I.2.3.1. Organisation des gènes Hox en complexes
Les gènes Hox codent pour des facteurs de transcription. Ils sont apparus après de multiples évènements de duplication à partir d’un complexe HOX ancestral aboutissant à une organisation en complexe de gènes paralogues (PG) le long du chromosome. Chez la souris, on trouve quatre complexes (A-D) (Duboule and Dolle, 1989; Favier and Dolle, 1997) localisés sur des régions chromosomiques différentes (Kappen et al., 1989) portant en tout 39 gènes Hox classés en 13 familles de gènes paralogues (Scott, 1992). En conséquence, les gènes paralogues d’une même famille sont localisés à la même position relative dans leur complexe respectif. Des analyses phylogénétiques montrent que les familles Hox se divisent en quatre sous-familles de gènes, affiliées d’un point de vu évolutif : les gènes « antérieurs » (PG1 et PG2 chez les chordés, lab et pb chez les insectes), les gènes du groupe 3 (PG3 chez les chordés, zen/PG3 chez les insectes), les gènes « médians » (PG4 à PG8 chez les chordés, Dfd à abd-A chez les insectes) et les gènes « postérieurs » (PG9 à PG13 chez les chordés, Abd-B chez les insectes) (Brooke et al., 1998; Banerjee-Basu and Baxevanis, 2001) (Figure 14). Il existe jusqu’à 15 familles de gènes paralogues chez l’amphioxus (céphalochordé) (Holland et al., 2008).
Figure 14: Organisation génomique et colinéarité spatiale des gènes homéotiques (HOM) de drosophile et des gènes Hox de souris. Les shémas des complexes Ant-C et BX-C de drosophile, des quatre complexes HOX de drosophile et d’un complexe hypothétique ancestral sont représentés avec leur possible relation phylogénétique. Chaque gène est marqué d’un carré de couleur. Les domaines d’expression successifs des gènes HOM/Hox selon l’axe antéro-postérieur sont shématisés dans un embryon de drosophile (partie haute) ainsi que dans le système nerveux central et les prévertèbres d’un embryon de souris en mi-gestation (partie basse). Le chevauchement partiel des transcrits des gènes HOM dans les segments thoraciques et abdominaux de l’embryon de drosophile sont indiqués. En revanche, le chevauchement des transcrits des gènes Hox dans les régions postérieures de l’embryon de souris ne sont pas représentés. Ainsi, chaque couleur représente le domaine d’expression le plus antérieur d’une famille de gène donnée. Abbréviations des gènes HOM : lab (labial); pb (proboscipedia); Dfd (deformed); Scr (sex combs reduced); Antp (antennapedia); Ubx (ultrabithorax); abd-A (abdominal-A); Abd-B (abdominal-B). Schéma tiré de (Favier and Dolle, 1997).
L’organisation génomique de ces gènes en complexe est conservée parmi les ecdysozoaires (Ferrier and Akam, 1996; Ruvkun and Hobert, 1998; Devenport et al., 2000; Powers et al., 2000; Brown et al., 2002), les lophotrochozoaires (Kmita-Cunisse et al., 1998) et les deutérostomes (Acampora et al., 1989; Duboule and Dolle, 1989;
Garcia-Fernandez and Holland, 1994; Amores et al., 1998; Martinez et al., 1999; Kim et al., 2000; Minguillon et al., 2005). Le nombre de complexes HOX est variable des invertébrés aux vertébrés.
L’organisation des gènes Hox en complexe semble donc être une caractéristique conservée ayant subit une importante pression de sélection et qui pourrait refléter l’importance de la disposition de ces gènes les uns par rapport aux autres, nécessaire à l’obtention d’une régulation correcte (Mann, 1997; Duboule, 2007). Cependant, dans certains phyla de bilatériens (urochordé, nématode, arthropode, échinoderme, plathelminthe) il existe des espèces chez lesquelles le complexe HOX s’est scindé (Ferrier and Holland, 2002; Edvardsen et al., 2005; Pierce et al., 2005; Cameron et al., 2006). Enfin, il existe encore de nombreuses espèces, notamment chez les lophotrochozoaires, pour lesquelles des fragments de gènes Hox ont pu être isolés, mais où l’organisation en complexe n’a pas été démontrée (Bayascas et al., 1997; de Rosa et al., 1999; Orii et al., 1999; Nogi and Watanabe, 2001). Les premiers gènes Hox de cnidaires ont été isolés chez Sarsia (hydrozoaire) dans les années 90 (Murtha et al., 1991). Depuis de nombreux autres ont été caractérisés dans le phylum des cnidaires et l’étude de leur liaison génétique est rendue plus facile depuis le séquençage des génomes de Nematostella (Sullivan et al., 2006; Putnam et al., 2007) et d’Hydra magnipapillata (voir I.2.5.). En revanche aucun gène Hox n’a été caractérisé dans le phylum des spongiaires. Les gènes Hox sont donc très conservés au cours de l’évolution depuis les cnidaires jusqu’au bilatériens, mais leur organisation en complexe n’a pas forcément été conservée. L’étude du nombre et de l’organisation des gènes Hox chez les cnidaires permet d’inférer l’histoire évolutive de ces gènes.
C’est la démarche que nous avons suivie dans le chapitre 1 (II.1.).
I.2.3.2. La colinéarité spatiale et temporelle et la prévalence postérieure
Dans les complexes HOX de vertébrés, tous les gènes sont transcrits à partir du même brin d’ADN. Ainsi chaque complexe est défini par une orientation générale 5’
vers 3’ correspondant à la direction de la transcription. Le nombre et l’organisation de ces complexes sont très similaires d’un vertébré à un autre (Izpisua-Belmonte et al., 1991; van der Hoeven et al., 1996). Chez la souris et chez la drosophile, ces gènes sont exprimés dans des domaines spécifiques, parfois chevauchants, le long de l’axe antéro-postérieur (Gaunt, 1988; Dolle and Duboule, 1993; Duboule and Morata, 1994;
Krumlauf, 1994) suivant une colinéarité spatiale (Lewis, 1978; Duboule and Dolle, 1989; Graham et al., 1989): la position des gènes Hox le long du chromosome reflète leur domaine d’expression antérieur le long de l’axe antéro-postérieur au sein d’un
même tissu (système nerveux central et périphérique, dérivés mésodermiques, système digestif et urogénital). Ainsi les gènes localisés le plus en 3’ s’expriment le plus antérieurement alors que les gènes les plus en 5’ s’expriment le plus postérieurement (Figure 14). Cette propriété est conservée chez la souris, le poulet et la drosophile (Sundin and Eichele, 1992; Gaunt, 1994).
Chez les vertébrés, la colinéarité spatiale est associée à une colinéarité temporelle.
L’activation successive des gènes Hox au cours de développement embryonnaire reflète l’ordre de ces gènes le long du complexe. Ainsi, les gènes situés à l’extrémité 3’ sont activés plus précocement au cours du développement embryonnaire que les gènes situés en 5’. Il s’en suit une activation séquentielle des gènes adjacents situés plus en 5’ (Dolle et al., 1989; Deschamps and van Nes, 2005). Une autre caractéristique des gènes Hox chez les vertébrés est qu’ils répondent à la règle de la prévalence posterieure. Les gènes postérieurs inhibent les gènes antérieurs dans les régions où ils se chevauchent. C’est ainsi que les gènes Hox agissent dans la limite antérieure de leur domaine d’expression (Duboule and Morata, 1994; Mann, 1997). Le rôle des gènes Hox fait l’objet de nombreuses recherches, la plupart utilisant la souris et la drosophile comme système modèle où de nombreuses lignées transgéniques pour les gènes Hox sont en effet disponibles (Wellik and Capecchi, 2003; Tarchini and Duboule, 2006; Tschopp et al., 2009). Des études fonctionnelles portant sur ces gènes dans des phyla plus ancestraux comme les cnidaires apparaissent comme un prérequis pour mettre en évidence les modes de régulation ancestraux conservés chez les bilatériens.
I.2.3.3. Les gènes Hox fonctionnent comme des gènes sélecteurs
Chez les organismes à symétrie bilatérale, les gènes Hox apparaissent comme les régulateurs clés spécifiant la diversité régionale morphologique le long de l’axe antéro-postérieur (Pearson et al., 2005) et ceci chez des espèces animales présentant des aspects morphologiques très différents.
En tant que facteurs de transcription, l’expression des gènes Hox est gouvernée par les gènes activateurs et agissent eux-mêmes comme gènes sélecteurs. Leurs fonctions dépendent donc de l’activation de différents groupes de gènes en aval (Hueber and Lohmann, 2008). Ceux-ci peuvent aussi bien être d’autres facteurs de transcription comme d’autres gènes à homéoboîte, des acteurs appartenant à des cascades de signalisation ou pour la plupart directement des gènes réalisateurs conduisant des fonctions cellulaires (prolifération, apoptose, différenciation, polarité
cellulaire, croissance cellulaire) (Foronda et al., 2008; Hueber and Lohmann, 2008;
Rogulja-Ortmann and Technau, 2008).
En contrôlant directement des gènes réalisateurs, les gènes Hox fournissent une identité unique aux cellules dans les différentes régions du corps des animaux où ils s’expriment. Leur contribution aux grandes voies de signalisation les place par ailleurs comme faisant partie intégrante du réseau de gènes qui contribue aux modifications de structures homologues et à la création de nouveaux organes (Foronda et al., 2008).
I.2.3.4. Fonction au cours de la mise en place du système nerveux
Les gènes Hox participent à la mise en place du système nerveux. Cette fonction est conservée au cours de l’évolution et ils participent à l’établissement d’une identité neuronale régionalisée (Gavalas et al., 1998; Hirth et al., 1998; Studer et al., 1998).
Les gènes Hox s’expriment d’une manière similaire, dans un ordre défini selon l’axe antéro-postérieur, dans le système nerveux en développement des insectes et des vertébrés (Figure 15). Toutefois, la fonction des gènes Hox lors de la mise en place du cerveau des vertébrés se restreint à la partie postérieure.
Figure 15: Shéma simplifié comparatif des domaines d’expression des gènes Hox dans le système nerveux central de la drosophile et de la souris. a) Domaines d’expression des gènes homéotiques du complexe Antennapedia et Bithorax dans le système nerveux central de la drosophile : lab (labial), pb (proboscipedia), Dfd (Deformed), Scr (Sex combs reduced), Antp (Antennapedia), Ubx (Ultrabithorax), abdominal-A (abd- A) et Abdominal-B (Abd-B). b) Expression des gènes homéotiques Hoxb-1, Hoxb-2, Hoxb-3, Hoxb-4, Hoxb-5, Hoxb-6, Hoxb-7, Hoxb-8 et Hoxb-9 dans le système nerveux central de l’embryon de souris. Abbreviations:
b1, protocerebrum; b2, deutocerebrum; b3, tritocerebrum; s1, mandibular neuromere; s2, maxillary neuromere; s3, labial neuromere; T, telencephalon; D, diencephalon; M, mesencephalon; 1–8, rhombomeres 1–8; wt, wild type. Schéma modifié d’après (Hirth and Reichert, 1999).
Lors du développement du cerveau et de la chorde nerveuse ventral de la drosophile, les gènes Hox s’expriment dans des domaines particuliers. Souvent, la limite antérieure de leur domaine d’expression coïncide avec les frontières des compartiments neuromériques (Hirth and Reichert, 1999). Chez les vertébrés, les gènes Hox sont exprimés avant la formation des rhombomères dans le cerveau postérieur et dans la moelle épinière du système nerveux en développement. Au cours de l’embryogénèse, les domaines d’expression se restreignent progressivement en des localisations plus spécifiques. Les gènes Hox orthologues partagent donc une expression et une fonction similaire chez les bilatériens soutenant l’idée d’une origine commune du système nerveux central (Lichtneckert and Reichert, 2005).
La régionalisation postérieure du cerveau par les gènes Hox s’accompagne d’une régionalisation du cerveau antérieur par les gènes otd/Otx et ems/Emx (nommés gènes gap chez la drosophile) tandis que la régionalisation du cerveau moyen repose sur les gènes Pax2/5/8. Ce plan de base d’une régionalisation en trois parties du cerveau embryonnaire a été rapporté chez les vertébrés, mais également chez les urochordés, les hémichordés et les arthropodes (Wada et al., 1998; Holland and Holland, 1999; Wada and Satoh, 2001; Hirth et al., 2003; Lowe et al., 2003). Ce mode d’organisation était donc vraisemblablement déjà présent chez l’ancêtre commun des bilatériens.