Les premières étapes clefs de la formation des circuits dopaminergique du mésencéphale sont les évènements primaires qui permettront de conduire à la mise en place du mésencéphale ventral. Au cours de la gastrulation, une migration cellulaire postéro-antérieure se produit alors que se forment le mésoderme, l’endoderme et l’ectoderme (Arenas et al., 2015). Du côté rostral de l’embryon, la sécrétion des du côté rostral de l’embryon, la sécrétion des inhibiteurs DKK1 (dickkopf1; inhibiteur de WNT), NOG (noggin; inhibiteur de BMP), de LEFTY1 (left-right determination factor 1; inhibiteur de NODAL) et CERBUS (inhibiteur de WNT, BMP et NODAL), suppriment les signaux postérieurs et permettent la mise en place de l’ectoderme neural, conduisant ainsi à la formation du tube neural antérieur (Takaoka, Yamamoto, & Hamada, 2007). L’ectoderme dorsal sera restreint à une destinée neuronale en réponse aux signaux provenant de l’organisateur de Spemann, donnant naissance à la plaque neurale (Harland, 2000; Hemmati-Brivanlou & Melton, 1997; Liu & Niswander, 2005). Celle-ci sera par la suite sous-divisée en domaines restreints, guidée par un gradient de différents morphogènes exprimés le long des axes antéropostérieur (A/P) et dorsoventral (D/V), tout en se refermant sur elle-même pour former le tube neural (Puelles, 2001; H. Simon, Hornbruch, & Lumsden, 1995; Ulloa & Briscoe, 2007). Alors que se poursuit la formation du tube neural se forment deux importants centres de signalisation: l’organisateur d’isthmus (IsO), définissant la frontière entre le mésencéphale et le rhombencéphale, ainsi que la plaque du plancher (FP) (Joyner, Liu, & Millet, 2000; Rhinn et al., 1998; Wassarman et al., 1997). Au cours des différents stades du développement, l’action combinée des facteurs de transcriptions et morphogènes provenant de ces centres de signalisation orchestreront de multiples fonctions, incluant la définition de l’identité régionale du VM, la spécification et prolifération des progéniteurs dopaminergiques, la neurogénèse des neurones mDA, ainsi que leur différentiation et survie (Arenas et al., 2015).
Un des évènements les plus précoces et les plus cruciaux du développement du tube neural est la formation de l’IsO débutant à E7.5, par l’expression coordonnée et la répression mutuelle des facteurs de transcriptions à homéodomaines Otx2 et Gbx2 (Figure 8) (Broccoli, Boncinelli, & Wurst, 1999; Millet et al., 1999; Wassarman et al., 1997). L’IsO est un centre unique de signalisation délimitant le mésencéphale du rhombencéphale, et nécessaire au développement de ces deux régions (Liu & Joyner, 2001a; Rhinn & Brand, 2001). Son positionnement exact à la frontière du mésencéphale et du rhombencéphale est directement dépendant de la répression mutuelle entre Otx2 et Gbx2 (Martinez-Barbera et al., 2001). Alors que Otx2 est exprimé par la portion antérieure du tube neural en développement, Gbx2 est exprimé plus postérieurement au niveau du rhombencéphale antérieur (Acampora, Avantaggiato, Tuorto, & Simeone, 1997; Matsuo, Kuratani, Kimura, Takeda, & Aizawa, 1995; Simeone, Acampora, Gulisano, Stornaiuolo, & Boncinelli, 1992; Wassarman et al., 1997). Bien que critique au positionnement adéquat de l’IsO, Otx2 et Gbx2 ne sont pas requis pour l’induction
des gènes exprimés par cet organiseur, mais seulement à la limitation de leur domaine d’expression (Brodski et al., 2003; Liu & Joyner, 2001b). Lorsque l’IsO est déplacé caudalement dû à une expression ectopique de
Otx2 dans le rhombencéphale, le nombre de neurones mDA se trouve augmenté (Brodski et al., 2003).
Similairement, lorsque sa position est déplacée rostralement par la suppression de Otx2 au niveau du mésencéphale, le nombre de neurones mDA se trouve diminué, démontrant ainsi l’importance de la position de l’IsO au développement normal des neurones dopaminergiques du mésencéphale ventral (Brodski et al., 2003).
Un second évènement majeur dans l’établissement du tube neural et de ses fonctions est la formation de la plaque du plancher, dépendante de la sécrétion de la protéine de signalisation sonic hedgehog (Shh). Initialement sécrété par le notochorde, Shh spécifie la portion la plus ventrale de la plaque neurale, la FP, par l’induction de l’expression de Foxa2 à E8 chez la souris (Ang et al., 1993; Sasaki, Hui, Nakafuku, & Kondoh, 1997). FoxA2 joue un rôle central dans la signalisation Shh et est requis à la fois dans le développement du notochorde et de la FP, en plus de la mise en place ventrale (Ang & Rossant, 1994; Weinstein et al., 1994). À E8.5, la FP commence elle-même à exprimer Shh et devient alors le second organisateur ventral du tube neural (Echelard et al., 1993; Ho & Scott, 2002; Hynes et al., 1995). Un gradient de Shh en provenance de la
Figure 8 : Facteurs moléculaires impliqués dans le développement des neurones dopaminergiques du mésencéphale ventral. La couleur de flèches indique l’effet de leur expression : violet, régulation positive; vert, boucle d’autorégulation; orange, régulation coopérative; noir, inhibition.
FP régule alors la mise en place V/D: les progéniteurs ventraux exposés à une plus forte concentration de Shh y répondent en exprimant différents facteurs de transcriptions, par opposition aux cellules dorsales exposées à de plus faibles concentrations, résultant en différentes identités V/D (Briscoe & Ericson, 1999; Chiang et al., 1996; Ericson, Morton, Kawakami, Roelink, & Jessell, 1996; Martí, Bumcrot, Takada, & McMahon, 1995; Roelink et al., 1995). Il fut également démontré que le patron spatiotemporel d’expression de Shh contribue à la diversité des populations dopaminergiques du VM. Les neurones du groupe médian précoce donnent principalement naissance aux neurones de la VTA, alors que ceux du groupe intermédiaire tardif contribuent aux trois sous-groupes de neurones mDA, contribuant cependant davantage aux neurones de la SNc (Joksimovic, Anderegg, et al., 2009).
Alors que les limites de l’isthmus se définissent par l’interaction Otx2-Gbx2, un second groupe de facteurs de transcription commencent à être exprimé par l’organisateur d’isthmus, incluant le gène Pax2 (Urbánek, Fetka, Meisler, & Busslinger, 1997), le facteur de transcription LIM à homéodomaines Lmx1b (Adams, Maida, Golden, & Riddle, 2000; Smidt et al., 2000), la glycoprotéine sécrétée Wnt1 (Adams et al., 2000; Davis & Joyner, 1988) et Engrailed-2 (En2). Similairement à Gbx2, En2 et Pax5 seront par la suite exprimés à la frontière du mésencéphale et du rhombencéphale. Ces gènes jouent un rôle critique dans la spécification régionale du mésencéphale ventral, les souris mutantes homozygotes nulles pour Otx2, Wnt1 et Lmx1b, ainsi que les souris doubles mutantes pour Pax2/5 et En1/2 présentent de majeurs défauts du VM, incluant la perte partielle ou totale des neurones mDA du mésencéphale ventral.