Les gènes Dlx

Un gène homéotique est un gène dont la mutation conduit à l’apparition d’un organe bien formé, mais à un mauvais emplacement du corps (appelé homéose). Les premières descriptions de phénotypes homéotiques remontent à 1894 par William Bateson, qui observa l’apparition de pattes à la place des antennes chez la drosophile. Bateson comprit qu’au cours du développement, un « choix » a lieu, donnant l’identité propre d’un segment de l’organisme. Lorsque ce choix est faux, le segment perd son identité et ne possède pas les appendices ou organes attendus. On apprendra plus tard que ce sont des gènes qui déterminent ces choix.

Les gènes Dlx codent pour des facteurs de transcription à homéodomaine apparentés au gène

distal-less (Dll) de Drosophile (Cohen et al. 1989 , Porteus et al. 1991). Ces gènes ont été

identifiés dans de nombreux groupes de Bilatériens (Holland et al. 1996, Caracciolo et al. 2000, Myojin et al. 2001, Neidert et al. 2001 ). Les gènes Dlx sont impliqués dans de nombreux processus développementaux, notamment dans la morphogenèse des appendices, le développement du cerveau antérieur et des structures cranio-faciales telles que les arcs pharyngés et des organes sensoriels (revue dans (Panganiban et al. 2002)). Chez la drosophile, le gène Dll est exprimé dans le primordium des pattes et des différents appendices antérieurs (Figure  12) (Cohen et al. 1989, Panganiban et al. 2002). L’inactivation totale de

Dll conduit à une létalité embryonnaire avant le premier stade larvaire (Cohen et al. 1989).

L’analyse de mutants hypomorphes, présentant une réduction de l’activité de Dll, a permis de montrer son rôle dans la mise en place de l’axe proximo-distal (P/D), des appendices tel que les pattes, les antennes, les pièces buccales ou encore la plaque anale (Cohen et al. 1989, Gorfinkiel et al. 1999).

 Figure 12 : Profil d’expression du gène Distal-less (dll) chez la Drosphile

L’utilisation d’un gène rapporteur (lacZ) codant pour la β-galactosidase permet de visualiser le profil d’expression du gène Dll chez la drosophile adulte. Photos représentant une antenne (A-C) ou une patte (D-F). Ce gène est exprimé dans la partie distale des appendices (antennes (B), pattes (E), etc.). Dll³ et Dll⁷ sont deux allèles hypomorphes (Panganiban et al. 2002).

Les gènes Dlx (Distal-less related homeobox gene) ont, par la suite, été identifiés dans de nombreuses espèces, notamment chez tous les chordés (Dolle et al. 1992, Schummer et al. 1992, Holland et al. 1996, Caracciolo et al. 2000, Myojin et al. 2001, Neidert et al. 2001). Le modèle actuel propose que le gène ancestral Dll ait subit une duplication en cis aboutissant à l’apparition de deux gènes Dll-A et Dll-B en « tandem inverse » chez les urochordés (par exemple Ciona intestinalis) (Figure  13). Une série d’évènements de duplication a conduit à la formation d’au moins trois paires de gènes Dlx chez les vertébrés. Chacune de ces paires est liée à un cluster de gènes Hox. L’hypothèse actuelle est en faveur d’une co-évolution des gènes Hox et Dlx par les mêmes événements de duplication (Stock et al. 1996, Zerucha et al. 2000, Sumiyama et al. 2003).

 Figure 13 : Modèle de l’évolution des gènes Dlx

Ce modèle présente l’évolution des gènes Dlx à partir d’un hypothétique gène ancestral. Une duplication en cis aurait abouti à l’apparition des gènes Dll-A et Dll-B qui par une succession de duplication en trans aurait conduit à l’apparition de trois paires de gènes Dlx chez les Vertébrés (Zerucha et al. 2000).

Les génomes de mammifères contiennent six gènes Dlx qui sont répartis en trois clusters bigéniques : Dlx1-2, Dlx5-6 et Dlx3-4 respectivement sur les chromosomes 2, 7, 17 chez l’Homme et 2, 6, 11 chez la souris (Selski et al. 1993, Robinson et al. 1994, Simeone et al. 1994, Nakamura et al. 1996). L’organisation génomique de ces clusters est sensiblement identique. Les deux gènes d’un même cluster sont organisés en tandem inverse et comportent chacun trois exons avec une région intergénique de taille variable (Figure  14).

 Figure 14 : Représentation schématique de l’organisation génomique des gènes

DLX humains

Les exons sont représentés par les rectangles vides et la taille de la région intergénique correspond à la distance entre les deux codons stop. Référence des séquences génomique : AC0223925 pour DLX1-2, AC004774 pour DLX5-6 et 1C452638 pour DLX3-4(7) (Sumiyama et al. 2003).

Dans notre laboratoire, nos études se focalisent sur un couple de gènes Dlx : les gènes Dlx5 et

Dlx6. Ces deux gènes sont impliqués dans de nombreux processus développementaux chez les

vertébrés. Ainsi, on retrouve leur expression dans des structures cranio-faciales (telles que le cerveau antérieur, les dérivés des cellules de la crête neurale céphalique ou les organes sensoriels) et dans les différents appendices de l’embryon en développement (les membres, le tubercule génital) (Figure  15) (Simeone et al. 1994, Acampora et al. 1999, Beverdam et al. 2002, Depew et al. 2002, Robledo et al. 2002). Le profil d’expression des gènes Dlx est comparable à celui du gène Dll chez la drosophile (pièces buccales, pattes et plaque anale) indiquant une certaine conservation de la fonction des gènes Dlx dans la morphogenèse au cours de l’évolution.

Chez l’adulte, l’expression de ces gènes est maintenue dans certains tissus tels que le cerveau (Stuhmer et al. 2002), l’os (Samee et al. 2008) ou encore les gonades femelles (Bouhali et al. 2011).

Several well defined pattern formation gene sys-tems have been reported. The Hox system which gov-erns anterior-posterior axis and proximo-distal appen-dicular axis patterning is well known and serves as an excellent system for analysis. However, the Hox system is relatively complex consisting of 39 genes organized into four clusters in higher vertebrates (Ruddle et al., 1999). Therefore, we have focused on the less complex Distal-less gene system consisting of only six genes divided into three bigene clusters. We believe that this gene system can be used profit-ably to provide insight into the Ohno gene duplica-tion hypothesis.

The Dlx/Distal-less bigene cluster system

Evolutionary history

The distal-less system consists of three bigene clus-ters, termed Dlx1-2, Dlx5-6, and Dlx3-7 (Figure 1), that are closely linked within approximately one megabase to the Hox gene clusters, respectively, Hox D, A, and B on different chromosomes. Sequence comparisons between the mouse clusters shows a close relationship between Dlx1-2 and Dlx5-6 and a more distant relationship of both to Dlx3-7 (Figure 2). Orthologous gene clusters are also seen in the ze-brafish. Phylogenetic analysis indicates that the Dlx gene family increased first by a tandem gene dupli-cation, most probably in the primitive chordates, and then by several genome duplications in the verte-brates to give rise to the three bigene clusters seen today in man and mouse (Stock et al., 1996).

Protostome invertebrates appear to have a single true Dlx gene, as exemplified by Distal-less in Droso-phila, or ceh-43 in C. elegans (Figure 3). Outside of the vertebrates, the only animal known to have a Dlx bigene cluster is the ascidian Ciona intestinalis (DiGregorio et al., 1995). Ascidians are members of Figure 1. Approximate drawings for human Dlx clusters. Interegenic sizes (stop codon to stop codon) are shown. Empty boxes indicate coding regions. Reference genome sequences: AC023925 for Dlx1-2, AC004774 for Dlx5-6, and AC452638 for Dlx3-7 respectively.

Figure 2. A neighbour-joining tree for Dlx clusters. Paired Dlx homeodomains are concatenated to represent each Dlx clusters for mouse and zebrafish. Single dlx gene in vertebrate ancestor is assumed. 1000 replication for bootstrap analysis have been done. Values more than 500 are shown in figure.

 Figure 15 : Profil d’expression des gènes Dlx5 chez l’embryon de souris

A-B. Hybridation in situ Dlx5 in toto chez des embryons sauvages à E10.5 (A) et E11.5 (B). C-D. Coloration X-gal sur des embryons Dlx5^lacZ à E14.5. Dlx5 est exprimé au niveau des structures cranio-faciales (arc mandibulaire (md) et 2^ème arc pharyngien (AP2)), de la crête apicale ectodermique des bourgeons de membres antérieurs (FL) et postérieurs (HL) ainsi qu’au niveau du tubercule génital (tête de flèche) (Merlo et al. 2000).