3.2.1 Les dents sont des organes sériels dont l’identité est définie par un code ho-méotique

3.2.1.1 Les dents sont des organes sériels

La dentition est composée de structures répétées : les dents. Ainsi, la dentition peut être décrite comme un organe segmenté où chaque dents sont des homologues sériels. Du point de vue des processus développementaux, la dent peut être vue comme un module [Stock, 2001]. Ainsi le module “dent” et les réseaux génétiques associés à ce module vont être (ré)utilisés à chaque fois qu’une dent de la dentition sera mise en place [Jernvall & Thesleff, 2000, 2012]. Cependant, la place de chaque dent dans la mâchoire est spécifique, ainsi chaque module sera initié avec des paramètres différents, dépendant de “l’environnement de la mâchoire”, c’est-à-dire sa place dans la mâchoire, la présence d’autres structures dans le voisinage, et procédera de manière spécifique à son “environnement” (voir ci-dessous le paragraphe sur l’identité des dents et le code homéotique). De la sorte, bien qu’ils partagent une homologie “identité dent”, les modules dent de la dentition seront partiellement découplés les uns des autres et suivront une évolu-tion relativement indépendante, avec la contrainte forte d’aboutir à la fin du développement à 40

une dentition fonctionnelle, au sein de la mâchoire et entre mâchoire supérieure et mâchoire inférieure (occlusion). Cette propriété va donc pouvoir impacter l’évolution du programme développemental des dents. Les réseaux de gènes qui mettent en place les cuspides au sein d’une dent sont communs [Keränen et al. , 1998; Jernvall & Thesleff, 2000], on peut alors parler d’un module “cuspide” qui est réutilisé pendant la morphogenèse de la couronne lors du développe-ment séquentiel des cuspides. Ainsi, les cuspides d’une même dent peuvent être considérées comme des homologues sériels.

3.2.1.2 Identité des dents et code homéotique

La mâchoire n’exprime pas de gènes Hox, mais elle exprime des gènes à homéoboite, tels les Dlx, Msx, Lhx, qui vont spécifier l’identité de la mâchoire inférieure (mandibule) et supérieure (maxil-laire). Par exemple, les gènes Dlx5/6 sont nécessaires pour spécifier l’identité de la mâchoire inférieure, s’ils ne sont pas présents, la mâchoire inférieure se développe avec une identité de mâchoire supérieure [Depew, 2002; Beverdam et al. , 2002]. Plus d’information sur le développe-ment craniofacial sont accessibles dans la revue de Minoux & Rijli [2010]. L’identité des dents composant la dentition est définie en ré-utilisant ces gènes à homéoboite. La co-expression spécifique de certains de ces gènes va permettre de régionaliser la mâchoire et de définir des dents avec des identités différentes, c’est ce que l’on appelle le code homéotique odontogénique (revue dans McCollum & Sharpe [2001]; Tucker & Sharpe [2004]; Catón & Tucker [2009]). Par exemple, le gène à homéoboite Barx1, exprimé dans le mésenchyme à ED10 chez la souris, est responsable de l’identité spécifique des molaires [Tucker, 1998; Miletich et al. , 2005]. Les Dlx sont aussi essentiels pour spécifier l’identité des molaires. Si Dlx1 et Dlx2 sont mutés en même temps chez la souris, alors la molaire supérieure ne se développera pas (arrêt au stade placode), alors que les incisives et la molaire inférieure se développent normalement [Thomas et al. , 1997]. Le développement normal de la molaire inférieure est probablement possible en raison de la compensation par d’autres membres de la famille Dlx (comme Dlx5/6) qui sont exprimés dans la mâchoire inférieure, mais pas dans la mâchoire supérieure [Qiu et al. , 1997; Thomas et al. , 1997].

3.2.2 Généralités sur le développement de la molaire de souris

La dent est un appendice ectodermique comme les plumes, les ongles/griffes, les glandes mam-maires, les poils [Pispa & Thesleff, 2003]. Le programme de développement de la dent partage d’ailleurs de nombreuses voies de signalisation ainsi que de nombreux processus de morphoge-nèse avec les autres appendices ectodermiques . Notamment l’initiation de la morphogemorphoge-nèse qui passe par un stade placode où il y a un épaississement de l’épithélium, ainsi que le dialogue constant entre l’épithélium et le mésenchyme tout au long du développement. La souris possède une dentition assez simple, ainsi sur chaque quadrant de mâchoire on retrouve une incisive à croissance continue, ainsi que trois molaires. Le diastème, qui est un espace sans dent de la

Chapitre 3. Le modèle dent

La première molaire de souris est un modèle majeur du développement des dents et son dévelop-pement est relativement bien compris, comme le montrent les revues de Tucker & Sharpe [2004]; Jernvall & Thesleff [2012]. Le développement de la dent est extrêmement dynamique et implique un dialogue constant entre le l’écto-mésenchyme dérivé des cellules des crêtes neurales (que j’appellerai simplement mésenchyme pour le reste de ce manuscrit), et l’épithélium. Le potentiel inducteur dentaire bascule entre l’épithélium et le mésenchyme tout au long du développement de la molaire [Bei et al. , 2000]. Le signal d’initiation de développement du bourgeon dentaire, qui a lieu à 10 jours de développement (Embryonic Day 10 ou ED10) est porté par l’épithélium [Mina & Kollar, 1987], il permet l’induction du mésenchyme et la formation de la placode épithéliale [Jussila & Thesleff, 2012]. Cette placode est le premier signe morphologique du développement du bourgeon dentaire, elle apparait à ED11.5. À ED12, le potentiel odontogénique bascule dans le mésenchyme [Mina & Kollar, 1987; Jussila & Thesleff, 2012]. À ED13.5, l’épithélium s’invagine dans le mésenchyme sous-jacent pour former le stade “bourgeon” (ou bud) et le mésenchyme se condense autour de ce bourgeon épithélial. Une demie journée plus tard, à ED14.0, se forme le nœud d’émail primaire (PEK, primary Enamel Knot) [Jernvall et al. , 1994, 1998], qui est un centre de signalisation transitoire mis en place au niveau de l’épithélium. Le PEK favoriserait la proli-fération de l’épithélium qui serait contraint de s’enrouler autour du mésenchyme sous-jacent, formant ainsi la couronne de la dent. Je reviendrai sur le devenir du pEK dans ma partie résultats dans le chapitre 10. Après la mise en place de ce PEK, débute la morphogenèse de la couronne avec la formation séquentielle des cuspides, c’est cette période du développement qui a été étudiée dans ce manuscrit. À partir du stade “coiffe” tardif (cap stage), autour de ED14.5-ED15, le nœud d’émail primaire (PEK) est remplacé par des nœuds d’émail secondaires (SEKs, secondary Enamel Knots) qui se forment de façon séquentielle au sein de la couronne (illustré figure 3.5). Les sEKs, contrôlent la deuxième phase de prolifération et d’invagination de l’épithélium dans le mésenchyme dentaire condensé et sont les centres de signalisation responsables de la formation des cuspides. Au stade ED18.5, les cellules à l’interface entre l’épithélium et le mésenchyme (IEE, inner enamel epithelium) commencent à se différencier en cellules sécrétrices de dentine ou d’émail fixant ainsi la forme adoptée par le mésenchyme (et induite par les sEK) ou cours la morphogenèse de la couronne. Enfin, les racines se forment plus tardivement, au moment où la dent érupte.

3.2.3 Le nœud d’émail : centre de signalisation responsable de la formation des cuspides

Le nœud d’émail, ou enamel knot (EK) est un centre de signalisation épithélial composé d’un groupe compact de cellules épithéliales qui ne se divisent plus [Jernvall et al. , 1994]. Le nœud d’émail primaire ou PEK (primary enamel knot) se met en place au sommet du bourgeon au stade ED14 (figure 3.5). La formation du PEK au sommet du bourgeon marque le site d’initiation du repliement de l’épithélium autour du mésenchyme sous-jacent qui se condense. Les cellules du nœud d’émail ne prolifèrent pas alors que la croissance de l’épithélium adjacent est stimulée,

FIGURE3.5 – Développement de la première molaire de souris.

Représentation schématique du développement de la première molaire de souris. À 11 jours de développement (ED11), épaississement de l’épithélium. À ED13.5, le stade bourgeon marque l’in-vagination de l’épithélium dans le mésenchyme condensé sous-jacent. Au sommet du bourgeon en formation, le pEK (nœud d’émail primaire), qui est un centre de signalisation, se forme. À partir du stade “coiffe” (ED14.5) et jusqu’au stade cloche (ED16.5-ED18), formation séquentielle des sEKs qui sont les centres de signalisation responsables du développement des cuspides. sEK : nœud d’émail secondaire.

ce qui entraîne la formation de boucles cervicales entourant le mésenchyme (figure 3.7). L’arrêt de la prolifération des cellules composant le nœud d’émail (enamel knot ou EK) est causée par l’expression de l’inhibiteur de kinase cycline-dépendant p21 (Cdkn1) qui est induit par l’expression de Bmp4 dans le mésenchyme sous-jacent [Jernvall et al. , 1998] au stade ED14. À partir du stade ED14.5, Bmp4 et Shh sont aussi retrouvés exprimés dans le nœud d’émail [Åberg et al. , 1997; Jernvall et al. , 1998; Vaahtokari et al. , 1996]. Si le PEK ne se forme pas le germe ne peut pas effectuer sa transition au stade coiffe, qui est morphologiquement caractérisé par le début de la croissance des boucles cervicales. Ainsi, la mise en place du PEK marque le début de la cuspidogenèse. Une autre caractéristique du nœud d’émail est la présence d’apoptose [Vaahtokari et al. , 1996; Lesot et al. , 1996; Viriot et al. , 1997; Jernvall et al. , 1998; Coin et al. , 1999] qui jouerait un rôle dans la mise en place de la morphologie de la couronne. Il a été proposé que le PEK serait résorbé, au moins en partie, par apoptose avant la mise en place du premier SEK [Jernvall et al. , 1998; Matalova et al. , 2005, 2006]. Cependant, lorsque l’apoptose est inhibée, aucun défaut de morphologie à l’âge adulte n’a été observé [Coin et al. , 2000; Matalova et al. , 2006; Setkova et al. , 2007]. Matalova et al. [2006] notent néanmoins des défauts de repliement de l’épithélium au cours du développement des souris hétérozygotes et homozygotes mutantes pour le gène caspase-3.

Par la suite, des nœuds d’émail secondaires ou SEKs pour secondary enamel knots sont formés séquentiellement et se mettent en place au sommet des futurs cuspides. Ces nœuds d’émail secondaires vont stimuler la croissance des boucles épithéliales, notamment par l’expression de

Chapitre 3. Le modèle dent

plus, les SEKs vont permettre la prolifération des cellules sous-jacente ainsi que la maturation des cuspides [Thesleff et al. , 2001].

3.2.4 Un modèle in silico du développement de la dent

Salazar-Ciudad & Jernvall [2002, 2010] développent un modèle computationnel du développe-ment de la dent capable de reproduire les morphologies dentaires de plusieurs mammifères (souris, campagnol, phoque), mais aussi des morphologies ancestrales telles que la dent trico-nodonte et la molaire tribosphénique [Osborn, 1888; Butler, 1990] (voir la partie sur l’évolution des molaires (p. 38) ). Ce modèle combine des données de la littérature concernant les interac-tions génétiques et la croissance du bourgeon, pour proposer un modèle morphodynamique dans lequel la morphologie du bourgeon dentaire joue un rôle à part entière dans la mise en place du patron de cuspides. De plus, les auteurs montrent que des morphologies similaires, ici l’obtention d’une dent quadrituberculaire, peuvent être atteintes avec des paramètres différents [Salazar-Ciudad & Jernvall, 2002], ce qui sous entend d’un point de vue de l’évolution des pro-grammes de développement qu’il y a plusieurs propro-grammes développementaux qui permettent d’arriver à une morphologie finale identique.

Je ne vais pas décrire ici le support mathématique du modèle, mais ils sont disponibles dans la revue suivante : Salazar-Ciudad [2008]. Je vais simplement détailler les lignes générales du modèle. Le point de départ du modèle comprend une couche de cellules épithéliales identiques situées au dessus d’une couche de cellules mésenchymateuses identiques. Ces cellules vont répondre à deux molécules diffusibles, un activateur et un inhibiteur qui vont affecter la croissance du bourgeon de façon différentielle. Ainsi l’activateur, qui est un indicateur du nœud d’émail (EK, qui contrôle la mise en place des cuspides), va induire la différenciation cellulaire. Alors que l’inhibiteur, réprime la différenciation induite par le nœud d’émail et promeut la croissance du bourgeon. En plus des paramètres décrivant ces deux molécules (eg. vitesse de diffusion, intensité de l’inhibition, concentration des molécules) , il faut ajouter des paramètres décrivant la croissance asymétrique le long des axes antéro-postérieur et bucco-lingual.

Pour illustrer le concept de développement morphodynamique, le modèle montre que la for-mation d’un nouveau nœud d’émail au temps t + 1 dépend de la morphologie au temps t car les changements de la géométrie du tissu vont impacter la portée d’activité de l’activateur et de l’inhibiteur. Ainsi la distribution spatiale des nœuds d’émail est affectée par la forme du bour-geon dentaire et à son tour, la forme du bourbour-geon va être modifiée par la distribution spatiale des nœuds.

Cette propriété morphodynamique du développement de la dent [Salazar-Ciudad, 2012] rend plus complexe la carte génotype-phénotype que sont les liens entre les variations génétiques et les variations phénotypiques. Dans le cas du développement de la dent, il ne s’agit pas de prendre en compte uniquement l’expression (ou non) des gènes, il faut aussi prendre en compte la forme

du bourgeon dentaire qui influence la mise en en place des cuspides, elle même influencée par les cuspides présentes sur le bourgeon.

3.3 Les voies de signalisation majeures du développement de la

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