CM9_Chapitre 7 : Les gènes homéotiques PDF

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Les gènes homéotiques : Particularités et universalité d’une famille de facteurs de trancription

 Concept clé : les facteurs de transcription déterminent beaucoup de choses dans le développement. Ce sont des gènes qu’on qualifie d’« architecte » ou de « maitre ». Et les gènes homéotiques sont probablement la famille la plus célèbre parmi les facteurs de transcription du développement Nous allons voir 4 particularités principales : 1. Homéose : comment ces gènes ont été découvert et sur quels processus biologiques ils agissent 2. Structures des gènes et des protéines homéotiques 3. Expression 4. Régulation 5. Pléiotropie : ces gènes homéotiques ont bien d’autres fonctions que celles connues

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Problème morphogénétique originel : problème de la Métamérisation (ou segmentation) Métamérisation de la partie antérieur du cerveau jusqu’à la queue = métamérisation du système nerveux (encéphale) et métamérisation somitique qui apparaît. De nombreux animaux sont métamérisés

C’est-à-dire qu’on peut voir comme sur l’embryon un ensemble de structures répétées. Cette répétition peut être plus ou moins complètes = chaque élément se ressemble beaucoup ou pas (homonome ou hétéronome). Et c’est toujours selon l’axe antéro-postérieur : Métamérisation = problème de morphogenèse globale de l’animal et de son organisation. Donc il doit y avoir au cours du développement le dépôt dans les territoires embryonnaires d’une information de position. Autrement dit, comme on observe qu’il y a une organisation antéropostérieur du corps, cela veut dire que chaque région de l’embryon (qui n’est pas encore constitué en différentes parties) doit avoir reçu l’information de position pour mettre en place des compartiments impliquant qu’il n’y a pas d’échange de cellules avec les compartiments voisins = restriction clonale. Et ce sont ces compartiments qui vont donner les métamères ou segments. Comme on observe la plupart du temps que la répétition n’est pas identique, ça signifie que chaque compartiment/chaque métamère va avoir une identité qui lui est propre.  Le problème morphogénétique c’est l’organisation A/P de segment qui doit impliquer l’existence d’une information de position, de compartimentation et l’acquisition d’une identité

Quasiment tous les chordés sont métamérisés + les arthropodes/insectes (métamérisation hétéronome = répétition pas vraiment identique des métamères) + les annélides (métamérisation homonome = segmentation très répétée des métamères sur une grand partie du corps)  Il existe plusieurs types de métamérisation sur le plan morphologique. Donc la question reste ouverte aujourd’hui : l’ancêtre de ces animaux = des bilatériens, appelé Urbilateria, était-il métamériser ou non ? On ne sait toujours pas si cet ancêtre était déjà métamérisé, ce qui impliquerait que tous les bilatériens auraient une métamérisation ancestrale avec des dérivés : certains la perde et d’autres la transforme. Ou bien on aurait plusieurs métamérisations apparues indépendamment. - Ce qui est sûr c’est que si on veut être certain de l’origine de la métamérisation (si elle est unique ou multiple), on a besoin de comprendre les bases génétiques de celle-ci. Puisque les gènes qui pourraient être responsables de ce processus sont transmis au cours de l’évolution.  Question génétique : quels sont les gènes de la métamérisation ? Drosophile : c’est là que tout c’est passé il y a quelques décennies On doit chercher des gènes qui ont une expression A/P particulière, de manière à pouvoir transmettre l’information de position. Ces gènes détermineraient des territoires des compartiments. Et d’éventuelles mutations venant perturber ces territoires : soit des segments vont disparaitre, soit vont rester mais être modifiés ou bien des segments vont changer d’identité. 1- Réponse apparue en premier : c’est celle concernant l’identité des métamères  Découverte fin 19e s (avant la création de la génétique), on repère des « monstres » héréditaires dans lesquels une partie du corps est transformée en une autre  Transformation héréditaire d’un organe en un autre = appelé Homéose

Particularité n°1 vue dans ce chapitre :

Les gènes homéotiques ont été découverts « grâce » à des mutations. - Mutations homéotiques = remplacement d’une structure par une autre (mais pas tj le cas) En général, les mutations sur les gènes du développement entrainent une perte ou une malformation d’une structure. Les homéoses ont été le point d’entrée pour comprendre la métamérisation et pour découvrir les gènes homéotiques.

2. Structures  Qu’est-ce que sont les gènes homéotiques ? Comment fonctionnent-ils ? Qui sont-ils ? Et où sont-ils dans le génome ? Donc on va voir 2 types de structures : la structure des gènes dans le génome et la structure d’une partie des protéines. Les gènes Hox sont organisés en complexe = groupes de gènes qui sont liés génétiquement et physiquement (= sur le même chromosome). Synthénie = conservation de l’organisation des gènes dans un génome Au cours de l’Histoire, on s’est rendu compte que ce complexe Hox est apparu avant l’origine des Bilatériens. Et on a découvert que les Cnidaires ont 3 gènes Hox mais très dérivés. Et ensuite, il y a eu toute une série de duplication qui ont abouti à Ubilatéria (ancêtre des bilatériens) dont on suppose avec les analyses actuels, qu’il avait 1 seul complexe contenant un nombre de gène assez restreint mais tout de même important (entre 8 et 11). Ensuite au cours de l’évolution, il y a eu un certain nombre de duplication génomique dans certaines lignées (comme chez les vertébrés) A l’heure actuelle chez les animaux Bilatériens, il y a en général une 10aine de gènes par complexe et le nombre de complexe pouvant varier. Duplications génomiques : Chez lez vertébrés (mammifères ou poissons), il y a eu 2 tours de duplication génomique au cours de l’Histoire (même un 3e tour chez les poissons). Ce qui explique le fait que chez tous les non vertébrés, le complexe Hox est en général unique (1 seul complexe). Alors que chez les mammifères, il y a 4 complexes Hox (car 2 tours de duplication complet du génome), et chez les poissons il y en a jusqu’à 7 donc il y a une des copies qui a disparu (ou 8 s’il y a eu 3 tours de duplication).  La synthénie est conservée  On a toujours des complexes contenant entre 8 et 12/13 gènes  Par contre, on voit qu’il y a pu avoir des pertes secondaires et des transformations (Au sein de la famille Hox, les gènes sont globalement bien conservés avec quelques exceptions comme Hox3 ou ftz)

Evolution du gène Hox_ Drosophile : - Structure des gènes Hox organisés en complexe : Chez la drosophile (tout est venu de là), il y a 8 gènes Hox. Car au sein de ce complexe, certains gènes homéotiques ont perdu leur fonction homéotique. Donc ils sont toujours là dans le complexe, mais ils ne jouent plus de rôle homéotique. Il y en a 4 comme ça. Exemple : bicoid (bcd) qui est un Hox3. Bien qu’il soit dans le complexe, il n’a pas de fonction homéotique mais a des fonctions ailleurs. Il y a aussi des duplications secondaires. Et chose particulière chez la drosophile : le complexe a été séparé en 2 -> Antp et bx = petits accidents de l’Histoire évolutive. - Structure des protéines : Rappel : les Hox sont des facteurs de transcription = ce sont soit des activateurs soit des répresseurs qui reconnaissent des séquences sites particulières grâce à un domaine de fixation à l’ADN (=DBD). Chez les Hox, ce domaine protéique qui reconnaît l’ADN s’appelle l’homéodomaine.  Donc ce sont des facteurs de transcription qui reconnaissent des séquences régulatrices et qui sont aussi capables d’entrer en relation avec d’autres régulateurs (des co-activateurs ou co-répresseurs) qui agissent directement sur la transcription des gènes cibles. Ces protéines Hox ont 1 domaine très conservé et qui est connu qui est l’homéodomaine, juste avant il y a une petite série de 6AA et le reste de la protéine n’est pas connu sur le plan structural. Mais on sait qu’il y a surement certaines régions capables d’interagir avec des régulateurs de la transcription. L’homéodomaine : il est toujours composé de 60 AA qui forment 3 hélices alpha (famille Helix-TurnHelix HTH). L’homéodomaine, c’est le nom qu’on donne à la partie protéique. Au niveau ADN, c’est ce qu’on appelle l’homéoboîte ou homéobox. Ce domaine protéine capable de reconnaître l’ADN (= homéodomaine) est un domaine qu’on retrouve chez quasi tous les eucaryotes (animaux, plantes, fungi…), il n’est pas spécifique aux gènes homéotiques. Il peut être associé à d’autres domaines dans diverses protéines.  C’est juste un petit module de 60 AA capable de reconnaître une séquence précise et qui est retrouvé dans de très nombreuses protéines ATTENTION : les homédomaines ont été découverts dans les gènes homéotiques. Mais ensuite, à partir de ce domaine là et surtout de l’homéobox, on a découvert qu’elle était présente dans pleins d’autres facteurs de transcription. Et donc cet homéodomaine peut être associé à d’autres domaines. Donc il y a une immense famille appelée la famille des protéines à homéodomaine, qui n’est pas à confondre avec la famille des gènes homéotiques. Les gènes homéotiques sont définis par des mutations et un rôle développemental très précis en particulier dans la métamérisation.  Toutes les protéines à homéodomaine ne sont pas des Hox ! Mais tous les Hox ont un HD

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[Cofacteurs Hox : intéragissent avec les Hox, qui ont un homéodomaines mais aussi d’autres domaines qui leur sont propres.] L’homéodomaine, qui permet la reconnaissance de l’ADN a un site cœur de reconnaissance très simple : ATTA. Ce qui veut dire que ce site là, il y en a énormément dans un génome. Comment ces gènes peuvent-ils avoir des effets si spécifiques alors que leur site est aussi simple et donc très répété ?  Dans ce 2e chapitre concernant la structure du complexe et de la protéine : on a vu que tous les facteurs de transcription fonctionnent à peu près de la même manière. Mais que les Hox étaient organisés sous forme de complexe.

3. Expression  Important car on a vu que l’information de position nous amenait à penser que ces gènes devaient avoir une expression A/P particulière. Colinéarité : On observe une corrélation entre l’ordre des gènes sur le chromosome et l’ordre d’expression des gènes selon l’axe A/P dans l’embryon. C’est une propriété curieuse et non explicable pour l’instant.  Ces gènes ont une expression différentielle A/P partiellement chevauchante Code Hox : détermination de l’information de position : Chaque territoire embryonnaire va être défini par une combinaison de Hox spécifique. C’est cette combinaison qu’on appelle le « code Hox » qui détermine l’information de position.  Chaque région a une information qui dépend de l’expression différentielle selon l’axe A/P entre les gènes homéotiques, mais une expression qui est aussi partiellement chevauchante  Donc l’information de position, une fois qu’elle est donnée à un territoire, va lui permettre de différencier son identité et donc le thorax ne sera pas la même chose que l’abdomen Pour aller plus loin dans l’analyse génétique de cette information de position, il faut savoir que les territoires ou compartiments qui sont mis en place sont décalés par rapport au segment ou métamère qu’on observera à la fin de la différenciation. Donc la métamérisation met en place des métamères ou segments, mais en fait au cours du développement, les unités qui comptent sont des compartiments qui sont en décalage. La métamérisation chez la drosophile = métamérisation de l’épiderme qui va former l’exosquelette (comme chez tous les Arthropodes). Il y a 14 compartiments qu’on appelle des parasegments (car ils sont décalés par rapport au segment). Ils sont sur le plan embryologique, les territoires présomptifs des futurs segments/métamères. Mais il y a un décalage : 1 segment est composé de 2 hémi-parasegments.

 Dans l’embryogenèse précoce, les territoires qui sont mis en place (appelés compartiments) avec restriction clonale (= une fois qu’il y a les frontières les cellules ne bougent plus) sont en décalage par rapport aux structures anatomiques terminales qu’on observe.

Ces gènes Hox ont toujours un effet répresseur sur les gènes qui sont exprimés plus antérieurement : B réprime A et A réprime Ubtx… Donc si on enlève tous ces répresseurs de gènes Hox antérieurs, ça veut dire que tous les segments vont acquérir l’identité qui est déterminée par les gènes Hox qui sont avant (au parasegment 4). Et donc c’est comme ça qu’on observe des larves extrêmement modifiées (peut être mortel) et qui ont toute une identité de type parasegment 4 (va ressembler à segment T2). C’est ça la grande surprise de l’homéose : c’est qu’on peut se dire que si on enlève tout ça, on n’a pas la détermination et du coup on va s’arrêter là et on va avoir un tout petit embryon avec parasegments 3 et 4. Et bien non !  Les autres parasegments sont formés mais ils n’ont pas la bonne identité. Ce qui veut dire que les gènes Hox arrivent en fin de segmentation. Il y a déjà eu répartition des métamères et l’identité c’est Hox qui la donne à la fin. Si on enlève juste Ubx mais qu’on garde A et B, on voit que tous les parasegments 7 à 14 vont avoir une identité correcte. Ce sont les parasegments 5 et 6 qui seront pas bons et qui seront transformés en parasegment 4 (donc on va avoir tu T2…).  Les parasegments sont des compartiments avec des frontières qui ont été mis en place par d’autres gènes.  Cette règle de colinéarité est relativement universelle chez les Bilatériens. Mais il y a des exceptions. Pour la suite, on va se concentrer sur les arthropodes et les vertébrés. Là c’est conservé. Les vertébrés ont des vertèbres cervicales, thoraciques, lombaires… Comme les segments chez la drosophile qui sont déterminés par deux hémi parasegments, une vertèbre est formée à partir de deux hémi-somites adjacents. [Il y a beaucoup plus de complexe de gènes Hox (a, b, c, d).] L’expression est partiellement chevauchante avec une répression des gènes entre eux = les gènes les plus postérieurs répriment les gènes les plus antérieurs. Le thorax = vertèbres qui vont faire des côtes. Donc elles ont une identité bien particulière. Si on mute le gène HoxC8 (inactive son expression) : les 1ères vertèbres lombaires vont avoir une identité de vertèbres thoraciques et on va voir apparaître des vertèbres lombaires avec des côtes, ce qui est anormal  On a exactement la même logique d’homéose chez les insectes et chez les vertébrés.

 Donc dans ce chapitre, on a vu la 3e particularité des gènes Hox : c’est le phénomène de colinéarité = relation entre l’organisation des gènes sur le complexe dans le génome et leur mode d’expression et de fonction dans l’embryon. Cette colinéarité reste encore un mystère et on n’est pas capable de l’expliquer convenablement.

4. Régulation  4 niveaux de régulation des Hox : La régulation des Hox est relativement universelle : sur le principe, tous les gènes sont soumis à la même chose : 1- Régulation précoce (initiation de l’expression) 2- Régulation tardive (maintien de l’expression initiée ou pas) 3- Co-régulation (protéines qui vont co-réguler les Hox…) 4- Régulation aval (… pour agir sur des gènes cibles)

Définition progressive des compartiments : L’initiation des gènes Hox a été découverte plus tard. 1- Régulation précoce des gènes zygotiques : Les gènes Gap (G), pair-rule (PR) et polarité segmentaire (PS) qui agissent dans cet ordre temporel, définissent des compartiments de plus en plus précis : au départ, on a des gradients de grandes régions puis 1 territoire sur 2, et enfin chacun des 14 compartiments est déterminé. Donc quand on arrive à ce stade qui arrive environ au milieu de l’embryogenèse chez la drosophile, on a les 14 compartiments ou parasegments qui sont mis en place avec des frontières clonales. Et cela a été mis en place par toute cette série d’activation de gènes qui sont pour la plupart d’entre eux des facteurs de transcription et des facteurs de croissance. Donc ça c’est une cascade génétique qui aboutit à la mise en place des compartiments qui ensuite acquièrent leur identité grâce aux gènes homéotiques (gènes homéotiques donnent leur identité aux segments). Ces gènes homéotiques sont directement régulés par les gènes qui les précèdent.  Il y a toute une combinatoire pour chacun des gènes homéotiques qui va dépendre de cette régulation des gènes de segmentation. Changement de régulation Hox et évolution des serpents (vertébrés) : Les serpents ont une quantité de côtes considérable.  Est-ce que toutes les vertèbres des serpents seraient des vertèbres transformées par mutation homéotique ? Ceci peut être vérifié en regardant l’expression des gènes Hox chez les serpents et là on constate effectivement qu’un certain nombre de gènes Hox sont exprimés différemment = expression beaucoup plus étendue.

Or, si la combinatoire de ces 3 Hox déterminant les vertèbres thoraciques (côtes) est plus étendue, cela signifie qu’il va y avoir beaucoup plus de territoires embryonnaires qui vont avoir une identité thoracique, et donc des vertèbres avec des côtes.  Voilà pourquoi les Hox fascinent : un certain nombre de mutations simples dans l’expression des gènes Hox font acquérir un domaine d’expression différent. Exemple ici des serpents avec une extension de la région postérieur. Cela induit du coup une homéose et des vertèbres lombaires sont transformées en vertèbres thoraciques avec des côtes.  Ces mutations ont probablement eu un rôle adaptatif important dans le mode de locomotion de ces vertébrés. Autre modification induite par les gènes Hox : les serpents sont issus de reptiles avec des pattes = perte des membres chez les serpents Maintien de la régulation des Hox Autre aspect de la régulation : on vient de voir que l’initiation est différente chez les insectes et les vertébrés. Une fois que cette expression a été initiée = que le gène Hox a été activé ou réprimé (selon le territoire où il est), il va falloir maintenir cette information de position au cours du développement.  Intervention de complexes protéiques qui sont des modifications de la chromatine : il y a 2 types de protéines : 1 – protéines du groupe TRX : ont un effet positif sur le maintien de l’activation des gènes Hox. Ce complexe de pleins de protéines du groupe TRX vient se fixer sur les promoteurs des gènes Hox qui ont été initiés et va maintenir son activation pendant un certain temps. 2- Les protéines de la chromatine du groupe PC vont avoir un effet antagoniste : il y 2 complexes qui vont eux maintenir l’état répresseur  Important d’avoir ces deux catégories là car ça veut dire qu’on va pouvoir maintenir une mémorisation épigénétique de l’information de position. Car mettre en place des métamères et leur conférer une identité prend du temps au cours de l’embryologie, donc on a besoin que l’initiation ou la répression soit maintenue ou levée au cours du temps. Et ça c’est fait par des modificateurs de la chromatine.  Mémorisation épigénétique de l’information de position

Corégulation et spécificité fixation ADN : 4e et dernier aspect de la régulation : c’est celui de la corégulation. Les gènes homéotiques/protéines homéotiques, comme tous les facteurs de transcription, ont besoin de corégulateurs. Et il se trouve que comme le site de reconnaissance des homéodomaines est très simple (TAAT). Donc comment peuvent-ils avoir une régulation aussi spécifique avec un signal qui l’est aussi peu ? La solution vient de 2 groupes de protéines : chez la drosophile c’est - la protéine extradenticle EXD ou protéine PBC chez les vertébrés - la protéine Homothorax HTH ou protéine MEIS chez les vertébrés

Ce sont des protéines qui contiennent aussi un homéodomaine, différent de celui des gènes Hox + d’autres domaines. C’est la combinatoire assez complexe entre ces 2 protéines et les différents Hox qui va permettre d’avoir une reconnaissance d’un site beaucoup plus spécifique et beaucoup plus large. Donc sans ces partenaires, les Hox sont incapables de se fixer sur leur gènes cibles de manière spécifique car ils peuvent reconnaître pleins de choses.  L’homéodomaine n’est pas suffisant et c’est là que le petit hexapeptide qui est juste avant...