Développement tardif de l’hypothalamus prospectif: régionalisation antéro-

Suite à la spécification des précurseurs hypothalamiques mais juste avant l’apparition des premiers neurones différenciés, les voies de signalisation de WNT, BMP, SHH et NODAL jouent de nouveau un rôle dans la régionalisation antéro- postérieure et dorso-ventrale de l’hypothalamus.

2.5.1 Spécification de l’hypothalamus postérieur : rôle de WNT.

L’inhibition de la voie de signalisation des WNTs dans la partie antérieure de la plaque neurale est nécessaire pour établir la frontière entre les précurseurs hypothalamiques et les cellules du plancher neural impliquées dans l’induction des structures plus postérieures du cerveau. Toutefois, l’action des WNTs semble être également essentielle, dans un deuxième temps, au sein de l’hypothalamus pour promouvoir la régionalisation antéro-postérieure de cette structure. Par exemple, les embryons de poisson-zèbre mbl, chez qui le développement de l’hypothalamus est perturbé, retiennent quand même un sous-domaine hypothalamique caractérisé par l’expression d’Emx2, un marqueur de l’hypothalamus postérieur et par l’absence d’expression de Rx3, un marqueur de l’hypothalamus antérieur. Il semble donc que l’action de l’Axin1 soit uniquement requise pour le développement de l’hypothalamus antérieur comme démontré par la récupération de l’expression de Rx3 chez les embryons mbl transplantés avec des cellules exprimant l’Axin1 (Kapsimali, M. et al. 2004). Par ailleurs, l’expression de Wnt serait requise pour le développement de la partie postérieure de l’hypothalamus (Kapsimali, M. et al. 2004). De manière similaire, les souris mutantes pour Six3 retiennent l’expression de Nkx2.1 et de Shh uniquement dans ce qui correspond à l’hypothalamus postérieur (Lagutin, O. V. et al. 2003). La voie de signalisation des WNTs a donc, premièrement, une action sur la subdivision des cellules de la LMV en cellules hypothalamiques et en cellules du plancher neural et deuxièmement sur la régionalisation interne de l’hypothalamus favorisant le devenir postérieur des cellules qui peuplent cette structure du cerveau.

Plus spécifiquement, des études réalisées chez le poisson-zèbre ont démontré qu’une cascade de signalisation impliquant Wnt8b est requise pour la neurogenèse d’une population neuronale spécifique de l’hypothalamus postérieur (Lee, J. E. et al. 2006). WNTs8b régule, via le facteur de transcription Lef1, la transcription de Sox3 qui serait requise pour initier la neurogenèse, soit la sortie du cycle cellulaire et la différenciation neuronale des cellules de l’hypothalamus postérieur (Fig. 8). En effet, l’élimination de la fonction de Wnt8b ou Lef1 par l’injection de morpholinos chez le

poisson-zèbre provoque une perte d’expression des marqueurs proneuraux et neuronaux de l’hypothalamus postérieur sans toutefois affecter la prolifération cellulaire (Lee, J. E. et al. 2006). Par ailleurs, les profils d’expression de Wnt8b (Lako, M. et al. 1998) et Lef1 (Galceran, J. et al. 2000) sont conservés chez les mammifères. Également, la fonction de Sox3 (Rizzoti, K. et al. 2004; Solomon, N. M. et al. 2004; Woods, K. S. et al. 2005) est aussi conservée chez les mammifères et semble être également associée à la neurogenèse de l’hypothalamus postérieur ainsi qu’au bon fonctionnement du système endocrinien.

2.5.2 Spécification de l’hypothalamus antéro-dorsal : rôle de SHH.

Dans les stades précoces du développement, Shh est exprimé dans l’ensemble de l’hypothalamus prospectif défini par le profil d’expression de Nkx2.1 (Rohr, K. B. et al. 2001). Toutefois, au cours du temps l’expression de Shh tend à diminuer au sein de l’hypothalamus postéro-ventral pour ne persister que dans ce qui correspond à l’hypothalamus antéro-dorsal (Barth, K. A. and Wilson, S. W. 1995). Ce domaine d’expression antéro-dorsal de Shh semble donner naissance à des neurones contribuant aux noyaux de la région supraoptique de l’hypothalamus aussi nommé hypothalamus antérieur (Fig. 1, Puelles, L. 1995). En effet, les embryons de poisson-zèbre Smu (slow- muscle-omitted), un mutant de la voie de signalisation de Shh, présentent une expansion du domaine d’expression d’Emx2 dans ce qui correspondrait au domaine antéro-dorsal d’expression de Shh. A l’inverse, la surexpression de Shh chez des embryons de poisson-zèbre de type sauvage provoque l’absence d’expression d’Emx2 au profit de marqueurs de l’hypothalamus antérieur (Mathieu, J. et al. 2002). Shh doit donc limiter l’expansion de l’hypothalamus postéro-ventral pour permettre le développement antérieur de cette région à un stade plus tardif du développement (Fig. 8).

2.5.3 Spécification de l’hypothalamus postéro-latéral : rôle de SHH et BMP7.

L’hypothalamus postéro-latéral est occupé par des neurones dopaminergiques caractérisables au cours de leur différenciation par la coexpression transitoire de Shh et Nkx2.1 puis de Nkx2.1/Msx et de la tyrosine hydroxylase, un marqueur typique des

neurones dopaminergiques. Des expériences d’explants d’hypothalamus et de PPC ont permis de démontrer que l’induction de ces neurones est dépendante de leur position par rapport à la PPC (les cellules à proximité de la PPC tendent à se différencier en cellules tubéro-ventrales alors que les cellules plus éloignées deviennent des neurones dopaminergiques), laissant penser qu’un gradient de signalisation affecte différemment ces neurones (Ohyama, K. et al. 2005). Plus spécifiquement, l’exposition d’explants d’hypothalamus à des sources de SHH et/ou BMP7 a permis de mettre en évidence que la différenciation de ces neurones passent d’abord par l’action de Shh, qui ventralise les précurseurs, puis par l’induction, via BMP7, de caractéristiques propres aux neurones dopaminergiques de l’hypothalamus. La différenciation de ces neurones in vivo et in vitro corrèle également avec l’expression de Six3 et requiert la fonction de ce facteur de transcription (Ohyama, K. et al. 2005). En résumé, l’action combinée mais séquentielle de SHH et BMP7 permet d’induire la différenciation des progéniteurs hypothalamiques en neurones dopaminergiques hypothalamiques dans un domaine de compétence où est exprimé Six3. Au sein de ce domaine, Six3 réprime Wnt1(Lagutin, O. V. et al. 2003) et la diminution de l’activité des WNTs dans cette région de l’hypothalamus semble être propice à la différenciation de ces neurones (Fig. 8).

2.5.4 Spécification de l’hypothalamus postéro-ventral : rôle de NODAL et de BMP7.

Chez le poisson-zèbre, certains mutants pour la voie de signalisation de NODAL présentent des phénotypes moins sévères où seule la partie postérieure de l’hypothalamus est absente, laissant penser que le développement de cette région de l’hypothalamus est plus sensible à la réduction de la signalisation par NODAL (Mathieu, J. et al. 2002). A la différence des cellules qui peuplent l’hypothalamus antérieur, les cellules de l’hypothalamus postérieur semblent nécessiter une action directe de la voie de signalisation de NODAL pour permettre leur différenciation. En effet, les cellules incapables de répondre au signal de NODAL n’expriment pas Emx2 et sont exclues de l’hypothalamus postéro-ventral au profit de l’hypothalamus antéro-dorsal (Mathieu, J. et al. 2002).

Au cours de la régionalisation de l’hypothalamus, le niveau d’expression de Shh diminue au niveau de l’hypothalamus postéro-ventral et cette diminution d’expression est nécessaire à la différenciation des cellules qui peuplent cette région. L’équipe de Manning et al a permis de démontrer que la diminution d’expression de Shh dans cette région est dépendante des BMPs. Plus spécifiquement, BMP7, qui est exprimé au sein de l’hypothalamus postéro-ventral, initierait une cascade de signalisation qui inhiberait localement l’action des WNTs ce qui favoriserait l’expression du facteur de transcription Tbx2. A son tour, Tbx2 inhiberait Shh, permettant ainsi l’expression d’Emx2 (Manning, L. et al. 2006). Par ailleurs, la diminution d’expression de Shh serait aussi essentielle pour permettre la prolifération cellulaire au sein de cette région de l’hypothalamus (Manning, L. et al. 2006). On fait donc face ici à un modèle où la régionalisation de l’hypothalamus postéro-ventral serait dépendante, premièrement de l’action de NODAL et des WNTs pour spécifier le caractère postérieur de cette région, puis deuxièmement de l’action des BMPs qui dérivent de la PPC et qui antagoniseraient l’action des WNTs permettant ainsi la différenciation cellulaire au sein de cette région.

Figure 8. Plusieurs voies de signalisation sont impliquées dans la régionalisation antéro-

postérieure et dorso-ventrale de l’hypothalamus. L’intégration de l’ensemble de ces voies est nécessaire à l’obtention d’un hypothalamus mature. Noter que les flèches démontrent l’action des effecteurs des voies de signalisation, mais ne reflètent pas forcément une interaction moléculaire directe. Shh est nécessaire à la spécification de l’hypothalamus antérieur. A l’inverse, l’action des WNTs permet la spécification de l’hypothalamus postérieur. De plus, au sein de l’hypothalamus postérieur, l’action combinée de SHH, BMP7 et Six3 est nécessaire à l’induction des neurones dopaminergiques alors que BMP7 et NODAL seraient requis pour la ventralisation de cette même région.