Malformations congénitales/Programme génétique du développement embryonnaire

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Développement récent du diagnostique pré-implantatoire : on peut faire le diagnostique au stade morula (on prend 2 cellules et on fait une biopsie) afin de détecter des anomalies géniques venant des parents, avant réimplantation.

Cela a donné lieu à une branche médicale importante, mettant en jeu un grand nombre de connaissance en génétique. Il est important de connaître le PGDE pour pouvoir classer les maladies et les diagnostiquer.

Comment se déroulent les mécanismes moléculaires et génétiques à la base du développement de l’embryon ?

Mécanisme moléculaires et génétiques

L’embryon pourrait être préformé, il existe déjà et ne fait que grandir au fur et à mesure du développement. L’épigenèse : c’est petit à petit que les formes se constituent. À la fin du 19^e siècle, on a pris deux blastomères et on a séparé les blastomères en deux : si le préformisme est juste, on abouti à un demi-individu, or, on obtient des jumeaux : le préformisme n’est pas juste, prééminence de la théorie de l’épigenèse. Les outils d’embryologie se sont développés, permettant de comprendre quels sont les mécanismes moléculaires.

On a utilisé le modèle de la drosophile qui nous permet d’avoir une approche sur le développement embryonnaire.

Mécanismes cellulaires du développement :

• la multiplication cellulaire
• la différenciation cellulaire
• l’agrégation et la dispersion cellulaire
• la migration
• l’apoptose
• l’induction

1. La différenciation cellulaire.

Processus qui comprend l’engagement d’une cellule, le progéniteur, dans des voies de plus en plus restreintes de différenciations pour aboutir à une cellule spécialisée. Une cellule différenciée n’a plus la totipotence. Mécanisme complexe, car l’on part d’un seul génome, et on abouti à des cellules de fonctions différentes mais avec le même génome : des portions du génome sont activés et d’autres inhibés.

1. L’adhésion cellulaire.

Etablissement et maintient des structures organisées.

Les CAM : molécules d’adhésion cellulaires (N-cam, cadhérines). On parle de liaison homophilique, il faut le même nombre, la même densité et le même type de molécules à la surface pour que les cellules s’adhèrent et forment des tissus.

1. La migration cellulaire.

Elle utilise des molécules de surfaces, les intégrines (récepteur cellulaire), qui se lient à la matrice extracellulaire, via la fibronectine (matrice extra-cellulaire).

1. L’apoptose.

Découvert par l’étude du développement du vers C-Elegans. Il existe un programme génétique qui induit un mécanisme de mort cellulaire pour certaines cellules embryonnaires, à un moment précis du développement. Lorsque ce phénomène ne se fait pas, cela entraine des malformations (fentes labiales, syndactivies = mains palmées) et des cancers (âge adulte).

1. L’induction.

Influence, durant un temps déterminé, d’un groupe de cellule sur d’autres cellules adjacentes ou distantes d’une dizaine de diamètre cellulaire. = interaction entre un tissu dit inducteur et un tissu dit receveur, compétant.

Le tissu récepteur doit être compétent, phénomène extrêmement précis, entrainant un développement des cellules induites dans une voie de différenciation.

Les facteurs inductifs : FGF (gastrulation), SHH (tube neural), Wnt et TGF-B, voie Notch (la voie Notch).

On a un nombre de molécules considérables, qui interviennent dans le développement : on a des facteurs diffusibles, des protéines réceptrices, et une série de facteurs de transduction du signal.

Comment tout cela s’organise ?

Le PGDE est un programme existant dans toutes les espèces, il est extrêmement conservé et traduit le développement des êtres complexes. On va étudier le modèle de la mouche drosophile.

Le développement des métazoaires dépend d’un certain nombre d’étapes :

• multiplication cellulaire
• formation des axes (dorso-ventral et antéro-postérieur), = orientation.
• la segmentation (métamérisation)
• développement individuel de chacun des segments (à 9 jours).

Chez l’homme, l’axe formé le premier est le dorso-ventral, chez la drosophile, c’est l’axe antéro-postérieur.
Ce qui rappelle la segmentation, c’est la colonne vertébrale (somites) et nerfs.

Ce qui caractérise la partie antérieure, c’est le gradient de molécules existant dans l’œuf. Les protéines viennent de la traduction de cellules maternelles. Ce qui induit le début de la différenciation cellulaire, c’est l’acquisition d’un gradient de concentration qui, lorsqu’il y aura, il y aura traduction en protéine. Ce gradient assure la formation de l’axe antéro-postérieur.

La métamérisation est liée au génome zygotique, on a des tranches de protéines qui sont sous la dépendance des protéines maternelles : ce sont des gènes zygotiques. On va avoir transformation des segments ainsi formés.

Gènes intervenant dans :

• la formation des axes : gènes maternels
• la métamérisation / segmentation : gap / pair rules (gènes de segmentation)
• la détermination des segments : gènes homéotiques
• l'organogenèse : les gènes maîtres (exemple Pax 3 pour l’œil).

On a une répartition asymétrique d’ARN maternels dans la gamète femelle, et une concentration en gradient de bicoïd et de nanos : c’est la première étape de différenciation, dû au génome maternel. Si on mute bicoïd chez la mère, celle-ci n’aura pas de problème de développement, ce sera sa descendance qui en aura une.

Après la fécondation, on a la traduction d’ARNm d’origine maternelle, donnant des gradients. On a avoir une accumulation de bicoïd au niveau antérieur, et une distribution postérieure de la protéine Nanos. On va avoir une formation de la protéine bicoïd avec un gradient inverse à celui de la protéine Nanos. Bicoïd antagonise caudal, et nanos antagoniste Hunchback : on a déjà des gradients protéiques qui vont donner la partie antérieur et la partie postérieure : ce sont des facteurs de transcription qui vont induire les cellules, donnant lieu à la formation et l’induction d’autres protéines.

Les protéines vont agir sur le génome de l’embryon, il y aura des gènes de segmentation, de trois types : - gènes gap : s'ils sont mutés, ils forment des trous au sein de la drosophile : régions - les gènes pair rules : parasegments - les gènes de segmentation et de polarité : segments.

Processus général d’affinement des structures

1. Les gènes gap.

On part des ARNm, qui vont activer une série de gènes activés dans des régions, on obtient des concentrations de protéines en « tranches », car elles s’inhibent les unes des autres.

1. Les gènes pair rules.

Ils définissent des parasegments, quand ces gènes sont mutés, on obtient des fusions entre parasegments pour donner des parasegments beaucoup plus gros.

1. Gènes de polarité segmentaire.

Définissent les régions antérieures et postérieures des parasegments.
Mutations antennapédia : transformation d’un segment en un autre segment.
Mutation bithorax : le segment T3 a été transformé en segment T2, ce type de transformations s’appellent transformations homéotiques (question qcm !) qui se définissent par la transformation d’un segment en un autre segment.

1. Les gènes homéotiques.

Les transformations homéotiques résultent de la mutation d’un seul gène.
Chez la mouche, on a trouvé l’existence de 8 gènes, le gène homéotique a été défini suivant sa fonction.
Ce que l’on a trouvé, c’est que ces gènes sont rassemblés, clusterisés, sur une petite portion d’un des chromosomes de la drosophile. Ces gènes ont une expression particulière. Ceux situés à l’extrémité 3’ du cluster s’expriment en premier dans les régions antérieures, alors que ceux situés en 5’ du cluster s’expriment en dernier au niveau de la région postérieure.

L’identité moléculaire des segments est déterminée par l’expression déterminante et majoritaire d’un gène du cluster. Les transformations homéotiques sont dues à des expressions ectopiques de gènes homéotiques dans des régions où ils ne devraient pas s’exprimer.

Homéo Box : boite Homéo, constituée de 3 hélices alpha dont la 3^e est responsable de la liaison spécifique à l’ADN.

Le gène homéotique détermine les segments, leur mutations sont responsables de mutations homéotiques, du point de vue de leur structure, ils possèdent en C-ter une homéo boite, ils sont regroupés en clusters. Ceux situés en 3’ du cluster sont les premiers à s’exprimer dans les régions antérieures, alors que ceux situés en 5’ sont les derniers à s’exprimer dans les régions postérieures : régulation fine et précise dans le temps et dans l’espace (= colinéarité temporo-spatiale, à connaître).

Les gènes de la drosophile sont conservé chez les autres vertébrés (chez l’homme notamment, mais situés sur 4 chromosomes, venant de divisions successives de gènes ancestraux, on a une correspondance de structure entre mammifères, on parle de gènes paralogues.

On retrouve le même type de régulation chez l’homme que chez la drosophile, on retrouve donc la colinéarité temporo-spatiale. Les locus des gènes homéotiques sont les régions du génome où il y a le moins de mutations, les polymorphismes ont été rejetés. Ce système est donc extrêmement robuste.
Les gènes Hox : on a un problème de redondance chez l’homme, la mutation d’un seul gène n’entraine pas une transformation homéotiques, à cause de ce principe.
On peut faire apparaître, expérimentalement, ces mutations chez la souris : il ne s’agit pas d’une simple existence de gènes homéotiques, ils déterminent l’avenir des segments.

Voies de signalisation sélectionnées à différents stades de l’embryogenèse :
Un certain nombre de gènes homéotiques sont utilisés pour donner une organisation précise dans la formation des membres. En termes de complexité d’organisation, le premier segment est un os, le second est le radius et le cubitus, il faut un système génique pour différencier les cellules qui forment ces os, et enfin les os de la main.

La formation des segments est liée à une expression différentielle de gènes homéotiques.

Applications en pathologie humaine

Comment faisons-nous pour naitre sans mutations ?

1. Pathologie des gap gènes :

L’équivalent chez l’homme est le système des OTX : ces gènes déterminent la régionalisation du cerveau : des pathologies de ces gènes vont donner des anomalies cérébrale, l’expression est commune, avec des redondance. Les gènes OTX s’expriment au dessus du cervelet.
Les gènes OTX entrainent des mutations des yeux (micro et macrophtalmie).

1. Pathologie des gènes de la segmentation.

Gènes Pax : gènes pair rules, caractérisés par une boite particulière, l’homéobox (ou boite homéo), qui code un motif protéique permettant à la protéine de se fixer à l’ADN Chez l’homme, on a 9 protéines PAX, la boite P1 est à la partie N-Ter.
L’homéobox définit une famille de protéine, la famille des protéines à boite homéo.
Les gènes homéotiques sont définis par leur fonction et leur clusterisation.

Comme les gènes Pax s’expriment dans différents tissus, si on a une mutation d’un de ces gènes, on aura des mutations dans différentes structures. Exemple de Pax 2 : intervient dans la formation du rein, œil, oreille interne, tube neural et rhombencéphale. Si ce gène est muté, il donnera des anomalies de ces structures.

À l’origine d’une grosse malformation, il peut y avoir une simple mutation d’un seul gène !

Pax 6 s’exprime dans le cerveau et dans l’œil. S'il est muté, on obtient une anophtalmie, une microphtalmie. Pax 6 est un gène maître de la formation de l’œil, intervenant au cours de l’organogenèse. La pathologie liée à SHH : SHH induit la formation de la partie postérieure du tube neural, il intervient dans la formation de la partie postérieure de la main. En fait, la mutation de SHH entraine des pathologies cérébrales et des pathologies de la main, on aura une non division des deux hémisphères cérébraux, les yeux vont restés collés, on peut avoir des cyclopes.

L’holoprosencéphalie liée à SHH est la plus importante. On peut également avoir des polydactylies préaxiales des doigts.

1. Pathologie liée aux gènes Hox :

Hox A 13 donne de petits doigts. Hox D 13 :

Conclusion

Ces gènes participent à des voies de signalisation du programme de développement embryonnaire, ces voies sont sélectionnées à différents moments de l’embryogenèse.
Tous ces phénomènes du développement embryonnaire sont également impliqués à la vie adulte, pour former des cellules matures. Au stade adulte, ces gènes donneront des cancers (leucémies, lymphomes).