Le développement des bourgeons de membre

La régénération des bourgeons de membre

Les Amphibiens Urodèles et tout particulièrement les salamandres et les axolotls ont d’excellentes capacités de régénération des membres et sont devenus des organismes modèles. La régénération implique non seulement le remplacement des tissus excisés (avec notamment une bonne régionalisation proximo-distale) mais aussi une bonne intégration avec les tissus restants.

Les membres d’axolotl sont composés de nombreux types de cellules différentes provenant de lignées neurales, myogéniques, épidermiques et de tissu conjonctif. Lors de l’amputation d’un membre, les cellules situées à proximité du plan d’amputation (jusqu’à 1 mm de profondeur) s’accumulent dans un tissu distinctif appelé blastème, qui sert de source de cellules progénitrices pour construire le nouveau membre. Par ailleurs, les éléments du squelette proches de la blessure sont dégradés par des ostéoclastes, ce qui permet d’avoir une pièce squelettique entièrement « rénovée » par la suite (Riquelme-Guzman et al., 2022).

*Coupes proximo-distales de membres d’axolotl en régénération, 10, 20 ou 30 jours après l’amputation colorées avec de l’hématoxyline/éosine (colorants histologiques généraux) et du bleu alcian (colore les cartilages en bleu). L’os du moignon est indiqué (stump bone). La ligne noire correspond à la ligne où a été réalisée l’amputation. On voit qu’à 10 jours, le blastème s’est mis en place et qu’à 20 jours, la croissance du cartilage est bien entamée. A 10 jours, on observe en superficie l’épithélium de cicatrisation (WE) formé par des kératinocytes qui ont migré pour refermer la blessure. Barre d’échelle = 1 mm. Source : https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0133375

La source des cellules du blastème est locale. Si, par une irradiation aux rayons X, on détruit les cellules juste derrière la cicatrice, le membre ne régénère pas alors qu’il régénère si on irradie des cellules plus éloignées.

Une fois le blastème mis en place, ses cellules prolifèrent puis elles se différencient selon une séquence proximo-distale pour redonner les structures manquantes.

Le manchon épidermique qui recouvre le blastème produit du FGF qui est essentiel pour la prolifération des cellules du blastème, ce qui rappelle les fonctions de l’AER avec le mésenchyme sous-jacent durant le développement normal. On retrouve également l’expression de Shh dans la région postérieure. Les gènes Hox sont aussi activés précocement avec Hoxa9 et Hoxa13 exprimés dans tout le blastème puis progressivement l’expression caractéristique « en nid » des gènes Hox se met en place comme lors du développement normal.

Les souches d’axolotl transgéniques dans lesquelles les descendants de types cellulaires adultes distincts peuvent être marqués, suivis et isolés au cours du processus de régénération permettent de comprendre comment des lignées cellulaires particulières se développent pendant la formation du blastème et la régénération ultérieure des membres. La combinaison de ces souches d’axolotl transgéniques avec le séquençage d’ARN en cellules isolées (scRNA-seq) permet le suivi de types cellulaires individuels, ainsi que la reconstruction des étapes moléculaires (Gerber et al., 2018). Les cellules du tissu conjonctif, descendantes du mésoderme des lames latérales, sont la lignée la plus abondante contribuant au blastème (40% environ) et régénèrent les os et le cartilage, les tendons, le périsquelette et les fibroblastes dermiques et interstitiels. Les restrictions de lignage sont plus marquées pour les autres cas : les nouvelles cellules musculaires proviennent seulement de cellules musculaires, les nouvelles cellules de Schwann proviennent uniquement des cellules de Schwann et ainsi de suite.

Chez les mammifères, les capacités de régénération sont très modestes comparées à l’axolotl et limitées au tiers distal du troisième segment phalangien (l’élément terminal). Cette réponse régénérative est spécifique du niveau d’amputation : l’amputation du tiers distal du segment phalangien terminal peut se régénérer, alors qu’une amputation du segment phalangien moyen forme seulement un cal hypertrophique de l’os (Han et al., 2008).

*Régénération de la partie distale de la dernière phalange chez la souris. A gauche, on observe la dernière phalange avant amputation. L’amputation se fait au jour 0 (D0) et on suit la régénération jusqu’au jour 42 (D42). Coloration histologique trichrome Masson. Source : https://elifesciences.org/articles/71542

Aspects Evo/Dévo

Le développement de nageoires latérales ou de membres chiridiens chez les Vertébrés utilise une cascade de régulation génétique dont certains éléments sont présents chez les Cordés non-Vertébrés qui ne forment pourtant pas de nageoires latérales ou de membres. Par exemple, le gène Tbx4/5 du Céphalocordé Amphioxus est capable de sauver le développement du bourgeon de membre antérieur d’une souris Tbx5^-/- (Minguillon et al., 2009). Le gène Tbx4/5 ne s’exprime cependant pas dans le flanc de l’Amphioxus (mais dans le coeur). On pense que le gène Tbx4/5 ancestral des Cordés s’est dupliqué chez les Vertébrés en Tbx4 et Tbx5 et que l’expression de ces gènes a été modifiée au cours de l’évolution ce qui a permis leur expression régionalisée dans le flanc, permettant aux nageoires paires et aux membres chiridiens de se développer.

**Modèle d’évolution de Tbx4 et de Tbx5 chez les Cordés. Le gène ancestral Tbx4/5 est exprimé dans le coeur (H) puis après duplication génique, Tbx4 et Tbx5 sont en plus exprimés dans le mésoderme des lames latérales (LPM) à partir duquel se développe les nageoires paires et les membres chiridiens. Il y a également une régionalisation de l’expression (Tbx5 antérieur et Tbx4 postérieur) qui n’est pas représentée ici. Source : https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.0910153106

La transition nageoire-membre est une étude de cas classique de l’évolution morphologique. Cette évolution a eu lieu au Dévonien parmi un groupe de Sarcoptérygiens (qui ont des muscles dans leurs nageoires paires contrairement au Actinoptérygiens) à partir des nageoires paires (pectorales pour les membres antérieurs et pelviennes pour les membres postérieurs). Les membres de Tétrapodes ont d’abord évolué dans des organismes exclusivement aquatiques et ce n’est qu’après qu’ils ont permis la sortie de l’eau par exaptation.

Les gènes du développement des nageoires paires du dipneuste (des Sarcoptérygiens très proches des Tétrapodes) ont fait récemment l’objet d’une étude poussée. 330 enhancers ou éléments de régulations transcriptionnels ont été comparés dans les génomes d’Actinoptérygiens, du Dipneuste et de Tétrapodes. Il en découle que 113 de ces enhancers sont présents chez les Actinoptérygiens, 31 de plus sont présents chez les Sarcoptérygiens et 9 de plus sont présents chez les Tétrapodes.

**Comparaison des enhancers impliqués dans l’expression des gènes contrôlant le développement des nageoires paires ou des membres chiridiens chez les requins (shark), les Actinoptérygiens (ray-finned fish), les Sarcoptérygiens (lobe-finned fish) et les Tétrapodes. Source : https://www.nature.com/articles/s41586-021-03198-8

On en déduit que l’essentiel du réseau de régulation génique des membres chiridiens est déjà présent chez les Sarcoptérygiens et que la formation des membres chiridiens n’a tenu qu’à l’ajout de 9 enhancers (et à des modifications chez quelques autres enhancers). C’est une vision sans doute réductionniste mais cela confirme la profondeur évolutive du réseau génétique qui façonne les membres chiridiens des Tétrapodes.

Nous avons vu que les membres des Tétrapodes sont composés de trois modules : le stylopode, le zeugopode et l’autopode, qui sont ordonnés de manière proximale à distale. En revanche, les nageoires de poisson sont souvent subdivisées en différents modules anatomiques le long de l’axe antéro-postérieur : le propterygium, le mesopterygium et le métaptérygium. L’autopode (poignet et doigts) semble être la nouveauté morphologique la plus apparente au cours de la transition nageoire-membre (Clack, 2009), bien que cette différence ait été exagérée par le passé en se concentrant sur le poisson-zèbre, un organisme modèle qui a des nageoires assez modifiées par rapport à la situation ancestrale. Plusieurs études ont en effet révélé que la régulation spécifique de Hoxa13 et Hoxd10-13, qui contrôlent la formation des autopodes, est également conservée chez les vertébrés non tétrapodes (Tanaka et al., 2016; Freitas et al., 2007; Gehrke et al. 2014), sauf que les domaines d’expression de Hoxa13 et Hoxa11 s’excluent mutuellement dans les membres de souris et de poulet tout en se chevauchant dans les bourgeons de nageoires de poisson examinés.

**Des enhancers contrôlant l’expression des gènes HoxA et HoxD 5′ chez un poisson activent l’expression d’un gène rapporteur dans l’autopode chez la souris. Des souris transgéniques sont produites où divers enhancers contrôlant l’expression des gènes HoxD 5′ (Island I, CsB) ou des gènes HoxA 5′ (e16) d’un Lepisostéidé (bar) ou du poisson-zèbre contrôlent l’expression du gène rapporteur LacZ. On constate que ces éléments sont actifs dans l’autopode de souris pour les 3 éléments provenant du Lepisostéidé avec des patrons qui rappellent les gènes HoxA/D de la souris. En revanche, l’orthologue Island 1 en provenance du poisson zèbre n’est pas activé, ce qui montre que des structures homologues à l’autopode existent chez les poissons mais que le poisson-zèbre les a perdus. Source : https://www.pnas.org/content/pnas/112/3/803.full.pdf

Bien que plusieurs différences de régulation des gènes aient été proposées pour expliquer la différence anatomique entre les nageoires et les membres, ces propositions ont été exclusivement axées sur les gènes Hox (Kherdjemil et al., 2016; Nakamura et al., 2016; Sheth et al., 2012) et il y a sans doute beaucoup de choses intéressantes à découvrir avec l’étude des autres gènes impliqués.

Signalons qu’une transition membre chiridien-nageoire (donc inverse de celle qui a eu lieu au Dévonien) a eu lieu lors de l’évolution des Cétacés pour le membre antérieur il y a enviro, 50 millions d’années. Cela s’est accompagné par un prolongement du fonctionnement de l’AER (et de la sécrétion des FGF) ce qui a permis de générer une structure plus longue, notamment de longues phalanges qui sont les principales structures portantes des nageoires antérieures des Cétacés. L’apoptose interdigitale a été bloquée en inhibant l’action des BMP par Gremlin (comme dans la patte postérieure de canard) (Cooper et al., 2004). Dans la patte postérieure des Cétacés qui a régressé et est devenu un organe vestigial, l’activité de la ZPA s’éteint très tôt ce qui provoque l’arrêt du fonctionnement de l’AER et l’arrêt prématuré du développement du membre (Thewissen et al., 2006).

POUR EN SAVOIR PLUS :

VOIR LES EXERCICES SUR LE DEVELOPPEMENT DES BOURGEONS DE MEMBRES

LIEN VERS LE GLOSSAIRE

QUELQUES LABOS FRANCOPHONES TRAVAILLANT SUR LE SUJET :

Equipe « Génomique du développement » – Université de Genève

Equipe « Formation et réparation des muscles et des tendons » – Institut de Biologie Paris-Seine