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CONTROLE GENETIQUE DU DEVELOPPEMENT INTRODUCTION La drosophile (Drosophila melanogaster) présente un développement discontinu constitué d’une succession de mues. Son développement embryonnaire précoce présente les caractéristiques suivantes : l’ovocyte de la drosophile est déjà polarisé (po...

CONTROLE GENETIQUE DU DEVELOPPEMENT INTRODUCTION La drosophile (Drosophila melanogaster) présente un développement discontinu constitué d’une succession de mues. Son développement embryonnaire précoce présente les caractéristiques suivantes : l’ovocyte de la drosophile est déjà polarisé (polarité antéro-postérieure et dorso ventrale). Ces polarités ont été établis durant l’ovogenèse et notamment déterminées par la position de l’ovocyte par rapport aux cellules nourricières. les premières étapes du développement se déroulent dans un syncytium (masse cytoplasmique qui compote que des noyaux). en effet lors de la segmentation de l’œuf, les douze premières divisions ne concernent que le noyau, ce qui aboutit à un stade syncytial. une segmentation du corp apparait pendant la gastrulation, mais les parasegments embryonnaire qui se forment sont décalés par rapport au futur segment de la larve et l’adulte. au stade de blastoderme cellulaire s’individualisent des îlots de cellules embryonnaire (ou disque imaginaux) à partir desquels se développent les appendices de l’adulte. Chaque disque imaginal permet la formation d’un appendice spécifique (œil, antenne, pattes) La drosophile est un excellent modèle pour le développement (Temps de génération court, 9 à 12 jours, taux de fécondité élevé, quelques 10aines a quelques 100aines d'œufs / femelle). On dispose de nombreuses mutations spontanées ou induites. LES GENES DU DEVELOPPEMENT DE LA DROSOPHILE LA SUCCESSION DES GENES REGULATEURS DU DEVELOPPEMENT PRECOCE : Certains gènes maternels, exprimés chez la mère lors de l'ovogenèse, exercent un effet très précoce lors du développement de la drosophile. Ces gènes vont contrôler la mise en place des axes antéro-postérieur et dorso-ventral de l'embryon par l'établissement d’un gradient de concentration des produits de ces gènes. LE GENE BICOÏD : est transcrit dans les cellules nourricières de l'ovocyte. Les ARNm bicoïd formés migrent ensuite progressivement dans le cytoplasme ovocytaire par l'intermédiaire de ponts cytoplasmiques qui font communiquer les cellules nourricières et l'ovocyte. Les ARNm bicoïd se trouvent piégés au pôle antérieur de l'ovocyte et sont traduits après la fécondation. Les protéines Bicoïd sont distribuées dans le cytoplasme de l'œuf selon un gradient décroissant antéro-postérieur. Cette répartition des protéines, maintenue par l'activité d'autres gènes à effet maternel, permet l'établissement du pôle céphalique. La protéine Bicoïd agit comme un morphogène dont les variations de concentration dans l'ovocyte vont participer à l'établissement de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. L'ARNm du gène nanos, synthétisé aussi dans les cellules nourricières, est séquestré au pôle postérieur de l'ovocyte et la protéine Nanos est distribuée suivant un gradient décroissant postero- anterieur participant ainsi à l'établissement du pôle postérieur de l'embryon. La séquestration des ARNm des bicoïd et nanos met en jeu des séquences spécifiques de la région 3' non traduite de ces ARNm, ainsi que la participation d'autres gènes maternels et du réseau de microtubules. LE GENE TORSO : impliqué dans la différenciation des deux extrémités du corps de la drosophile. Il est exprimé exclusivement aux deux pôles de l'ovocyte sous l'influence du produit du gène torso-like. LA PROTEINE TORSO-LIKE : Est synthétisée par des cellules folliculaires présentes aux extrémités apicales du follicule. Un groupe de gènes à effet maternel (notamment le gène Oskar) dont les produits sont localisés au pôle postérieur de l'œuf, sont nécessaires à la formation des cellules germinales initiales et participent au développement des structures postérieures de l'embryon. L'ETABLISSEMENT DE LA POLARITE DORSO -VENTRALE : La mise en place de l'axe dorso-ventral de l'embryon met en jeu le gene dorsal qui code une protéine déterminant la ventralisation à condition que cette protéine soit localisée dans le noyau. Lors de la formation du blastoderme syncytial, la protéine Dorsal est localisée dans le noyau des cellules de la face ventrale de l'embryon alors qu'elle est cytoplasmique dans les cellules de la face dorsale. Il existe donc un véritable gradient décroissant de concentration nucléaire (et un gradient croissant de concentration cytoplasmique) de cette protéine Dorsal entre le blastoderme ventral et le blastoderme dorsal. Ce gradient détermine les territoires embryonnaires qui formeront les différents feuillets tels que le mésoderme ventral ou l'ectoderme dorsal Ce gradient est déterminé par une protéine synthétisée préférentiellement par les cellules folliculaires de la face ventrale de l'ovocyte. Cette protéine agit par l'intermédiaire de récepteurs transmembranaires codés par le gène maternel toll. Notons que la répartition de la protéine Dorsal est également déterminée par le gène maternel cactus. LES GENES DE SEGMENTATION DETERMINENT LA SUBDIVISION DE L'EMBRYON EN PARASEGMENTS : Les gènes impliqués dans la suite du développement sont désormais zygotiques (c.à.d., transcrits non pas dans des cellules maternelles, mais dans des cellules embryonnaires). Trois grandes classes de gènes participent à la segmentation de l'embryon, ils ont été découverts par C. Nüesslein-Volhard et E Wieschans (prix Nobel 1995). LES GENES DE TYPE GAP Ces gènes vont déterminer les subdivisions les plus grossières de l'embryon selon l'axe antéro- postérieur. Ils s'expriment au stade du blastoderme syncytial. Une mutation affectant un tel gène provoque la délétion de toute une région du corps (par exemple, la mutation du gène Krüppel conduit à l'absence de huit segments successifs. Les gènes gap sont eux même régulés par des gènes à effets maternels. LES GENES PAIR-RULE Alors que le blastoderme cellulaire n'est pas encore formé, les gènes pair-rule vont s'exprimer sous l'effet de gènes gap pour les plus précoces d'entre eux (tels que hairy ou even-skipped) ou sous l'effet des pair-rule précoces pour les gènes pair-rule tardifs (tels que fushi-tarazu ou paired). L'expression de gènes pair-rule est périodique et régulière tout le long de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. Par exemple, le gène fushi tarazu (en japonais trop peu de segments) n'est exprimé que dans les futurs parasegments pairs. LES PARASEGMENTS unité fonctionnelle d'expression des gènes de segmentation dans l'embryon de drosophile, présentent un caractère métamérique, dont les frontières et la polarité sont déterminées par les gènes de segmentation et dont l'identité positionnelle est déterminée par les gènes homéotiques. L'association de deux demi -parasegments embryonnaires correspond aux segments métamériques de l'animal adulte. Les parasegments permettent la formation de structure homologues (ex : appendices) dont l'identité varie selon la position du parasegments dans l'axe antéro-postérieur (ex : antennes, ails). La mutation du fushi tarazu provoque la formation d'un embryon formé uniquement par les parasegments impairs. Les bandes d'expression des gènes pair-rule vont définir les 14 futurs parasegments métamérique de l'embryon de la drosophile. De plus, les différents gènes pair-rule n'étant pas exprimés dans les mêmes zones de l'embryon, la combinatoire de ces gènes varie selon l'axe antéro-postérieur, définissant ainsi une subdivision encore plus précoce de l'embryon. LES GENES DE POLARITE SEGMENTAIRE Au stade de blastoderme cellulaire, puis pendant la gastrulation, une nouvelle catégorie de gènes zygotiques va s'exprimer. Ce sont les gènes de polarité segmentaire (ex : Hedgehog), dont l'expression est également périodique et régulière le long de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. Le domaine d'expression de ces gènes ne concerne qu'une partie d'un futur parasegments. Par exemple, le gène engrailled n'est exprimé que dans la moitié antérieure de chaque parasegments. Les gènes de polarité segmentaire déterminent l'orientation de chaque parasegment, c.à.d. qu'ils provoquent la distinction au sein de chaque parasegment d'une moitié antérieure et d'une moitié postérieure. Une mutation affectant un tel gène conduit à la formation d'un embryon dont chaque parasegment est constitué par la répétition de deux parties antérieures ou deux parties postérieures, disposées symétriquement l'une par rapport à l'autre. L'expression des gènes de polarité segmentaire est contrôlée par les gènes pair-rule. Trois générations de gènes s'exprimant pendant la segmentation (gène gap, pair-rule et polarité segmentaire) ils interviennent donc successivement et de façon coordonnée pour subdiviser progressivement l'embryon en parasegments polarisés. LES GENES HOMEOTIQUES (OU GENES HOM) DETERMINENT L'IDENTITE POSITIONNELLE DE CHAQUE PARASEGMENT Après la segmentation, le développement embryonnaire est sous le contrôle de gènes homéotiques qui vont orienter la destinée de chaque parasegment (et donc par la suite des disques imaginaux). La mutation d'un de ces gènes provoque la transformation d'un segment par un autre. La mutation Antennapedia est caractérisée par la présence des pattes à la place des antennes sur la tête de la drosophile adulte. Une telle mutation transformant des parties du corps en structures dont la formation se produit normalement en une autre position du corps, est qualifiée d'homéotique. La mutation Antennapedia est une mutation « gain de fonction » due à l'expression du gène Antennapedia dans un territoire trop antérieur, ce qui provoque la transformation postérieure d'un segment antérieur. Inversement, la délétion d'un gène homéotique (mutation « perte de fonction » induit la transformation antérieure d'un segment postérieur. LES COMPLEXES HOMEOTIQUES Les gènes dont la mutation provoque le changement d'identité de certains segments sont regroupés en deux complexes homéotiques portés par le chromosome 3. Le complexe Antennapedia réunit 5 gènes homéotiques déterminant les structures de la tête et l'identité des deux premiers segments thoraciques. Le complexe bithorax réunit 3 gènes homéotiques déterminant l'identité du 3ème segment thoracique et des segments abdominaux. L'ensemble de ces complexes constitue le complexe HOM. Les gènes de ce complexe vont déterminer le devenir d'un segment donné selon sa position le long de l'axe antéro-postérieur de l'embryon. les gènes s'expriment dès la gastrulation, avec pour chacun d'eux une bande d'expression caractéristique le long de l'axe antéro-postérieur. L'ordre de ces gènes sur le chromosome 3 correspond à l'ordre des limites antérieures d'expression de ces gènes selon l'axe antéro-postérieur (règle de colinéarité définie par E Lewis Prix Nobel 1995). Ces gènes obéissent également à la règle de prévalence postérieure, c'est-à-dire que les régions de l'embryon où les domaines d'expressions de ces gènes se superposent, c'est normalement le gène le plus « postérieur » des gènes localement actifs qui détermine le phénotype local. REGULATION DE L'EXPRESSION DES GENES HOMEOTIQUES L'expression des gènes HOM est contrôlée par les gènes de segmentation qui se sont exprimés avant eux dans l'embryon. De plus le gène Ultrabithorax réprime l'expression du gène Antennapedia. Ainsi, une délétion du gène Ultrabithorax permet au gène Antennapedia de s'exprimer dans des territoires plus postérieurs que chez l'embryon sauvage, provoquant ainsi la transformation antérieure d'un segment postérieur (formation d'une seconde paires d'ailes dans le segment thoracique). LES GENES DE LA DETERMINATION LES GENES CONTROLANT LE DEVELOPPEMENT DES ORGANES SONSORIELS LES ORGANES SONSORIELS DE LA DROSOPHILE i Ils se forment pendant l'embryogenèse et persistent durant toute la vie larvaire. Ils sont ensuite remplacés lors de la métamorphose par les organes sensoriels de l'adulte. Les principaux organes sensoriels de la drosophile sont les organes sensoriels internes (ou chordotonaux), les organes externes mécanosensoriels et les organes externes chémosensoriels. 1 Chacun de ces organes est composé de 4 types de cellules différentes : Un neurone innervant l'organe (ou plusieurs organes dans le cas des organes chémosensoriels), une cellule gliale et deux autres cellules servant de support. Toutes les cellules constitutives d’un organe sensoriel proviennent d'une seule cellule mère. La formation d'un organe sensoriel se fait par une série d'étapes mettant en jeu une succession de gènes. LES GENES PRONEURONAUX ET L'ACQUISITION DE LA COMPETENCE De petits groupes de cellules localisés en des endroits précis d l'ectoderme, vont acquérir la compétence à former des cellules mère d'organes sensoriels. Cette décision fait intervenir une famille structuralement homogène de gènes qualifiés de proneuronaux. Quatre d'entre eux (et notamment les gènes scute et achaete) sont associés en tandem pour former le complexe Achaete-Scute (ou AS-C). LES GENES DE DEVELOPPEMENT DE LA DROSOPHILE Ces gènes sont nécessaires à la formation de tous Les organes sensoriels externes. Le gène atonal est un autre gène proneuronal impliqué dans la formation des organes sensoriels internes. Ce gène, ainsi que les gènes AS-C, ne sont actifs que si le gène daughterless s'exprime aussi. Le gène extramacrochaete exerce au contraire le rôle d'un antagoniste des gènes proneuronaux. L'expression des gènes AS-C est très localisée. Le contrôle positionnel de cette expression mettant en jeu de nombreuse autres gènes, tels que le gène de segmentation. LES GENES NEUROGENIQUES ET LA RESTRICTION DE LA COMPETENCE La compétence : aptitude transitoire d'un tissu embryonnaire indifférencié à percevoir un signal inducteur externe et à y répondre par une différenciation. La compétence vis-à-vis d'un signal inducteur évolue dans l'espace et dans le temps au cours de l'embryogenèse. Au sein de chaque groupe de cellule, la compétence e progressivement restreinte à une seule cellule, laquelle constitue la cellule mère. Cette cellule donnera naissance par divisions successives à toutes les cellules d'un organe sensoriel, alors que les autres cellules du groupe proneuronal deviendront dans les cellules épidermiques. Cette restriction du nombre de cellules compétentes met en jeu une autre famille de gènes très variables sur le plan structural. L'inactivation de tels gènes, qualifiés de neurogéniques provoque une hypertrophie du SN. Ces gènes (tel que Notch et Delta) permettent d'éviter que plusieurs cellules mères ne se forment dans un même groupe proneural en supprimant l'activité proneuronal de certaines cellules (mécanisme d'inhibition latéral). LES GENES DE LA SPECIFICATION Ils vont déterminer le type d'organe sensoriel que la cellule mère va former, par exemple le gène Cut n'est exprimé que par les cellules mère d'un organe sensoriel externe. Ce gène est activé un peu avant que la cellule mère ne se divise (probablement sous l'influence de gènes AS-C), pris pendant toutes les divisions des cellules filles jusqu'à ce que celles-ci se différencient en cellules constitutives d'un organe sensoriel externe. De même le gène pox neuro n'est exprimé que par les cellules mères d'un organe chémosensoriel. L'activation de ce gène se poursuit également jusqu'à I différenciation des cellules filles. Le maintien de l'expression des gènes Cut ou pox neuro au cours des divisions mitotiques successives est dû à leur propriété d'auto-activation. LES GENES DE LIGNAGE Chaque cellule fille va adopter un destin déterminé par des gènes qui ne s'expriment que dans certaines cellules du lignage. La destinée primaire de la cellule mère serait de former une cellule nerveuse. L'expression du gène tramtrak modifie cette destinée afin de permettre aux cellules de former des cellules non neuronales de l'organe sensoriel. Le gène Suppressor of Hairless aurait le même rôle. Par contre le gène Hairless s'opposerait à ces 2 gènes en maintenant le destin neuronal des cellules qui l'expriment. LES GENE IMPLIQUES DANS LA DETERMINATION SEXUELLE Une cascade de gènes, mettant successivement en jeu I gènes sex-lethal (sxl), transformer (tra) et double sex (dsx) interviennent dans la détermination du sexe de la drosophile. Le rôle de ces gènes est de transmettre le signal génétique primaire, qui correspond au rapport chromosome X/autosome (X/A) aux gènes impliqués dans la différenciation sexuelle. Notons qu'à la base de cette cascade interviennent les gènes daughterless (gène autosomal) et scute (gène porté par le chromosome X). Un même gène peut donc être impliqué dans des processus différents, puisque ces deux gènes participent aussi à la formation des organes sensoriels. Le rapport X/A va déterminer la proportion relative des protéines Scute et Daughterless, laquelle déterminera à son tour l'orientation du programme génétique pour une différenciation mâle ou femelle. LA DIFFERENCIATION FEMELLE Le rapport X/A va ainsi déterminer indirectement l'activité du gène sxl. Si le rapport est égal à 1, l'expression du gène sxl conduit à l'activation du gène tra lequel établit, avec la participation du gène transformer 2 (tra-8), l'expression du gène dsx sous sa forme femelle, conduisant ainsi à la répression des gènes de la différenciation mâle. LA DIFFERENCIATION MALE Si le rapport X/A est égal à 0.5, le gène sxl n'est plus « correctement exprimé », ni le gène tra. Le gène dsx peut alors s'exprimer sous sa forme mâle, réprimant ainsi les gènes de la différenciation femelle. LES FONCTIONS DES PROTEINES CODEES PAR LES GENES DE DEVELOPPEMENT Certain de ces protéines sont des facteurs spécifiques de transcription CES PROTEINES ONT UN SITE DE FIXATION A L'ADN LES PROTEINES A DOIGT A ZINC Certains gènes du développement, tels que certains gènes gap (knirps, hunchback et krüppel) et le gène de lignage tramtrak, codent pour des protéines à doigt à zinc. Un doigt à zinc est composé d'une vingtaine d'acides aminés parmi lesquels 4 cystéines, ou 2 cystéines et deux histidines, sont coordonnées par un atome central de zinc. Une telle structure forme dans l'espace une sorte de ‘'doigt de gant" pouvant interpénétrer la double hélice d'ADN au contact des séquences précises. LES PROTEINES A REGION BASIQUE Un domaine riche en AA basiques présent dans les protéines codées par les gènes proneuronaux (tels que les gènes achaete et scute) permet la fixation de ces protéines à l'ADN. Ce domaine basique est associé à un autre motif, appelé motif hélice-boucle-hélice. LES PROTEINES A HOMEODOMAINE Tous les gènes HOM, mais aussi des gènes à effet maternel (gène bicoïd), des gènes pair-rule (fushi tarazu, paired, even skipped) et des gènes de polarité segmentaire (engrailed), contiennent une séquence appelée homéoboîte (ou homéobox). Cette séquence code pour un homéodomaine composé de 60 AA et formant trois hélices α. La seconde et la 3ème hélice, reliées entre elles par un coude β forment un motif hélice-tour-hélice (HTH) permettant la fixation à l'ADN. L'hélice 3 carboxy-terminale du motif HTH, qualifiée d'hélice de reconnaissance car elle reconnait spécifiquement une séquence d'ADN, se fixe dans le grand sillon de la double hélice d'ADN. t L'homéoboîte est très conservée, ce qui a permis, en utilisant une sonde d'ADN complémentaire de l'homéoboîte du gène Antennapedia de drosophile, d'observer que de nombreux gènes de mammifères s'hybrident avec cette sonde et contiennent donc une homéoboîte (gènes Hox des mammifères). LES PROTEINES A PAIRED-DOMAINE Les protéines issues de l'expression de certains gènes de polarité segmentaire ou de certains gènes pair-rule contiennent un paired-domaine de 128 AA (parfois associé à un homéodomaine). Un motif HTH présent dans ce paired-domaine permet à ces protéines de se fixer à l'ADN. Une sonde à boite paired de drosophile a permis d'identifier les gènes Pax des mammifères. L'homologue du gène Pax-6 des mammifères code chez la drosophile la protéine Eyeless possédant un domaine paired et un homéodomaine. Cette protéine déclenche la formation de l'œil composé de la drosophile. Ces différents motifs de liaison à l'ADN permettent aux protéines codées par des gènes du développement de se fixer spécifiquement sur des séquences régulatrices. CES PROTEINES CONTROLENT LA TRANSCRIPTION DE GENES CIBLES Ces protéines se fixent grâce à leur domaine spécifique à des séquences cis-régulatrices placées généralement en 5' des gènes cibles. De telles protéines possèdent également un domaine d'activation de la transcription, ce qui leur permet de modifier le taux de transcription d'un gène donné (régulation en trans). Ainsi, les gènes du développement agissent en cascade, chaque génération de gènes codant des protéines vont contrôler la transcription de gène de la génération suivante. De plus, les gènes d'une même génération peuvent contrôler leur propre transcription (autorégulation positive des gènes fushi tarazu, Ultrabithorax ou Deformed, régulation entre gènes HOM). CES PROTEINES PEUVENT FORMER DES DIMERES LES PROTEINES A HELICE-BOUCLE-HELICE Les protéines codées par certains gènes du développement (tels que les gènes proneuronaux et certains gènes neurogéniques) contiennent un motif HBH, constitué par une hélice-boucle-hélice. Ce motif HBH est formé par deux hélices α amphipathiques reliées entre elles par un feuillet β en forme de boucle, permet la dimérisation de protéines de la famille HBH. Les produits des gènes du complexe Achaete-Scute, tous pourvus d'un motif bHBH (c'est-à-dire d'une séquence HBH et d'une région basique de fixation à l'ADN), n'ont d'activité transcriptionnelle que sous forme d'hétérodimère avec le produit du gène daughterless, également pourvu d'une structure bHBH. Les homodimères semblent n'avoir aucun effet sur la transcription. La formation d'hétérodimère peut au contraire rendre inactif un facteur transrégulateur donné. C'est le cas des produits du gène extramacrochaete et du gène hairy (un gène pair-rule précoce). Ces protéines sont pourvues chacune d'un u l'ADN est n domaine HBH, mais la région basique de fixation à l’ADN est tronquée (protéine Hairy) ou absente (protéine Extramacrochaete). De telles protéines forment avec les produits du complexe Achaete-Scute ou du gène daughterless des hétérodimères inactif car incapables de se fixer à l'ADN. Notons que la dimérisation de facteurs à motif bHBH se retrouve dans le contrôle de la myogenèse chez les Mammifères. L'HETERODIMERISATION DORSAL/CACTUS Nous avons vu que les protéines Dorsal sont nucléaires essentiellement dans la région centrale de l'embryon. Une mutation affectant un gène du groupe dorsal se traduit par la présence de la protéine Dorsal exclusivement dans le cytoplasme des cellules du blastoderme, les structures dorsales étant alors prédominantes chez ce mutant. Par opposition, une mutation affectant le gène cactus se traduit par la présence exclusivement nucléaire de la protéine Dorsal, les structures étant alors uniquement ventrales chez ce mutant. Une fonction des gènes du groupe dorsal serait donc de faciliter la translocation nucléaire de la protéine Dorsal, lui permettant ainsi d'exercer son effet sur le génome. La protéine Cactus empêcherait au contraire cette translocation par hétérodimérisation avec la protéine Dorsal, laquelle ne pourrait alors pas exercer son effet dans le noyau. L'équilibre entre l'expression de ces deux gènes est donc essentiel dans la mise place de l'axe dorso ventral de l'embryon. Notons qu'une telle translocation d'un facteur de transcription contrôlée par hétérodimérisation se retrouve avec les protéines NFĸβ et Iĸβ chez les mammifères. La protéine Dorsal présente d'ailleurs une forte homologie avec la sous unité P50 de NFĸβ. De même, le facteur de transcription Suppressor of Hairless devient incapable de se fixer à I'ADN et de contrôler la transcription de gènes cibles après son hétérodimérisation avec la protéine Hairless. L'hétérodimérisation entre ces protéine accroît les possibilités de régulation (qui doivent être forcément très nombreuses au cours d'un processus aussi complexe que le développement embryonnaire), la combinatoire entre les différents facteurs spécifiques de transcription varient dans le temps et dans l'espace au cours du développement. CERTAINES DE CES PROTEINES CONTROLENT L'EPISSAGE L'EPISSAGE ALTERNATIF DES ARN PRE-MESSAGERS L'EXCISION-EPISSAGE Chez les eucaryotes, les produits initiaux de la transcription (ou ARN pré-messager) sont constitués, tout comme le gène qui leur a donné naissance d'une alternance de séquences codantes (ou exons) et de séquences non codantes (ou intron). Au cours de la maturation de ce transcrit primaire a lieu un processus d'excision - épissage au cours duquel les introns sont excisés et les exons raboutés les uns aux autres. Ce mécanisme nécessite l'intervention de complexes d'épissage (ou spliceosomes) et aboutit à la formation d'un ARN messager mature dépourvu d'introns et apte à être traduit après son exportation dans le cytoplasme. L’EPISSAGE ALTERNATIVE Il existe différentes possibilités, dans le choix des exons conservés au cours de l'excision, ce qui peut conduire à la formation d'ARNm différents (et donc de protéine a partir d’un même ARN pré- messager). une cascade » LA DETERMINATION DU SEXE MET EN JEU D’EPISSAGE ALTERNATIF LA DIFFERENCIATION FEMELLE Si le rapport X/A est égal à 1, l'ARN pré-messager (ou pré-ARNm) de Sxl subit un épissage « correct » (raboutage de l'exon 2 directement à l'exon 4) permettant l'expression d'une protéine Sxl complète et active. Celle-ci peut alors réguler l'épissage de son propre pré-ARNm mais aussi celui du pré-ARNm de tra. La protéine Sxl agit en fait en empêchant l'épissage de s'effectuer près d'une séquence intronique conservée présente un peu avant l'exon 3 de son pré-ARNm et un peu avant l'exon 2a de tra. En éliminant ainsi l'exon 3 de Sxl et l'exon 2a de tra, lesquels contiennent chacun un codon stop, la protéine Sxl autorise la synthèse de protéines Sxl et Tra complètes et fonctionnelles. Cette protéine Tra agit à son tour en permettant l'élimination de l'exon 5 du pré-ARNm de dsx, ce qui conduit à l'expression d'une protéine Dsx à fonction femelle réprimant les gènes spécifiques du mâle. LA DIFFERENCIATION MALE L'absence de protéine Sxl fonctionnelle, due au rapport X/A égale a 0,5 entraine un épissage du pré-ARNm Sxl n'excluant plus l'exon 3 (qui contient un codon stop). La protéine Sxl ne peut donc jamais être complètement exprimée chez le mâle et sa forme incomplète est inactive. Le pré-ARNm de tra subit alors un épissage qui inclut l'exon 2a (qui contient un codon stop). La protéine Tra, comme la protéine Sxl, est donc incomplète et inactive, autorisant ainsi un épissage du pré-ARNm de dsx qui exclut l'exon 4. La protéine Dsx exprimée est alors à fonction mâle et elle réprime les gènes spécifiques de la femelle. CES PROTEINES SONT DES AGENTS DE LA COMMUNICATION CELLULAIRE DES COMMUNICATIONS ENTRE CELLULE FOLLICULAIRE ET OVOCYTE Les premiers stades du développement sont sous le contrôle de gènes maternels. Certains de ces gènes codent des protéines impliquées dans la communication entre les cellules folliculaires et l'ovocyte. De plus, le stade syncytial favorise la diffusion des protéines dans l'embryon et notamment des facteurs de transcription. LA VOIE DE SIGNALISATION DE TORSO L'établissement de la polarité anté-postérieure de l'embryon fait intervenir le ligand de Torso (protéine Torso-like) secrété par des cellules folliculaires et le récepteur Torso de la membrane ovocytaire. Ce récepteur est pourvu d'une activité tyrosine kinase et active une cascade de signaux intracellulaires (mettant en jeu les produits des proto-oncogènes ras et raf) aboutissant à l'expression de gènes impliqués dans la différenciation des extrémités du corps de l'embryon (acron et telson). LA VOIE DE SIGNALISATION DE TOLL La ventralisation de l'embryon met en jeu le ligand de Toll (cette molécule informative sécrétée par les cellules folliculaires n'est présente sous forme active qu'à la surface ventrale de l'œuf). Le récepteur Toll et des protéines intracellulaires (tells que la protéine kinase Pelle et la protéine Cactus) permettant la translocation nucléaire du facteur de transcription Dorsal. DES COMMUNICATIONS ENTRE CELLULES EMBRYONNAIRES Avec la formation du blastoderme cellulaire s'individualisent de véritables cellules embryonnaires, ce qui nécessite l'établissement d'une communication intercellulaire et intracellulaire. DES AGENTS DE SIGNALISATION INTRACELLULAIRE ET INTERCELLULAIRE Les produits de certains gènes du développent (gène de segmentation, gènes neurogénique) sont des messagers intercellulaire, des récepteurs membranaires ou des agents d'une signalisation intracellulaire qui aboutit au contrôle de l'expression du génome. Ainsi, les gènes de la polarité segmentaire, exprimés à un stade où les cellules du blastoderme se sont individualisées, codent non seulement pour des facteurs de transcription, mais également pour des protéines secrétées agissant comme des messagers intercellulaire (hedgehog et wingless). Les produits des gènes pair-rule peuvent être aussi des récepteurs ou des protéines associées à la membrane (armadillo, patched) ou des protéines permettant la transduction intracellulaire du signal (protéines Kinase Fused). Ces protéines seraient notamment impliquées dans la voie de signalisation intracellulaire initiée par Wingless. De même, certains gènes neurogéniques codent des protéines Kinases impliquées dans la transmission d'un signal de la membrane au noyau de la cellule cible. UNE COMMUNICATION INTERCELLULAIRE A LONGUE DISTANCE MET EN JEU LA PROTEINE DECAPENTAPLEGIC A EFFET MORPHOGENE Bien que le développement de la drosophile semble mettre en jeu surtout des communications intercellulaires à courte distance, certaines protéines sécrétées pourraient également agir sur de plus langue distance. C'est le cas de la protéine Decapentalagic (membre de la famille di TGFB) qui diffuse à partir de la partie dorsale de l'embryon et agit comme un morphogène local. Elle est impliquée dans la régionalisation dorso-ventrale de l'ectoderme et du mésoderme. Plusieurs récepteurs membranaires de cette protéine ont été identifiés chez la drosophile (telles que les protéines Thik veins et Saxophone). Le rôle de la protéine Decapentalagic est à rapprocher de celui que joue l'Activine dans les processus d’induction embryonnaire chez le Xénope. UNE COMMUNICATION INTERCELLULAIRE A TRES COURTE DISTANCE L'INTERACTION DELTA-NOTCH Certains gènes neurogénique codent des protéines membranaires permettant l'établissement d'une interaction cellulaire directe. C'est le cas des protéines Delta et Notch (contenant chacune sans leur domaine extracellulaire de nombreuses répétition d'un motif présent dans L'EGF (epidermal growth factor) impliquées notamment dans la restriction de la compétence au sein d'un groupe proneuronal. La protéine Delta constitue un véritable signal inhibiteur envoyé par une cellule à ses voisines et la protéine Notch sert de récepteur membranaire à la protéine delta La liaison de Delta à Notch provoque l'activation du facteur de transcription Suppressor of Hairless (SuH), lequel stimule la transcription de gènes cibles, aboutissant ainsi à la suppression de l'activité proneurale de cette cellule. Cette voie de signalisation serait conservée chez les mammifères. CONCLUSIONS Le développement de la drosophile met en en jeu une succession de gènes aboutissant progressivement à l'établissement d'une organisation embryonnaire de plus en plus précise. Les gènes impliqués codent des protéines qui agissent sur d'autres gènes mettant ainsi en place une véritable cascade de contrôle génétique. La complexité de ces interactions est à la mesure de la complexité du processus de développement. Les protéines régulatrices codées par ces gènes sont généralement des facteurs de transcriptions qui peuvent contrôler directement et rapidement l'expression d'autres gènes. Certaines de ces protéines sont des agents de communications intracellulaire (prouvant ainsi l'importance des interactions cellulaires ou intercellulaire (permettant à une formation extracellulaire de contrôler directement par voie de signalisation intracellulaire l'activité de facteurs de transcriptions). L'expression combinatoire de ces gènes, variable à la foi dans l'espace et dans le temps, permet d'attribuer à chaque cellule une destinée précise. La différenciation cellulaire terminale et donc l'aboutissement, à l'échelle de la cellule, d'une séquence hiérarchisée d'expression de gènes interdépendants. La compréhension des mécanismes génétiques du développement de la drosophile est l'un des grands succès de la génétique et de la biologie moléculaire. De plus, la découverte de gènes homologues chez des animaux plus évolués a fait d modèle drosophile un outil de choix pour accéder aux mécanismes génétiques qui sont à la base du développement d'organismes beaucoup plus complexes, tels que les mammifères. LES GENES CONTROLANT LE DEVELOPPEMENT DES MAMMIFERES INTRODUCTION Le développement embryonnaire des mammifères est continu (pas de métamorphose) et interne car il se déroule entièrement dans l'organisme maternel. Les étapes précoces de ce développement sont beaucoup plus lentes que celles de la drosophile, ce qui offre l'avantage de pouvoir les étudier séparément. Les blastomères issus du clivage du zygote sont de véritables cellules individualisées par une membrane et communiquant entre elle. Après les mouvements morphogénétiques de la gastrulation qui permettent la formation du mésoderme, une organisation segmentaire apparait le long de l'axe antéro-postérieur. Elle n'est cependant que partielle et transitoire chez l'embryon. Elle concerne les arcs branchiaux (dérivés du mésoderme crânien), la partie postérieure du cerveau ou rhombencéphale (constitué chez l'embryon par une succession de renflements appelés rhombomères) et les somites (issus de la segmentation du mésoderme paraxial pendant la neurulation). La régionalisation des somites selon l'axe antéro-postérieur conduit notamment à la formation des différents vertèbres. La souris constitue un bon modèle d'étude du développement des mammifères non seulement parce qu'elle se reproduit facilement en laboratoire, mais aussi parce qu'elle peut être génétiquement modifiée par transgenèse. On peut par exemple inactiver un gène spécifique par recombinaison homologue ou induire son expression dans un territoire où il ne s'exprime normalement pas (expression ectopique). L'observation des phénotypes associés à ces mutations permet d'analyser le rôle de certains gènes contrôlant le développement des mammifères. Le développement embryonnaire débute avant que les premiers gènes zygotiques ne soient exprimés. La mise en route du génome embryonnaire s'effectue cependant à un stade très précoce (stade 2 cellule chez la souris, stade 8 cellule chez l'Homme). L'étude des gènes maternels dans le développement embryonnaire précoce est difficile par la faible quantité de matériel génétique disponible dans l'œuf et par le peu de mutation à effet parentaux connus Donc il est nécessaire de faire appel aux techniques de PCR pour amplifier les gènes maternels et à des micro-injections d'ARN antisens pour en déterminer la fonction. Bien que le rôle des gènes maternels dans le développement embryonnaire des mammifères soit très peu connu, des données récentes attribuent à l'ARN maternel oct-3 un rôle dans la première division de l'œuf et au PDGF-A (Platelet-Derived Growth Factor) codé par ARN maternel un effet autocrine activateur de division cellulaire. Notons qu'il n'y a pas de régionalisation de l'information maternelle dans le cytoplasme du zygote de Mammifères. LE ROLE DU NŒUD DE HENSEN AU COURS DE LA GASTRULATION (PROPRIETES INDUCTRICES) Le nœud de Hensen est à l'origine de l'endoderme définitif et de la corde dorsale (ou notocorde), laquelle est une source de signaux inducteurs qui vont déterminer la régionalisation dorso-ventrale des somites et du tube neurale. (Nœud de Hensen = l'organisateur de Spimann chez les amphibiens (centre inducteur) NH est Centre organisateurs impliqué dans l'induction neurale. LES GENES EXPRIMES DANS LE NŒUD DE HENSEN GENE NODAL : nécessaire à la formation du nœud de Hensen et participe à l'effet inducteur qu'exerce cette structure sur le mésoderme. LE GENE GOOSCOÏDE : présente des homologies avec le gène maternel bicoïd et le gène de polarité segmentaire goosberry. Il est exprimé transitoirement dans le nœud de Hensen au début de la gastrulation GENE HNF3Β (hepatic nuclear factor 3 β) : Implique dans la formation de la corde. Il s'exprime dans la corde et dans la partie ventrale tu TN. GENE BRACHYURY : impliqué dans la formation de la corde et le bourgeon caudal. GENE LIM-1 : Formation des structures céphaliques (même effet que les gènes de la famille des OTX). LES GENES IMPLIQUES DANS LA REGIONALISATION FINE DES TISSUS EMBRYONNAIRES GENE HOX : organisation antéro-postérieure de l'embryon et morphogenèse des membres. GENE PAX : et régionalisation de l'embryon homologie avec certains gènes de la segmentation de la drosophile (contiennent tous une séquence Paired-box=Pax) (seul Pax-5 et 8 s'expriment chez l'adulte). Tous les Pax sauf Pax-1 sont exprimés dans le TN. Impliqué dans la régionalisation du SN. Impliqués aussi dans la régionalisation des somites. GENES ENGRAILED, WNT, OTX : régionalisation du cerveau antérieur et moyen Les gènes engrailed (En1 et En2) sont homologues au gène de polarité segmentaire engrailed de la drosophile (expression dans le T N). LES GENES WNT II : wingless de la drosophile (polarité segmentaire). Wnt 1 expression dans le mésencéphale (zone à l'origine du cervelet) LES GENES OTX (1 et 2) sont les homologues du gène orthodenticle de la drosophile (régionalisation de la tête de l'insecte). Chez les mammifères Otx 1 et 2 sont exprimés dans la partie antérieure et moyenne du TN. LES GENES IMPLIQUES DANS LA DETERMINATION GENES DE LA FAMILLE MYOD1 ET LA DETERMINATION MUSCULAIRE Les gène myogéniques : gènes dirigeant la myogenèse. LES GENES DE LA DETERMINATION DU SEXE Le sexe génétique est établi dès la fécondation (XY= mâle ; XX= femelle). Il va déterminer le sexe gonadique (testicule ou ovaire) qui se met en place lors de la vie fœtale à partir d'un stade indifférencié (crête génitale). Sexe gonadique une fois établi détermine à son tour le sexe phénotypique (hormones). Rôle du Y : exerce un contrôle génétique dominant dans la détermination testiculaire. Il porte au moins un gène de détermination testiculaire TDF (Testis Determining Factor). Tandis que le processus conduisant à la formation d'un ovaire résulte de l'absence du chromosome Y (et non de la présence des chromosomes X). LE GÈNE SRY (SEX DETERMINING REGION, Y CHORMOSOME) SRY= TDF Y : ce gène est présent dans la partie terminale du bras court du chromosome Y(sous la région pseudo-autosomale) n'existe pas sur le chromosome X. Gène SRY constitue donc chez les Mammifères le signal primaire déclenchant la différenciation des testicules et l'apparition du phénotype mâle. Les gènes SRY de Mammifères contiennent tous une région conservée appelée boîte HMG (High Mobility Group). On la retrouve dans les gènes des protéine HGM. Le gène SRY appartient à la famille des gènes Sox (pour SRY box containing genes). Les gènes Sox sont exprimés au cours du développement embryonnaire et l'un d'eux (Sox-9) intervient dans la cascade de détermination du sexe.