rôles de la notochorde dans le développement des vertébrés

Patterning

la notochorde a plusieurs rôles bien établis dans le patterning entourant les tissus. Comme ces questions ont été examinées de manière approfondie ailleurs (Cleaver et Krieg,2001; Dodd et al., 1998; Hogan et Bautch, 2004; Holland et coll., 2004), je seulementmention certains des rôles principaux ici. Peut-être le mieux caractérisé est lerôle de la notochorde dans le modelage du tube neural., Une série d’expérimentations impliquant à la fois la transplantation et l’élimination de la notochorde au cours du développement a montré que la notochorde peut signaler la formation de la plaque de plancher, qui est le destin le plus ventral de la moelle épinière (Placzek et al., 1991; van Straaten et coll., 1989; Yamada et coll., 1991). Parmi les signaux sécrétés par la notochorde se trouvent les protéines Hedgehog (Hh). SonicHedgehog, en particulier, induit une gamme de destins de la moelle épinière ventrale de manière agradée tout en supprimant simultanément l’expression de gènes dorsaux caractéristiques (Placzeket al., 1993; Yamada et coll.,, 1993; Yamada et coll.,1991). Renforçant et maintenant les événements de développement antérieurs,les signaux de notochorde sont également impliqués dans l’établissement de L’asymétrie LR; l’ablation de la notochorde chez Xenopus gastrulae entraîne une randomisation de l’asymétrie (Danos et Yost, 1995; Lohr et al.,1997). Chez les téléostéens, les signaux HH dérivés de notochord contrôlent la formation du myoseptum horizontal, ainsi que la spécification des destins musculaires à contraction lente (Barresi et al., 2000; Devoto et coll.,1996). Les signaux dérivés de Notochord sont importants pour spécifier leformation de l’aorte dorsale (couperet etal., 2000; Fekany et coll.,, 1999; Isogai et coll., 2003; Lawson et coll., 2002), ainsi que pour la spécification normale du champ cardiaque(Goldstein et Fishman, 1998).Enfin, la notochorde est importante pour le développement normal de l’endoderme précoce et du pancréas (Cleaver andKrieg, 2001; Kim et al.,1997).

Structural

bien que les rôles structuraux de la notochorde soient essentiels au développement normal des invertébrés, la notochorde joue également un rôle structural essentiel.,La notochorde est le principal élément squelettique axial de l’embryon précoce chordé;sans une notochorde complètement différenciée, les embryons ne s’allongent pas(Odenthal et al., 1996;Saúde et coll., 2000; Schulte-Merker et coll., 1992; Schulte-Merker et coll., 1994;Stemple et coll., 1996; Talbot et coll., 1995). Pour de nombreuxespèces, cela se traduit par l’incapacité de nager correctement, d’échapper à la prédationet de se nourrir. Une certaine compréhension de cette fonction de la notochorde a été obtenue à partir d’études sur les mutations du poisson zèbre(Driever et al., 1996; Haffter et coll., 1996)., Un certain nombre de loci impliqués dans la formation de notochords ont été identifiés dans plusieurs criblages systématiques à grande échelle pour les mutations affectant l’embryogenèse du poisson zèbre(fig. 3) (Odenthal et coll., 1996;Stemple et coll., 1996). Comme je l’ai discuté, quelques-uns des loci identifiés dans ces cribles ont été trouvés importants pour la formation duoderme des chordames, mettant en évidence les rôles de signalisation importants de la notochorde. La plupart des loci, cependant, ont été trouvés pour être profondément importants pour les aspects structurels de la fonction notochord.,

pour comprendre la structure de la notochorde, il est utile de considérer la notochorde comme faisant partie d’un système mécanique nécessaire à la locomotion(fig. 4). Les embryons de poisson zèbre, par exemple, sont capables de retourner leur queue dans les 1 jour suivant la fécondation et de nager dans les 3 jours. Par analogie, la notochord est comme un tuyau d’incendie, possédant une gaine solide mais flexible qui peut résister à des pressions hydrostatiques élevées. Considérons alors une situation dans laquelle le tuyau d’incendie est rempli de ballons d’eau, chacun poussant l’un contre l’autre et contre la gaine., Dans une telle disposition, le tuyau d’incendie serait allongé et rigide, mais capable de se plier dans n’importe quelle direction. Enfin, avec des câbles qui courent le long du haut et du bas du tuyau d’incendie gonflé, les câbles résisteraient à toute flexion vers le haut ou vers le bas du tuyau, et toute force agissant sur le tuyau d’incendie le dévierait latéralement.Pour l’embryon de poisson-zèbre, l’équivalent du tuyau d’incendie est la membrane basale Péri-notochordale et les ballons d’eau sont les cellules vacuolatednotochord. Courir le long du haut de la notochorde est la plaque de sol etle long du fond est l’hypochorde., Compatible avec ce rôle structurel, les deuxla plaque de plancher et l’hypochorde expriment une variété de protéines cartilagineuses,telles que le collagène de type II (Yan et al.,1995). En outre, des mutations dans des gènes tels que oep etcyclops (Ndr2 – Zebrafish Information Network), qui entraînent une perte importante de la plaque de plancher, produisent également des embryons présentant une courbure profonde vers le bas (Hatta, 1992; Hatta et al., 1991; Schier et coll.,1997). Ainsi, bien que pas encore directement établi, il est possiblque la plaque de sol et l’hypochorde agissent comme des câbles sur les côtés dorsaux et ventraux respectifs de la notochorde.,

chez le poisson zèbre, la formation de la membrane basale Péri-notochordale et le vacuole sont chacun affectés par deux classes phénotypiques de mutations. Une classe, à l’origine trouvée pour affecter à la fois le développement de la notochorde et du cerveau, comprend les loci maladroits, grincheux et somnolents. Ces loci ont récemment été trouvés pour coder laminine α1 (timide), lamininß1 (grincheux) et laminine γ1 (somnolent), qui sont des constituants de la membrane basale(Parsons et al., 2002) (S. M. Pollard, thèse de Doctorat, Université College de Londres, 2002)., La deuxième classe d’ofmutations a été initialement trouvée pour affecter le développement de notochord et de mélanophore tôt dans l’embryogenèse, menant finalement à la mort cellulaire catastrophique tout au long des embryons Mutants. Cette classe comprend éternuement, heureux etdopey, qui codent respectivement les chaînes α, β et Y du complexe coatomère, qui est un composant important de la voie sécrétoire et est essentiel à la survie de toutes les cellules eucaryotes(Coutinho et al., 2004). Le complexe de Thecoatomer serait normalement considéré pour remplir une fonction eucaryotique., Il est surprenant que la perte de l’activité des coatomères dans les embryons de zebrafish conduirait à un phénotype de notochorde. Une explication est que le catomère est fourni par la mère, et que la notochorde en formation est parmi les premiers tissus dans lesquels la demande sécrétoire dépasse l’offre maternelle. Cette perte d’activité sécrétoire entraîne la perte de la membrane basale de la notochorde et l’échec de la formation de la vacuole. Ensemble, la laminine du poisson zèbre et les coatomermutants soulignent l’importance de la structure des notochords pour sa fonction.,

Laminines et structure de notochorde

Les Laminines sont des complexes protéiques hétérotrimériques obligatoires constitués de chaînes ana, β Et γ et font partie intégrante des membranes basales.Les membranes basales sont des structures omniprésentes avec des rôles divers, mais elles sontgénéralement associées à un épithélium. Typiquement dans une membrane basale, les trimers de laminine polymérisent pour former un maillage, qui est réticulé à un maillage de collagène typeIV par des nidogènes (Colognato et Yurchenco,2000; Iozzo, 1998;Timpl et Brown, 1996;Yurchenco et O’rear, 1994).,De plus, les héparines-sulfatéprotéoglycanes sont associées aux membranes basales (Iozzo, 1998).Les membranes basales sont importantes pour définir les limites entre les tissus, pour la signalisation entre les cellules et, dans certaines situations,pour fournir une barrière mécanique forte (Timpl et Brown, 1996). Ce dernier rôle revêt une importance particulière dans la membrane basale de l’appareil de filtration tout en supportant des pressions hydrostatiques élevées(Miner et Li, 2000). Ceci est similaire au rôle que joue la membrane basale Péri-notochordale.,

Laminines sont diverses, reflétant probablement la diversité de leurs rôles. Chez les humainsil y a cinq gènes α, quatre β et trois γ codant pour la laminine.Grâce à diverses combinaisons de chaînes α, β Et γ, jusqu’à 12 isoformes différentes de laminine ont été identifiées(Colognato et Yurchenco,2000). Chez le poisson zèbre, jusqu’à présent, la plupart des gènes de la laminine peuvent être trouvés dans la séquence génomique, bien que seuls quelques-uns aient été séquencés en tant qu’ADNc de pleine longueur.,

Le clonage positionnel des loci bashful, grumpy andsleepy du poisson zèbre a conduit à l’identification de trois chaînes de laminines;α1, β1 et γ1 (Parsons etal., 2002) (S. M. Pollard, thèse de Doctorat, Université College de Londres,2002). Les phénotypes mutants de grincheux et somnolent sontdistinguable, alors que le phénotype timide est toujours plus faible.,Au cours du développement d’embryons Mutants grincheux et somnolents,le phénotype de notochorde apparaît d’abord lorsque les vacuoles ne se forment pas correctement et lorsque les gènes qui sont exprimés de manière caractéristique par le ordamésoderme, tels que echidna hedgehog, ne s’éteignent pas, comme ils le feraient lors de la différenciation normale des notochords. L’analyse au microscope électronique de la membrane basale Péri-notochordale montre qu’elle est complètement absente chez ces mutants, et la coloration des anticorps montre une absence totale d’immunoréactivité à la laminine 1 chez les embryons Mutants grincheux et endormis les plus gravement atteints., Dans les embryons mutants les plus faibles,la membrane basale Péri-notochordale ne manque que dans les régions antérieuresaffectées de la notochorde. Dans le postérieur de ces embryons, laotochorde est normalement différenciée et présente une immunoréactivité à la laminine 1. Les différences entre timide et grincheux ou somnolent sont dues à une redondance entre les chaînes α de la laminine. La perturbation de l’expression de laminina4 chez les embryons de mutants timides, dépourvus de laminina1, conduit au phénotype notochorde sévère observé chez les mutants grincheux et apathiques, et à une perte complète de l’immunoréactivité de la laminine 1 (S. M., Pollard, thèse de doctorat, University College London, 2002).

ces quatre chaînes de laminine – α1, α4, β1 et γ1– participent à la formation du Sous-sol Péri-notochordalmembrane, et le chordamesoderm exprime l’ARNm pour chaque chaîne. Mais thenotochord seul compte pour la laminine dans sa membrane basale? Cette question a été traitée par un test de greffe organisateur. Dans ces expériences,un organisateur dorsal de type sauvage a été greffé dans la région ventrale d’un embryon mutanthost, ou vice-versa, et les embryons jumelés résultants ont été analysés pour la différenciation morphologique des notochords., Étonnamment, pour les tissus Mutants Grumpy et sleepy, les deux types de greffes ont conduit au même résultat, une notochorde normalement différenciée (Parsons et al., 2002). Une analyse de l’immunoréactivité de la laminine a montré que lorsque l’organisateur de type sauvage est transplanté dans des hôtes mutants, les protéines de la laminine 1 entourent la notochorde transplantée. Ainsi, les laminines peuvent être fournies soit par des sources notochordales supplémentaires, soit par la notochord elle-même.

Il existe une relation entre la différenciation des notochords et la présence de la membrane basale. Ceci implique probablement la signalisation de la membrane basale au chordamesoderm. L’état de différenciation peut êtredéterminé par l’analyse de l’expression génique. Par exemple, echidnahedgehog, qui est un homologue de poisson-zèbre du hérisson Indien mammifère, estnormalement exprimé en chordamesoderme, mais lorsque la notochorde se différencieet les vacuoles se gonflent, l’expression échidna hedgehog est éteinte(Currie et Ingham, 1996)., Dans les mutants, cependant, échidna hérisson est exprimé de manière persistante(Parsons et al., 2002). Par contraste, lorsque la notochorde mutante se développe dans un fond de type sauvage, la notochorde se différencie normalement, suggérant qu’un signal résidant dans la membrane du Sous-sol est reçu. Une possibilité est que laminin lui-même est lesignal. Il existe de nombreux récepteurs de la laminine à la surface cellulaire,mais la perturbation de plusieurs de ces récepteurs ne parvient pas à copier le phénotype de perte de fonction de la laminine, bien que d’autres phénotypes soient apparents., Une autre possibilité est qu’un autresignal résidant dans la membrane basale Sert de différence de notochordcue. La présence de protéoglycanes d’héparine-sulfate dans les membranes basales en général, et plus particulièrement dans les membranes basales de notochorde, fournirait le contexte correct pour une variété de protéines solubles de facteur de croissance. La nature du signal de différenciation des notochords reste cependant à résoudre.

ces études montrent que la formation d’une membrane basale Péri-notochordale est essentielle non seulement à la structure de la notochorde, mais aussi à la différenciation de la notochorde propre., En effet, la perte de plusieurs autres gènes qui ne sont pas des composants membranaires de Basement, en soi, mais qui affectent la formation de la membrane basale Péri-notochordale, affecte également la différenciation de thenotochord.

les Coatomères et la structure des notochords

semblables aux mutants de laminine somnolents et grincheux, les mutants éternels, heureux et dopés sont également phénotypiquementindistinguables (Coutinho et al.,2004)., Chez ces mutants, la notochorde ne se différencie pas, mesurée à la fois par l’expression persistante de gènes marqueurs précoces, tels que le hérisson hérisson, et par l’incapacité de former des vacuoles normalement gonflées. Comme chez les mutants de la laminine, la membrane basale ne se formeproprement. Contrairement aux mutants de la laminine, cependant, à partir d’environ 48 heuresaprès la fécondation, les mutants heureux et dopés subissent une mort cellulaire généralisée par apoptose et les embryons se désintègrent. Par clonage positionnel, nous avons identifié que les protéines coatomères α, β Et β’ du poisson zèbre codent les éternuements, les heureux et les dopés(Coutinho et al.,, 2004).

SEPT sous-unités coatomères, en combinaison avec la petite GTPase Arf1, composent le manteau des vésicules COPI (Bannykh et al., 1998; Cosson et Letourneur,1997; Lowe et Kreis,1998; Nickel et Wieland, 1998). Dans les cellules eucaryotes, il y a au moins trois vésiculairesystèmes de revêtement. Les vésicules revêtues de clathrine gèrent l’endocytose et les vésicules revêtues de COPII assurent le transport de la cargaison sécrétoire de l’endoplasmicréticulum au Golgi., On pense que les vésicules revêtues de COPI sont largement responsables du transport rétrograde des enzymes dans le Golgi qui maintiennent sa polarité, et de la machinerie qui transporte les protéines du Golgi vers le réticulum endoplasmique rugueux (RER).

l’analyse au microscope électronique a révélé deux caractéristiques importantes des notochordcells chez les mutants coatomères du poisson zèbre(Coutinho et al., 2004).Tout d’abord, la voie sécrétoire est bloquée, ce qui entraîne des accumulations massives de matériaux dans le RER, et la perturbation de L’appareil de Golgi est évidente.,Deuxièmement, la membrane basale Péri-notochordale ne se forme pas. Normalement, la membrane basale Péri-notochordale a une structure trilaminaire (Fig. 5). La couche la plus proche de la membrane plasmique est un matériau unique, teinté de noir avec des liens apparents vers la membrane plasmique sous-jacente. Distale de cette couche est une couche médiane de fibres orientées dans une direction autour de la cellule de notochorde, et distale de cette couche est une couche externe de fibres orientées dans une direction orthogonale. Chez les mutants coatomères, les deux couches externes ne sont pas présentes, maisune couche interne distincte est souvent observée., Coloration avec un antibodysuggère que la couche interne comprend en grande partie de la laminine. En utilisant des greffes dorsales de tissu mutant dans des embryons de type sauvage, et vice-versa, l’origine embryonnaire des deux couches externes de cette membrane basale a été examinée. Bien que des expériences de greffage similaires avec des mutants de laminine aient montré que la laminine pouvait être fournie soit par la notochorde elle-même, soit par des sources extra-notochordales, des greffes de tissu mutant de coatomère montrent que le phénotype de la membrane basale et le phénotype de la membrane basale sont autonomes par rapport à la notochorde., Ainsi,alors que la couche interne riche en laminine peut être fournie par les tissus environnants, les couches externes de la membrane basale Péri-notochordale sont susceptibles d’être sollicitées par les cellules notochordales elles-mêmes.

la notochorde présente deux caractéristiques, une membrane basale épaisse et une vacuole,qui imposent toutes deux une demande inhabituelle sur la voie sécrétoire. Les protéines de Coatomer sont essentielles à toutes les cellules et les ARNm de protéine et de coatomer sont fournis par voie maternelle. Au cours du développement de type sauvage, les ARNm codant les protéines coatomères sont exprimés à un niveau élevé dans le chordamésoderme., En effet, lorsqu’il est observé par situhybridisation, l’expression de l’ARNm du coatomère semble être spécifique au chordamésoderme et a un modèle d’expression temporel et spatial similaire à celui de gènes tels queflh. Le niveau élevé d’expression du coatomère dans le codamésoderme en développement est susceptible d’être zygotique, et fournit ainsi une explication à la façon dont les mutations d’un gène essentiel à la cellule pourraient conduire à des défauts précoces spécifiques.