2. Spécification des feuillets embryonnaires
Cascades de signalisation dans la régionalisation des feuillets embryonnaires
La spécification des feuillets embryonnaires au cours de la gastrulation résulte de cascades de signalisation combinatoires et régulées dans le temps, plutôt que de simples gradients statiques de morphogènes. Au sein de l’épiblaste, la coordination de la signalisation BMP, de la voie WNT, de la signalisation NODAL et d’entrées dépendantes des FGF régule la compétence cellulaire, la formation de la ligne primitive et la spécification ultérieure des destins cellulaires. L’activité de la voie WNT/β-caténine favorise les programmes associés à la ligne primitive et coopère avec la signalisation NODAL/Activine pour induire le mésendoderme. NODAL ou l’Activine induit la phosphorylation de SMAD2/SMAD3 médiée par les récepteurs, suivie de l’accumulation nucléaire des complexes SMAD et d’une régulation contextuelle des gènes cibles. Le moment, la durée et l’histoire cellulaire associés à la phosphorylation de SMAD2/SMAD3 constituent ainsi des déterminants majeurs des réponses transcriptionnelles.
La signalisation BMP contribue à la régionalisation postérieure et aux processus associés à la ligne primitive, tout en interagissant avec les réseaux WNT et NODAL. La dynamique de la β-caténine ajoute un niveau supplémentaire de régulation temporelle : sa stabilisation et son accumulation nucléaire permettent une transcription dépendante de TCF/LEF, tandis que l’atténuation de la voie et l’action d’antagonistes extracellulaires restreignent les domaines cellulaires sensibles à WNT. La signalisation FGF/ERK module également la progression de la ligne primitive, la motilité cellulaire, la transition épithélio-mésenchymateuse et les états transcriptionnels associés aux différents lignages.
Effecteurs moléculaires du destin cellulaire
La spécification est médiée par des réseaux dynamiques de facteurs de transcription qui intègrent les signaux extracellulaires à l’état préexistant de l’épiblaste. OCT4 et SOX2 participent aux réseaux régulateurs associés à la pluripotence, tandis que l’évolution de l’environnement de signalisation modifie leurs interactions génomiques et fonctionnelles au cours de l’engagement dans les différents lignages. Les programmes mésendodermiques impliquent notamment T/Brachyury, EOMES, MIXL1, GATA6, SOX17 et FOXA2, dont le recrutement dépend du contexte de signalisation et du stade du développement. À l’inverse, l’atténuation des signaux BMP, WNT et NODAL/Activine inducteurs du mésendoderme permet l’engagement vers des trajectoires ectodermiques, tandis que l’exposition aux BMP contribue à la subdivision ultérieure des différents états ectodermiques. Les identités des feuillets embryonnaires doivent donc être envisagées comme des états régulateurs progressifs plutôt que comme des résultats binaires instantanés.
Approches expérimentales et réactifs
L’étude de ces mécanismes repose sur des approches spatiales et résolues dans le temps. L’immunohistochimie ou l’immunofluorescence utilisant des anticorps spécifiques des formes phosphorylées permet de cartographier p-SMAD2/p-SMAD3, tandis que la localisation de la β-caténine fournit une mesure complémentaire de l’activité de la voie WNT. Le séquençage de l’ARN à cellule unique, notamment lorsqu’il est associé à des approches spatiales, permet d’identifier des états cellulaires transitoires et de reconstruire les trajectoires développementales au cours de la gastrulation.
Les cellules souches embryonnaires et les gastruloïdes dérivés de cellules souches permettent de manipuler expérimentalement, dans des conditions contrôlées, la chronologie et les combinaisons des signaux. Des morphogènes recombinants, notamment BMP4, WNT3 et NODAL, permettent une activation définie des voies de signalisation, tandis que des antagonistes ou des inhibiteurs peuvent être utilisés pour tester leur nécessité fonctionnelle et leur fenêtre temporelle d’action ; par exemple, DKK1 inhibe la signalisation canonique WNT. Le traçage de lignage fondé sur CRISPR peut également relier l’histoire des progéniteurs à leur état transcriptionnel et à leur devenir cellulaire. L’intégration de ces approches permet ainsi d’établir comment des signaux combinatoires, coordonnés dans le temps, génèrent les destins ectodermiques, mésodermiques et endodermiques au cours du développement des vertébrés.