh ou de Meis1/Meis2, des études génétiques chez la souris, qui suppriment la synthèse d'acide rétinoïque, ont montré que ce dernier n'est pas nécessaire à la morphogenèse des membres.
Le bourgeon de membre reste actif pendant une grande partie du développement du membre, stimulant la création et le maintien par rétroaction positive de deux régions de signalisation : la crête ectodermique apicale (CEA) et la création subséquente de la zone d’activité polarisante (ZAP) avec les cellules mésenchymateuses . Outre l’axe dorso-ventral créé par l’expression ectodermique des signaux compétitifs Wnt7a et BMP , ces centres de signalisation CEA et ZAP sont essentiels à la formation correcte d’un membre correctement orienté selon sa polarité axiale correspondante chez l’organisme en développement. Ces systèmes de signalisation s’auto-soutenant mutuellement, le développement du membre est essentiellement autonome une fois ces régions de signalisation établies.
formation des membres
bourgeon de membre
L'évolution des membres à partir des nageoires paires a fait l'objet de nombreuses recherches. Plusieurs études ont été menées afin d'identifier les gènes et facteurs de transcription spécifiques responsables du développement des membres (voir tableau 1 ci-dessous). En particulier, il a été démontré que les gènes SHH , DACH1 et les familles de gènes BMP , HOX , T-box , FGF et WNT jouent un rôle crucial dans le développement et la formation des membres. Afin d'étudier les gènes impliqués dans le développement des membres (et donc leur évolution), la réduction et la perte des membres chez les serpents constituent une approche complémentaire. Les séquences conservées impliquées dans le développement des membres sont présentes dans le génome des serpents. Certaines séquences activatrices de membres sont également conservées entre différents types d'appendices, tels que les membres et le phallus . Par exemple, la signalisation du développement des membres joue un rôle à la fois dans le développement des membres et du tubercule génital chez la souris. L'étude de la réduction et de la perte des membres permet de décrypter les voies génétiques qui contrôlent leur développement. Le système de Turing a permis d'envisager de nombreux résultats possibles dans les étapes évolutives des réseaux de structuration.
De nombreux gènes listés dans le Tableau 1 jouent un rôle important dans le développement embryonnaire, notamment lors de la mise en place du squelette et de la formation des bourgeons des membres . Le gène Shh, ainsi que les gènes appartenant aux familles BMP, Hox, T-box, FGF et Wnt, jouent un rôle essentiel dans la signalisation et la différenciation cellulaires , régulant et favorisant la formation des membres. Divers autres gènes mentionnés ci-dessus, comme Dach1, codent pour des protéines de liaison à l'ADN qui régulent l'expression génique. L'interaction complexe entre l'expression, la régulation, l'activation et la désactivation des gènes permet à ces derniers de permettre la formation des membres au cours du développement embryonnaire. Il est intéressant de noter que nombre de ces gènes sont présents même chez des animaux dépourvus de membres, tels que les serpents.
Évolution des serpents et perte de membres
Un aspect intéressant de la compréhension du développement des membres consiste à étudier comment les serpents ont perdu leurs pattes. Les serpents constituent un modèle particulièrement pertinent pour l'étude de la perte de membres, car ils ont subi de multiples pertes et régénérations de membres au cours de leur évolution avant de perdre définitivement leurs pattes. Une grande partie de l'expression génique durant le développement embryonnaire est régulée par des signaux spatio-temporels et chimiotactiques , comme illustré par l'image de droite. Des données récentes suggèrent que les gènes hautement conservés responsables du développement des membres (Tableau 1) sont toujours présents chez les vertébrés apodes , indiquant que, durant le développement embryonnaire, la formation ou l'absence de membres s'explique probablement le mieux par la régulation génique.
Rôle possible de l'amplificateur Shh dans l'amputation chez le serpent
Une théorie suggère que la dégradation des séquences amplificatrices pourrait avoir contribué à la perte progressive des membres chez les serpents au cours de l'évolution . De nombreuses études se sont notamment intéressées à la séquence régulatrice ZPA (ZRS), amplificatrice du gène Sonic Hedgehog ( Shh ). Cet amplificateur à longue portée est indispensable à la formation correcte des membres chez plusieurs espèces de vertébrés , et des mutations dans cette séquence sont connues pour provoquer des malformations des membres . De ce fait, cette séquence est hautement conservée chez de nombreuses espèces de vertébrés.
La comparaison de la région ZRS centrale chez plusieurs espèces de serpents avec les séquences de souris et de lézards révèle la présence d'altérations spécifiques aux serpents. La région ZRS centrale s'avère principalement conservée chez les serpents basaux comme le boa constrictor et le python , qui possèdent encore des os de la ceinture pelvienne . En revanche, les serpents évolués tels que la vipère et le cobra , dépourvus de structures osseuses des membres, présentent un taux de mutations nucléotidiques beaucoup plus élevé que la région ZRS de la souris et du lézard. On pense que ces modifications cumulatives de la région ZRS chez les serpents témoignent d'une perte progressive de fonction de cet activateur au cours de l'évolution des serpents.
Des investigations complémentaires sur ces modifications ont révélé une augmentation du taux de substitution dans les sites de liaison de facteurs de transcription tels que ETS1 , dont la liaison à ZRS active la transcription de Shh. Cette dégradation de ZRS suggère que cet activateur pourrait jouer un rôle important dans l'exploration des mécanismes moléculaires à l'origine de l'évolution morphologique des serpents.
Conclusions et limites actuelles
Les serpents ne sont pas des organismes modèles courants, car leur génétique est difficile à manipuler. De plus, les données de séquençage de leur génome sont incomplètes et souffrent d'une annotation et d'une qualité médiocres. Ces facteurs rendent difficile la compréhension du mécanisme de l'atrophie des membres chez les serpents par une approche génétique, en ciblant et en observant la présence et l'activité de ces gènes et de leurs activateurs de régulation. De nombreux gènes nécessaires à la formation des membres sont encore présents chez les serpents ; par conséquent, l'atrophie des membres ne peut probablement pas être expliquée par une perte de gènes.
Motifs axiaux et problèmes connexes
Le membre en développement doit s'aligner par rapport à trois axes de symétrie. Ce sont les axes craniocaudal (de la tête à la queue), dorsoventral (de l'arrière vers l'avant) et proximodistal (de près à loin).
De nombreuses recherches sur le développement du modèle squelettique des membres ont été influencées par le concept d'information positionnelle proposé par Lewis Wolpert en 1971. Conformément à cette idée, des efforts ont été déployés pour identifier les molécules de signalisation diffusives ( morphogènes ) qui traversent les axes orthogonaux des membres en développement et déterminent les emplacements et les identités des éléments squelettiques de manière dépendante de la concentration.
Modèle proximodistal
Les gènes Hox contribuent à la spécification du stylopode , du zeugopode et de l'autopode . Les mutations des gènes Hox entraînent des pertes ou des anomalies proximodistales . Trois modèles différents ont été proposés pour expliquer la structuration de ces régions.
Modèle de zone de progrès
La crête ectodermique apicale (CEA) crée et maintient une zone de prolifération cellulaire appelée zone de progression . On pense que les cellules y acquièrent les informations positionnelles nécessaires à leur migration vers leur position finale . Il a été proposé que leur valeur positionnelle soit déterminée par la durée de leur séjour dans la zone de progression, mais cela reste à démontrer (en 2001) . Il a été suggéré que les structures proximales se forment par les premières cellules à quitter la zone et les structures distales par les cellules qui la quittent plus tard
Le modèle de zone de progrès a été proposé il y a 30 ans, mais des preuves récentes ont contredit ce modèle.
Preuves expérimentales :
- L'ablation de l'AER à un stade ultérieur du développement entraîne une moindre perturbation des structures distales que si l'AER était retirée tôt dans le développement.
- Greffer l'extrémité d'un bourgeon de membre précoce sur une aile tardive entraîne une duplication des structures, tandis que greffer l'extrémité d'un bourgeon d'aile tardif sur un membre précoce entraîne une suppression des structures.
Modèle d'allocation précoce et d'expansion des progéniteurs (ou modèle de préspécification)
Dans le bourgeon de membre précoce, des cellules sont spécifiques à chaque segment, et cette population cellulaire s'étend à mesure que le bourgeon se développe. Ce modèle est cohérent avec les observations suivantes : la division cellulaire est observée dans tout le bourgeon de membre. La mort cellulaire survient dans une zone de 200 µm sous-jacente à la crête ectodermique apicale (CEA) lorsque celle-ci est retirée ; cette mort cellulaire empêche la formation de certains motifs. Des billes libérant du FGF permettent de rétablir le développement du membre après l'ablation de la CEA en prévenant cette mort cellulaire.
Preuves expérimentales :
- Les cellules marquées dans différentes positions d'un bourgeon de membre précoce étaient restreintes à des segments uniques du membre.
- Les membres dépourvus d'expression des FGF4 et FGF8 requis présentaient toutes les structures du membre et non seulement les parties proximales.
Plus récemment, cependant, les chercheurs principalement responsables des modèles de zone de progression et de préspécification ont reconnu qu'aucun de ces modèles ne rend compte de manière adéquate des données expérimentales disponibles.
Modèle de réaction-diffusion de type Turing
Ce modèle, un modèle de réaction-diffusion proposé initialement en 1979 , repose sur les propriétés d'auto-organisation des milieux excitables décrites par Alan Turing en 1952 Le milieu excitable est le mésenchyme du bourgeon de membre, au sein duquel les cellules interagissent par le biais de morphogènes autorégulateurs positifs, tels que le facteur de croissance transformant bêta (TGF-β), et de voies de signalisation inhibitrices impliquant le facteur de croissance des fibroblastes (FGF) et Notch . Les axes proximodistal et craniocaudal ne sont pas considérés comme étant spécifiés indépendamment, mais émergent plutôt par des transitions dans le nombre d'éléments parallèles à mesure que la zone apicale indifférenciée du bourgeon de membre en croissance se remodèle . Ce modèle ne spécifie qu'une structure de base. D'autres facteurs, comme les protéines Sonic Hedgehog (Shh) et Hox, molécules d'information primaires dans les autres modèles, joueraient un rôle de régulation fine.
Preuves expérimentales :
- Les cellules mésenchymateuses des membres, lorsqu'elles sont dissociées et cultivées en culture ou réintroduites dans des « enveloppes » ectodermiques, peuvent reproduire des aspects essentiels de la formation des motifs , de la morphogenèse et de la différenciation .
- Les particularités du modèle squelettique des membres chez la souris mutante Doublefoot sont des résultats prévus d'un mécanisme de type Turing.
- La réduction progressive des gènes Hox distaux dans un contexte Gli3 -null entraîne une polydactylie de plus en plus sévère, présentant des doigts plus fins et plus serrés, suggérant (à l'aide de la modélisation informatique) que la dose de gènes Hox distaux module la période ou la longueur d'onde des doigts spécifiée par un mécanisme de type Turing.
Modèles craniocaudaux
En 1957, la découverte de la zone d'activité polarisante (ZAP) dans le bourgeon de membre a fourni un modèle pour comprendre l'activité de structuration par l'action d'un gradient morphogénique de Sonic Hedgehog (Shh) . Shh est reconnu comme un activateur spécifique des membres . Shh est à la fois suffisant et nécessaire à la création de la ZAP et à la spécification du patron craniocaudal dans la partie distale du membre (Shh n'est pas nécessaire à la polarité du stylopode). L'expression de Shh est activée dans la région postérieure par l'expression précoce des gènes Hoxd, l'expression de Hoxb8 et l'expression de dHAND. Shh est maintenu dans la région postérieure par une boucle de rétroaction entre la ZAP et la crête ectodermique apicale (CEA). Shh induit la production de FGF4 et de FGF8 par la CEA, ce qui maintient l'expression de Shh.
Les doigts 3, 4 et 5 sont déterminés par un gradient temporel de Shh. Le doigt 2 est déterminé par une forme diffusible à longue portée de Shh, tandis que le doigt 1 ne nécessite pas Shh. Shh clive le complexe répresseur transcriptionnel Ci/Gli3 pour convertir le facteur de transcription Gli3 en un activateur qui active la transcription des gènes HoxD le long de l'axe craniocaudal. La perte du répresseur Gli3 entraîne la formation de doigts génériques (non individualisés) en quantité excessive.
Modèle dorsoventral
La régionalisation dorso-ventrale est assurée par les signaux Wnt7a dans l'ectoderme sus-jacent, et non dans le mésoderme. Wnt7a est à la fois nécessaire et suffisant pour la dorsalisation du membre. Wnt7a influence également la régionalisation cranio-caudale ; son absence entraîne l'inversion de la face dorsale des membres en face ventrale et l'absence des doigts postérieurs. Le rétablissement des signaux Wnt7a corrige ce défaut. Wnt7a est également requis pour le maintien de l'expression de Shh.
Wnt7a induit également l'expression de Lmx1b, un gène homéobox LIM (et donc un facteur de transcription ). Lmx1b est impliqué dans la dorsalisation du membre, comme l'a démontré l'inactivation du gène Lmx1b chez la souris . Les souris dépourvues de Lmx1b présentaient une peau ventrale sur les deux faces de leurs pattes. D'autres facteurs sont susceptibles de contrôler la régionalisation dorso-ventrale ; Engrailed-1 réprime l'effet dorsalisant de Wnt7a sur la face ventrale des membres