Chapitre 1: Introduction
1.8 Étapes majeures du développement embryonnaire précoce chez la souris
1.8.2 ZGA: L'activation du génome zygotique
Le développement embryonnaire précoce chez la souris est marqué par plusieurs transitions majeures. Des analyses de transcriptomes révèlent que ces changements majeurs sont accompagnés d'une variation dans d'expression des gènes (Hamatani et al., 2004; Wang et al., 2004; Zeng et al., 2004).
Ces variations dans l'expression des gènes de l'embryon révèlent probablement une préparation de l'embryon à établir une pluripotence pour l'établissement des différenciations cellulaires à venir, en plus de l'acquisition de protéines nécessaires à son développement.
La première transition qui commence au stade 1-cellule est le passage de l'ovocyte maternelle au zygote (Figure 1.30). Cette étape est constituée de la destruction d'une partie des ARN maternels (Bachvarova and Moy, 1985; Paynton et al., 1988; Piko and Clegg, 1982), de leur remplacement, ainsi que de la génération de nouveaux transcrits à partir du génome zygotique (Hamatani et al., 2004; Latham et al., 1991; Wang et al., 2004; Zeng et al., 2004). Il a été rapporté que la dégradation des ARNm maternels pourrait atteindre jusqu'environ 90% pour certains ARNm lors du stade 2-cellules (Paynton et al., 1988; Schultz, 1993).
Il est communément admis que l'activation du génome zygotique (Zygotic Genome Activation, ZGA) chez la souris débute lors d'une phase mineure d'activation du génome à la phase S/G2 du premier cycle cellulaire, majoritairement à partir du pronoyau mâle, puis dans une phase majeure d'activation du génome lors de la même phase du cycle cellulaire au stade 2-cellules (Figure 1.31) (Aoki et al., 1997; Bouniol et al., 1995; Nothias et al., 1996). Les analyses du protéome et du transcriptome embryonnaire ont révélé que le passage au stade 2-cellules, moment où débuterait la traduction zygotique (Nothias et al., 1995), marque des changements majeurs du profil de la synthèse protéique (Latham et al., 1991) et de la transcription (Hamatani et al., 2004; Zeng et al., 2004).
L'utilisation d'inhibiteurs de la transcription dans des embryons aux stades 1- et 2-cellules a permis d'identifier le moment de la transition de la dépendance des gènes maternels aux gènes zygotiques (Golbus et al., 1973; Warner and Versteegh, 1974). En effet, le traitement des embryons au stade 1- cellule avec de l'α-amanitine, qui est un inhibiteur de l'ARN polymérase II, n'a pas empêché le passage au stade 2-cellules des embryons. Mais lorsque des embryons au stade 2-cellules ont été traités avec le même inhibiteur, ceci a eu pour effet d'empêcher la progression au stade 4-cellules. Ce qui suggère que la progression du stade 1-cellules au stade 2-cellules n'est pas dépendante des ARN zygotiques nouvellement synthétisés, contrairement à la progression du stade 2-cellules au stade 4-cellules. Il a initialement été pensé que la transcription débutait au stade 2-cellules (Sawicki et al., 1981; Szollosi and Yotsuyanagi, 1985; Taylor and Piko, 1987). Cependant, la détection de la synthèse ARN par mesure d'incorporation au 5-Bromouridine-5'-triphosphate (BrUTP) (Aoki et al., 1997; Bouniol et al., 1995) ou la mesure d'expression du gène rapporteur de la luciférase dans des embryons de souris (Nothias et al., 1996) ont permis de démontrer que la transcription zygotique débutait lors du stade 1- cellule. L'injection de plasmides contenant le gène rapporteur Chloramphenicol Acetyl Transferase
(CAT) sous le contrôle des promoteurs des gènes d'ARNr ainsi que le gène ARN Viral Associated 1 (VA1) de l'adénovirus transcrit par l'ARN polymérase III a permis de mettre en évidence que la transcription par les ARN polymérases I et III débutait également au stade 1-cellule (Nothias et al., 1996). Cependant, une seconde étude (Zatsepina et al., 2003) qui sera discutée plus loin (section
1.8.3.2) a suggéré plus tard que la transcription par l'ARN polymérase I ne débutait que lors du stade 2-
cellules. L'activation du génome zygotique murin se passe relativement précocement si l'on compare la situation avec l'activation du génome zygotique chez le Xénope, chez le poisson-zèbre ou chez la drosophile. En effet, les embryons de Xénope, de poisson-zèbre et de drosophile subissent respectivement 13, 10 et 14 divisions cellulaires avant l'activation majeure de leur propre génome (Figure 1.31).
La deuxième transition majeure se passe durant la phase de compaction de l'embryon. Les blastomères distincts du stade 8-cellules se compactent pour ne plus laisser apparaître la démarcation entre les blastomères (Kaufman et Bard, 1999; Gilbert, 2003). Ce processus s’effectue par des contacts cellule-cellule entre les différents blastomères après la formation de jonctions serrées et communicantes (Cockburn and Rossant, 2010; Fleming et al., 1989; Vestweber et al., 1987). Les blastomères acquièrent les caractéristiques d'une cellule somatique comme le transport d'ions et le métabolisme. Il a été révélé que ces modifications résultent d'un changement dans l'expression des gènes (Hamatani et al., 2004; Wang et al., 2004; Zeng et al., 2004).
La dernière étape transitionnelle est la formation du blastocyste avec la différenciation donnant naissance à deux types cellulaires, les cellules de l'ICM et du TE (Yamanaka et al., 2006). Elle est caractérisée par une expression de facteurs spécifiques à chaque type cellulaire. L’expression des gènes qui codent pour le facteur de transcription Oct4, qui est nécessaire au maintien de la totipotence des cellules de l’ICM (Nichols et al., 1998) ainsi que pour Fgf4 (Niswander and Martin, 1992), est strictement réservée aux cellules de l’ICM. Les gènes qui codent pour Cdx2 (Beck et al., 1995), qui est une protéine décrite comme étant nécessaires à la différenciation des cellules du TE (Strumpf et al., 2005), ainsi que les gènes qui codent pour Bex1 (Williams et al., 2002), sont strictement exprimés au TE.
Figure 1.30: Comparaison de la transition maternelle-zygotique chez plusieurs organismes. Les stades embryonnaires importants sont représentés pour chaque modèle en plus du cycle de division et du temps après fécondation. La courbe rouge représente le profil de dégradation des transcrits maternaux au cours du développement. Les courbes bleu clair et bleu foncé représentent, respectivement, les phases mineures et majeures de l’activation du génome zygotique. Le dernier stade indiqué représente le stade caractérisé par une dépendance majeure des transcrits zygotiques. Extrait de (Tadros and Lipshitz, 2009).