Établissement de la polarité de l’ovocyte et son contrôle par des gènes régulateurs

Polarités céphalo-caudale et dorso-ventrale des ovocytes

• Ces axes de symétrie seront les axes de l’embryon et de l’adulte.

• Résultats de l’activité de plusieurs gènes qui s’expriment dans l’ovocyte.

• Gènes maternels ou à effet maternels.

Gènes maternels de polarités

• Gènes bicoïd pôle céphaliqueInhibe de la traduction de l’ARNm caudal

Active la transcription du gène hunchback

• Gènes nanos pôle postérieur

pas un facteur de transcription

réprime la traduction du gène hunchback

• Cytosquelette joue un rôle dans la migration et la localisation des ARNm bicoïd et nanos.

Polarité dorso-ventrale

Acquisition de la polarité dorsale dans l’ovocyte de drosophile

Expression du plan de développement chez l’embryon

de drosophile

Organisation de l’embryon suivant l’axe antéro-postérieur

Régulation de l’expression d’un gène de segmentation (KNIRPS) sous l’action combinée des gènes maternels de polarité, nanos et bicoïd

Organisation dorso-ventrale de l’embryon

• Résultat de la translocation sélective d’un facteur de transcription dans les noyaux du blastoderme ventral.

• Protéine dorsal active les gènes de ventralisation (snail et twisted) et répriment les gènes de dorsalisation (Tolloïd).

• Blastoderme syncytial, la protéine dorsal est dans les noyaux de la face ventrale où sa concentration est maximale, puis elle décroît dans les noyaux du blastoderme latéral et devient nulle dans ceux de la région dorsale du blastomère.

Les gènes de segmentation

Régulation de l’expression des premiers gènes de segmentation chez l’embryon de la drosophile

Métamères et parasegments chez la drosophile (exemple d’expression d’un gène pair-rule)

Au début de la gastrulation, le blastoderme est donc constitué de rang de cellules organisés en parasegments polarisé, se succédant suivant l’axe céphalo-caudal, chaque parasegment étant aussi polarisé dorsoventralement.

Gènes de polarité26 gènes de segmentation

Gènes sélecteurs homéotiques vont déterminer les structures propres de chaque segment

Gènes homéotiques

Les gènes homéotiques déterminent les structures caractéristiques de chaque segment en sélectionnant les gènes activés dans chaque segment.

T 1, T 2, T 3 : segments thoraciques A 1, A 2, A 3....A 8 : segments abdominaux

Schéma du plan d'organisation de la drosophile sauvage normale

Cartographie des gènes homéotiques

Chez la drosophile, ces gènes sont localisés sur le chromosome 3, sont regroupés en deux régions et ils forment 2 complexes de gènes :

• le complexe « Antennapedia  »,• le complexe « Bithorax ».

Cartographie des gènes homéotiques

• Le complexe Antennapedia est constitué de 5 gènes homéobox:

– Deformed (Dfd)– mutation affecte les parasegments 0 et 1

– Sex combs reduced (Scr) - mutation affecte les parasegments 2 et 3

– Antennapedia (Antp) – mutation affecte les parasegments 4 et 5

– Labial (Lab) et proboscidea (Pb) – partie de la tête

5´ 3´

anteriorposterior

Structures de la tête et le thorax

Cartographie des gènes homéotiques

5´ 3´

anteriorposterior

Le complexe Bithorax contrôle le développement des parasegments 5-14

• ultrabithorax (Ubx)• abdominal-A (Abd-A)

• abdominal-B (Abd-B)

Structures du 3ème segment thoracique et de l’abdomen

Structure des gènes homéotiques

Homéobox: homéoboîte

Séquence de 180 pb

Homéodomaine : domaine de liaison à l’ADN de la protéine régulatrice

(Peptide 60 aa)

La structure protéique tridimensionnelle de l'homéodomaine s'organise en trois hélices a qui forment le motif hélice-boucle-hélice (ou HLH pour Helix-Loop-Helix) .

Le motif HLH constitue le domaine d'interaction avec la molécule d'ADN. C'est cette partie de la molécule qui s'insère dans le sillon de la double hélice de l'ADN et contribue à ouvrir celle-ci pour la rendre transcriptionnellement active. La séquence nucléotidique minimum reconnue par le motif HLH est constituée des quatre bases TAAT (ou ATTA complémentaire).

Modèle montrant les interactions entre la double hélice d'ADN (à droite de la figure en bleu), et l'homéodomaine (à gauche en vert). Les trois hélices a de

l'homéodomaine sont stylisées sous forme de trois cylindres qui constituent le motif HLH. Celui-ci vient s'intercaler dans le grand sillon de l'ADN. Les

sphères rouges, jaunes, blanches et bleues représentent les acides aminés qui interagissent avec les bases nucléotidiques de l'ADN situées en vis à vis.

Structure des gènes homéotiques

• Les homéodomaines de toutes les protéines régulatrices sont extrêmement proches par leur structure et ne diffèrent entre eux que par quelques aa.

• Ce degré d’homologie élevé entre les gènes homéotiques résulteraient de leur origine commune (gène ancestral).

• Les faibles différences dans la structure de leur homéodomaine permettent à chaque d’elles de se lier préférentiellement aux séquences régulatrices d’un gène déterminé.

• La nature de la régulation activation ou inhibition, dépendra aussi d’autres domaines de la protéine régulatrice.

Expression des gènes homéotiques

• Gènes homéotiques s’expriment dés la gastrulation.

• La règle de colinéarité : l’ordre dans lequel ces gènes sont localisés sur le chromosome de 3’ vers 5’ est identique à l’ordre dans lequel se succèdent les aires anatomiques où ils s’expriment de la tête vers la queue.

5´ 3´

anteriorposterior

Expression des gènes homéotiques

• L’expression des gènes homéotiques est régulée par des protéines codées antérieurement par des gènes « gap » ou « pair-rule ».

Exemple:

Fushi tarazu

Représentation des domaines d’expression des homéogènes du complexe HOM

Expression des gènes homéotiques

• Les gènes homéotiques exercent entre eux un contrôle de leur domaine d’activation respectif.

drosophile mutante « ultrabithorax »  formation d’ailes dans le 3ème segment thoracique

Tête de drosophile mutante "antennapedia"

La mutation Antennapedia a modifié les antennes en pattes.

Expression des gènes homéotiquesUn même gène homéotique peut exercer des contrôles différents.Certains gènes homéotiques ont plusieurs promoteurs et des sites d’initiation de la transcription qui sont activés par des protéines régulatrices qui diffèrent suivant les régions de l’embryon.

Gène Antennapedia (Antp)

1er promoteur 2ème promoteur

Supprimer par la protéine ultrabithorax

Activer par protéine Krüppel

Protéine régulatrice Antp Protéine régulatrice Antp

Activer par protéine hunchback et Fushi tarazu

Supprimer par la protéine oskar

Développement du thorax dorsal Développement du thorax ventral(différenciation des pattes)

Expression des gènes homéotiques

• Certains gènes homéotiques peuvent produire plusieurs protéines régulatrices par le jeu de l’épissage alternatif.

Gène Ultrabithorax

Protéine Ubx 1 Protéine Ubx 2

1 seule protéine intervient dans la détermination de l’identité des parasegments

Protéine Ubx1 + Protéine Ubx2 transforment toutes deux une antenne en patte

Les gènes régulateurs chez les vertèbres

• Gènes régulateurs contrôlant l’établissement des axes antéro-postérieur (Goosecoïd-Brachyury) et dorso-ventral (Wnt pour

ventral).

• Ils entrent en jeu au moment de la gastrulation.

Les gènes régulateurs chez les vertèbres

- Puis, gènes sélecteurs homéotiques qui déterminent le patron de l’organogenèse

: 4 complexes de gènes analogues à ceux de la drosophile.

- règle de colinéarité,

- gènes situés au même niveau dans chaque complexe sont à forte homologie

d’homéoboîte =gènes paralogues;

- expression : domaine défini et diminuant d’avant en arrière,

- (régulée par l’acide rétinoïque),

- plusieurs dans une même structure embryonnaire,

- gènes à limite d’expression + antérieure sont activés + tôt (comme pour

différenciation de l’embryon); ex : différenciation d’un membre

Cartes de répartition des gènes régulateurs homéotiques de la drosophile et d’un mammifères

En haut: complexe Hom-C, sur le chromosome 3 de la drosophile regroupant les complexes des gènes Antennapedia (ANT-C) et Bithorax (BX-C).En bas: Représentation cartographique des 4 complexes HOX: A, B, C, D portés par 4 chromosomes différents. On distingue 13 groupes paralogues; les gènes HOM et HOX appartenant à un même groupe paralogue présentent de fortes homologies.

Représentation des domaines d’expression des homéogènes du complexe HOM de la drosophile, et de HOXB de la souris.

les gènes paralogues sont exactement superposés sur les deux cartes. On constate que, pour chaque gène, la limite d’expression va en diminuant vers la région caudale. Pour une région donnée du corps, plusieurs gènes

homéotiques peuvent s’exprimer, avec parfois des degrés d’intensité différente.

Remarque : il faut donc noter une très grande conservation de ces gènes Hom/Hox (droso/mammiferes) :

• conservation de séquences (homeoboîte), de la structure protéique (homéodomaine), de l’organisation génique sur le complexe (puisque les complexes dérivent du même complexe ancestral)

• conservation du mode d’expression (tous ces gènes s’expriment selon des territoires chevauchants, avec une frontière antérieure colinéaire à la position des gènes sur le complexe)

• conservation de fonction : ils déterminent tous une identité de position aux cellules dans l’embryon.