1. Ligne primitive et gastrulation
Gastrulation humaine et modèles expérimentaux
L'analyse directe d'embryons humains a permis d'identifier des populations transcriptionnellement distinctes associées à la ligne primitive et aux premières étapes de formation des feuillets embryonnaires, notamment des cellules exprimant TBXT (Brachyury), EOMES et d'autres régulateurs du mésendoderme. Ces données apportent des informations sur l'organisation spatiale et transcriptionnelle des premières étapes de la gastrulation humaine, bien que l'expression des marqueurs et les relations de lignée dépendent du stade de développement. L'accès expérimental limité aux embryons humains restreignant les manipulations génétiques causales, de nombreux mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués dans la formation de la ligne primitive, la transition épithélio-mésenchymateuse (TEM), l'ingression, la spécification des feuillets embryonnaires et la morphogenèse tissulaire ont été principalement caractérisés chez les embryons de souris et de poulet.
Réseaux de signalisation impliqués dans la formation de la ligne primitive
Chez la souris, la régionalisation de l'axe embryonnaire postérieur et la formation de la ligne primitive dépendent d'une coordination entre les voies de signalisation Nodal, Wnt, BMP et FGF, chacune exerçant des fonctions distinctes. Wnt3 est indispensable à la formation de la ligne primitive, tandis que la signalisation canonique Wnt, via CTNNB1/β-caténine, et la transcription dépendante de TCF/LEF régulent l'expression de gènes associés à la ligne primitive. La signalisation médiée par Nodal est nécessaire à la régionalisation de l'épiblaste postérieur et à la spécification du mésendoderme. Nodal est synthétisée sous la forme d'un précurseur et subit une activation protéolytique impliquant Furin et PACE4 ; son activité est également régulée par des antagonistes tels que Lefty1 et Lefty2.
Les tissus extraembryonnaires contribuent à la régionalisation spatiale. L'endoderme viscéral antérieur exprime notamment les antagonistes Cer1 et Dkk1, qui restreignent les activités postériorisantes dans les régions embryonnaires antérieures. BMP4 , produite par l'ectoderme extraembryonnaire, participe au réseau de régulation contrôlant la signalisation dans l'épiblaste postérieur et la formation de la ligne primitive. La signalisation FGF contribue à la TEM, à la migration cellulaire et à la morphogenèse mésodermique.
TEM, ingression et formation des feuillets embryonnaires
Au niveau de la ligne primitive, les cellules de l'épiblaste subissent un remodelage épithélial et une ingression, impliquant des modifications de l'adhérence et de la polarité cellulaires, le remodelage de la membrane basale, la délamination et l'acquisition de propriétés migratoires. Snai1 participe à la régulation de l'adhérence épithéliale, notamment par la répression de Cdh1/E-cadhérine. Eomes agit dans les progéniteurs associés à la ligne primitive lors de la spécification de l'endoderme définitif et de la génération de certaines populations mésodermiques.
La gastrulation établit les trois feuillets embryonnaires primaires. Les cellules qui traversent la ligne primitive génèrent des progéniteurs mésodermiques et de l'endoderme définitif, tandis que les cellules de l'épiblaste demeurant en dehors de la ligne primitive ne subissent pas d'ingression et contribuent majoritairement à l'ectoderme. La formation de la ligne primitive assure ainsi une ségrégation spatiale entre les populations engagées dans la spécification du mésendoderme et les cellules épithéliales conservant un potentiel ectodermique ; des interactions de signalisation ultérieures participent ensuite à la régionalisation de l'ectoderme neural et non neural.
Destinée des progéniteurs et morphogenèse tissulaire
TBXT et EOMES exercent des fonctions développementales distinctes. TBXT est requis pour le développement normal du mésoderme postérieur et la morphogenèse axiale, tandis que Eomes est indispensable à la spécification de l'endoderme définitif et contribue à certaines populations de progéniteurs mésodermiques. Les études de cartographie du destin cellulaire et les analyses temporelles montrent que les destinées des progéniteurs émergent selon des profils spatiaux et temporels caractéristiques lors de leur passage à travers la ligne primitive, en cohérence avec des différences de réponse aux signaux, d'états transcriptionnels et d'histoire développementale des progéniteurs.
Chez l'embryon de poulet, la cartographie du destin cellulaire, les expériences de greffe, l'électroporation et l'imagerie en temps réel ont permis de caractériser l'ingression cellulaire et les réarrangements médiolatéraux. La signalisation Wnt impliquée dans la polarité planaire cellulaire contribue à l'orientation des comportements cellulaires, à l'intercalation et à l'extension convergente.
Approches expérimentales
Ces mécanismes ont été étudiés au moyen de l'invalidation génique, d'embryons chimériques, du traçage de lignées, de l'hybridation in situ, de l'immunomarquage, d'allèles rapporteurs et de l'imagerie quantitative en temps réel. Le séquençage de l'ARN à cellule unique et la transcriptomique spatiale étendent ces analyses aux embryons humains et à d'autres vertébrés. Les colonies micropatternées de cellules souches pluripotentes humaines et les gastruloïdes permettent des perturbations contrôlées à l'aide de CHIR-99021, XAV939, LDN-193189, WNT3A, BMP4, Activin A et de ligands FGF . Ces modèles reproduisent certains aspects définis de la signalisation associée à la ligne primitive et de la spécification des feuillets embryonnaires, mais complètent, sans s'y substituer, l'analyse directe de la formation de la ligne primitive et de la gastrulation embryonnaire.