🎓 E-Learning Drosophila

Objectifs: Comprendre les grandes étapes du développement chez les amphibiens, échinodermes et arthropodes.

Contenu détaillé :

Amphibiens (ex. Xénopus laevis) :

• Cleavage : Division cellulaire rapide sans croissance, formant une morula.
• Blastulation : Formation d'un blastocyste avec une cavité centrale (blastocele).
• Gastrulation : Réorganisation des cellules en trois couches germinales (ectoderme, mésoderme, endoderme) via des mouvements d'invagination, d'ingression et d'épithélisation.
• Neurulation : Formation du tube neural par plissement de l'ectoderme.

Échinodermes (ex. oursin de mer) :

• Cleavage : Division égale et radiale, formant un blastocyste sphérique.
• Blastulation : Le blastocyste est entouré d'une membrane vitelline.
• Gastrulation : Invagination du mésoderme pour former le primitif archentéron.
• Métamorphose : Les larves pléurotomes se transforment en adultes via la réorganisation des structures.

Arthropodes (ex. Drosophila melanogaster) :

• Cleavage : Division synchronisée de l'œuf syncytial, formant une syncitiotrophe.
• Segmentation : Formation de segments distincts via des gènes de segmentation (gap, pair-rule, segment polarity).
• Gastrulation : Ingression du mésoderme et formation de l'archentéron.
• Métamorphose : Transformation radicale entre stade larvaire et adulte via la pupation.

Mécanismes fondamentaux de la segmentation :

• Axes corporels : Définis par des gradients de morphogènes (ex. bicoid et nanos chez Drosophila).
• Segmentation : Chez les arthropodes, les segments sont formés par des gènes agissant en cascade (maternels → gap → pair-rule → segment polarity).
• Comparaison :
  • Amphibiens/Échinodermes : Segmentation via des mouvements cellulaires (mouvements de convergence-extension).
  • Arthropodes : Segmentation génétique précise avec des motifs répétitifs (ex. 14 segments chez Drosophila).

Objectifs: Maîtriser le cycle de vie de Drosophila et l'organisation des ovarioles.

Contenu détaillé :

Cycle de vie de Drosophila melanogaster :

1. Œuf : Développé dans les ovarioles de la femelle.
2. Larve : Trois stades (L1, L2, L3) marqués par des mues.
3. Pupa : Stade immobile où se produit la métamorphose.
4. Adulte : Émergence après 4–5 jours (à 25°C).

Organisation des ovarioles :

• Structure : Chaque ovary contient 16–20 follicules, organisés en ovarioles tubulaires.
• Phases de l'ovogenèse :
  1. Multiplication germinale : Cellules germinales (cystoblasts) se divisent par mitose pour former un cyste de 16 cellules (1 ovocyte + 15 cellules nourricières).
  2. Maturation : Dépôt de réserves nutritives (yolk) et formation de la membrane vitelline.
  3. Encapsulation : Cellules folliculaires forment une couche autour de l'ovocyte.
  4. Ovulation : Libération de l'ovocyte mature dans l'oviducte.

Développement de l'ovocyte pendant l'ovogenèse :

L'ovogenèse chez Drosophila peut être divisée en 14 stades, chacun caractérisé par des événements spécifiques :

• Stades précoces (1 à 7) :
  • Formation du cyste de 16 cellules.
  • Détermination de l'ovocyte par accumulation de facteurs cytoplasmiques spécifiques (comme les ARNm oskar, bicoid, et nanos).
  • Établissement de la polarité intrinsèque de l'ovocyte.
• Stades intermédiaires (8 à 10) :
  • Migration du noyau de l'ovocyte vers la région antérieure-dorsale.
  • Activation de la transcription de gènes spécifiques.
• Stades tardifs (11 à 14) :
  • Accumulation massive de vitellus (yolk).
  • Formation de la coquille de l'œuf.
  • Maturation finale et ovulation.

Objectifs: Comprendre l'établissement des axes corporels par les morphogènes maternels.

Contenu détaillé :

Contrôle génétique par les morphogènes maternels - Établissement des axes corporels :

Axe antéro-postérieur :

• Morphogène bicoid :
  • Localisé au pôle antérieur de l'œuf.
  • Active le gène hunchback (gap gene) pour délimiter les segments céphaliques.
  • Mécanisme: Bicoid se lie directement aux enhancers de hunchback, activant sa transcription dans la région antérieure.
  • La concentration élevée de Bicoid à l'avant entraîne une forte expression de hunchback dans cette zone.
• Morphogène nanos :
  • Localisé au pôle postérieur.
  • Inhibe hunchback dans les segments abdominaux.
  • Gradient postérieur: Nanos forme un gradient croissant vers l'arrière de l'embryon.
  • Il agit en réprimant la traduction de l'ARNm hunchback dans la région postérieure, créant ainsi une expression limitée de Hunchback à la moitié antérieure.
• Morphogène caudal :
  • Distribué de manière uniforme puis activé postérieurement.
  • Active les gènes gap postérieurs comme knirps et giant.
  • Gradient postérieur: Caudal est un facteur de transcription activé dans la moitié postérieure de l'embryon.
  • Il active les gènes gap postérieurs comme knirps et giant, tout en réprimant les gènes antérieurs comme hunchback.

Axe dorso-ventral :

• Morphogène dorsal :
  • Activé par la voie Toll suite à l'interaction avec Spätzle (morphogène maternel).
  • Gradient nucléaire ventral → activateur de gènes mésodermiques (twist, snail).
  • Le gradient nucléaire de Dorsal contrôle l'expression de différents gènes selon sa concentration, définissant ainsi les destinées cellulaires le long de l'axe dorso-ventral.
• Rôle de Gurken :
  • Sécrété par l'ovocyte, active la voie EGFR dans les cellules folliculaires pour orienter la polarité dorso-ventrale.
  • Pipe: Une enzyme glycosyltransférase spécifique au pôle ventral de l'ovocyte.
  • Protéines de signalisation Gd, Snake, Easter: Ces enzymes sont présentes sous forme inactive dans le périvitellin.
  • Spätzle(Spz): Une protéine sécrétée présente sous forme proligand inactive(pro-Spz).

Mécanismes de régulation des morphogènes maternels :

• Transcription et transport :
  • Les ARNm des morphogènes maternels sont transcrits dans les cellules nourricières et transportés vers l'ovocyte via les anneaux fusoriaux.
  • Ce transport est médié par des complexes ribonucléoprotéiques contenant des protéines motrices (comme Kinesin et Dynein).
• Localisation cytoplasmique :
  • Les ARNm sont ancrés à des sites spécifiques du cortex de l'ovocyte grâce à des séquences cis-régulatrices dans leurs UTR.
  • Par exemple, l'ARNm bicoid est localisé à l'extrémité antérieure, tandis que nanos est à l'extrémité postérieure.

Rétrocontrôle entre Bicoid, Hunchback, Nanos et Caudal :

• Activation transcriptionnelle :
  • Bicoid active la transcription de hunchback dans la région antérieure.
  • Mécanisme: Bicoid se lie directement aux enhancers de hunchback, activant sa transcription dans la région antérieure.
  • La concentration élevée de Bicoid à l'avant entraîne une forte expression de hunchback dans cette zone.
• Répression translationnelle :
  • Nanos réprime la traduction de hunchback dans la région postérieure.
• Interactions antagonistes :
  • Bicoid et Nanos ont des effets opposés sur hunchback.
  • Caudal active les gènes gap postérieurs comme knirps et giant.
  • Hunchback réprime directement l'expression de caudal dans la région antérieure.
  • À l'inverse, Caudal active des gènes postérieurs qui répriment indirectement hunchback dans la région postérieure.
• Boucle de rétroaction :
  • Bicoid active hunchback, qui à son tour peut moduler l'activité de Bicoid en influençant l'expression d'autres gènes.

Objectifs: Maîtriser la cascade de régulation génétique des gènes de segmentation.

Contenu détaillé :

Gènes de segmentation zygotiques - Cascade de régulation génétique :

Gènes GAP :

• Fonction : Définissent des zones larges (gap) le long de l'axe antéro-postérieur.
• Exemples :
  • hunchback : Activé par bicoid, exprimé en zone antérieure.
  • krüppel : Contrôlé par bicoid et nanos, exprimé en zone centrale.
  • giant : Réprimé par bicoid et activé par nanos.
  • knirps : Activé par caudal et réprimé par bicoid.
• Mécanismes moléculaires :
  • Les gènes gap divisent l'embryon en grandes régions correspondant à des segments futurs.
  • Leur expression se chevauche partiellement, mais des mécanismes de répression mutuelle créent des frontières nettes entre les domaines d'expression.
  • Les produits des gènes gap se lient directement aux enhancers des gènes pair-rule pour moduler leur expression.
  • Ces enhancers contiennent des sites de liaison spécifiques pour chaque gène gap, permettant une régulation fine et positionnelle.

Gènes Pair-Rule :

• Fonction : Génèrent des bandes alternées (every 7th segment) via des motifs répétitifs.
• Exemples :
  • even-skipped (eve) :
    • Exprimé en 7 bandes précises le long de l'axe A-P.
    • Chaque bande est définie par une combinaison unique de gènes gap :
      • Bande 2 : Activée par Bicoid et Hunchback, réprimée par Giant.
      • Bande 3 : Activée par Hunchback, réprimée par Krüppel.
      • Bandes postérieures : Activées par Caudal, réprimées par Knirps.
    • Eve agit comme un répresseur transcriptionnel puissant.
    • Il inhibe l'expression de gènes cibles dans ses bandes.
  • fushi tarazu (ftz) :
    • Exprimé en bandes alternées par rapport à Eve.
    • Activation : Ftz est activé dans des bandes alternées par rapport à eve, formant un motif complémentaire.
    • Son activation est contrôlée par des combinaisons similaires de gènes gap :
      • Bande 1 : Activée par Bicoid, réprimée par Hunchback.
      • Bandes postérieures : Activées par Caudal, réprimées par Knirps.
    • Répression: Giant et Knirps répriment ftz dans des régions spécifiques, assurant un chevauchement minimal avec eve.
• Gènes pair-rule secondaires :
  • runt, hairy, odd-skipped affinent les motifs des gènes primaires.
  • Par exemple, Runt peut réprimer even-skipped dans ses propres bandes.
  • Hairy est un autre gène pair-rule secondaire exprimé en quatorze bandes, agissant comme un répresseur transcriptionnel.
  • Odd-skipped (Odd) est exprimé en quatorze bandes, souvent en opposition avec Runt et Hairy.
  • Les gènes pair-rule primaires et secondaires interagissent de manière antagoniste pour affiner les frontières entre les segments.
  • Par exemple, Hairy et Odd-skipped agissent comme des répresseurs mutuels, créant des frontières nettes entre leurs bandes respectives.

Gènes de Polarité Segmentaire :

• Fonction : Définissent les frontières internes des segments.
• Exemples :
  • engrailed (en) :
    • Exprimé dans la partie postérieure de chaque segment (parasegment).
    • Engrailed définit la limite postérieure de chaque parasegment en activant des gènes cibles spécifiques.
    • Définis par Engrailed, qui active des gènes spécifiques dans ces cellules.
    • Even-skipped active engrailed dans les cellules postérieures.
  • wingless (wg) :
    • Activé par certains gènes pair-rule, notamment Odd-skipped et Hairy, dans des régions spécifiques.
    • Wingless agit comme un signal paracrine qui maintient la polarité des segments.
    • Odd-skipped active wingless dans les cellules antérieures.
  • hedgehog (hh) :
    • Exprimé dans les cellules postérieures de chaque segment sous le contrôle d'engrailed.
    • Hedgehog diffuse vers les cellules antérieures et active ci (Cubitus interruptus).

Interaction et rétrocontrôle entre Engrailed, Wingless et Hedgehog :

• Mécanisme :
  • Engrailed active hedgehog dans les cellules postérieures.
  • Hedgehog diffuse vers les cellules antérieures et active wingless.
  • Wingless diffuse vers les cellules postérieures et maintient l'expression d'engrailed.
• Boucles de rétroaction :
  • Boucle de rétroaction positive :
    • Hedgehog → Wingless → Engrailed → Hedgehog
    • Hedgehog produit dans les cellules postérieures induit l'expression de wingless dans les cellules antérieures.
    • Wingless, une fois produit, active l'expression de engrailed dans les cellules postérieures.
    • Engrailed, à son tour, active la production de Hedgehog, créant ainsi une boucle de rétroaction positive.
  • Les boucles de rétroaction positive et les mécanismes antagonistes maintiennent des frontières nettes entre les compartiments.
• Stabilisation des frontières :
  • Les signaux paracrines (Hedgehog et Wingless) créent des interactions cellulaires qui renforcent les frontières entre les compartiments.
  • Hedgehog provenant des cellules postérieures induit Wingless dans les cellules antérieures.
  • Wingless provenant des cellules antérieures stabilise Engrailed dans les cellules postérieures.

Objectifs: Comprendre le rôle des gènes Hox dans la spécification segmentaire.

Contenu détaillé :

Gènes Homeotiques :

Rôle des Hox genes :

• Définition : Gènes codant pour des facteurs de transcription qui déterminent l'identité des segments.
• Exemples chez Drosophila :
  • Complexe Antennapedia (ANT-C) :
    • Labial (lab) : Contrôle les structures céphaliques antérieures.
    • Proboscipedia (pb) : Détermine l'identité des appendices buccaux.
    • Deformed (Dfd) : Spécifie les segments céphaliques médians (ex. mandibules).
    • Sex combs reduced (Scr) : Contrôle l'identité du premier segment thoracique (T1).
    • Antennapedia (Antp) : Confère l'identité thoracique (ex. pattes).
  • Bithorax complex (BX-C) :
    • Ultrabithorax (Ubx) : Confère l'identité du segment T3 et des segments abdominaux.
    • Abdominal-A (Abd-A) : Contrôle les segments abdominaux médians.
    • Abdominal-B (Abd-B) : Contrôle les segments abdominaux postérieurs.

Mécanismes de régulation :

• Colinéarité :
  • Ordre linéaire des gènes dans le génome correspond à leur ordre d'expression le long de l'axe antéro-postérieur.
  • Les gènes situés à l'extrémité 3' du complexe (par exemple, lab, pb) sont exprimés dans les segments antérieurs.
  • Les gènes situés à l'extrémité 5' (par exemple, Abd-B) sont exprimés dans les segments postérieurs.
  • Cette organisation reflète une colinéarité spatiale et temporelle: les gènes situés en amont sont activés plus tôt pendant le développement.
• Répression :
  • Les gènes Hox sont réprimés dans les segments non ciblés par des protéines comme PcG (Polycomb group).
  • Les gènes Hox s'excluent mutuellement dans leurs domaines d'expression grâce à des mécanismes de répression transcriptionnelle.
  • Par exemple, Ultrabithorax réprime Antennapedia dans les segments abdominaux.
• Activation :
  • Mécanismes épigénétiques : Les complexes Trithorax (TrxG) maintiennent l'expression active des gènes Hox dans les segments appropriés.
  • Une fois activés, les gènes Hox maintiennent leur expression via des modifications épigénétiques, telles que la méthylation de l'ADN et les modifications des histones.
  • Polycomb: Réprime les gènes Hox dans les régions où ils ne doivent pas être exprimés.
  • Trithorax: Maintient l'activation des gènes Hox dans leurs domaines spécifiques.

Phénotypes de mutation :

• Ubx muté → duplication de pattes thoraciques (effet bithorax).
• Antp muté → transformation de l'antenne en pattes.
• Mutations des gènes Hox spécifient l'identité des segments en activant ou réprimant des batteries de gènes cibles.
• Par exemple, Ultrabithorax réprime la formation des pattes dans le segment T3, ce qui explique pourquoi les mouches n'ont que trois paires de pattes.

Importance évolutionnaire :

• Les Hox genes sont conservés chez tous les eumétazoaires.
• Variations dans leurs régions régulatrices expliquent les différences morphologiques entre espèces (ex. nombre de segments).

Régulation du développement par les gènes Hox et rétrocontrôle :

• Activation séquentielle :
  • Les gènes situés en amont sont activés plus tôt pendant le développement.
• Régulation par les éléments cis-régulateurs :
  • Chaque gène du complexe est contrôlé par des éléments cis-régulateurs spécifiques (enhancers).
  • Ces enhancers répondent à des signaux provenant des gradients de morphogènes comme Bicoid, Hunchback, Krüppel, et Caudal.
  • Ces enhancers garantissent une expression précise et restreinte des gènes homéotiques dans les segments appropriés.
• Amplification par boucles de rétroaction positive :
  • Certains gènes Hox amplifient leur propre expression via des boucles de rétroaction positive.
  • Par exemple, Bicoid active labial dans la région antérieure, tandis que Caudal active Abdominal-B dans la région postérieure.
  • Par exemple, Ultrabithorax active ses propres enhancers pour stabiliser son domaine d'expression.