Développement Embryonnaire Humain: Étapes et Mécanismes

UE2 – Biologie du développement

Ce cours, présenté par Emmanuelle Havis du Laboratoire de Biologie du Développement (IBPS), aborde les étapes clés du développement humain, de la fécondation à la différenciation cellulaire, en passant par la gastrulation, la neurulation et la formation des arcs branchiaux. Il met également en lumière les pathologies associées aux défauts de ces processus.

Le développement humain : Chronologie et structures clés

Le développement humain est un processus complexe et séquentiel, marqué par l'apparition progressive de structures et d'organes. Voici les principales étapes et les éléments qui les caractérisent :

• Fécondation : Point de départ du développement.
• 2 cellules (1er jour) : Première division cellulaire après la fécondation.
• Morula (4ème jour) : Stade où l'embryon est une masse compacte de cellules.
• Blastocyste (7ème jour) : Structure creuse avec une masse cellulaire interne et un trophectoderme.
• Disque embryonnaire (3ème semaine) : Formation d'un disque didermique, puis tridermique.
• Embryon (4ème semaine) : Début de l'organogenèse.
• Placenta : Organe d'échanges entre la mère et l'embryon/fœtus.
• Foetus (à partir de 8 semaines) : Stade où les principaux organes sont formés.
• Cordon : Cordon ombilical, reliant le fœtus au placenta.

Les structures embryonnaires et extra-embryonnaires essentielles incluent :

• Masse cellulaire interne (MCI) : Donne l'embryon et les annexes extra-embryonnaires.
• Trophectoderme : Couche externe du blastocyste, à l'origine du trophoblaste.
• Trophoblaste : Dérive du trophectoderme après implantation, forme une partie du placenta.
• Cavité amniotique : Contient le liquide amniotique, protège l'embryon.
• Amnios : Membrane délimitant la cavité amniotique.
• Vésicule vitelline : Rôle nutritif précoce.
• Cytotrophoblaste et Syncytiotrophoblaste : Deux couches du trophoblaste après implantation.
• Chorion : Membrane externe des annexes embryonnaires, participe à la formation du placenta.
• Début de formation du cordon ombilical.

Les deux premières semaines du développement humain

Chronologie des premières étapes du développement humain

Les deux premières semaines sont cruciales pour l'établissement des structures fondamentales de l'embryon et de ses annexes.

Abréviations :

• TE : Trophectoderme
• EPI : Épiblaste
• E.Pr. : Endoderme primitif
• CST : Cellules souches du trophoblaste
• CSE : Cellules souches embryonnaires / Masse Cellulaire Interne
• EEE : Endoderme Extra Embryonnaire
• CT : Cytotrophoblaste
• SCT : Syncytiotrophoblaste

La première semaine du développement humain

La première semaine est caractérisée par la division cellulaire et la formation du blastocyste.

• Division holoblastique, lente, rotationnelle : Type de division cellulaire de l'embryon humain.
• Au stade 8 cellules : Compaction : Les cellules se resserrent, s'aplatissent et établissent des jonctions cellulaires.
• Au stade 16 blastomères : Deux populations se distinguent :
  • Les cellules de la masse cellulaire interne (MCI) qui donneront l'embryon et les annexes extra-embryonnaires.
  • Les cellules les plus externes qui constituent le trophectoderme.

Trophoblaste et Trophectoderme : Comparaison

Ces deux structures jouent un rôle essentiel dans l'implantation et la formation du placenta.

Le diagnostic pré-implantatoire (DPI) est proposé aux couples ayant « une forte probabilité de donner naissance à un enfant atteint d'une maladie génétique d'une particulière gravité reconnue comme incurable au moment du diagnostic » (Article L2131-4 du code civil).

À l'issue de la deuxième semaine : la sphère extra-embryonnaire

La nidation est le processus par lequel l'embryon et les tissus extra-embryonnaires s'implantent dans la paroi utérine.

• La couche la plus externe est un syncytium (ensemble de cellules comportant plusieurs noyaux après la fusion de plusieurs cellules) issu du trophectoderme, le syncytiotrophoblaste.
• Cette couche est limitée intérieurement par le cytotrophoblaste dans lequel les cellules sont individualisées et gardent une membrane plasmique. Le cytotrophoblaste est "tapissé" par un tissu provenant de la masse cellulaire interne, le mésoderme extra-embryonnaire. Ces tissus forment le chorion.
• Entre le mésoderme extra-embryonnaire qui borde les structures internes de l'embryon et celui qui borde la couche de cytotrophoblaste, se trouve une cavité : le cœlome extra-embryonnaire.
• Le chorion et le cœlome extra-embryonnaire forment la sphère extra-embryonnaire (2,5 mm de diamètre).
• Le mésoderme extra-embryonnaire relie le chorion et la sphère embryonnaire par un pédicule embryonnaire.

Les annexes extra-embryonnaires seront constituées à partir du cytotrophoblaste, du syncytiotrophoblaste, de l'amnios, de la vésicule vitelline secondaire et de l'ensemble du mésoderme extra-embryonnaire.

De la vésicule vitelline primaire à la vésicule vitelline secondaire

La vésicule vitelline subit une transformation au cours de la deuxième semaine.

À l'issue de la deuxième semaine : la sphère embryonnaire

La sphère embryonnaire est organisée autour de deux cavités et est formée de deux demi-sphères.

• Dans la première demi-sphère, la cavité amniotique est délimitée par l'épithélium amniotique et le disque embryonnaire, constitué à ce stade d'un épithélium simple, l'épiblaste, à l'origine de tous les tissus embryonnaires.
• Dans la deuxième demi-sphère, la vésicule vitelline secondaire est définie par l'endoderme pariétal, au contact du mésoderme extra-embryonnaire, et par l'endoderme viscéral, situé ventralement par rapport à l'épiblaste. Ces deux endodermes proviennent de l'endoderme primitif lors de son évolution au cours de la 2ème semaine.
• La partie externe de ces cavités est doublée par une couche de mésoderme extra-embryonnaire.

À la fin de la deuxième semaine de développement, l'embryon humain forme un disque embryonnaire didermique (200 µm de diamètre), c'est-à-dire constitué de deux feuillets : l'épiblaste et l'endoderme viscéral (ou hypoblaste ou endoderme primitif). Il est entouré de deux cavités.

Coupe longitudinale d'un embryon humain de 14 jours

• Sang maternel
• Pédicule embryonnaire et Amnios
• Vésicule vitelline
• Sphère embryonnaire (d: 200µm)
• Chorion
• Sphère extra-embryonnaire (d: 2,5mm)
• Disque embryonnaire = Épiblaste et Endoderme viscéral

Comment passe-t-on d'un disque embryonnaire didermique à un embryon composé des trois feuillets embryonnaires : Ectoderme, Mésoderme, Endoderme ? C'est le rôle de la gastrulation.

Résumé des deux premières semaines de développement : Chronologie

Cette période est marquée par des transformations rapides, de la fécondation à l'établissement du disque didermique.

Troisième semaine de développement humain : gastrulation et induction neurale

La troisième semaine est un tournant majeur du développement, caractérisée par la gastrulation et l'induction neurale.

Chronologie des premières étapes du développement humain

Cette période est marquée par l'établissement des trois feuillets embryonnaires et l'initiation du système nerveux.

Pendant la 3ème semaine, la modification du disque embryonnaire se réalise en trois étapes :

1. Du 15ème au 17ème jour : Mise en place de la ligne primitive, du nœud, de l’endoderme définitif et du 3ème feuillet appelé mésoderme.
   • La ligne primitive apparaît dans la partie caudale du disque, le long de l’axe médian.
   • Son orientation prédétermine l’axe longitudinal, l’axe crânio-caudal de l’embryon.
   • Elle marque donc le plan de symétrie bilatérale du futur embryon.
   • La ligne primitive s’étend seulement sur la moitié caudale de l’embryon, puis régresse progressivement en direction caudale au cours de la gastrulation.
   • L’extrémité rostrale de celle-ci forme le nœud, homologue de la lèvre dorsale du blastopore des amphibiens et du nœud de Hensen des oiseaux.
   • Le nœud est visible au 16ème jour de développement humain.
   • La ligne primitive étant dans l’axe de l’embryon, nous pouvons définir différents domaines du disque embryonnaire : les domaines axial, paraxial, intermédiaire et latéral.
2. Du 17ème au 19ème jour : Mise en place de la chorde.
3. Du 19ème au 21ème jour : Mise en place définitive du mésoderme et initiation de la neurulation.

La gastrulation constitue un événement majeur de la troisième semaine :

• Passage du disque didermique au disque tridermique qui correspond à la mise en place d'un troisième feuillet embryonnaire, entre les deux déjà existants : le feuillet mésodermique de l'embryon.
• Mécanisme complexe, programmé dans le temps et dans l'espace, associant prolifération, modification des adhérences intercellulaires, mouvements cellulaires et tissulaires et migration cellulaires à partir de l'épiblaste.
• Détermine l'orientation future de l'embryon, ses axes et sa symétrisation. Chez l'homme, elle détermine l'axe rostro-caudal et l'axe dorso-ventral qui préfigure l'axe postérieur-antérieur de l'adulte.

Épiblaste et Hypoblaste : aspects morphologiques

Ces deux feuillets initiaux présentent des caractéristiques épithéliales spécifiques.

• L'épiblaste = épithélium simple, à l'origine de tous les tissus embryonnaires.
  • Des microvillosités au pôle apical des cellules, face à la cavité amniotique.
  • Des jonctions serrées au pôle apical des cellules.
  • Des cadhérines et desmosomes aux membranes baso-latérales des cellules.
  • Des intégrines au pôle basal des cellules, qui permettent une interaction avec la lame basale.
  • Des cellules en mitose.
• La lame basale, située entre l'épiblaste et l'hypoblaste, est composée de fibronectine et de laminine.
• L'hypoblaste (Endoderme primitif, Endoderme viscéral) = épithélium simple.
  • Des microvillosités au pôle apical des cellules, face à la cavité vitelline.
  • Des jonctions serrées au pôle apical des cellules.
  • Des cadhérines et desmosomes aux membranes baso-latérales des cellules.
  • Des intégrines au pôle basal des cellules, qui permettent une interaction avec la lame basale.
  • Des cellules en mitose.

Avec la formation de la ligne primitive, les mouvements de la gastrulation vont pouvoir commencer

La gastrulation est initiée par la transformation de certaines cellules épiblastiques.

• Toutes les cellules de l'embryon sont initialement situées au niveau de l'épiblaste. Ce tissu est un tissu épithélial dont les cellules sont jointives.
• La première modification initiatrice de la gastrulation est la perte du caractère épithélial de certaines cellules épiblastiques : les cellules de l'épiblaste au voisinage du nœud et de la ligne primitive prolifèrent, s'aplatissent et perdent leurs adhérences intercellulaires. Elles changent de forme et quittent l'épiblaste.
• Ces cellules vont donc s'individualiser et migrer entre l'endoderme primitif et l'épiblaste pour former un autre feuillet intermédiaire, le mésoderme, ou s'insérer au sein de l'endoderme primitif (viscéral) pour former l'endoderme définitif.
• Ces cellules de l'épiblaste subissent une transition épithélium-mésenchyme, qui se caractérise par les étapes suivantes :

La transition épithélio-mésenchymateuse

Ce processus clé permet la migration cellulaire et la formation des nouveaux feuillets.

1. Avant la transition épithélio-mésenchymateuse : Les cellules épithéliales de l'épiblaste contiennent des jonctions adhérentes constituées de E-cadhérine, de caténines et d'anneaux d'actine, des jonctions serrées apicales, et des intégrines interagissant avec les composants de la lame basale.
2. Perte de la polarité : Une action inductrice réprime la transcription des gènes codant les composants des jonctions adhérentes et serrées. Il en résulte la perte de la polarité cellulaire des cellules de l'épiblaste. La E-cadhérine est internalisée et ciblée pour la dégradation.
3. Dégradation et constriction : La désorganisation et la dégradation de la membrane basale (matrice extracellulaire) et la constriction apicale des cellules de l'épiblaste conduisent à la délamination des cellules de l'épiblaste.
4. Délamination et ingression : L'activation de l'expression des intégrines et des métalloprotéases favorise la migration à travers la matrice extracellulaire et l'invasion des tissus adjacents.

La transition épithélium-mésenchyme permet l'ingression des cellules de l'épiblaste pour former l'endoderme et le mésoderme

Ce processus conduit à la formation des feuillets embryonnaires.

1. Les cellules de l'endoderme définitif :
   • Ces cellules s'isolent à partir de l'épiblaste, dans la région du nœud.
   • Elles migrent isolément dans l'espace interépithélial situé entre l'épiblaste et l'endoderme viscéral.
   • Puis, elles s'insinuent dans cet endoderme viscéral et refoulent les cellules de ce tissu pour prendre leur place.
   • Elles subissent deux transitions morphogénétiques : une transition épithélio-mésenchymateuse (pour leur ingression) et une transition mésenchymato-épithéliale lorsqu'elles forment de nouveau un épithélium qui prend la place de l'endoderme viscéral et forme l'endoderme définitif.
2. Les cellules du mésoderme :
   • Ces cellules s'engagent, comme les cellules qui donneront l'endoderme, dans une transition épithélio-mésenchymateuse qui permet leur ingression.
   • Mais, elles restent dans l'espace interépithélial et forment un feuillet intermédiaire entre l'épiblaste et l'endoderme : le mésoderme.

Les mouvements morphogénétiques de la gastrulation : formation de l'endoderme définitif

L'endoderme définitif se met en place à partir du stade ligne primitive. La croissance se fait vers les régions latérales du disque embryonnaire. On note également une extension axiale responsable de la régression du nœud.

L'endoderme se forme très précocement au cours de la gastrulation et il évolue secondairement comme un feuillet spécifique ne recevant aucune contribution cellulaire des autres feuillets.

Rappel : Les cellules présomptives de l'endoderme se situent au niveau du nœud lors de leur ingression. Ces cellules perdent leur caractère épithélial, migrent entre l'épiblaste et l'endoderme viscéral. Puis, elles s'insèrent dans cet endoderme en retrouvant leurs caractéristiques épithéliales. Elles forment alors un feuillet qui progressivement refoule latéralement l'endoderme viscéral. Ce feuillet constitue l'endoderme définitif qui participe à la formation de l'embryon.

Les mouvements morphogénétiques de la gastrulation : évolution de l'ectoderme

L'ectoderme est le siège d'un mouvement d'extension vers les régions rostrale, latérale et caudale ce qui progressivement recouvre l'ensemble du disque embryonnaire.

Bien que ces mouvements se fassent dans un plan, ce mouvement d'extension est l'homologue de l'épibolie décrit précédemment chez les amphibiens.

Les mouvements de l'ectoderme au cours de la gastrulation sont similaires pour toutes les espèces animales.

À ce stade, la ligne primitive se prolonge antérieurement par une assise de cellules qui s'établit dans le plan axial en provenance du nœud. Elle forme le mésoderme axial : la chorde.

Le temps le plus important de la gastrulation pour l'ectoderme est la différenciation de ce tissu en deux dérivés : neurectoderme et ectoderme de surface. Cette différenciation est décrite sous le terme générique d'induction neurale.

L'induction neurale

L'induction neurale est un processus crucial pour la formation du système nerveux.

• Une transformation majeure survient lors de la troisième semaine : l'ectoderme se régionalise sous l'effet de processus d'induction encore imparfaitement compris : il forme la plaque neurale.
• L'ectoderme central, au voisinage du nœud, exprime des marqueurs neuraux : on lui donne le nom de neurectoderme, pour rendre compte tant de son origine que de son engagement dans la différenciation neurale.
• Au cours de la quatrième semaine, la plaque neurale, située à la partie médiane de l'ectoderme, se transformera en tube neural.
• Cette série de transformations est appelée neurulation.
• Il est important de bien distinguer l'induction neurale de la neurulation.
• L'induction neurale est un processus qui se déroule pendant la 3ème semaine du développement et qui permet l'acquisition par l'ectoderme de surface d'une identité neurale.

Les mouvements morphogénétiques de la gastrulation : rôle inducteur des cellules issues du nœud (chorde)

Chez le Xénope, les travaux d’Hilde Mangold et Hans Spemann ont mis en évidence un processus d’induction qui génère du neuroctoderme.

Le nœud de Hensen est bien l’homologue de la lèvre dorsale du blastopore des amphibiens ou organisateur de Spemann.

Cette induction est artificielle ! Les jumeaux ne se développent pas suite à l’apparition d’un second centre organisateur !

Les jumeaux dizygotes et monozygotes

La formation des jumeaux dépend du nombre de fécondations et du moment de la division de l'embryon.

Les mouvements morphogénétiques de la gastrulation : évolution du mésoderme

Le mésoderme se forme par ingression et migration des cellules épiblastiques.

• Les cellules du mésoderme ingressent depuis l'épiblaste au niveau du nœud et de la ligne primitive.
• Elles migrent latéralement puis vers l'avant pour se placer entre l'endoderme et l'ectoderme.
• Juste après l'apparition du nœud (de Hensen), des cellules émergent depuis l'extrémité antérieure de la ligne primitive et s'étendent vers la région antérieure de l'embryon : c'est le début de la formation du mésoderme préchordal et de la chorde.
• Ensuite, la régression de la ligne primitive permet l'extension de la chorde (ou notochorde) vers la région postérieure de l'embryon.

Les mouvements morphogénétiques de la gastrulation : régression de la ligne primitive chez l'homme

La ligne primitive régresse progressivement au fur et à mesure de la gastrulation.

Quatrième semaine de développement dans l'espèce humaine : la neurulation

La neurulation est le processus de formation du tube neural à partir de la plaque neurale.

• Au cours de la quatrième semaine, la plaque neurale, située à la partie médiane de l'ectoderme, se transforme en tube neural. Cette série de transformations est appelée neurulation.
• La neurulation consiste en une série de mouvements morphogénétiques qui transforment la plaque neurale en un tube neural.
• À l'issue de la neurulation, la plaque neurale des mammifères s'internalise sous l'ectoderme de surface si bien qu'elle prend une position intermédiaire dorsalement par rapport au mésoderme axial (notochorde et plaque préchordale) et entre les somites (issus de la segmentation du mésoderme paraxial).

La neurulation primaire

La neurulation primaire permet la formation du tube neural rostral chez l'Homme et le Poulet. Elle permet la formation du cerveau et de la moelle épinière au niveau des vertèbres cervicales et thoraciques hautes.

• Région des vertèbres :
  • Cervicales
  • Thoraciques
  • Lombaires
  • Sacrées
  • Caudales
• Neurulation primaire
• Neurulation jonctionnelle
• Neurulation secondaire

Les mouvements morphogénétiques de la neurulation primaire

La neurulation primaire permet la formation du tube neural rostral. Elle intervient entre les jours 22 à 26. On distingue deux temps successifs : le façonnage (shaping) et la courbure (bending).

Le façonnage

• Dans un premier temps, la forme des cellules du neurectoderme se modifie : les cellules nerveuses présomptives deviennent prismatiques alors que les cellules latérales deviennent pavimenteuses.
• Ces transformations s'accompagnent d'un épaississement dorso-ventral, d'un rétrécissement médio-latéral et d'une extension crânio-caudale de la plaque neurale.
• Le façonnage s'accompagne d'un épaississement dorso-ventral, d'un rétrécissement médio-latéral et d'une extension crânio-caudale de la plaque neurale.
• La partie antérieure de la plaque neurale correspond au futur cerveau.
• La portion plus effilée correspond à la future moelle épinière.
• L'élongation axiale de la plaque neurale conduit mécaniquement à une régression de la ligne primitive qui est refoulée vers l'arrière.

La courbure de la plaque : formation de la charnière médiane

• La courbure de la plaque neurale fait intervenir des mécanismes cellulaires et moléculaires différents selon le niveau rostro-caudal.
• Un des mécanismes permettant les mouvements de la neurulation primaire est la déformation cellulaire : certaines cellules perdent leur caractère prismatique pour adopter une forme conique tronquée à leur partie apicale. Lorsque cette déformation affecte plusieurs cellules de la plaque, cette dernière se surélève.
• La région de la plaque neurale où se réalise ce mouvement est appelée charnière.
• Une charnière se forme dans la région de la plaque située au-dessus de la chorde : la charnière médiane.

La neurulation primaire au niveau de la plaque neurale céphalique et spinale haute chez l'homme

Après la formation de la charnière médiane, intervient la formation de deux charnières latérales. Cette deuxième modification morphologique est favorisée par l'ectoderme de surface. Les deux bourrelets latéraux entrent en contact et fusionnent formant ainsi un tube neural séparé de l'ectoderme de surface.

La fusion des bourrelets neuraux se fait grâce aux cadhérines

• Les cellules de la plaque neurale expriment la N-cadhérine alors que les cellules de l'ectoderme de surface expriment la E-cadhérine.
• Les cadhérines étant des molécules d'adhérence homophilique, les tissus qui expriment la même cadhérine ont tendance à fusionner ensemble.
• L'expression différentielle de ces deux cadhérines permet la fusion des bourrelets neuraux.

Caractérisation moléculaire de la neurulation primaire

• Sox2 : code pour un Facteur de transcription, marqueur neural.
• E-Cad : Cadhérine, glycoprotéine impliquée dans l'adhésion cellulaire, exprimée dans l'ectoderme de type épiderme.
• FN : Fibronectine, composant de la matrice extracellulaire.
• N-Cad : Cadhérine, glycoprotéine impliquée dans l'adhésion cellulaire, exprimée dans l'ectoderme de type neural.

L'ectoderme est séparé du mésoderme par une lame basale

• Ectoderme de surface : Absence de la lame basale.
• Neurectoderme : Lame basale.
• Chorde : Mise en place de la lame basale.
• Lame basale discontinue : Permet la migration des cellules de la crête neurale.

La fusion des bourrelets de la plaque neurale ne se fait pas de façon concomitante : L'initiation de la fusion débute au niveau des premiers somites. Puis, la fusion n'est pas réalisée de façon continue (comme une double fermeture-éclair) : il y a de multiples zones de jonction.

Avec l'évolution des mouvements de la neurulation, le tube neural est ouvert à ses deux extrémités formant les neuropores antérieur et postérieur.

• La cavité centrale du tube neural communique encore largement avec la cavité amniotique par les deux neuropores.
• Le liquide présent dans la cavité neurale est le liquide amniotique.

Ces neuropores finissent par se fermer totalement permettant la formation d'un tube neural isolé de l'extérieur.

• Le liquide présent au niveau du canal central du tube neural (ou neurocèle) ne sera plus en contact avec le liquide amniotique, permettant des modifications de pression interne qui semblent jouer un rôle crucial dans la morphogenèse de l'extrémité rostrale du tube neural (ou prosencéphale).
• Le neuropore antérieur se ferme au 24e jour embryonnaire et le neuropore postérieur au 26e jour chez l'homme.

Les mouvements morphogénétiques de la neurulation secondaire

La neurulation secondaire concerne les progéniteurs neuraux des cellules du bourgeon caudal :

• Les cellules de la région dorsale qui sont déjà d'identité neurale et prêtes à s'épithélialiser.
• Les progéniteurs neuraux mésenchymateux de la région ventrale (« double identité » neurale et mésodermique), appelés « NMPs » (Neuro Mesodermic Progenitors).

La neurulation secondaire concerne la partie la plus postérieure du tube neural

La neurulation secondaire est responsable de la formation de la partie caudale du tube neural.

La neurulation jonctionnelle assure une continuité dans la formation du tube neural

La neurulation jonctionnelle concerne la région thoracique de la moelle épinière.

• Humain :
  • SC : Spinal Chord = Moelle épinière
  • C : Cervicale
  • T : Thoracique
  • L : Lombaire
  • S : Sacrée
  • C : Caudale
• Neurulation primaire
• Neurulation secondaire

La neurulation jonctionnelle a lieu dans une zone précise de l'embryon : la NSB (Node Streak Border).

Observations morphologiques de la région de la NSB (Poulet)

• Marquage (CFSE) des cellules à la surface d'embryon au stade HH8 (28h), dans la région de la NSB.
  • nt : tube neural
  • e : ectoderme
  • pm : mésoderme paraxial
  • no : notochorde
  • flèches : ingression des cellules à travers la ligne primitive

  Tous les précurseurs neuraux, qui vont former le tube neural, se trouvent à la surface de l'embryon au stade HH8.

• Marquage (CFSE) des cellules à la surface d'embryon au stade HH10 (35h), dans la région de la NSB.
  • Toutes les cellules qui forment la partie dorsale du tube neural se trouvaient à la surface de l'embryon au stade HH10.
  • Toutes les cellules qui forment la partie ventrale du tube neural ne se trouvaient pas à la surface de l'embryon au stade HH10.

Caractérisation moléculaire de la neurulation jonctionnelle

• Sox2 : code pour un facteur de transcription, marqueur neural.
• FN : Fibronectine, composant de la matrice extracellulaire.
• E-Cad : Cadhérine, glycoprotéine impliquée dans l'adhésion cellulaire, exprimée dans l'ectoderme de type épiderme.
• N-Cad : Cadhérine, glycoprotéine impliquée dans l'adhésion cellulaire, exprimée dans l'ectoderme de type neural.

Pathologies associées aux défauts de fermeture du tube neural

Les anomalies de fermeture du tube neural (AFTN) sont des malformations congénitales graves.

Les 3 sites de fermeture du tube neural chez la souris – 2 sites identifiés chez l’homme

Chez l’embryon murin, la fermeture du tube neural commence à l’interface entre cerveau postérieur et les premières vertèbres cervicales (site de fusion 1) et se poursuit rostralement et caudalement. Lors du développement humain, la fermeture du tube neural débute au niveau du rhombencéphale.

• Un défaut de fermeture du site 1 conduit au Craniorachischisis.
• Un deuxième site de fermeture (site de fusion 2) apparaît à la jonction du cerveau antérieur et moyen chez la souris, mais n’a pas été observé chez l’Homme.
• Un troisième site de fermeture (site de fusion 3) est également observable à la limite très rostrale du cerveau antérieur chez l’embryon de souris et également chez l’Homme.
• La progression de la fermeture du tube neural depuis ces différents sites d’initiation entraîne un rétrécissement et la fermeture des neuropores antérieur et du cerveau postérieur. Des défauts de fermeture de ces neuropores conduisent à des anencéphalies.
• La neurulation se poursuit caudalement à partir du site d’initiation de fermeture 1 et s’achève avec la fermeture du neuropore postérieur. Les défauts de fermeture de ce neuropore entraînent des spina bifida.

Les anomalies de fermeture du tube neural

Les défauts de fermeture du tube neural sont d'origine multifactorielle.

Pathologies associées aux défauts de neurulation primaire

Les pathologies impliquant des défauts de la neurulation primaire sont :

• L'anencéphalie : ouverture au niveau de la tête. Les AFTN céphaliques sont caractérisées par une plaque neurale rostrale ouverte et exposée à l'environnement entraînant sa dégénération. Le cuir chevelu, la voûte crânienne, les méninges, les deux hémisphères cérébraux et le cervelet manquent au niveau de la région ouverte.
• Le craniorachischisis : ouverture totale du tube neural. C'est la forme la plus sévère des anomalies de fermeture du tube neural. C'est une malformation congénitale grave du système nerveux central. Dans sa forme complète, le craniorachischisis associe anencéphalie et spina bifida total et est létal. Il ne s'agit plus de défauts de fermeture des seuls neuropores antérieur ou postérieur, le tube neural demeure ouvert sur une très vaste région anatomique selon l'axe antéro-postérieur partant du cerveau antérieur à la région spinale moyenne.

Pathologies associées aux défauts de neurulation secondaire et jonctionnelle : les spina bifida

Les spina bifida sont des défauts de fermeture du tube neural au niveau de la colonne vertébrale.

• La pathologie impliquant des défauts de la neurulation secondaire :
  • La spina bifida occulta : forme la plus bénigne des Spina bifida. Il s'agit d'une brèche dans les vertèbres, recouverte par la peau. La plupart des personnes atteintes l'ignorent.
• Les pathologies impliquant des défauts de la neurulation jonctionnelle :
  • Les spina bifida aperta (ouvertes) :
    • La méningocèle : seules les méninges font protrusion par une ouverture dans la colonne vertébrale.
    • La myéloméningocèle : il s'agit de la forme la plus grave, caractérisée par la saillie de la moelle épinière et de ses membranes (les méninges) par une ouverture dans la colonne vertébrale.

Pathologies associées aux défauts de fermeture du tube neural : mutations

Des mutations génétiques sont impliquées dans les malformations du tube neural chez l'homme.

Identification de mutations impliquées dans les malformations du tube neural chez l'homme : mutants VANGL

Le gène VANGL est impliqué dans les Neural Tube Defects (NTD).

Le numéro des nucléotides reflète la position dans l'ADNc, le +1 correspondant à l'A du codon d'initiation ATG. Ce codon est numéroté 1 dans la protéine.

VANGL n'est pas le seul gène impliqué dans les NTD (Neural Tube Defect) chez l'homme.

VANGL est une protéine à 4 domaines transmembranaires et 2 domaines intracellulaires, sans domaine extracellulaire.

• Mutations dans les domaines transmembranaires : Mauvais repliement et positionnement dans la membrane.
• Mutations dans les domaines intracellulaires : Perte d'interaction avec des partenaires cytoplasmiques, pas de transduction de signal, protéine constitutivement active.

Le mutant spontané de souris Loop-Tail : un modèle d'étude du craniorachischisis

Les souris Loop-tail présentent des mutations du gène Vangl.

• Élargissement du plancher du tube neural.
• Élévation des bourrelets mais ceux-ci ne se rejoignent pas : il y a donc absence complète de fermeture du tube neural (= Craniorachischisis).

Quels mécanismes peuvent conduire au phénotype du mutant spontané de souris Loop-Tail?

• Un problème de prolifération ou d'apoptose au niveau de l'ectoderme ou du neurectoderme (limitant son expansion)?
• Une anomalie du cytosquelette cellulaire empêchant la formation des charnières médiane et latérales?

Tous ces processus ont été analysés et aucune différence entre les embryons sauvage et mutant n'a été observée.

Le phénotype du mutant Vangl implique un autre mécanisme.

Le mouvement d'intercalation médio-latérale est affecté chez le mutant spontané de souris Loop-Tail (Vangl)

Le mouvement d'extension convergente ou intercalation médio-latérale est crucial pour l'allongement de l'embryon.

• Marquage par injection de DiI au niveau du Nœud (progéniteurs du plancher du tube neural et du mésoderme axial).
• Marquage par électroporation de pCAß-GFP dans la région médiane de la plaque neurale.

Défauts d'allongement de l'axe chez les mutants Vangl : Vangl semble nécessaire au phénomène d'extension convergente permettant l'allongement de l'axe des embryons.

• Production d'embryons chimères en injectant des cellules ES (cellules de la masse cellulaire interne) d'embryons sauvages dans les blastocystes d'embryons exprimant le rapporteur ß-galactosidase (colore les cellules en violet), sauvages ou mutants Vangl.
• Coupes transversales et marquage des embryons chimères au X-Gal (coloration violette des cellules ß-Gal+) et à l'Éosine (rose).
  • Greffe de cellules ES (roses) dans un embryon sauvage (cellules violettes).
  • Les cellules ES sauvages s'intercalent avec les cellules de l'embryon sauvage.
  • La plaque neurale de l'embryon mutant est élargie.
  • Les cellules ES sauvages ne s'intercalent pas avec les cellules de l'embryon mutant Vangl.

Les cellules du mutant Vangl présentent un défaut d'intercalation : Vangl semble nécessaire au mouvement d'extension convergente.

Identification des acteurs moléculaires

• VANGL appartient aux membres de la voie de signalisation « Wnt-PCP » (Planar Cell Polarity, Polarité Planaire).
• Chez la drosophile, les protéines RhoA-Rho Kinase (ROCK) sont décrites comme membres de la voie PCP.

Inhibition de ROCK dans des embryons de souris :

• Embryons contrôles.
• Embryons traités à l'inhibiteur de ROCK.

Les embryons traités par l'inhibiteur de ROCK présentent :

• Des défauts de fermeture du tube neural.
• Des défauts d'élongation.
• Un élargissement du plancher du tube neural.

La voie PCP, impliquant les protéines RhoA-Rho, serait nécessaire à la fermeture du tube neural.

Voie Wnt-PCP, convergence extension et fermeture du tube neural

La voie Wnt non-canonique ou Wnt-PCP est essentielle pour la polarité cellulaire et les mouvements morphogénétiques.

• Wnt
• Fz : Frizzled
• Dvl : Dishevelled
• Pk : Prickle
• ß-caténine

Modifications du cytosquelette

Changement de polarité cellulaire

Le mouvement d'intercalation médio-latérale est nécessaire à la fermeture du tube neural chez le Xénope

• La surexpression de l'ARNm mutant Dsh affecte l'allongement de l'embryon selon l'axe antéro-postérieur.
• La surexpression d'une forme mutée de la protéine DSH empêche le rapprochement des bourrelets neuraux.
• La surexpression de l'ARNm mutant Dsh semble affecter à la fois le processus de convergence extension et la fermeture du tube neural.

Le mouvement de convergence extension semble impliqué dans la fermeture du tube neural.

Identification du rôle de Dishevelled (Dsh), acteur de la voie PCP

Le mutant Dsh présente un craniorachischisis et confirme l'implication de la voie PCP dans la fermeture du tube neural.

Le mouvement d'intercalation médio-latérale est nécessaire à la fermeture du tube neural chez le Poulet

Étude d'un candidat, membre de la voie PCP : Prickle.

1. Étude du profil d'expression spatio-temporelle de Prickle chez le Poulet, par hybridation in situ :
   • Prickle est exprimé fortement dans la NSB (Node Streak Border, zone entre le Nœud et la ligne primitive), région de la neurulation jonctionnelle.
2. Expérience de perte de fonction Prickle par injection de siRNA dans l'embryon de Poulet à HH8-9 (début de la neurulation jonctionnelle) et analyse des embryons après 18h de développement :
   • Défauts de fermeture du tube neural de type spina bifida.
   • La neurulation jonctionnelle, qui implique Prickle, semble être une zone sensible pour les Spina bifida.
3. Cas d'un fœtus humain atteint de Spina bifida :
   • La neurulation jonctionnelle est une zone sensible pour les Spina bifida chez l'Homme.

Voie Wnt PCP, convergence extension et fermeture du tube neural

Le développement normal du tube neural est un processus orchestré par des mouvements cellulaires et des voies de signalisation.

• Les mouvements cellulaires de convergence/extension ont lieu :
  • Au niveau du mésoderme axial (et permettent la formation de la chorde) et paraxial (somites).
  • Au niveau de la plaque neurale (plancher).
• Ces mouvements d'intercalation médio-latérale, qui impliquent la voie Wnt/PCP, sont à l'origine de l'allongement de l'embryon selon l'axe antéro-postérieur.
• Induction par la chorde de la plaque neurale le long de la ligne médiane => formation de la charnière médiane (ou MHP : Median Hinge Point).
• Repliement de la plaque neurale et fermeture du tube neural.

Le tube neural et ses dérivés : polarisation dorso-ventrale

Le tube neural est très précocement polarisé selon plusieurs axes : dorso-ventral et rostro-caudal.

Description du tube neural au niveau de la future moelle épinière

Le tube neural est soumis à un double gradient de substances morphogènes :

• BMP dorsalement, sécrété par l'ectoderme de surface, au-dessus du tube neural.
• SHH ventralement, sécrété par la chorde, sous le tube neural.

La polarisation du tube neural selon l'axe dorso-ventral conduit à l'apparition :

• D'une polarité ventrale qui préfigure la région motrice du système nerveux central (région dans laquelle se développeront les motoneurones).
• D'une polarité dorsale qui préfigure la région sensorielle du système nerveux central.

Si l'on greffe une notochorde supplémentaire chez un embryon d'oiseau, le tube neural de l'hôte se développe et forme au contact de cette nouvelle notochorde un plancher supplémentaire. Des motoneurones se différencient de part et d'autre de ce plancher supplémentaire et projettent leur axone vers l'extérieur du tube neural.

Si l'on enlève chirurgicalement la notochorde qui vient de se former chez un embryon d'oiseau, le tube neural sus-jacent se développe sans différenciation du plancher du tube neural et sans différenciation de motoneurones.

La notochorde et le plancher du tube neural sécrètent un facteur protéique dénommé Sonic Hedgehog (SHH)

Il est possible de reproduire l'expérience de la greffe de notochorde supplémentaire en greffant des billes ou des cellules modifiées sécrétant SHH.

SHH est donc responsable de l'effet inducteur de la notochorde sur le tube neural.

SHH est une protéine sécrétée qui agit sur un récepteur membranaire (nommé Patched). Ce récepteur est présent dans la région du plancher du tube neural et dans la région basale du tube.

Description du tube neural au niveau de la future moelle épinière et dérivés lors de l'organogenèse

La cavité du tube neural préfigure le système ventriculaire, c'est-à-dire le système de cavités qui contiennent le liquide cérébro-spinal de l'adulte. Elle porte le nom de neurocèle.

Les 4 régions anatomiques du tube neural sont :

• Le toit du tube neural : c'est la région la plus dorsale du tube, au contact de l'ectoderme de surface. La lame basale se situe entre l'ectoderme de surface et le toit du tube neural. Il n'y a aucun espace entre le toit du tube neural et l'ectoderme de surface au moment de sa formation. La séparation des deux tissus se fait dans un second temps et permettra la migration des cellules de la crête neurale. Le toit du tube neural est une structure qui résulte de la fusion des bords latéraux de la plaque neurale.
• Le plancher du tube neural : au contact de la notochorde, il forme la portion la plus ventrale du tube. Le plancher du tube neural dérive de la région la plus médiane de la plaque neurale.
• La plaque alaire du tube neural : elle formera les structures sensorielles de la moelle épinière. Cette région peut être subdivisée en domaines caractérisés par une expression génique propre.
• La plaque basale du tube neural : elle correspond à la moitié ventrale des murs du tube neural et formera la région motrice de la moelle épinière. L'analyse moléculaire de cette région montre que dès ce stade elle peut être subdivisée en différents domaines. Chacun de ces domaines est caractérisé par une combinaison d'expression de gènes. Ces derniers spécifient le devenir de ce domaine et forment ainsi une région contenant les précurseurs spécifiques de certains types neuronaux.

Domaines d'expression de gènes marqueurs de l'identité ventrale du tube neural, à l'origine des motoneurones

Le schéma représente différents domaines (A à F) de la partie ventrale du tube neural et indique le devenir des cellules (p : progéniteur ; MN : motoneurones ; FP : floor plate = plancher du tube neural ; V2, V3 : neurones ventraux de type 2 ou 3).

Le tube neural et ses dérivés : polarisation antéro-postérieure

Le tube neural est aussi polarisé selon l'axe antéro-postérieur.

• Au niveau rostral, le tube neural se divise en trois vésicules primaires : le prosencéphale, le mésencéphale et le rhombencéphale.
• À mesure que l'organogenèse progresse, le prosencéphale et le rhombencéphale se subdivisent respectivement en télencéphale et diencéphale d'une part et en métencéphale et myélencéphale d'autre part. Le mésencéphale ne génère pas d'autre vésicule. Le plan de base du cerveau de vertébré avec ses cinq vésicules fondamentales est alors constitué.

Puis, le développement du système nerveux central fait appel à des processus très divers et encore très mal connus qui vont conduire à la mise en place d'une des structures les plus complexes de l'organisme.

Résumé des semaines 3 et 4 du développement humain : gastrulation, neurulation et délimitation

Embryon à forme discoïdale

La délimitation de l'embryon est le processus permettant la transformation de l'embryon à forme discoïdale en embryon à forme humanoïde.

Durant les phases de gastrulation et neurulation, l'embryon est en parfaite continuité avec les structures extra-embryonnaires.

La séparation des tissus embryonnaires et extra-embryonnaires est un temps majeur du développement des amniotes et prend le nom de délimitation.

Semaine 4 du développement humain : délimitation

Lors de la délimitation, on distingue :

• Les délimitations céphalique et caudale.
• La délimitation corporelle : exemple de la formation des somites.
• La formation des arcs branchiaux.

Semaines 3 et 4 du développement humain : la formation des arcs branchiaux

Les arcs branchiaux

• Les arcs branchiaux (ou arc pharyngiens / pharyngés) sont des structures transitoires apparaissant dans la région céphalique de l'embryon lors de la 4ème semaine de développement.
• Les arcs branchiaux apparaissent successivement en suivant un sens rostro-caudal, entre les jours 22 et 30 du développement.
• Ils représentent les homologues des branchies des poissons. Toutefois, ces structures ne sont pas impliquées dans la respiration des mammifères.

Composition des arcs branchiaux

• Les arcs branchiaux forment des structures métamériques limitées extérieurement par de l'ectoderme de surface et intérieurement par de l'endoderme.
• Le cœur de l'arc branchial est composé de mésoderme dont l'origine est double : mésoderme céphalique et cellules de la crête neurale mésencéphalique et surtout rhombencéphalique.
• Chaque arc pharyngé contient du cartilage, un noyau musculaire, un nerf crânien spécifique, une artère de l'arc aortique. Le cartilage est dérivé des crêtes neurales, sauf celui des arcs 4 et 6 qui dérivent de la lame latérale.
• Chaque arc est limité par deux poches (côté intérieur, endoderme) et deux fentes (côté extérieur, ectoderme) pharyngées.
• Chaque arc branchial est défini par une combinatoire d'expression génique qui détermine le devenir morphologique de la structure.

Les cellules de la crête neurale : un peu d'histoire

Identification de la crête neurale par Wilhelm His en 1868

Observation d'une structure entre l'ectoderme de surface et le tube neural, baptisée « cordon intermédiaire ».

Première identification des dérivés de la crête neurale par Julia Platt en 1893

La capacité de la crête neurale de fournir des cellules de type mésenchymateux qui se différencient en tissu conjonctif, cartilagineux et osseux, dans la région céphalique a été suggérée dans des travaux de Julia Platt en 1893. Cette chercheuse avait découvert la participation de cellules migrantes d'origine dorsale aux arcs branchiaux chez le triton Necturus.

Identification des dérivés de la crête neurale à l'institut d'embryologie de Nogent sur Marne, dirigé par Nicole Le Douarin

Dès 1969, N. Le Douarin met au point une technique originale d'analyse de l'origine, de la mise en place, de la migration et de la différenciation des cellules issues de la crête neurale.

C'est la technique de greffes caille/poule permettant l'obtention d'embryons chimères, basée sur un « marquage naturel ».

• Les cellules de caille ont une hétérochromatine compacte au centre du noyau.
• Les cellules de poulet ont une hétérochromatine diffuse dans le noyau.

Développement et caractéristiques des cellules de la crête neurale

Origine des cellules de la crête neurale

Le neurectoderme

Après la gastrulation, la région anatomique de l'embryon à l'origine des cellules de la crête neurale (CCN) est en contact avec trois tissus :

• Le neurectoderme.
• L'ectoderme de surface.
• Le mésoderme paraxial à l'origine des somites.

Ces tissus sécrètent les protéines Wnt, BMP, l'acide rétinoïque et FGF lors de l'induction des CCN.

La spécification des cellules de la crête neurale

Les signaux inducteurs émis par la plaque neurale, l'ectoderme de surface et le mésoderme paraxial entraînent l'expression de facteurs de transcription spécifiques (Snail-2/Slug, ZEB-2) : c'est la spécification.

La Transition Épithélio Mésenchymateuse permet la délamination des cellules de la crête neurale (CCN)

Individualisation des cellules de la crête neurale

Le tube neural est un épithélium. L'individualisation des CCN se fait par une transition épithélio-mésenchymateuse :

• Cette transition nécessite la perte des systèmes de jonction intercellulaire et en particulier la modification des molécules d'adhérence intercellulaire.
• Ce mouvement morphogénétique de formation de cellules mésenchymateuses à partir d'un épithélium est aussi appelé délamination.
• Lors de la neurulation, les cellules de la plaque neurale expriment la N-cadhérine : l'individualisation des cellules de la crête neurale passe par la répression de l'expression de N-cadhérine.
• La migration des cellules de la crête neurale met en jeu un code complexe de facteurs de transcription.

La migration des cellules de la crête neurale

Après la transition épithélio-mésenchymateuse, la migration des cellules de la crête neurale est permise en partie par la composition de la matrice extracellulaire du milieu qu'elles traversent (haptotactisme).

La fibronectine et la laminine de la matrice extracellulaire sont reconnues par les récepteurs intégrines présents à la surface des cellules de la crête neurale et servent de support à la migration.

Modifications cellulaires lors de la migration des cellules de la crête neurale

Les cellules de la crête neurale acquièrent des protrusions lors de la migration

Les cellules de la crête neurale en migration présentent des prolongements cellulaires qui leur permettent de se déplacer.

Les cellules de la crête neurale acquièrent des lamellipodes lors de la migration

Les lamellipodes sont des extensions cytoplasmiques larges et plates qui facilitent le mouvement cellulaire.

Les cellules en migration sont guidées par des signaux moléculaires : le chimiotactisme

La migration des CCN implique également des systèmes de guidage pour rejoindre le tissu à coloniser :

• Le chimiotactisme est le phénomène par lequel des cellules se dirigent ou dirigent leurs mouvements en fonction de certaines molécules (dites chémoattractantes) présentes dans l'environnement. Le gradient chimique est perçu à l'aide de récepteurs transmembranaires. Il peut s'agir d'attirance ou d'évitement.

En résumé

Les cellules de la crête neurale participent à la formation de nombreuses structures de l'organisme et leur développement repose sur de nombreuses étapes :

• Induction par les tissus environnants.
• Détermination.
• Transition épithélium-mésenchyme.
• Migration pour coloniser l'organisme.
• Prolifération.
• Différenciation terminale.

Les trajets de migration des cellules de la crête neurale

Les quatre régions de la crête neurale

• Les cellules de la crête neurale céphalique migrent vers la tête.
• Les cellules de la crête neurale vagale migrent vers le tube digestif et le cœur.
• Les cellules de la crête neurale troncale migrent vers le tube digestif, la médullosurrénale et les ganglions spinaux et vertébraux.
• Les cellules de la crête neurale lombo-sacrée migrent vers l’intestin, la vessie et les organes génitaux.

Méthode d'étude de migration des cellules de la crête neurale : les greffes caille-poule

Cette technique permet de suivre le devenir des cellules de la crête neurale.

• Ectoderme : Embryon de caille : donneur.
• Embryon de poulet : receveur.
• Tube neural.
• Mésoderme.
• Endoderme.
• Greffon.
• Excision d'une région du tube neural.
• Greffe.
• Développement des chimères caille-poule et analyses histologiques.
• Cellule de crête neurale de caille en migration.
• Cellules de poulet.

Greffe caille-poule hétérotopique du tube neural troncal en région vagale

La transplantation d'un tube neural de la région troncale (niveau S18-S23) en région vagale (niveau S1-S7) d'où proviennent les précurseurs du système nerveux entérique aboutit à une colonisation normale de l'intestin des cellules de l'hôte.

Les cellules de la crête neurale :

• Répondent au micro-environnement.
• Sont douées de plasticité.

Schémas bilan des trajets de migration des cellules de la crête neurale

• Les cellules de la crête neurale céphalique migrent superficiellement, sous l'ectoderme, à l'intérieur des arcs pharyngiens (ou arcs branchiaux) et du bourgeon frontal, vers la tête.
• Les cellules de la crête neurale vagale migrent sous l'ectoderme ou à travers les somites, vers le tube digestif et le cœur.
• Les cellules de la crête neurale troncale migrent sous l'ectoderme, entre le tube neural et les somites ou à travers les somites, vers le tube digestif, la médullosurrénale et les ganglions spinaux et vertébraux.
• Les cellules de la crête neurale lombo-sacrée migrent sous l'ectoderme ou à travers les somites, vers l'intestin, la vessie et les organes génitaux.

Devenir des cellules de la crête neurale

Les cellules de la crête neurale donnent naissance à une grande diversité de tissus et d'organes.

• CN du crâne : Neurones et glie des ganglions crâniens, os et cartilage de l'avant de la tête, tissu conjonctif de la tête.
• CN cardiaque : Conjonctif des grosses artères, mélanocytes, cartilage des arcs pharyngiaux/branchiaux.
• CN du tronc cardiaque : Glande médullosurrénale, système nerveux périphérique (cellules de Schwann, ganglions spinaux), mélanocytes chez les Mammifères, autres cellules pigmentaires chez d'autres Vertébrés.

Devenir des cellules de la crête neurale et pathologies associées

Cellules des crêtes neurales céphalique et cardiaque

Les structures crânio-faciales dérivent de la crête neurale céphalique.

Neurocristopathies liées à un défaut de développement de la crête neurale céphalique

Anomalies du squelette facial : fente labio-palatine (palatoschisis)

• Malformation de la face résultant d'un défaut de soudure des bourgeons maxillaires supérieurs au niveau de la gencive et de la lèvre et du palais osseux.
• Il en résulte une fente faciale plus ou moins étendue pouvant diviser d'avant en arrière la lèvre, l'arc gingival, le palais osseux et le voile du palais, faisant communiquer la cavité buccale avec la cavité nasale. Il en existe de nombreuses formes anatomiques.
• Les troubles fonctionnels de la succion, de la déglutition, de la phonation et le préjudice esthétique nécessitent une réparation chirurgicale souvent en plusieurs temps, un traitement orthodontique prolongé et une rééducation orthophonique.
• Le diagnostic prénatal de ces malformations peut être fait par échographie dès la 16e semaine de grossesse. D’autres anomalies associées sont à rechercher (10% des cas).
• Ces malformations entrent dans le cadre des neurocristopathies par défaut dans la migration et dans le rôle de différenciation et d’induction des cellules de la crête neurale embryonnaire. La fente est créée par la persistance de l’écart entre les bourgeons maxillaires primordiaux.
• Les formes familiales ne sont pas exceptionnelles (au moins 10% des cas). Des carences, des facteurs toxiques, métaboliques et génétiques sont des causes évoquées.

Anomalies du squelette facial : Le syndrome de Treacher-Collins

• Neurocristopathie décrite pour la première fois en 1900 par le chirurgien et ophtalmologiste anglais Edward Treacher-Collins.
• Incidence 1/50 000.
• Symptômes : Hypoplasie de l'arcade zygomatique, de la mandibule, de la paupière inférieure et anomalies de l'oreille externe.
• Étiologie :
  • Mutation survenue au cours du développement embryonnaire dans 60% des cas.
  • Mutation héréditaire dans 40% des cas.
• Ces mutations peuvent concerner les gènes TCOF1, POLR1C et POLR1D qui se trouvent respectivement sur les chromosomes 5, 6 et 13, qui en l'absence de mutations, produisent une protéine essentielle au bon développement des os et des tissus mous du visage.

Anomalies de la pigmentation : Le syndrome de Waardenburg

• Maladie génétique décrite pour la première fois par l'ophtalmologue néerlandais Petrus Johannes Waardenburg (1886-1979).
• Incidence de 1/40 000 naissances dans le monde. Il existe quatre sous-types du syndrome de Waardenburg distincts génétiquement et cliniquement.
• Symptômes : Mèche de cheveux blanche, des zones cutanées hypopigmentées (albinisme partiel), des iris hétérochromiques (de couleurs différentes), une surdité neurosensorielle due à l'absence de mélanocytes dans la cochlée.
• La cause est un défaut de migration des cellules des crêtes neurales à l'origine des mélanoblastes, ou un échec de ces mélanoblastes à survivre ou à se différencier.
• Étiologie : des mutations dans 6 gènes ont été identifiées comme responsables du syndrome de Waardenburg : PAX3 (2q36.1), MITF (3p14-p13), SOX10 (22q13.1), EDNRB (13q22.3), EDN3 (20q13.32) et SNAI2 (8q11.21). De nombreuses mutations connues du gène PAX3 codant un facteur de transcription, sont responsables de ce tableau clinique. PAX3 active la transcription du gène codant la protéine MITF (microphtalmia associated transcription factor), qui régule l'expression de l'enzyme clef de la mélanogénèse (la tyrosinase).
• Les autres manifestations comprennent des atteintes musculo-squelettiques, des douleurs thoraciques aiguës, une malformation du tube digestif (maladie de Hirschsprung) et des anomalies neurologiques.

Neurocristopathie liées à un défaut de développement de la crête neurale vagale : La maladie de Hirschsprung

• Pathologie congénitale (=qui est présente à la naissance) d'incidence 1/5000.
• Caractérisée par un trouble de la motilité intestinale touchant la partie la plus caudale du côlon, conduisant à des obstructions intestinales.
• Cette paralysie est liée à l'absence de ganglions nerveux dans la paroi intestinale ce qui a pour conséquence l'absence de péristaltisme (ensemble des contractions musculaires de l'intestin) bloquant alors la progression des aliments le long du tube digestif jusqu'à leur élimination.
• Risque de péritonite par perforation du côlon dilaté, ou de pullulation microbienne appelée entérocolite.
• L'état général des patients est très altéré et l'évolution est grave, parfois mortelle.
• Le traitement principal est chirurgical : résection du segment aganglionnaire malade.
• La maladie de Hirschsprung est une neurocristopathie : une anomalie des crêtes neurales à l'origine de l'absence de formation des ganglions entériques.
• La maladie de Hirschsprung est une pathologie d'origine multigénique.
• Les mutations les plus fréquentes touchent le gène RET (entre 15% et 50% en fonction des formes).
• RET est un récepteur tyrosine kinase, qui forme un hétéro-tétramère avec GFRα1 quand ils lient le ligand GDNF (peptide diffusible).
• Les mutations dans RET, ainsi que celles plus rares touchant GFRα1 et GDNF, diminuent sans l'abolir le signal dépendant de GDNF.

Cellules des crêtes neurales troncale et lombo-sacrée

Les cellules de la crête neurale lombo-sacrée ont une contribution à la paroi du rectum en migrant vers les régions caudale et rostrale du côlon. Elles contribuent également aux neurones ganglionnaires du système parasympathique sacré localisés dans la vessie et les organes génitaux externes et internes.

Fibrose et métastases cancéreuses reposent sur des mécanismes cellulaires communs aux cellules de la crête neurale

Les métastases cancéreuses partagent des mécanismes avec la migration des cellules de la crête neurale.

• Perte de polarité.
• Changement de l'adhérence cellulaire et du cytosquelette.
• Transition Épithélium Mésenchyme.

Les principaux dérivés des trois feuillets : ectoderme, mésoderme et endoderme

Chaque feuillet embryonnaire donne naissance à des tissus et organes spécifiques.

La différenciation cellulaire

La différenciation cellulaire est le processus par lequel les cellules acquièrent des caractéristiques spécifiques.

• Cellules souches embryonnaires.
• Cellules souches adultes.

Évolution des potentialités cellulaires au cours du développement.

Chronologie des potentialités des cellules souches

• Totipotence : potentialité d'une cellule à donner naissance à un individu complet.
• Pluripotence : potentialité d'une cellule à donner un large spectre de cellules sans pour autant permettre l'émergence d'un individu complet.
• Multipotence : potentialité à donner plusieurs types cellulaires, mais dans un seul type tissulaire (ectoderme, mésoderme ou endoderme).
• Unipotence : potentialité à donner un seul type cellulaire.

Autorenouvellement

Spécification

• Détermination.
• Différenciation.

La diversité de la différenciation cellulaire

• Le zygote : Une cellule unique.
• L'adulte : 50 000 milliards de cellules, 350 types cellulaires.

La différenciation est un processus multi-étapes

Caractérisé par :

• Une réponse à des signaux extracellulaires (spécification, détermination des cellules, engagement des précurseurs vers une différenciation terminale) = Signaux inducteurs, transduction des signaux : voies de signalisation TGFß, FGF, Wnt.
• Un changement dans le profil d'expression des gènes (extinction des gènes de maintien de la pluripotence, activation de gènes spécifique permettant la réalisation d'une fonction) = Facteurs de transcription, modifications épigénétiques.

Épigénèse et épigénétique

• Aristote (384-322 av JC) :
  • Épigénèse : Il y a formation progressive des différents organes. Chaque organisme adulte se forme de novo à partir d'un état indifférencié.
• Conrad Waddington (1905-75) :
  • Le paysage épigénétique (1942) : Waddington pensait que les gènes étaient responsables de la conservation de la forme des organismes. Il voyait dans l'étude des relations entre l'organisme et ses gènes un sujet des plus importants. Cette science est l'épigénétique dont les deux aspects sont les changements dans la composition cellulaire (différenciation cellulaire) et les changements dans les formes géométriques (la morphogenèse). Dans tous les cas, le développement d'un organisme suit un cheminement défini, toujours le même et résistant aux changements.

Épigénétique

Pour développer ces considérations, Waddington a introduit les paysages épigénétiques : représentations visuelles du développement d'un organisme : le roulement de la balle dans une des vallées correspond au cheminement d'une cellule au cours du développement d'un organisme, aboutissant à une fin.

Ce cheminement de la cellule vers son destin est en partie contrôlé par des gènes dont l'expression est régulée par des modifications épigénétiques.

L'épigénétique est l'étude des modifications de l'ADN (méthylations) ou des histones (acétylations, méthylations) qui permettent de réguler l'expression des gènes sans affecter leur séquence.

Un changement épigénétique modifie le phénotype sans transformer le génotype.

Ces modifications sont transmissibles au fil des divisions cellulaires.

Exemple : la métamorphose du Xénope est contrôlée par des modifications épigénétiques des gènes cibles de l'hormone thyroïdienne T3.

Comment les mécanismes épigénétiques affectent la santé

Les facteurs épigénétiques influencent l'expression des gènes et peuvent avoir un impact sur la santé.

• Méthylation de l'ADN : Un groupe méthyle (un facteur épigénétique présent dans certains régimes alimentaires) peut marquer l'ADN et agir comme activateur ou répresseur de gène.
• Histones : Les histones sont des protéines autour desquelles l'ADN s'enroule et se compacte pour permettre la régulation des gènes.
• Mécanismes épigénétiques affectés par l'ADN.
• Mécanismes épigénétiques affectés par ces facteurs et processus :
  • Développement (in utero et enfance).
  • Composés chimiques dans l'environnement.
  • Drogues / médicaments.
  • Vieillissement.
  • Alimentation.
• Pathologies :
  • Cancers.
  • Maladies auto-immunes.
  • Troubles mentaux.
  • Diabètes.
• Modification des histones : La fixation des facteurs épigénétiques aux queues des histones modifie le degré avec lequel l'ADN est enroulé autour des histones et la disponibilité d'activation des gènes de l'ADN.

L'exemple de la différenciation musculaire

Un exemple du caractère multi-étapes de la différenciation cellulaire au cours du développement

Les muscles squelettiques (corps et membres) dérivent du mésoderme des somites.

De la cellule souche à la cellule différenciée : exemple de la différenciation myogénique

Définitions et chronologie au cours du développement embryonnaire et fœtal

• Cellule totipotente : capable de donner un individu entier (toutes les cellules de l'organisme).
• Cellule multipotente : capable de donner plusieurs types cellulaires.
• Cellule spécifiée : engagée de façon réversible dans une voie de différenciation.
• Cellule déterminée : engagée de façon irréversible dans une voie de différenciation.
• Cellule différenciée : qui a acquis toutes les caractéristiques morphologiques et fonctionnelles d'un type cellulaire donné.

Zygote → Cellule du mésoderme → Progéniteur musculaire → Myoblaste → Myocyte → Myotube → Fibre musculaire (plurinucléée).

Représentation schématique de la maturation des somites

Les somites sont des blocs de mésoderme paraxial qui donnent naissance à divers tissus.

Représentation schématique d'un somite et des dérivés cellulaires

Un somite se différencie en dermatome (derme), myotome (muscles) et sclérotome (squelette vertébral).

Les principales étapes de la différenciation musculaire à l'échelle cellulaire

La différenciation musculaire implique la prolifération des myoblastes, leur fusion en myotubes et la maturation en fibres musculaires.

Démonstration expérimentale de l'origine embryonnaire (somites) des muscles des membres : expériences de greffes caille-poule

Un somite de caille correspondant au futur membre de l'aile est implanté dans la région équivalente d'un embryon de poulet.

Dans la chimère adulte poulet-caille qui en résulte, les muscles de l'aile et aucun autre tissu contiennent des cellules de caille.

La somitogenèse

La somitogenèse est le processus de formation des somites.

La spécification des différents muscles du corps dépend de programmes génétiques différents...

... qui aboutissent tous à l'expression des « Myogenic Regulatory Factors » : Myf5, MyoD, Myogénine, MRF4.

Chez la souris

• Acteur précoce de spécification musculaire : le facteur de transcription PAX3.
• Expression précoce dans le dermomyotome.

Mutant Pax3 chez la souris :

• Présence de myocytes dans les somites mais moins d'extension latérale des somites et pas de muscles dans les membres.
• Pas de migration des myoblastes.

Les gènes clés, ou « Master genes » de la différenciation musculaire

MYOGENIC REGULATORY FACTORS - MRFs : Myf5, MyoD, Myogenin, MRF4.

• Codent pour des facteurs de transcription à domaine bHLH.
• Capables de convertir de nombreux types cellulaires en cellules musculaires.
• Capables d'initier une myogenèse ectopique au sein d'un embryon.

Les « Myogenic Regulatory Factors » : Myf5, MyoD, Myogenin, MRF4

• Profil d'expression de Myf5.
• Profil d'expression de MyoD.

Autonomie

• Extraocular muscle : PITX2, MYF5 or MRF4, MYOD, Myogenin.
• Tongue and laryngeal muscle : PITX2, MYF5 or MRF4, MYOD, Myogenin.
• Branchial arches : PITX2, TBX1, MYF5, MYOD, Myogenin.
• Trunk muscles : PAX3, MYF5 or MRF4, MYOD, Myogenin.

Le programme de différenciation myogénique

Le programme de différenciation myogénique est une cascade d'événements moléculaires et cellulaires.

La différenciation myogénique et les cellules souches musculaires (satellites)

Au cours du développement

• Embryonnaire : Progéniteurs embryonnaires (Pax3) → Myoblastes embryonnaires (MRFs) → Fibres primaires → Fibres secondaires.

Myogenèse adulte et régénérative

• Adulte : Cellules satellites (Pax7) → Cellule satellite activée (Pax7+, MRFs) → Fibre musculaire.

La différenciation musculaire chez l'adulte : régénération musculaire

Les cellules souches adultes satellites permettent la régénération musculaire.

Lésions aigues (injection de notéxine)

• Dépôts transitoires de collagène.
• Infiltrats inflammatoires transitoires.
• Muscle régénéré (1 mois).

La différenciation musculaire implique un repositionnement des noyaux

L'importance du positionnement des noyaux dans les fibres musculaires

• Muscle squelettique : Fibre musculaire de type 1, Fibre musculaire de type 2.
• Mauvais positionnement des noyaux : Pathologies musculaires : Myopathies CentroNucléaires (CNM), vieillissement.

Les myopathies centronucléaires humaines

Les myopathies centronucléaires (CNM) sont des myopathies congénitales héréditaires caractérisées par des noyaux anormalement placés au centre des fibres musculaires, en l'absence de tout processus de régénération. Incidence : 1/100 000.

Il existe différentes formes de myopathies centronucléaires, dues à des mutations dans plusieurs gènes. Les mutations les plus fréquentes retrouvées chez les patients atteints de myopathie centronucléaire touchent les gènes MTM1 (45 %) et DNM2 (15 %).

1. Forme récessive liée au chromosome X, également appelée myopathie myotubulaire, XLMTM (X-linked Myo Tubular Myopathy) :
   • Symptômes : hypotonie sévère et une faiblesse musculaire généralisée à la naissance. L'issue est souvent fatale dans les premières années de vie du fait de l'insuffisance respiratoire.
   • Étiologie : les mutations touchent le gène MTM1 responsable de la XLMTM code la myotubularine, une phosphoinositide phosphatase clé du métabolisme des phosphoinositides et du trafic membranaire.
   • Les femmes porteuses de l'allèle mutant peuvent être saines ou bien présenter des symptômes de la maladie à des degrés variables (parfois sévères).
2. Formes autosomiques dominantes associés aux mutations du gène codant la dynamine 2 :
   • Symptômes : les phénotypes varient en fonction de la mutation :
     • Faiblesse musculaire lentement progressive, une perte d'autonomie peut survenir après la cinquantaine.
     • Acquisitions motrices retardées, en particulier la marche puis la montée des escaliers et la course ; la faiblesse des muscles squelettiques touche principalement les muscles du visage et des membres.
     • Association avec un ptosis (affaissement de la paupière supérieure) et une ophtalmoplégie (paralysie du mouvement de l'œil) fréquente.
     • Rétractions du tendon d'Achille et une diminution des réflexes tendineux. Chez la grande majorité des patients, les fonctions respiratoire et cardiaque sont préservées.
   • Étiologie : mutations du gène DNM2 codant la dynamine 2, une volumineuse GTPase impliquée dans le trafic membranaire intracellulaire et un régulateur des cytosquelettes d'actine et de microtubules.
   • Signature histopathologique : centralisation nucléaire, prédominance et atrophie des fibres lentes, ainsi que des travées sarcoplasmiques en rayons de roue.

Pour expliquer la dysfonction musculaire, plusieurs mécanismes physiopathologiques affectant des étapes clés de l'homéostasie musculaire ont été identifiés. Ils incluent des défauts du couplage excitation-contraction, de la régénération musculaire, des mitochondries ou de l'autophagie.