Asymétrie droite gauche PDF

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Notes de cours rédigées par le professeur C. Marcelle ...

Description

Asymétrie gauche-droite. Mise en place des axes, rappel. L'axe antéro-postérieur et l'axe dorso-ventral de l'embryon sont définis très tôt au cours du développement. Dépend de la classe d'animaux, mais les amphibiens déterminent leur axe AP dès la fertilisation, et l'axe dorso ventral avant la gastrulation. Chez les mammifères c'est plus tard (début de la gastrulation) que l'axe AP se met en place. Les stratégies de mise en place des axes AP et DV sont extrêmement diverses dans le règne animal. Les axes peuvent être prédéterminés dès la ponte. Chez la Drosophile, l'oeuf pondu par la mouche porte un micropyle, par lequel le sperme peut entrer pour féconder l'ovule. Dans l'oeuf lui même, la femelle a déposé un gradient d'ARN (bicoid-nanos) qui définit le futur axe AP. Chez la plupart des vertébrés, l'axe AP peut être changé expérimentalement, il n'est donc pas prédéterminé. Par contre, le/les signal qui détermine cet axe sont extrêmement variés. Le site d'entrée du sperme, la gravité, la forme et les pressions générées par l'utérus sont autant de déterminants qui sont utilisés par les différents vertébrés. Le dernier axe est lui aussi important mais peut être moins visible, axe gauchedroite. Le coeur, comme la plupart des organes internes, présente une asymétrie gauche-droite. C'est aussi l'organe dont l'asymétrie est visible le plus précocement, on verra que c'est important pour détecter des défauts d'asymétrie tôt au cours du développement . Ventricule pointant vers la gauche; estomac à gauche, foie à droite et intestins tournant vers la droite (en regardant l’individu). Même les organes bilatéraux montrent une asymétrie, celà est évident dans le cas des poumons à 3 lobes à droite et deux à gauche, et c'est maintenant démontré dans le cas du cerveau. Rq: l'asymétrie D-G est observée dans l'ensemble du règne animal, par exemple la coquille des escargots, ou le tube digestif de la Drosophile, ou les pinces des crabes L'observation de syndrome et mutations a démontré que l’asymétrie droitegauche est sous contrôle génétique. Par exemple, chez l’humain, tous les cas de figure peuvent se présenter: réversion complète de la position de tous les organes (situs inversus, la plupart du temps non détectée, parce que tout fonctionne normalement 1/10000 naissances). Souvent le situs inversus complet n'est détecté qu'au cours d'une intervention chirurgicale) et les syndromes intermédiaires : isomérisme droit et gauche beaucoup plus sérieux. On peut trouver également des mutants animaux où une partie des organes est dans le bon sens (par exemple coeur et poumons, alors que le reste –estomac, foie, intestins- est inversé. Ceci également pose des problèmes d’encombrement stérique.

L'origine génétique de l'asymétrie droite gauche a été démontrée par l'identification de mutants souris (inv) où 100% présentent une symétrie inversée (1993), où de mutants (iv) où le situs est inversé dans 50% de cas (1959). Mais les gènes responsables n'avaient pas été identifiés. Deux voies de recherche ont mené à l'identification des gènes responsables de la mise en place de l'asymétrie DG. La première est une approche qu'on peut qualifier de classique, approche gènes candidats, la seconde peut être plus originale. Première approche: une observation (dans ce cas, expression asymétrique de l'expression de gènes), entraîne les chercheurs à émettre une hypothèse (cette expression serait importante pour la mise en place de l'asymétrie), hypothèse qui est ensuite testée fonctionnellement). Le premier article important dans le domaine a été publié en 1995 (Levin et al. Cell, 1995). Il décrit l'expression asymétrique de 2 gènes Sonic Hegehog, et activin receptor IIa (et aussi d'un 3è cNR-1, équivalent à Nodal). L'expression asymétrique de ces gènes était observée très tôt au cours du développement au cours de la gastrulation, Sonic à gauche, ACVR2A à droite.

Un autre gène Nodal était quant'à lui exprimé un peu plus tard, tout d'abord latéralement à gauche du Noeud de Hensen/notochorde, puis un stade plus tard largement exprimé en plus dans la future lame latérale gauche

Des expériences fonctionnelles ont montré que ces gènes régulent en effet l'asymétrie de l'embryon, dont le premier signe visible chez l'embryon de poulet est le repliement du coeur

Depuis, il a été montré que d'autres molécules sont exprimées de manière différencielle dand le noeud de Hensen : par exemple Shh est exprimé à gauche; il est réprimé sur le côté droit par une activité activine-like ; FGF8 est quant'à lui exprimé à droite. L’universalité de cette observation a été contestée par l’observation que ni Shh, ni FGF8 ne semblaient être exprimés asymétriquement chez la souris. De plus ni le KO de FGF8, ni celui de SHH n'entraînent de défaut de symétrie. D'où l'idée que peut être la mise en place de l'asymétrie chez les oiseaux et chez la souris emprunteraient différentes voies. En effet il a été montré que les oiseaux utilisent des voies différentes des mammifères pour les premières étapes de la mise en place de l'asymétrie G/D.

Quelque soit l’événement initial, celui-ci est ensuite relayé chez tous les vertébrés par une expression asymétrique de Nodal (famille des TGFß) sur le flanc gauche du noeud. Plus tard, cette expression s’étend à tout le mésoderme latéral gauche (v. Figure). L’expression de Nodal sur le côté gauche du Noeud est suffisante pour randomiser la symétrie. Il a été démontré chez le poulet que Shh (à gauche) régule l’expression gauche de Nodal. Mais cette régulation n’est pas directe : elle est médiée par une ou plusieurs molécules.

Comment cette différence d’expression de Nodal peut-elle se traduire en des différences aussi importantes que celles qu’on peut observer anatomiquement ? On n’a guère que des hypothèses, par exemple des différences de croissance (prolifération cellulaire) sans doute infimes entre un coté et l’autre du coeur ou de l’estomac ou de l’intestin pourraient à elles seules entraîner le repliement de ces organes. Pour relayer l’effet de Nodal au cours du développement de ces organes (puisque Nodal disparaît au cours du développement précoce) il fallait une molécule qui se maintienne au moins pendant que ces différences se mettent en place dans ces tissus. Un candidat intéressant est Pitx2 qui est un gène à homéoboîte apparenté à bicoid. Pitx2 est exprimé dans la partie gauche de l’embryon, puis de plusieurs organes, comme le coeur, l'estomac, l'intestin ; ceci en fait un excellent candidat pour médier le transfert de l’information de Nodal au niveau des organes en développement. Des papiers ont montré le rôle que Pitx2 joue en effet dans la croissance asymétrique de ces organes. Toujours est-il qu'à la fin de cette série d'expériences, on a compris que la mise en place de l'asymétrie droite-gauche est initiée très tôt au cours du développement. Elle se caractérise par un ensemble de molécules qui se régulent les unes et les autres (par des processus d'activation et d'inhibition) dans l'espace et dans le temps. La principale particularité de ces molécules est qu'elles sont exprimées de manière asymétrique dans la partie droite et la partie gauche de l'embryon.

Mais même si on constate l'expression asymétrique de molécules très tôt au cours du développement (ex: Shh) on ne sait pas quel est l'événement initial qui casse la symétrie de l'embryon. Deuxième approche: aussi gène candidat, mais en partant d'une maladie connue dans laquelle on découvre un (ou plusieurs) gènes mutés. D'autres observations et expériences dirigeaient l'attention des chercheurs dans une toute autre direction. Un premier lien entre l'asymétrie droite gauche et les cils/flagelles a été mise en évidence par l'observation d'un syndrome humain, le syndrome de Kartagener (1985) chez qui le situs inversus est accompagné de plusieurs autres problèmes: sinusite chronique, otites, bronchites, infertilité, càd des tissus ciliés ou flagellés. Chez ces patients, il a été mis en évidence qu'une dynéine était mutée chez ces patients. L’analyse d’un mutant souris (inversus viscerum -iv- où 50% sont normaux et 50% inversés) apporte un soutient fort à cette hypothèse, puisque la molécule responsable de cette mutation est un type particulier de dynéine (exprimé dans certaines cellules ciliées, appelée left-right dynein, LRD) et qui fait partie de la machinerie moléculaire permettant le mouvement des cils (1997). Pour ceux qui comprennent l'anglais animations sur les dynéines https://youtu.be/X_tYrnv_o6A D’autres mutants souris de kinésine présentent le même genre de phénotype (1998). La Dynéine et la Kinésine sont des protéines "moteurs" qui utilisent l'énergie provenant de l'hydrolyse de l'ATP pour se déplacer le long des microtubules.

Chez le mutant de souris Kif3b-/- (mutant kinésine), 50% des souris présentent un repliement du coeur inversé. Le mutant est létal, donc on ne peut pas regarder leur situs plus tard au cours du développement. Bien que la présence de cils dans le Nœud et les mutations indiquaient les cils pourraient générer un courant (flux nodal) dans la région du Nœud, il restait encore à le prouver. Des expériences élégantes ont montré que la perturbation mécanique du flux entraîne une inversion de polarité DG de l'embryon.

Comment est-ce que des cils qui tournent peuvent créer un courant directionnel? Il faut qu'ils soient tous orientés dans un même sens. On a pu monter en effet que les cils battent de manière légèrement décalée par rapport à leur "racine". On pense que ce léger décalage est suffisant pour créer un flux de droite vers la gauche du noeud. Qu'est-ce que ce flux transporte? Les avis divergent. Soit des molécules signalantes (FGF?) en suspension, soit des molécules dans des vésicules, soit rien du tout et le signal est juste la stimulation mécanique (flux de calcium) de cellules sur la droite du noeud.

Nodal Flow and the Generation of Left-Right Asymmetry: Nobutaka Hirokawa et al. Cell 125, April 7, 2006...