SVTR

Un facteur de transcription
est une protéine qui régule l'expresssion des gènes,
soit qu'il active, soit qu'il inhibe la transcription.

Au cours du développement embryonnaire, les cellules vont se diversifier
et se spécialiser en différents types cellulaires. C'est
le processus de différenciation cellulaire. Bien que possédant toutes un génôme identique, ces
cellules n'en expriment qu'une partie et vont donc acquérir une
identité par les gènes
qu'elles expriment. Ce mécanisme de sélection des gènes
est la résultante de nombreux niveaux
de régulation de l'expression gènique. L'un des processus
majeur de régulation est assuré par les facteurs de transcription
qui se fixent directement sur l'ADN au niveau des séquences régulatrices
auxquelles appartiennent les régions
promotrices ou promoteurs. A
ce niveau ils ouvrent la double hélice
de l'ADN pour permettre la transcription. C'est donc à partir de
cette séquence que la transcription est initiée.

Le gène homéotique se
caractérise par une séquence nucléotidique commune
à tous les gènes homéotiques : l'homéoboîte.
Le gène homéotique code pour une protéine appelée
homéoprotéine.

L'homéoprotéine est
un facteur de transcription codé par un gène homéotique.
Elle possède une séquence en acides aminés commune
à toutes les homéoprotéines : l'homéodomaine.

L'homéoboîte est une
séquence de 180 paires de base nucléotidiques qui code
pour l'homéodomaine.

L'homéodomaine est une séquence
de 60 acides aminés dont la conformation tridimensionnelle reconnaît
spécifiquement des régions régulatrices de certains
gènes.

La structure protéique tridimensionnelle de l'homéodomaine
s'organise en trois hélices a qui forment le motif hélice-boucle-hélice
(ou HLH pour Helix-Loop-Helix).

Le motif HLH constitue le domaine d'interaction avec la molécule
d'ADN. C'est cette partie de la molécule qui s'insère
dans le sillon de la double hélice de l'ADN et contribue à
ouvrir celle-ci pour la rendre transcriptionnellement active. La séquence
nucléotidique minimum reconnue par le motif HLH est constituée
des quatre bases TAAT (ou ATTA complémentaire).

L'homéodomaine est très conservé au cours de l'évolution
et commun à toute les homéoprotéines. Son degré
de conservation est de l'ordre de 90%.

Le rôle des gènes sélecteurs est d'informer les
cellules de leur position au cours de l'embryogenèse et de
préciser leur positionnement définitif dans l'embryon
au cours de la formation des organes par rapport aux axes antéropostérieur
et dorsoventral. Ainsi, chez la drosophile, les gènes homéotiques appartenant
au code Hom-C contrôlent la
spécialisation antéropostérieure des segments. 
De même chez les vertébrés, deux grands groupes
de gènes sélecteurs sont impliqués dans l'embryogenèse
: les gènes Hox et Pax
qui définissent le positionnement
cellulaire respectivement le long des axes antéropostérieur
et dorsoventral de certains organes tels que par exemple le système
nerveux central.

Chez les vertébrés, il existe quatre complexes homologues
de gènes Hox. Chacun d'eux est porté par un chromosome
différent. On considère que les quatre complexes Hox résultent
de la duplication des chromosomes. Au cours de l'évolution, deux
duplications successives ont eu lieu à partir d'un complexe ancestral.
L'ordre de ces gènes sur chaque chromosome étant remarquablement
similaire et étant issu par duplication, on dit qu'ils sont paralogues
(par ex: HoxA4, HoxB4, HoxC4, HoxD4)

Notion de combinatoire gènique

La combinaison des produits de plusieurs gènes Hox donne
une identité relative aux cellules
embryonnaires le long de l'axe antéropostérieur. Chaque
cellule embryonnaire est donc affectée d'une valeur
positionnelle au sein de la population cellulaire où elle
se trouve, valeur qui résulte d'une combinatoire
de plusieurs gènes appartenant au code Hox.

Notion de colinéarité

Une deuxième notion importante apportée par la connaissance
des gènes Hox concerne la colinéarité
de la disposition des gènes Hox sur le chromosome avec l'ordre
des domaines d'expression dans l'embryon.

Par exemple, le gène à l'extrémité 3' du
complexe est exprimé en premier et participe à l'élaboration
des structures antérieures. Le gène à l'extrémité
5' du complexe est exprimé en dernier et participe à l'élaboration
des structures postérieures.

Impliquée dans l'identité cellulaire le long de
l'axe dorsoventral, l'expression des gènes Pax a été
étudiée dans les organes embryonnaires dorsaux et
latérodorsaux des vertébrés tels que le tube
neural et les somites.

Le tube neural est l'organe embryonnaire en position la plus dorsale
à l'origine du système nerveux central (cerveau et moëlle
épinière).

Avant même que le tube neural ne montre quelque signe de différenciation
que ce soit, la future moëlle épinière se subdivise
en régions dorsale et ventrale. Ces régions se distinguent
par l'expression différencielle des gènes Pax. Par exemple,
les gènes Pax 3 et Pax 7 marquent spécifiquement la
région dorsale du tube nerveux et sont exclus de sa région
ventrale.

Les somites sont des organes embryonnaires transitoires qui se différencient
ultérieurement en trois catégories de dérivés.
Les cellules somitiques localisées dans la région dorsale
et latérale sont à l'origine du dermomyotome (destiné
à former le derme du tronc et les muscles de la colonne vertébrale).
Ces cellules expriment le gène Pax3. Par contre, la partie
ventrale du somite est à l'origine du sclérotome (destiné
à former les vertèbres). Ces cellules expriment Pax1.

La régionalisation des domaines d'expression des gènes
Pax résulte d'une cascade d'événements gènétiques
qui visent à ségréger leur mise en fonction le
long de l'axe dorsoventral des somites et du tube neural.

 
On connait actuellement près de 500 homéoprotéines
différentes appartenant au règne animal et qui se répartissent
en une trentaine de familles. On convient que des homéoprotéines
appartiennent à la même famille lorsque leur homologie
est supérieure à 60%.

Ceci veut dire que la structure des homéoprotéines est
très conservée entre les espèces. On peut donc
s'attendre à ce que leur fonction le soit également.

Le rôle des complexes Hox et Hom-C dans le développement
embryonnaire apparaît être très ancien. Les gènes
de la souris et de la drosophile sont similaires en ce qui concerne
leur séquence codante et leur ordre sur le chromosome


La conservation fonctionnelle au cours de l 'évolution des
gènes sélecteurs vaut également pour la famille
des gènes Pax. Par exemple, le gène eyeless de drosophile
présente 94% d'homologie avec le gène Pax6 humain. La
mutation de ce gène cause la réduction voire l'absence
complète de l'oeil composé de l'insecte. De même
chez l'homme, il existe une mutation appelée « aniridia
» qui se caractérise par des yeux de taille réduite
et l'absence d'iris. Enfin, chez la souris, on sait provoquer la mutation
de Pax6 qui inhibe la fonction de ce gène. Cette mutation entraine
également la réduction du globe oculaire et l'absence
d'iris.

Ceci montre à l'évidence que la fonction du gène
Pax6 des mammifères et celle deson homologue eyeless des insectes
constituent un exemple remarquable de la conservation des gènes
sélecteurs à travers le règne animal.

 

La parenté génétique des complexes Hom-C de la
drosophile et Hox des vertébrés est attestée par
les expériences de transgenèse interspécifique : 

 

1-Une première méthode
consiste à corriger une mutation léthale chez la
drosophile en remplaçant le gène muté par son homologue
provenant d'une espèce éloignée.

Par exemple, le gène labial (lab) est nécessaire à
la morphogenèse normale de la tête d'une mouche. Sa mutation
entraine une hypomorphose céphalique causant la mort de l'animal.
On dit que la mutation est léthale. Or, il a été
montré que la substitution du gène lab muté par
le gène Hox.b-1 du poulet restaure la morphogenèse normale
de la tête de la mouche.

2-Une deuxième méthode
consiste à tester la capacité des gènes Hox de
vertébrés à induire des phénotypes homéotiques
lorsqu'ils sont exprimés au cours du développement embryonnaire
de la drosophile. Il est ainsi possible d'éprouver la similarité
fonctionnelle des gènes Hom-C et Hox.

Par exemple, le gène Hoxb-9 de la souris, inséré
par transgenèse chez la drosophile, entraine la transformation
des antennes en pattes thoraciques.

Ceci signifie que la fonction du gène murin Hoxb-9 peut se substituer
à celle du gène antennapedia dans l'identité segmentaire
de la drosophile. De plus, l'obtention du phénotype caractéristique
d'antennapedia implique que le gène murin
Hoxb-9 régule de la même manière que son homologue
les gènes situés en aval de celui-ci

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/homeotique/index.html 

The embryo can be seen enclosed in the amniotic membrane with tthe
umbilical cord to the left. Within the cord the placental blood vessels
can be seen
branching into finer vessels before they enter the fetal side of the
main placental structure. The fetal side of the placenta is relatively
smooth and is continuous
with the choriononic membrane. To the far left of the image, placental
villi can be seen radiating out from placenta facing towards the
maternal side.

Note also the small yolk sac (bottom centre) covered in a fine network of anastomosing vitelline blood vessels.

Now look at histological sections through both the placenta and cord.

 

films humain et souris

échographies humains

Les gènes Pax constituent, parmi les gènes du développement,
une catégorie distincte de celle des gènes Hox.

Du point de vue de leur structure,
les gènes Pax possèdent généralement, en plus
de l'homéobox déjà caractéristique des gènes
Hox, une séquence dénommée paired-box
ainsi qu'un motif octapeptide intercalé entre l'homéobox
et la paired-box. La figure ci-dessous précise la structure des
gènes Pax, leur localisation et les phénotypes associés.

Du point de vue fonctionnel,
la plupart des gènes Hox s'expriment uniquement pendant l'embryogénèse,
lors de la formation du système nerveux. Cette idée est corroborée
par l'effet des mutations des gènes Pax sur les phénotypes
des individus. Ainsi une mutation du gène Pax-3 chez la souris entraîne,
à l'état homozygote, une malformation de l'axe neural ; une
mutation du gène Pax-6 entraîne , à l'état homozygote,
une absence totale d'oeil et de cavité nasale. Le tableau ci-dessous
renseigne sur le profil d'expression des différents gènes
Pax chez la souris.

 

Gènes	Période et lieu d'expression chez l'embryon	Expression chez l'adulte
Pax-1	j10-17: : Mésoderme somitique: sclérotome	Non
Pax-2	j10-18 : Rein en développement. Tube nerveux, rhombencéphale, vésicule otique, vésicule optique	Non
Pax-3	j8.5-16 : Certaines régions du cerveau, partie dorsale du tube nerveux, cellules de la crête neurale, dermomyotome	Non
Pax-4	Non déterminé	Non déterminé
Pax-5	j10-14 : Mésencéphale, tube nerveux, foie foetal	Rate, ganglions lymphatiques, sang
Pax-6	j8-18 : Cerveau antérieur et postérieur, hypophyse, épithélium olfactif, oeil, tube nerveux (zone ventrale)	Non
Pax-7	j8-17 : Groupe de cellules dans tout le cerveau, puis limité au mésencéphale, tube neural (zone dorsale)	Non
Pax-8	À partir de j11.5 : Expression transitoire dans tout le tube nerveux et le myélencéphale(j11.5 à j12.5). Thyroïde et rein en développement	Thyroïde, rein

Le mécanisme d'action des
gènes Pax a été partiellement élucidé.
Le motif protéique codé par le domaine paired se lie à
l'ADN et agit comme un facteur de transcription. Dans le cas du gène
Pax-6 chez la souris, ce mécanisme a pu être précisé
: le gène Pax-6 est un gène "maître", situé
au sommet d'un édifice génétique d'où il régule
un ensemble de gènes "secondaires" influençant eux-mêmes
l'activité d'autres gènes-cibles d'un niveau inférieur
dans la hiérarchie. De cette activation en cascade, impliquant 2000
à 3000 gènes, résulte la mise en place d'une structure
parfaite comme l'oeil.

18.. - La mutation Antennapedia
donne des mouches qui ont des pattes sur la tête à la
place des antennes.

1894 - William Bateson utilise le terme "homeosis"
pour la première fois pour désigner le phénomène
de transformation d'un organe en un autre. L'existence de mutations
homéotiques révèle qu'il existe des gènes
sélectionnant le destin des cellules lors du développement.

1927 - Calvin Bridges a découvert la mutation bithoraxoïd
(bxd) qui a pour effet de donner à une partie du
premier segment abdominal l'aspect du troisième segment
thoracique. De telles mouches mutantes peuvent avoir une paire de
pattes supplémentaires.

1941 - Calvin Bridges isola également un mutant qu'il nomma
bithorax (bx). Ce mutant a une
paire de balanciers anormaux : la partie antérieure de ces
organes est remplacée par du tissu d'aile. La moitié
antérieure du troisième segment thoracique est en fait
transformée en moitié antérieure du second
segment thoracique.

1954 - Lewis, découvrit un mutant qu'il nomma postbithorax
(pbx). Chez ce dernier, c'est la partie postérieure
des balanciers, des pattes, et en fait la partie postérieure
de tout le troisième segment qui a les caractéristiques
du second.

- Chez le mutant ultrabithorax (ubx)
, découvert par Calvin Bridges, le troisième segment
thoracique et le premier segment abdominal ont des caractéristiques
du second segment thoracique. Les mouches qui présentent cette
mutation n'atteignent pas l'âge adulte.

1978 - Lewis localise sur le chromosome 3 de la drosophile deux
groupes de gènes homéotiques : le complexe
Antennapediale et le complexe Bithorax .

Le complexe Antennapedia contient
les gènes homéotiques labial (lab) et deformed (Dfd)
qui spécifient les segments céphaliques, tandis que Sex
comb reduced (Scr) et Antennapedia (Antp) participent à
l'établissement de l'identité des segments thoraciques,
et le gène proboscipedia (pb) qui semble n'agir que dans les
adultes ; toutefois, en son absence, les palpes labiaux de la bouche
sont transformés en pattes.

Le complexe Bithorax comporte
trois gènes : le gène Ultrabithorax (ubx) qui est
nécessaire à l'identité du troisième
segment thoracique ; les gènes abdominal A (abdA) et abdominal
B (abdB) qui sont responsables de l'identité segmentaire des
segments abdominaux.

Lewis a également découvert que l'ordre des gènes
homéotiques du complexe Bithorax sur le chromosome 3
correspond à l'ordre dans lequel ils sont activés le
long de l'axe antéro-postérieur du corps.

1983 - isolement et analyse de plusieurs
gènes homéotiques chez la drosophile,
repérage, dans leur structure, d'une séquence commune
de 180 paires de bases qualifiée d'homéobox ou
homéoboîte. Les gènes homéotiques
codent pour des protéines qui régulent l'activité
d'autres gènes.

1984 - L'homéoboîte d'abord mise en évidence
chez la drosophile a ensuite été découverte chez
des Vertébrés, dont le Xénope

- Les similitudes constatées entre les homéoboîtes
des différentes espèces ont révélé
que l'homéoboîte sert des fonctions voisines ou
identiques chez les Insectes et chez les Vertébrés.
La même concordance entre l'organisation des gènes sur
les chromosomes et leur ordre d'expression a été
retrouvée chez la Souris et chez l'homme. Il a été
découvert chez les Mammifères
quatre groupes de gènes homéotiques , nommés
complexes HOX et situés
chacun sur un chromosome différent.

1986 - La "paired box",
codant pour une deuxième région de la protéine
et également capable de se fixer sur l'ADN de gènes-cibles,
a été mise en évidence dans trois gènes
gouvernant la segmentation de l'embryon chez la drosophile.

199' - exp de transgenèse (Gruss, 1991 ; Capecchi, 1993)
ont été réalisées et ont permis de
démontrer que les gènes
homéotiques chez la souris et chez la drosophile ont la même
fonction : déterminer la mise en place des organes de l'avant
à l'arrière du corps.

1991 - le gène Smalleye (conduit
à la réduction de la taille des yeux) de la Souris et
le gène de l'aniridie (conduit chez les hétérozygotes
à de petits yeux dépourvus d'iris) humaine ont été
isolés et analysés. Ces gènes possèdent à
la fois une homéoboîte et une "paired box",
codant pour une deuxième région de la protéine
et également capable de se fixer sur l'ADN de gènes-cibles.
Il existe ainsi une famille de gènes
Pax, contenant une paired box, par analogie avec la famille Hox de
gènes contenant l'homéoboîte. Dans
cette nomenclature, les mutations Smalleye chez la souris et aniridia
chez l'homme sont des mutations du gène Pax6.

1993 - Eyeless : un gène
homologue de Pax 6 a été isolé chez la
drososphile.

1994 - il a été démontré
que Pax 6 est affecté par les mutations Eyeless. Les gènes
Pax6 (souris, homme) et Eyeless (drosophile) sont alors homologues.
Ainsi, l'oeil des Mammifères et l'oeil des Insectes, bien que
différents dans leur structure, requièrent pour leur
développement un même gène homéotique. En
1994, des expériences ont révélé que le
gène Eyeless est un gène
"maître" de la formation de l'oeil,
c'est-à-dire contrôlant toute
la cascade génétique du développement
de l'oeil. Depuis, des gènes maîtres homologues de
Eyeless et Small eye ont été trouvés chez divers
autres taxons (planaire, ver némerte, calmar, ascidie).

La constance des structure et
fonction des complexes de gènes du développement
découverts à ce jour suggère fortement que les
mécanismes fondamentaux gouvernant la détermination de
l'identité régionale le long des axes embryonnaires se
sont bien conservés au cours de l'évolution.

 

http://www.inrp.fr/Acces/biotic/develop/controle/html/histgen.htm

 

Les homéodomaines et la reconnaissance spécifique
de l'ADN

Il existe une grande variété de protéines interagissant
avec l'ADN. Certaines se fixent au niveau du grand sillon tandis que d'autres
se fixent au niveau du petit sillon de la double hélice d'ADN. Quelques
protéines réclament pour se fixer à l'ADN la présence
d'un ligand sous forme d'ion métallique. Les protéines qui
interagissent avec l'ADN ont des fonctions variées telles que facteur
de transcription, répresseur, etc., mais la fonction de nombreuses
protéines est encore inconnue.

L'homéodomaine est un motif peptidique
de fixation sur l'ADN, composé d'une soixantaine d'acides aminés
codés par 180 paires de bases composant l'homéoboîte
des gènes homéotiques. Cet homéodomaine n'est qu'une
petite partie des protéines codées par les gènes homéotiques.

On retrouve ces homéodomaines extrêmement conservés
dans de très nombreuses espèces allant des bactéries
aux mammifères. L'homéodomaine du gène Hox-A7 de
l'homme ne diffère que par un seul acide aminé de l'homéodomaine
du gène Antennapedia de la Drosophile, ce qui implique une
pression sélective extrêmement forte sur ces homéodomaines.

Il existe une grande unité structurale entre les différents
homéodomaines : en effet, ils sont pratiquement tous constitués
par 3 hélices alpha et parfois par une quatrième au niveau
de l'extrémité C-terminale.

La reconnaissance spécifique d'une partie de l'ADN par l'homéodomaine
est principalement assurée par 4 résidus en position 47,
50, 51 et 54 qui entrent en contact avec les bases du grand sillon de l'ADN.
Quelques données montrent une interaction au niveau du petit sillon
de résidus de l'extrémité N-terminale.

http://www.inrp.fr/Acces/biotic/develop/controle/html/homeodom.htm

photos des mutants drosophile