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ainsi  que  son  implication  dans  le  processus  de  segmentation  du  rhombencéphale  accompagnent et contribuent au formidable essor qu’a connu la génétique moléculaire  du  développement  à  partir  de  la  fin  des  années  80.  Le  récit  chronologique  des  différentes étapes conceptuelles et scientifiques ayant mené à la connaissance actuelle  des mécanismes de segmentation du rhombencéphale et du rôle de Krox20 en leur sein  se trouve narré, avec un sens aigu de l’histoire et du contexte, dans la thèse de Michel  Wassef,  précédent  doctorant  au  laboratoire.  Le  lecteur  attiré  par  une  rétrospective  historique  y  trouvera  un  intérêt  certain.  Dans  ce  chapitre,  nous  nous  contenterons  de  dresser le bilan des différentes fonctions caractérisées pour Krox20 dans le processus de  segmentation du rhombencéphale et des mécanismes connus contrôlant sa régulation.  

 

III.5.i)α : Krox20 et la segmentation du rhombencéphale 

  Krox20 est un FT de 470 acides aminés et possédant trois doigts à zinc de type  C2H2  par  lesquels  il  interagit  avec  l’ADN  en  se  fixant  sur  une  séquence‐cible  de  9  pb :    5’‐GCGT/GGGGCG‐3’  (Chavrier  et  al.,  1990).  L’analyse  de  la  structure  de  la  protéine  a  identifié  de  plus  deux  domaines  transactivateurs  transcriptionnels  (figure  36)  et  un  domaine  répresseur  liant  les  protéines  Nab  (Vesque  and  Charnay,  1992;  Russo  et  al.,  1995)  tandis  qu’une  étude  plus  récente  souligne  la  diversité  des  modes  d’action  de 

Krox20 sur ses cibles transcriptionnelles (Desmazières et al., 2009).  

 

• Cinétique d’expression (figure 36) 

  Krox20  est  exprimé  dans  de  nombreux  tissus  pendant  le  développement 

embryonnaire et à l’âge adulte, notamment le système nerveux périphérique (Topilko et  al., 1994; Ghislain et al., 2002), les ostéoblastes (Levi et al., 1996) ou les tendons (Lejard  et  al.,  2011).  Dans  le  rhombencéphale  des  vertébrés,  son  profil  d’expression  est  très  conservé  et  apparaît  dans  deux  bandes  qui  préfigurent  puis  coïncident  avec  les  rhombomères  3  et  5    selon  une  cinétique  stéréotypée,  ainsi  que  dans  la  crête  neurale  issue  de  r5  (figure  36,  Wilkinson  et  al.,  1989;  Nieto  et  al.,  1991;  Bradley  et  al.,  1993;  Oxtoby and Jowett, 1993; Saldivar et al., 1997) :  

‐ l’ARNm  de  Krox20  est  d’abord  détecté  à  7,75  jpc  chez  la  souris  dans  une  fine  bande au niveau du futur r3 qui va s’étendre pour atteindre chez la souris une  largeur AP d’environ 12 cellules au stade 4 somites (ss);  

Figure 37. Rôles de Krox20 dans la segmentation du rhombencéphale

a-h: Le marquage β-gal de mutants Krox20 au sein desquels le gène LacZ a été inséré en lieu et place du

locus Krox20 permet de constater que le démarrage de l’expression de Krox20 est normal mais que celle-ci n’est pas maintenue (a-c, e-g). Les rhombomères 3 et 5 sont perdus dans le mutant Krox20, ce qui est visualisé par un marquage de lim1 par hybridation in situ (d, h)

Extrait de Schneider-Maunoury et al., 1993 et Schneider-Maunoury et al., 1997.

i-l: La surexpression de Krox20 par électroporation chez le poulet entraine l’expression ectopique de

marqueurs de rhombomères d’identité impaire, dont Krox20 lui-même (i, j) et la répression de marqueurs d’identité paire (k, l). Seul le côté gauche des embryons est électroporé.

Extrait de Giudicelli et al., 2001.

K

ro

x20

LacZ/+

 

K

ro

x20

LacZ/LacZ

 

!"#c%r

'p'r

)*'+ 

K

ro

x20 

8 jpc  9 jpc  9,5 jpc 

r3  r3 

 

‐ à ce stade, un nombre croissant de cellules isolées situées au niveau du futur r5  vont  à  leur  tour  exprimer  Krox20  jusque  former  une  seconde  bande  qui  va  s’élargir et atteindre au stade 10 ss une taille comparable à la bande dans r3;   ‐ les  frontières  d’expression  de  ces  deux  territoires,  jusqu’ici  irrégulières,  vont 

alors  s’affiner  et  les  cellules  de  la  crête  neurale  issue  de  r5  vont  également  exprimer Krox20. 

‐ puis dès le stade 12 ss, l’expression de Krox20 va commencer à s’affaiblir dans r3  puis  dans  r5,  d’abord  ventralement,  pour  disparaître  complètement  à  9,5  jpc  pour r3 et 10,5 jpc pour r5.  

Pour  chaque  rhombomère,  on  peut  donc  distinguer  trois  phases  d’expression  de 

Krox20 avec un léger retard de r5 par rapport à r3 : une phase d’extension du territoire, 

une phase de stabilisation des frontières et une phase d’extinction ventro‐dorsale.   

• Krox20 est nécessaire à la formation des rhombomères 3 et 5 

Le mutant murin Krox20, au sein duquel le gène rapporteur LacZ a été inséré en  lieu  et  place  du  locus  Krox20,  met  en  évidence  le  rôle  central  de  ce  gène  dans  la  segmentation du rhombencéphale puisqu’il se caractérise par une réduction de la taille  du rhombencéphale et par la disparition des rhombomères 3 et 5 (figure 37, Schneider‐ Maunoury  et  al.,  1993).  Les  cellules  destinées  à  former  le  rhombomère  3  sont  reprogrammées  en  cellules  de  r2  et  r4  et  celles  de  r5  en  r6  (Voiculescu  et  al.,  2001).  Dans un second temps, la taille du rhombencéphale diminue à travers un réajustement  de la taille des rhombomères pairs par apoptose, de sorte que les rhombomères pairs  subsistant dans le rhombencéphale mutant ont une taille comparable aux rhombomères  sauvages. Les dérivés neuronaux issus de r3 et r5 sont totalement perdus (Schneider‐ Maunoury  et  al.,  1997)  et  la  navigation  axonale  des  motoneurones  au  sein  des  rhombomères  restants  est  perturbée.  Il  en  résulte  un  dérèglement  du  système  respiratoire  (Jacquin  et  al.,  1996)  vraisemblablement  à  l’origine  de  la  mortalité  48h  après  la  naissance  constatée  sur  les  deux  tiers  des  nouveaux‐nés  mutants.  Le  tiers  restant, qui présente également une perturbation de la respiration, survit jusque deux  ou trois semaines avant de décéder suite probablement à l’affectation sévère du système  nerveux  périphérique  provoquée  par  l’absence  des  cellules  de  Schwann  myélinisantes  où Krox20 est normalement exprimé. 

L’insertion  du  rapporteur  LacZ  au  locus  Krox20  permet  également  de  suivre  comment s’exprime ce gène en l’absence de la protéine qu’il code (Schneider‐Maunoury  et  al.,  1993).  Le  marquage  β‐gal  sur  des  embryons  mutants  entre  8  et  8,5  jpc  (0  ss)  révèle  que  Krox20  commence  à  s’exprimer  correctement  au  sein  de  la  fine  bande  de  cellules  caractéristique  du  démarrage  de  l’expression  de  Krox20  (figure  37).  En  revanche, des hybridations in­situ contre le gène β‐gal montre que ce marquage précoce  disparaît  rapidement,  vers  8  ss.  Dans  r5  également,  le  début  d’expression  est  normal  chez  le  mutant  mais  celle‐ci  disparaît  prématurément  vers  15‐16  ss.  Ces  résultats  montrent  que  l’expression  de  Krox20  suit  une  première  phase  de  démarrage,  indépendante  Krox20,  et  une  seconde  phase  de  maintien  qui  nécessite  la  protéine  Krox20  qui  est  donc  capable  de  s’autoréguler.  De  plus,  le  domaine  d’expression  de 

Krox20 dans r3 chez le mutant, révélé par activité β‐gal, est plus fin que la taille finale du 

rhombomère sauvage. Cela suggère que la phase initiale d’extension du territoire Krox20  dans r3 requiert également la protéine Krox20.  

 

• Krox20  est  suffisant  pour  induire  les  identités  impaires  et  réprimer  les  identités paires (figure 37) 

La  fonction  de  Krox20  a  également  été  étudiée  par  des  expériences  de  gain  de  fonction. Celles‐ci ont montré que la surexpression de Krox20 par électroporation chez  le  poulet  est  capable  de  modifier  les  identités  des  rhombomères  pairs en  y  induisant  l’expression  de  marqueurs  impairs,  comme  Epha4,  et  en  y  réprimant  l’expression  de  marqueurs pairs tels que Hoxb1 ou follistatin (Giudicelli et al., 2001; Garcia‐Dominguez  et al., 2006). De plus, des études sur les séquences régulatrices d’Epha4, de Hoxb2 et de 

Hoxa2,  ont  mis  en  évidence  la  présence  de  sites  Krox20  dans  les  régions  dédiées 

spécifiquement  au  contrôle  de  l’expression  de  ces  gènes  dans  r3  et  r5.  Ces  sites  sont  indispensables à l’activité des enhancers et la surexpression ectopique de Krox20 dans  r4  chez  la  souris  est  capable  d’induire  l’activité  de  ces  enhancers  dans  ce  territoire  (Sham et al., 1993; Nonchev et al., 1996; Theil et al., 1998). D’autres travaux montrent  que  Hoxb3  est  également  sous  le  contrôle  de  Krox20,  en  synergie  avec  MafB  et  c‐Jun  (Manzanares  et  al.,  2002;  Mechta‐Grigoriou  et  al.,  2003).  Chez  le  mutant  Krox20,  l’expression de ces gènes est altérée, voire absente, dans les rhombomères 3 et 5 et la 

 

Enfin,  en  accord  avec  les  résultats  obtenus  chez  le  mutant,  la  surexpression  de 

Krox20 chez le poulet est capable d’induire sa propre expression (Giudicelli et al., 2001), 

confortant  l’existence  d’une  boucle  d’autorégulation  positive  dont  nous  connaissons  maintenant  les  assises  moléculaires,  décrites  ci‐dessous.  Une  boucle  d’autorégulation  négative  indirecte  et  faisant  intervenir  les  répresseurs  transcriptionnels  Nab1  et  2,  semble également contrôler l’expression de Krox20 dans r3 et r5 (Mechta‐Grigoriou et  al., 2000).    En résumé, l’ensemble des travaux réalisés sur Krox20 dans le rhombencéphale  montre que celui‐ci joue un rôle central dans le processus de segmentation en couplant  les processus de mise en place des territoires, de ségrégation cellulaire par l’activation  des gènes Eph et de spécification de l’identité AP par la régulation des gènes Hox. Au vu  de ce rôle clef, une attention particulière a été portée au cours des dernières années sur  l’étude de la régulation de Krox20.     III.5.i)β : Régulation transcriptionnelle de Krox20 dans le rhombencéphale  Nous avons déjà décrit dans les paragraphes précédents l’ensemble des voies de  signalisation (AR, FGF, Wnt) et des FTs (Hox PG1, Irx, Nlz, Pou, SP, vHnf1, MafB) dont des  travaux  suggèrent  l’implication  dans  la  régulation,  directe  ou  indirecte,  de  Krox20.  L’identification  par  le  laboratoire  de  trois  séquences  cis‐régulatrices  gouvernant  l’expression  de  Krox20  dans  le  rhombencéphale  a  été  une  étape  déterminante  pour  tenter  de  clarifier  ces  interactions  génétiques  (Chomette  et  al.,  2006).  Ces  séquences  régulatrices sont situées à plusieurs centaines de kbs en amont du TSS de Krox20 et leur  identification  n’a  été  rendue  possible  que  par  l’utilisation  de  chromosome  artificiel  bactérien de poulet, dont le génome est trois fois plus compact que celui de la souris. La  capacité des régions situées en amont et en aval du locus Krox20 à induire l’expression  d’un  gène  rapporteur  a  été  testée  systématiquement,  par  transgénèse  chez  la  souris  ou/et électroporation chez le poulet, jusqu’à isoler trois régions régulatrices minimales  et particulièrement conservées (figure 38).  

 

• Élément A 

L’élément  A,  d’environ  500  pb,  est  situé  chez  la  souris  235  kb  en  amont  du  promoteur  de  Krox20.  Il  est  actif  dans  r3  et  r5  dans  des  embryons  sauvages  mais  pas 

Figure 38. Contrôle transcriptionnel de Krox20 dans le rhombencéphale

Représentation schématique des éléments cis-régulateurs de Krox20 dans le rhombencéphale, de leurs profils d’activité et de leur distance par rapport au promoteur de Krox20 chez la souris et le poulet. En bas se trouvent les profils d’activité, visualisés par révélation β-gal, des trois éléments régulateurs clonés en amont du gène LacZ chez des souris transgéniques à 8,5 jpc.

Adapté de Chomette et al., 2006.

!utor&'ul!)o*  ,*i)!)o* 

vHnf1  MafB  (FGF)  Krox20  Hox/Pbx/Meis   (Irx) 

‐235 kb 

‐ 80 kb 

‐181 kb 

‐  54 kb 

‐162 kb 

‐  50 kb 

souris