La Segmentation chez les vertèbres : une horloge moléculaire liée à la formation périodique des somites

Segmentation in vertebrates: a molecular clock linked to periodic somite formation

Institut d’Embryologie Cellulaire et Moléculaire du Centre National de la Recherche Scientifique et du Collège de France, 49 bis avenue de la Belle Gabrielle, 94736 Nogent sur Marne Cedex, France

Résumé

L’aspect segmenté, ou métamérique, est caractéristique de nombreuses classes d’animaux depuis les Invertébrés jusqu’à l’Homme. La segmentation des Vertébrés, évidente chez l’adulte au niveau du squelette axial (vertèbres, disques intervertébraux et côtes) et du système nerveux périphérique, dérive de la mise en place, chez l’embryon, de structures métamériques mésodermiques appelées somites. Les somites sont des sphères épithéliales qui se forment de part et d’autre des organes axiaux de manière coordonnée à partir du mésoderme présomitique (MP). Chez le Poulet une paire de somites se forme toutes les 90 minutes.

Nous avons identifié un homologue aviaire du gène de segmentation de Drosophile, hairy. Ce gène nommé c-hairy1 code pour un facteur de transcription répresseur du type bHLH. Par hybridation in situ et grâce à un système de somitogenèse in vitro, nous avons démontré que, durant les 90 minutes que prend la formation d’un somite, l’expression du gène c-hairy1 dessine une vague provenant de la partie postérieure de l’embryon et qui traverse le MP. Cette vague se rétrécit de plus en plus au fur et à mesure qu’elle avance antérieurement, de telle sorte qu’elle finit par se restreindre à la partie postérieure du somite nouvellement formé. De manière surprenante, cette vague d’expression est reproduite à chaque formation d’une nouvelle paire de somites.

Des expériences de marquage cellulaire (réalisation de chimères Caille/Poulet et injection du traceur fluorescent DiI) ont permis de montrer que ce patron d’expression dynamique n’est pas le reflet du déplacement massif de cellules exprimant ce gène. Des expériences d’ablation de la partie caudale de l’embryon ont permis d’établir que la cinétique de cette vague d’expression ne peut être expliquée par la propagation d’un signal produit de manière périodique toutes les 90 minutes dans la partie postérieure de l’embryon, qui permettrait l’activation progressive de l’expression de c-hairy1. Ces patrons d’expression sont une propriété intrinsèque du mésoderme présomitique car ils sont maintenus dans des expiants de mésoderme présomitique cultivés en l’absence des structures environnantes.

Nous proposons que ces oscillations du taux d’expression de l’ARN messager de c-hairy1, réitérées toutes les 90 minutes, identifient une horloge moléculaire liée à la segmentation somitique. L’existence d’une telle horloge dans les cellules du mésoderme présomitique a été proposée il y a près d’une vingtaine d’années sur la base de considérations théoriques dans un modèle de somitogenèse appelé le “Clock and Wavefront” (Cooke and Zeeman, 1976).

Enfin, le fait qu’un homologue d’un gène de segmentation « pair-rule » de Drosophile soit également impliqué dans le processus de segmentation chez les Vertébrés constitue un argument supplémentaire en faveur d’une conservation entre les modes de métamérisation chez les Insectes et chez les Vertébrés.

Abstract

In the vertebrate embryo, somites constitute the basis of the segmental body pattern. They give rise to the axial skeleton, the dermis of the back and all striated muscles of the body. In the chick embryo, a pair of somites buds off, in a highly coordinated fashion, every 90 minutes, from the cranial end of the presomitic mesoderm (PSM) while new mesenchymal cells enter the paraxial mesoderm as a consequence of gastrulation. The processes leading to the segmentation of the somite are not yet understood. We have identified and characterised c-hairy1, an avian homologue of the Drosophila segmentation gene, hairy, c-hairy1 is strongly expressed in the presomitic mesoderm where its mRNA exhibits a cyclic posterior-to-anterior wave of expression whose periodicity corresponds to the formation time of one somite (90 min). Fate mapping of the rostral half of the PSM using the quail-chick chimera technique supports a model of cryptic segmentation within the presomitic mesoderm, and indicates that c-hairy1 expression dynamics are not due to massive cell displacement. Analysis of in vitro cultures of isolated presomitic mesoderm demonstrates that rhythmic chairyl mRNA production and degradation is an autonomous property of the paraxial mesoderm. Rather than resulting from the caudal-to-rostral propagation of an activating signal, it arises from pulses of c-hairy1 expression that are coordinated in time and space. Blocking protein synthesis does not alter the propagation of c-hairy1 expression, indicating that negative autoregulation of c-hairy1 expression is unlikely to control its periodic expression.

Most of the segmentation models proposed for somite formation rely on the existence of an internal clock coordinating the cells to segment together to form a somite. These results provide the first molecular evidence of a developmental clock linked to segmentation and somitogenesis of the paraxial mesoderm, and support the possibility that segmentation mechanisms used by invertebrates and vertebrates have been conserved.