Horloge de segmentation liée à des oscillations transcriptionnelles

I.2.1 Horloge de segmentation liée à des oscillations transcriptionnelles

Sur le plan moléculaire, l'horloge de segmentation peut être assimilée à un oscillateur

transcriptionnel, où les gènes cycliques contrôlés par les voies de signalisation Notch, Wnt et

FGF, vont être exprimés périodiquement et pour certains de manière opposée dans le PSM

(Notch et FGF, en opposition de phase avec Wnt) (Figure 7). Pour chacune de ces trois voies

interconnectées, l’expression cyclique des gènes est régulée par des rétrocontrôles négatifs.

Des études génétiques et pharmacologiques suggèrent que l'activité de la voie canonique de

Notch joue un rôle majeur dans la régulation de l'horloge de segmentation et donc de la

somitogenèse chez la souris. En effet, des défauts dans la morphologie des somites (taille et

positionnement) ont été décrits chez des souris mutantes pour les gènes Notch1 et Rbpj

(Conlon, Reaume et al. 1995; Oka, Nakano et al. 1995). Les voies de signalisations Wnt et FGF

ont aussi leur importance puisqu’elles contrôlent l’activité périodique de la voie de

signalisation Notch, qui en retour, contrôle les gènes cycliques impliqués dans la formation

des somites (Hofmann, Schuster-Gossler et al. 2004). Les interactions entre ces trois voies de

signalisation sont nécessaires pour la segmentation somitique (Figures 7).

I.2.1.1 Les gènes cycliques des voies de signalisation Notch et FGF agissent de concert

C’est en 1997 que l’existence d’un "oscillateur" régissant le processus de segmentation a été

confirmée en montrant l’expression cyclique dans le PSM, de c-hairy, un homologue de Hes1

(gène cible de la voie Notch) et sa propagation dans le sens postéro-antérieur (Palmeirim,

Henrique et al. 1997). L’activation de la voie signalisation Notch, induite par la liaison de

DLL1 au récepteur Notch1 dans le PSM, entraine des clivages protéolytiques du récepteur,

qui libère sa partie intracellulaire (NICD clivé). La signalisation Notch est clairement liée à

l'horloge de la segmentation, puisque des oscillations coordonnées dans les niveaux de NICD

clivé sont observées dans le PSM des souris (Huppert, Ilagan et al. 2005). Une fois transloqué

au noyau, le NICD va activer un certain nombre de gènes cibles, dont les gènes Hes1, Hes5,

Hes7 et hey1, qui sont exprimés de manière cyclique chez les mammifères (Palmeirim,

Henrique et al. 1997; Jouve, Palmeirim et al. 2000; Leimeister, Dale et al. 2000; Bessho,

Miyoshi et al. 2001; Dunwoodie, Clements et al. 2002; Masamizu, Ohtsuka et al. 2006)

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Figure 8 : Préparations squelettiques d’embryons mutants pour Hes7 et Lfng.

(A-B) : Les embryons de souris Hes7

^-/-

présentent un corps plus court et des malformations des vertèbres et des côtes

par comparaison aux embryons sauvages (Fujimuro, Matsui et al. 2014). (C-D) : Les embryons de souris Lfng

-/-présentent des défauts dans la formation des somites, qui se manifestent par un axe vertébral et une queue plus courts

ainsi que des malformations des côtes voire une diminution de leur nombre (Adapté de (Oginuma, Takahashi et al.

2010)).

(Figure 7). Parmi ces 4 membres, c’est Hes7 et son expression cyclique, qui semble jouer le

rôle le plus important dans la segmentation. En effet, l’absence d’expression de ce gène cible

entraine une désorganisation dans la formation des somites, avec pour conséquence la

formation de vertèbres et de côtes soudées ainsi qu’une perte d’expression de gènes

cycliques des autres voies de signalisation (Bessho, Sakata et al. 2001) (Figure 8). D’autre

part, son expression persistante conduit également à la fusion des somites (Hirata, Bessho et

al. 2004). Dans le PSM, Hes7 peut aussi réprimer sa propre transcription par rétrocontrôle

négatif (Bessho, Hirata et al. 2003) ainsi que la transcription de Lunatic fringe (Lfng), autre

gène cible de la voie de signalisation Notch. Lfng code une N-acétylglucosaminyltransférase,

qui peut ajouter un N-acétylglucosamine (GlcNAc) aux fucoses O-liés présents dans certaines

répétitions EGF-like de la partie extracellulaire des récepteurs NOTCH et participer ainsi à la

modulation des interactions récepteurs-ligands (Bruckner, Perez et al. 2000; Moloney, Panin

et al. 2000). Les oscillations de Lfng sont également cruciales pour la segmentation puisque

la perte ou la persistance permanente de son expression provoque, comme pour Hes7, de

sévères défauts dans la formation somites (Evrard, Lun et al. 1998; Zhang and Gridley 1998;

Serth, Schuster-Gossler et al. 2003). Lfng, qui oscille en phase avec Hes7 (Bessho, Sakata et

al. 2001), inhibe à son tour la voie Notch (Figure 7), ce qui entraîne une boucle de

rétroaction négative. Ces rétrocontrôles négatifs de Hes7 et Lfng permettent d’assurer leur

expression oscillatoire de manière synchronisée dans le PSM, jouant ainsi un rôle central

dans le contrôle de l’horloge de segmentation (Dale, Maroto et al. 2003; Oates, Morelli et al.

2012).

L’activation de la voie Ras/Raf/MAPK, induite par la fixation des ligands FGF sur leurs

récepteurs, entraine également l’expression de gènes cycliques (Figure 7). Les récepteurs

ainsi activés induisent la phosphorylation du transducteur de signal Ras, qui alors active Raf

et des MAP-kinases, MEK et ERK1/2. La conséquence est que de nombreux gènes cibles vont

être à leur tour activés au niveau du PSM, dont un certain nombre de gènes cycliques :

Dusp4/6, Sprouty2, Snail1/2, Shp2 et Perlecan (Dequeant, Glynn et al. 2006). Les gènes Dusp

et Sprouty2 conservent leur expression cyclique, du fait de l’inhibition de la voie

Ras/Raf/MAPK par rétrocontrôle négatif.

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La voie Notch est régulée et régule en retour la voie de signalisation FGF par Hes7, avec pour

conséquence une synchronisation de leurs oscillations. C’est la voie FGF, qui agit en amont

de la voie Notch puisque la signalisation FGF induit dans le bourgeon caudal l’expression

oscillante de Hes7, qui alors est propagée et maintenue au niveau du PSM antérieur par la

voie de signalisation Notch. Chez la souris, Hes7 régule en retour l’expression cyclique de

Dusp4, inhibiteur de la signalisation FGF (Niwa, Masamizu et al. 2007).

I.2.1.2 Les gènes cycliques des voies Notch et Wnt, en opposition de phase

L’activation de la voie de signalisation de Wnt dans des cellules conduit à la stabilisation de

la β-caténine, qui pénètre dans le noyau pour activer l'expression des gènes cibles, tels que

ceux de la famille TCF/LEF (Dequeant and Pourquie 2008). Parmi les gènes cycliques de la

voie Wnt, on trouve les gènes codant les facteurs de transcription SP5 (Weidinger, Thorpe et

al. 2005) et Myc (c-myc) ainsi que le gène codant un récepteur de la famille TNF, Tnfrsf19

(He, Sparks et al. 1998; Dequeant, Glynn et al. 2006) (Figure 7). On trouve également les

gènes codant l’axine 2 (Aulehla, Wehrle et al. 2003), Dickkopf-1 (Dkk1) (Glinka, Wu et al.

1998) et Dact1 (dishevelled-binding antagonist of -catenin1), qui maintiennent leur

expression cyclique, par une rétro-inhibition de la voie Wnt. Par conséquent, les oscillations

de ces inhibiteurs peuvent entraîner la fluctuation rythmique des niveaux d'expression de

β-caténine. L’inactivation de nombreux gènes tels que Dkk1, Sp5 et Myc produit des défauts

de segmentation, confirmant le rôle de la signalisation Wnt au cours de la segmentation

chez la souris (Harrison, Houzelstein et al. 2000; Trumpp, Refaeli et al. 2001; MacDonald,

Adamska et al. 2004).

Les gènes cibles de la voie Notch, comme Nkd1 et Nrarp, s’expriment également de manière

cyclique dans le PSM. Nrarp (Notch-regulated ankyrin-repeat protein) est un gène cible de la

voie canonique de Notch (Krebs, Deftos et al. 2001; Pirot, van Grunsven et al. 2004), qui

exerce d’une part une inhibition de l’expression des autres gènes cibles de la voie Notch en

s’associant au NICD et au CSL (Lamar, Deblandre et al. 2001) et d’autre part une activation

de la voie Wnt en stabilisant le facteur de transcription majeur de la voie Wnt appelé LEF1

(Ishitani, Matsumoto et al. 2005). Le gène cyclique Nkd1 est un inhibiteur de la signalisation

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Figure 9 : Stades de développement du dermomyotome et du myotome (DMM).

A : Stade de DMM 1 : Les premiers myoblastes qui se différencient en myocytes proviennent en partie des lèvres

du dermomyotome épaxial. B: stade DMM 2: Croissance du dermomyotome et accumulation des myocytes et des

myoblastes. C: stade DMM 3: Augmentation du nombre de myoblastes dérivés des progéniteurs Pax3/Pax7 ainsi

que de myocytes. Ces cellules entrent dans le myotome à partir de la partie centrale du dermomyotome. D: stade

DMM 4: Le dermomyotome central est désépithélialisé, ce qui n’est pas le cas des dermomyotomes hypaxial et

épaxial. Les cellules myogéniques commencent à migrer et à s’accumuler. E : Muscle épaxial : Seul le début de la

formation des muscles épaxiaux est représenté sur la figure (Adapté de (Deries, Goncalves et al. 2012)).

Wnt, qui agit, au contraire de Nrarp, en amont de la -caténine (Ishikawa, Kitajima et al.

2004) (Figure 7). Les oscillations cycliques de Notch et Wnt sont perdues dans une

suppression conditionnelle de la β-caténine au niveau du PSM (Dunty, Biris et al. 2008). Ces

deux gènes pourraient donc expliquer les oscillations en opposition de phase des voies

Notch et Wnt.

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