Figure 1. Cycle de vie deXenopus laevis
Les stades de développement de Xenopus laevis sont définis par les tables de Nieuwkoop et Faber. Le développement embryonnaire du xénope est subdivisé en différentes phases définies notamment sur base de critères morphologiques : la fécondation, le clivage, la gastrulation, la neurulation et l’organogenèse. Après la période d’organogenèse, un à deux mois s’écoulent avant que le têtard n’entame sa métamorphose pour former un xénope adulte. Ce dernier est mature sexuellement à l’âge d’un an.
A
B
Figure 2. Formation et différenciation de la crête neurale
(A) La CN est induite à la bordure de la plaque neurale. Au début de la gastrulation, la CN est positionnée à la jonction de la plaque neurale et de l’ectoderme non-neural. Durant la neurulation, la CN se retrouve au niveau dorsal du tube neural. Chez la plupart des vertébrés, les cellules de la CN se délaminent et migrent après la fermeture du tube neural. (B) La CN se différencie en de nombreux types cellulaires. Représentation schématique d’un embryon de xénope au stade neurula et au stade bourgeon caudal. Les subdivisions majeures de l’axe antéro-postérieur ainsi que le type de dérivés de la CN provenant des différentes subdivisions sont indiqués.
Figure 3. Modèle moléculaire de la spécification des feuillets embryonnaires et de l’induction neurale chez le xénope
Au stade blastula, la combinaison de VegT et β-catenin induit la formation du centre de Nieuwkoop au niveau du pôle végétal dorsal. Les cellules du centre de Nieuwkoop vont générer un gradient dorso-ventral de Xnrs qui vont induire les cellules adjacentes à former du mésoderme. Différents facteurs maternels vont limiter l’activité des Xnrs dans le pôle animal et spécifier l’ectoderme. β-catenin va induire la formation du centre BCNE dans l’ectoderme dorsal tandis que la combinaison des Xnrs et de β-catenin induisent le centre de Spemann, au niveau de la région équatoriale dorsale de l’embryon. Ces deux centres vont générer un gradient dorso-ventral de BMPs, en sécrétant des inhibiteurs extracellulaires des BMPs et induire les cellules de l’ectoderme à former du côté dorsal du tissu neural et du côté ventral de l’épiderme. CNS, système nerveux central; BCNE, Blastula Chordin Noggin Expression center; β-cat, β-catenin.
Figure 4. Modèle en double gradient d’induction de la crête neurale
(A) Un gradient médio-latéral de BMPs est établi dans l’ectoderme et spécifie la bordure de la plaque neurale à une concentration intermédiaire. (B) Un gradient antéro-postérieur croissant de Wnts et FGFs transforme la partie postérieure et latérale de la bordure de la plaque neurale en future CN. Le niveau des signaux Wnts est maintenu bas dans la partie antérieure de la plaque neurale par des inhibiteurs extracellulaires comme Dickkopf. A, antérieur; P, postérieur; M, médial; L, latéral.
Intermediate BMPs activity +FGFs +Wnts
NP Neural border NE
NP/NB TF NB/NE TF Pax3
Zic1 Msx1
AP2α
NP Neural crest NE
Extracellulars signals
Specification
NC specific TF Snail2 FoxD3 SoxE Determination/Maintenance
Figure 5. Mécanismes moléculaires régulant la spécification de la crête neurale
Une dose intermédiaire de BMPs en combinaison avec des signaux Wnts et FGFs induit l’expression des gènes de la bordure de la plaque neurale à la jonction de la plaque neurale et de l’ectoderme non-neural. Ces gènes répartis en deux sous-groupes selon leur domaine d’expression, vont spécifier la bordure de la plaque neurale. Le premier est exprimé dans la plaque neurale et en bordure de la plaque neurale (Pax3,Zic1) et le second dans l’ectoderme non-neural et la bordure de la plaque neurale (Msx1,AP2α). La combinaison de ces facteurs de transcription induit à son tour l’expression des gènes spécifiques de la CN tels queSnail2, FoxD3et les gènes SoxE qui vont déterminer la CN.
A
B
C
Figure 6. Mécanismes contrôlant la transition épithélio-mésenchyme
(A) Les cellules épithéliales perdent leur polarité apico-basale. (B) Changement dans l’architecture des cellules : perte d’adhésion cellulaire et réorganisation du cytosquelette.
(C) Dégradation de la membrane baso-latérale par des métalloprotéases, délamination et migration. Les facteurs activés durant l’EMT sont en rouge et les facteurs réprimés en bleu. TJ, tight junction; GJ, gap junction; AJ, apical junction.
Figure 7. Mécanismes moléculaires impliqués dans la migration des cellules de la crête neurale
La migration de la CN céphalique est régulée par les Eph/éphrines et les sémaphorines tandis que la migration de la CN troncale est régulée par les Eph/éphrines, les sémaphorines et Slit/Robo. Les différents facteurs contrôlant la migration des cellules de la CN sont montrés. Les flèches représentent les chemins des cellules de la CN en migration.
L’expression des différents facteurs dans les rhombomères (rb), la CN (NC) et le mésoderme (m) est montrée. De plus, la régionalisation antéro-postérieure de la migration de la CN est régulée par les Eph/éphrines et les sémaphorines.
Figure 8. Arbre phylogénétique de la famille Hairy and Enhancer of Split La famille Hairy and Enhancer of Split est divisée en 4 sous-familles : Hairy, Enhancer of Split, HRT/Hey et Stra13.Hairy2fait partie de la sous-famille Hairy.
st 13 fp nc st 18 nc st 34
cns pr
ba e
st 11 nb
st 14 st 13
st 10 st 11
st 17 st 11.5
A B C D
E
st 14
st 13 st 17
Figure 9. Expression deHairy2chez le xénope
(A-D) Profil d’expression spatial deHairy2durant le développement. (E) Représentation schématique de l’expression de Hairy2 durant la gastrulation et la neurulation. Les stades de développement sont indiqués. nb, bordure de la plaque neurale; fp, plancher du tube neural; ba, arcs branchiaux; nc, CN; pr, pronéphros; e, œil; cns, système nerveux central. Les embryons sont montrés en vue dorso-antérieure (A-C, E) ou en vue latérale (D).
WRPW
basic Orange
intermediate N-term HLH
HC
Figure 10. Représentation schématique de la structure de la protéine Hairy2
Les différents domaines de Hairy2, conservés chez les autres membres de la sous-famille Hairy, sont indiqués.
Figure 11. Arbre phylogénétique de la famille Stat
La famille des Stats comprend 7 membres chez les vertébrés. Les homologues deStat3 et des autres Stats chez le poisson zèbre (Dr), le xénope (Fr), l’humain (Hs) et la souris (Mm) sont montrés.
DNA binding N-term
Coiled-coil
SH2
Transactivation Linker
pTyr705 pSer727
aLys685 mArg31
Stat3α
Stat3β A
B
C
Figure 12. Représentation schématique de la structure de la protéine Stat3
(A) Les différents domaines et les sites de modifications post-traductionnelles de Stat3 sont montrés. Le site de méthylation en Arg31, le site d’acétylation en Lys685 et les sites de phosphorylation en Tyr705 et Ser727 sont indiqués. (B) L’isoforme tronquée de Stat3 en C-terminal (Stat3β) dont la plus grande partie du domaine de transactivation et le site de phosphorylation en Ser727 sont délétés, est représentée. (C) Représentation de la structure tridimensionnelle d’un dimère de Stat3 lié à l’ADN. Les domaines de Stat3, les sites de modifications post-traductionnelles et la localisation des sites de liaison à de nombreuses protéines sont montrés.
Figure 13. Mécanismes moléculaires d’activation de Stat3
Représentation schématique des différents mécanismes de phosphorylation de Stat3 au niveau du résidu Tyr705 en réponse à des signaux extracellulaires. Stat3 est activé par des récepteurs aux cytokines via des tyrosine kinases, les JAKs. Cependant des récepteurs aux facteurs de croissance possédants une activité tyrosine kinase intrinsèque (RTKs) et des récepteurs 7M peuvent activer Stat3 directement ou par l’intermédiaire d’autres tyrosine kinases (PTKs) comme Src. La phosphorylation de la Tyr705 génère des dimères de Stat3 qui entrent dans le noyau et se lient spécifiquement à des gènes cibles.
Figure 14. Voie de signalisation canonique JAK-Stat
Phosphorylations séquentielles de tyrosines catalysées par les interactions cytokines- récepteurs. La dimérisation du récepteur permet la transphosphorylation et l’activation des JAKs. L’activation des JAKs est suivie de la phosphorylation de l’extrémité C- terminale du récepteur et du recrutement des protéines Stat3 au niveau de leur domaine SH2. Après phosphorylation en Tyr705, Stat3 dimérise et entre dans le noyau pour activer ses gènes cibles.
Figure 15. Régulation négative de Stat3
Stat3 est inhibé par de multiples mécanismes dans le cytoplasme et dans le noyau. Les phosphatases (a) et les protéines SOCS (b) bloquent l’activation de Stat3 dans le cytoplasme en le déphosphorylant ou en bloquant son interaction avec les récepteurs, respectivement. Dans le noyau, des phosphatases nucléaires (c) peuvent déphosphoryler Stat3. L’interaction avec les protéines PIAS (d) qui interagissent avec Stat3 phosphorylé, bloque sa capacité de se lier à l’ADN et d’activer ses gènes cibles.
De plus, des isoformes de Stat3 tronquées en C-terminal (e) peuvent agir comme dominant négatif soit en occupant les sites de liaison à l’ADN comme des protéines non-fonctionelles, soit en se liant à la protéine Stat3 sauvage.
A
B
Figure 16. Régulation du transport nucléo-cytoplasmique de Stat3
(A) Représentation schématique des régions nécessaires à l’importation (NLS : Nuclear Localization Sequence) et à l’exportation (NES : Nuclear Export Sequence) de Stat3 dans le noyau. (B) L’importine α3 se lie au NLS de Stat3 localisé dans le domaine coiled-coil et transloque Stat3 dans le noyau. L’exportation nucléaire de Stat3 est médiée par une exportine, CRM1, qui interagit avec Stat3 au niveau de ses NES. CC, domaine coiled-coil; DBD, domaine de liaison à l’ADN; PTKs, protéines tyrosine kinases; PTPases, protéines tyrosine phosphatases.
Stat3
Hairy2
FGFR4 Plasma membrane
Stat3
Hairy2
FGFR4 FGF
Plasma membrane
Id3 Id3 Id3 FGF
P
Stat3 target genes ON Stat3 target genes OFF
Stat3 P
Nucleus Nucleus
Receptor Plasma membrane
Receptor Ligand
Plasma membrane Ligand
A
B
Stat3 Receptor
Stat3 Receptor
P
Stat3 target genes ON Stat3 target genes OFF
Stat3 P
Nucleus Nucleus
X Z
Y
Z
Figure 1. Modèle moléculaire de la régulation de Stat3
(A) Régulation de Stat3 dans la CN. Stat3 est recruté au niveau de FGFR4 par Hairy2.
FGFR4 phosphoryle Stat3. Stat3 entre dans le noyau et active la transcription de ses gènes cibles. Ensuite, Id3 inhibe la phosphorylation de Stat3 en bloquant son interaction avec FGFR4 et Hairy2. Les gènes cibles de Stat3 ne sont plus transcrits. (B) Régulation de Stat3 : hypothèse générale. Stat3 est recruté au niveau des récepteurs par des cofacteurs (X) exprimés de manière tissu spécifique. Similairement, Stat3 coopère dans le noyau avec d’autres facteurs de transcription (Y), exprimés eux aussi de manière restreinte, afin d’activer un groupe de gènes communs. Stat3 est ensuite bloqué par d’autres facteurs (Z) qui peuvent agir au niveau de sa liaison aux récepteurs, de son transport nucléo- cytoplasmique ou de sa capacité à lier l’ADN.
Stat3 FGFs
Hairy2
Delta1/Notch
Id3
BMP4
Wnts Intermediate BMPs
Neural border genes
Neural plate border Ectoderm
Neural crest specific genes
Neural crest
Figure 2. Modèle d’induction de la crête neurale chez le xénope
Intégration des voies de signalisation FGF, Wnt, BMP et Notch avec Hairy2,Stat3 et Id3à la bordure de la plaque neurale. Durant la gastrulation, les FGFs et un niveau intermédiaire de BMPs induisent la formation de la bordure de la plaque neurale dans l’ectoderme en activant l’expression des gènes de la bordure de la plaque neurale. Stat3, activé directement par les signaux FGFs, maintient à l’état indifférencié la bordure de la plaque neurale en induisant l’expression de Hairy2 qui, à son tour, réprime les gènes spécifiques de la CN et diminue la transcription deBMP4. Stat3 active aussi l’expression des gènes de la bordure de la plaque neurale. Ensuite, Hairy2 et Stat3 coopèrent pour induire Delta1, un ligand de Notch. La voie Notch active ses cibles directes dont Id3et initie la transition des cellules de la bordure de la plaque neurale en cellules de la CN. Id3 interagit avec Stat3 et Hairy2 et bloque leur activité, permettant l’expression des gènes spécifiques de la CN. Les signaux Wnts sont également requis en aval des FGFs, de Stat3 et de Hairy2 pour induire la CN et activer les gènes spécifiques de la CN. Les flèches noires pleines représentent des régulations transcriptionnelles et les flèches noires en pointillés des régulations indirectes.
Les flèches bleues représentent des interactions protéine-protéine.
Neural Border cell
Chondrocyte
Glioblast Neural Crest common
progenitor cell
Chondroblast Notch
Notch ?
Notch ?
Notch ?
Notch ? Melanoblast
Melanocyte Neuron
Developmental stage Expression in Neural Crest
st. 11 st. 12
st. 13
st. 14
Neuroblast
Glioblast
Glial cell Melanocyte
Hairy2 Snail2
Sox9 Sox10 st. 32
Id3
Figure 3. Modèle hypothétique de différenciation de la crête neurale chez le xénope Génération hypothétique des progéniteurs de la CN à partir des cellules de la bordure de la plaque neurale. Le mécanisme moléculaire centré sur Stat3 pourrait être utilisé par les différentes populations de cellules pour proliférer et se différencier successivement en progéniteurs de la CN, en progéniteurs restreints (chondroblastes, neuroblastes, mélanoblastes et glioblastes) et en cellules différenciées telles que les chondrocytes, neurones, mélanocytes et cellules gliales. Notch pourrait jouer le rôle d’initiateur des différents programmes de différenciation. Le moment d’expression de certains facteurs de transcription importants dans la CN est montré. Hairy2, Id3, Snail2, Sox9 et Sox10 sont exprimés respectivement aux stades 11, 12-12.5, 12, 12-12.5 et 14. Les flèches blanches indiquent le renouvellement cellulaire des différents progéniteurs.
