COMMANDE GÉNÉTIQUE DU DÉVELOPPEMENT EMBRYONNAIRE De la ...huntingtherainbow.free.fr/embryo/genesdudeveloppement-2emepartie.pdf · hypoplasie du corps ciliaire et de la rétine

COMMANDE GÉNÉTI QUE DU DÉVELOPPEMENT EMBRYONNAI RE

De la drosophile aux vertébrésSouris, homme

Tania ATTI E-BI TACHNecker - Enfants Malades

POURQUOI L ÉTUDE DES MÉCANI SMES MOLÉCULAI RESDU DÉVELOPPEMENT EMBRYONNAI RE?

I NTÉRÊT MÉDI CAL :

2-3% des grossesses pathologiquesStérilités et avortements spontanés : 20% des grossessesMalformations congénitales : 20% de la mortalité néonatale

Médecine f tale : diagnostic + + +I magerieGénétique

BI OLOGI E DU DÉVELOPPEMENTHI STORI QUE / 19°S

Le 19e siècle: aspects fondamentaux du monde du vivant:L universalité de la cellule, base du développement embryonnairedivision cellulaire, les chromosomes lieux de l hérédité, lois de Mendella théorie de la sélection, par Darwin .

La fin du 19e siècle : passage à une phase expérimentale du développement. Etablit les phénomènes fondamentaux:

» la communication cellulaire» la migration cellulaire» la différenciation contextuelle» la polarité des oeufs

Le début du 20e siècle est marqué par: la formalisation des lois mendéliennes sur l hérédité, La théorie des gènes (Morgan), la génétique /scienceLa drosophile : système expérimental cartographie génétique: analyse détaillée et quantitative des modes de transmission héréditaire, entre générations

Pendant des décennies, l embryologie et la génétiqueévoluent en parallèle sans que soit établi un rapport entre l action des gènes et les règles développementales régissant la transformation de l uf fécondé en un embryon doté d une structure particulière


Travaux d Edward Lewis (années 40) puis de Nusslein-Volhard et Wieschaus (années 70)

Analyse mutationnelle systématique de l embryogénèse de la drosophile

Le projet morphogénétique de l embryon est contrôlé, de manière hiérarchique, par l activité de gènesspécifiques.


Ed Lewis Janni Nusslein-Volhard Eric Wieschaus

ANALYSE GÉNÉTI QUE DÉVELOPPEMENTALE DE LA DROSOPHI LE

Mécanismes biologiques conservés entre espèces

Gènes et programmes conservés à différentes étapes du développement, dans différents tissus

les hiérarchies génétiques conduisant àl établissement de la polarité antéro-postérieure et à la morphogenèse chez l homme sont semblables à celles de la mouche .

Un gène de drosophile: plusieurs homologues chez les vertébrés: complexité, spécification, redondance

MOLÉCULES DU DEVELOPPEMENT EMBRYONNAI RE

Cadherin

RAS

MAPKKK

MAPK

FUSED

Wnt/ Wingless Hedgehog/ Sonic hedgehog

caténin

p120

caténin

SMADMAKK

DISHEVELD

GSK3

APC

caténin

LEF1 TCF GLISuH

Frizzeld Smoothened Patched

Cadherin

Notch

FGF-R

TGF -R

Delta FGF (9 protéines)

TGF :plus de 25 membres

NOYAU

Gènes maternels

Gènes de segmentation

Les gènes homéotiques

Les gènes maîtres

Programme & gènes du développement

Ems, otd, btd / EMX, OTX, SPGène Paired / Gènes PAXVoie hedgehog / SHH

Gènes Hox etformation du membre

Bicoid, nanos

gap pair-rulepolarité segmentaire

Gènes maternels



Les gènes maîtres



Les gènes maîtres


Gènes maternels


Les gènes maîtres


Maternal effect mutants: e.g., bicoidEtablissement des axes

Bicoid : gène de la mouche

Pas d homologues chez les autres espèces, absent chez les autres insectes.

Duplication récente d un gène homologue à Hox3 des vertébrés

a perdu sa fonction homéotiquea acquis de nouveaux rôles dans

l ovocyte et les annexes

Duplication de ce gène suivi par une divergence fonctionnelleBicoidZerknüllt (rôle dans les annexes)

PNAS January 8, 2002 vol. 99 no. 1

Traduction des ARN maternels après la fécondation

Établissement d un gradient de protéines d origine maternelle

Bicoid : gène de la mouchePas d homologues, absent chez les autres insectes.

Duplication récente d un gène homologue à Hox3: Bicoid et zerknüllt.

Les 2 gènes sont localisés dans le complexe Hox de la Drosophile , mais n ont pas de fonction homéotique

torso and hunchback seraient les organisateurs antérieurs chez les insectes primitifs

L exemple de bicoid, 1er morphogène identifié illustre comment un gène essentiel peut changer de fonction au cours de l évolution.

Homologues de

Nanos 1, 2, 3 chez les vertébrés.Souris et poisson-zèbre: importants pour la formation et la survie des cellules germinalesPas d implication chez l homme

nos1+/+

17som, ZF, F

nos1-/-

nos1-/- + nos1mRNA

Dev Biol. 2007 May 15; 305

Gap Segment polarity Pair-rule

Régions Parasegments Segments

GÈNES DE SEGMENTATI ON

Gap genesKrüppelKnirps`HunchbackGiantTaillessHuckebein

ButtonheadEmpty spiraclesOrthodenticle

Pair rules genes

HairyEven-skippedRunt

Fushi tarazuOdd pairedOdd skippedSloppy pairedPaired

Segment polarityGenes

EngrailedWinglessCubitus interruptusHedgehogFusedPatchedArmadilloGoosberrypangolin


gènes gap gènes pair-rule

gènes de polarité du segment

Gènes GAP

Hunchback KrüppelKnirps`Giant

TaillessHuckebein

OrthodenticleEmpty spiraclesButtonhead

otd (orthodentide) , ems (empty spiracles)

btd (Buttonhead)

gènes "gap" qui joue un rôle dans la segmentation de la tête

Homologues vertébrés: Otx, Emx: région la plus antérieure de l'embryon (cerveau antérieur et moyen)Sp: région antérieure et jonction mesencéphale-rhombencéphale.

Des homologues des gènes Gap déterminent les grandes divisions du

cerveau des vertébrés

Boncinelli et al J. Neurobiology 24:1356-1366(1993)

Emx1Compris dans Emx2

Emx2Compris dans Otx1

Otx1Compris dans Otx2

Otx 2

Sp1

versus

Comme les gènes hox: Expression dans des régions chevauchantes du TN combinatoire de leur produits spécifie un type cellulaireExpression conservée au cours de l évolution

Contrairement aux gènes hox:expression emboitée antérieurepas d organisation en clusterséquence en défaveur d'une duplication récente d'un gène ancestral

LOCALISATION CHROMOSOMIQUE (HOMME)

2p14-p1310q26.12p1314q21-q22

EMX1EMX2OTX1OTX2

Dev Biol 1996, 178:174-178

Development 1997, 124: 1653-1664

Nature Genet 1996, 14: 218-222

Development 1995, 121: 3279-3290

Invalidation ciblée (KO)

Expression

Agénésie du corps calleux isolée

Cortex normal

(schizencéphalie)Absence de reins,

uretères, gonades, tractus génital

Epilepsie + anomalies cérébrales:

régions tel, temporale, perirhinale, hippocampe, mésencephale, cervelet, audition, vision

Absence de cerveau antérieur et moyen

(au dessus de r3)= aprosencéphalie

Te dorsalTe dorsal, petites régions Di

Te,Di,Mes dorsalDi, Mes ventral

Te,Di,Mes dorsal Di, Mes ventral

Emx1Emx2Otx1Otx2

: modèles murins

chez la souris

Development 121, 3279-3290 (1995)

en pathologie humaine

Autosomique dominantPhénotype: microphtalmie / anophtalmie+ /- anomalie hippocampe + /- retard mental, épilepsie

Autres gènes donnant une anophtalmie/ microphtalmie chez l homme:

PAX6, SOX2, RAX, CHX10

PNAS 2008 105, 5408 5413

Expression de chez l homme

Mutations OTX2 chez l homme

Sp1 : expression chez la souris

Sp1 : invalidation chez la souris

Exencéphalie antérieure

Agénésie cerveletSpina bifidaAnomalie nez, palaisAnomalie réductionnelle

des membres

Développement du cerveau antérieur (prosencéphale) et moyen (mésencéphale)

N est pas sous le contrôle des gènes HOXHomologues de gènes gap ems, otd et btdimportants pour la segmentation du cerveau chez les vertébrés

OTX, EMX, SP

Combinatoire avec d'autres gènes pour la spécification des territoiresCerveau antérieur plus complexe que cerveau postérieur

gènes gapgènes pair-rule


GÈNES PAI R RULES

S expriment1 segment sur 2

Entraînent la formationdes para segments

Mutation de fushi tarazu


Gap genesKrüppelKnirps`HunchbackGiantTaillessHuckebein

ButtonheadEmpty spiraclesOrthodenticle

Pair rules genes






Homologues des gènes paired: Gènes Pax

Paired box = motif protéique de 128 AA conservé entre les espècessitué à la partie NH2 terminale du gènecapable de se fixer à l ADN

DROSOPHILE (3) SOURIS (9)

HOMME (9) paired

goosberry proximal

goosberry distal Pax1-Pax9 PAX1-PAX9

Gènes : organisation structurale

C

C

C

C

Boite paired OP Homéoboite

C

C

C

C

C

C

N

C

C

C

C

N

N

Groupe 2: PAX2, PAX5, PAX8

NGroupe 1: PAX1, PAX9

Groupe 3: PAX3, PAX7

Groupe 4 : PAX4, PAX6

4 groupes de paralogues

Organisation commune de motifs protéiquesSimilarité de séquencePatron d expression similaire au cours de l embryogenèse

Gènes : organisation structurale

Gènes Localisation chromosomique

Pax/PAX

HOMME SOURIS

1 20p11 2 2 10q25 19 3 2q35 1 4 7q32 6 5 9p13 4 6 11p13 2 7 1p36.2 4 8 2q12-q14 2 9 14q12q13 12

Gènes Pax et organogénèse:interactions épithélium-mésenchyme

EPITHELIUM MESENCHYME

DENT Pax9

GLANDE SALIVAIRE

Pax9

THYMUS Pax1/Pax9

NEZ Pax6 Pax3/Pax7/Pax9

THYROIDE Pax8

REIN Pax2 Pax2/Pax8

Mutations des gènes

SOURIS Gène Pax/PAX

HOMME Spontanés

KO

1 Spina bifida ? Undulated

- 9 Oligondontie - + 2 Colobome-dysplasie rénale Pax21Neu + 5 - - + 8 Dysgénésie thyroïdienne - + 3 Waardenburg I , I I I Splotch - 7 - - + 4 - - + 6 Aniridie, Peters Small eye

- 6

chez la souris

Somites

Poches pharyngées

bourgeons dentaireset palatins

Membres

chez la souris

Pax9-/-Dents absentes, Fente palatine, Polydactylie Dérivés des PP absents

thymus, parathyroïdes corps ultimobranchialAnomalies squelettiques et craniofaciales

Somites

Poches pharyngées

bourgeons dentaireset palatins

Membres

et oligondontie

Oligodontie

Phénotype: agénésie de 6 ou + dents permanentesIsolée, sans autre atteinteAgénésie < 6 dents = hypodontie

DominantGènes impliqués

PAX9MSX1

JBC 2006 281: 18363 18369



HOMME Spontanés

KO



- 6

modèle murin

Pax21Neu mice G insertionKrd Délétion chromosomiquePax2 Knock-out

Anomalies rénalesAnomalies de la rétine et du nerf optique

Fonctions

Rein : transition mRein : transition méésenchymesenchyme--éépitheliumpithelium

il : information positionnelle et guidance il : information positionnelle et guidance axonaleaxonale

Oreille interne : prolifOreille interne : proliféération cellulaireration cellulaire

Tube neural : compartimentation neuronaleTube neural : compartimentation neuronale

RhombencRhombencééphale : segmentationphale : segmentation

expression

Oreille interne

Nerf optique

SNC

Rein

: syndrome Rein-Colobome

Autosomique dominant

Colobome du nerf optique Hypoplasie rénaleReflux vésico-urétéralSurdité modérée

Rare: retard mental, épilepsie



HOMME Spontanés

KO



- 6

Thyroid development in humanPrimitive thyroid

Ultimobranchial body

Thyroid

chez la souris

Expression chez la souris E8,5- AdultePlancher du Pharynx primitif (ZP: Précurseurs des cellules folliculaires thyroïdiennes)ReinSystème nerveux central

Invalidation chez la sourispax8-/ -: Formation initiale de l ébauche médiane mais àE11,5 cesse de croître. Hypoplasie sévère avec absence de follicules

Expression de PAX8 dans l ébauche thyroidienne médiane

Rein et système nerveux central

Expression de PAX8dans le rein en développement

Mutations de chez l homme

Mutations dominantes

Hypoplasies thyroidiennes ou ectopiesParfois associées à une anomalie rénale (25%)



HOMME Spontanés

KO



- 6

Souris splotch ( )

Plusieurs lignées, létales embryonnairesSplotch retarded (spd): décès naissance

Sp-/ -Spina bifida et exencéphalieAnomalies de pigmentationCardiopathieAnomalies craniofaciales

(Sp/+ )Taches blanches

Syndrome de Waardenburg

Neurocristopathie

Surdité congénitale de perceptionAnomalies pigmentaires: peau, cheveux, iris

MITF, SLUG

EDN3, EDNRB, SOX10

PAX3

PAX3

Type 1: dystopie des canthiType 2,Type 3: anomalie des membresType 4: maladie de Hirschsprung

Relations entre les gènes WS



HOMME Spontanés

KO



- 6

Development 121, 1433-1442 (1995)

Expression de Pax6 chez la souris

Mutants chez la souris

Small eye: -/ -: absence d yeux et de

cavité nasale+ /-: microphtalmie, cataracte,

colobome (SeyH, SeyDey)et hypoplasie iris, opacification cornée.

Development 121, 1433-1442 (1995)

Hypoplasie sévère de l'iris+ /- cataracte

opacification de la cornéehypoplasie du corps ciliaire et de la rétine

Formes familiales : autosomique dominant

11p1.13 (WAGR) Tumeur de WilmsAniridieanomalies Génito- urinairesRetard mental

spectre de l'aniridie

: hétérozygote composite

AnophtalmieAbsence de NO, chiasma

Malformations cranio-facialesPetit nezAtrésie choanesMicrognathie

Anomalies cérébralesMicrocéphalieAgénésie du corps calleux

J8

Nat Genet. 1994 Aug;7(4):463-71

Gènes PAX9 gènes chez l homme et la sourisFacteurs de transcription, domaine paired de liaison à l ADN Fonction essentielle dans les interactions épithélium-mésenchyme, mais dans des tissus différents4 groupes de paralogues: organisation commune de motifs protéiques, similarité de séquence et d expression embryonnairePas de clustersI mportance majeure en pathologie humaine

gènes gapgènes pair-rule



Gap genesKrüppelKnirps`HunchbackGiantTaillessHuckebeinButtonheadEmpty spiraclesOrthodenticle

Pair rules genes






GENES & DEVELOPMENT 1992 6:2635-2645 9

HH

EN

La plupart des mutants hh sont lethal embryonnaire, et les mutants ont uncuticule ventral qui a peu de polarité antéro-postérieure.

Les interactions génétiques avec d autres gènes de segmentation segmentation suggèrent un rôle dans la communication intercellulaire

Hedgehog: gène de polarité segmentaire

CBP+

+

ptc, wg, dpp

- -

-

Hh, dpp

Fu

Ci

Su(Fu)

Cos2

-

Smoothened

Patched*ExtraC

PKA

CiCytoplasme

Cholesterol

Hh*Palmitate

NoyauCi r épresseur Ci activateur

Voie de signalisation hedgehog

Homologues de hedgehog chez les vertébrés

3 homologues de hedgehog chez les vertébrés

Sonic Hedgehog (SHH) 7q36

Indian Hedgehog (IHH) 2q35.36 Homme

Desert Hedgehog (DHH) 12q13

Localisation chromosomique différente

Expression temporo-spatiale et fonction différentes

SHH: cerveau et membres

IHH: pathologies osseuses

DHH: dysgénésie gonadique

Conservation de Shh chez les vertébrés

Homologues de Shh hautement conservés entre les espècesPlus forte homologie dans la moitié N-terminale

Même patron d expression de Shh chez le poulet, la souris, le poisson-zèbre

-> Suggère une conservation de la fonction

La polarisation dorso-ventrale du SNC et les somites est régulée pardeux centres organisateurs

Plancher du TN

Chorde

SHH: centre organisateur

Centre organisateur localisé dans le mésenchyme postérieur des membres

= Zone à Activité Polarisante

SHH contrôle la polarisation antéro-postérieure des membres

SHH: I dentification ventrale du SNC

Polarisation dorso-ventrale du tube neural par la chorde

m/s n°5 vol. 10, mai 94

Polarisation antéropostérieure des membres par le

mésenchyme postérieur des bourgeons de membres

m/s n°5 vol. 10, mai 94

Polarisation antéropostérieure des membres par l acide rétinoique

Human embryology, Larsen

I nvalidation ciblée de Shh chez la souris

Hétérozygotes: normauxHomozygotes

Retard de croissance sévèreHPE, proboscis, diminution taille cerveau...Anomalies squelettiques sévères

Colonne vertébrale absente (persistance 5-6 cartilages costaux)Anomalies crâniofacialesAnomalies des membres (MI > MS): absence de doigts, absence ou fusion des os distaux

Anomalies cardiaques, pulmonaires, rénales et digestives

Chiang et al, Nature 1996; 383: 407-413

Holoprosencéphaliela face prédit le cerveau DeMyer 1964

Cyclopie Monophtalmie, Proboscis

Ethmocéphalie Hypotélorisme, Proboscis

Cébocéphalie Hypotélorisme, Narine unique

Agénésie Hypotélorisme, Fente labialemédiane

prémaxillaire

Dysmorphie atténuée Hypo- hypertélorismenez aplati, fente labialecolobome, incisive uniqueface normale

HPE alobaire

HPE semi-lobaireou lobaire

Non !

SHH, Odent et al, HMG 1999, 8: 1683

HPE3: 7q36 SHH

HPE semi-lobaireHypotélorismeFente médianeEpilepsie décès 13 mois

Q100H

HPE lobaireMicrocéphalie (-5SD)Diabète insipideRetard mental

E188Q

Roessler et al, MuenkeNature Genet 1996, 14: 357

HPE3: 7q36 SHH

Holoprosencéphalie: étiologies

Anomalies chromosomiques 25-45 %Trisomie 13 (50% des HPE, 70% des T13)Trisomie 18TriploidieAnomalies de structure: 12 loci

Association syndromique 18-25 %

Agents tératogènes

Isolée 30% formes familiales, 70% cas sporadiques 40%

Holoprosencéphalie: Au moins 12 loci

HPE1: 21q22.3 delHPE2: 2p21 del (dup)HPE3: 7q36 delHPE4: 18p11.3 delHPE5: 13q32 del/dupHPE6: 3p24-pter dupHPE7: 13q12-q14HPE8: 14q13 delHPE9: 20p13 HPE10: 1q42 dupHPE11: 5p HPE12: 6q26-qter dup

SIX3SHHTGIFZIC2

9q22.3 mut PATCHED1

3p21.31 mut TDGF1+

- - Cholesterol

Hh*Palmitate

Patched

DHCR7

Pallister-Hall, Greig, PPA

HoloprosencéphaliePolydactylieSmith-Lemli-OpitzHoloprosencéphalie

GorlinHoloprosencéphalie

Rubinstein-TaybiHoloprosencéphalie

GLI3

CBP

PTC1

Wnt4Wnt7A

TétramélieAnomalies membres

SHH

« hedgehogepathies »

Patched

SCHINZEL PHOCOMELIA SYNDROMEABSENCE OF ULNA AND FIBULA WITH SEVERE LIMB DEFICIENCY

LIMB/PELVIS-HYPOPLASIA/APLASIA SYNDROME; LPHASAL-AWADI/RAAS-ROTHSCHILD SYNDROME; AARRS AR, WNT7A

AJHG 2006, 79 : 402

GÈNES HOMÉOTI QUES

Détermination des segments

Mutations: transformations homéotiques

Possèdent une homéoboite (180pb) dans leur partie 3 qui code pour un homéodomaine de 61 aa, qui définit la famille des gènes à boite homéo (ou homéobox)

Cet homéodomaine est formé de 3 hélices dont la 3ème est responsable de la liaison spécifique avec l ADN

Ils sont regroupés en clusters

Avec une colinéarité temporo spatialeCeux situés en 3 s expriment dans les régions antérieures,

sont les premiers à s exprimer et sont régulés par l acide rétinoïqueCeux situés en 5 s expriment dans les régions postérieures et

sont les derniers à s exprimer

Gènes Hox chez les vertébrés:

duplication au sein du complexe puis des complexes

- 4 clusters chez l homme, souris- 8 clusters chez le poisson-zèbre

Mutations gènes HOX chez l homme et anomalies des membres

HOXA11, ADsynostose radio-cubitale avec thrombocytopénie

HOXA13 , AD HFG/HFU ou Guttmacher syndrome hypospadias , duplication génitale , pouces hypoplasiqueshypospadias polydactylie

HOXD13 , ADBrachydactylie, poysyndactylie, syndactylie

Hand-Foot-Genital (HFG)

Mortlock, Nat Genet 1997

Sympodactylie

HOXD13polysyndactylie

Goodman et al, PNAS 1997

syndactylie type V

AJHG 2007: 80:361

Développement des membresAxe proximo-distal

Fibroblast growth factors (FGFs) exprimés dans la crête apicale (AER)

P

D

Développement des membresAxe antéropostérieur

sonic hedgehog (SHH) dans le mésenchyme postérieur (ZPA)

A

P

Développement des membresAxe dorso-ventral

BMPs, EN1 (ventral) Wnt7 (dorsal)

V

D

V

D

Gènes et développement des membres

Current Opinion in Genetics & Development 2007, 17:359 366

Gènes et développement des membres

Current Opinion in Genetics & Development 2007, 17:359 366

MOLÉCULES DU DEVELOPPEMENT EMBRYONNAIRE

Cadherin

RAS

MAPKKK

MAPK

FUSED

Wnt/Wingless Hedgehog/Sonic hedgehog

caténin

p120

caténin

SMADMAKK

DISHEVELD

GSK3

APC

caténin

LEF1 TCF GLISuH

Frizzeld Smoothened Patched

Cadherin

Notch

FGF-R

TGF -R

Delta FGF (9 protéines)

TGF :plus de 25 membres

NOYAU

GÈNES DU DÉVELOPPEMENT EMBRYONNAI RE

Complexité par nombre d homologues chez les vertébrés

Participent aux voies de signalisation du programme de développement embryonnaire

Voies de signalisation sélectionnées à différents moments de l embryogénèse, dans différents organes

Pathologies du développement embryonnaire : malformations

Pathologies acquises : hémopathies malignes (système embryonnaire)

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