By courtesy of National Eye Institute
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Rev 04-07-2004
jmm
Les notions générales sont regroupées sur la page Génétique.
Comme on l'a vu dans la page de génétique générale, c'est le gène PAX6 qui dirige la formation de l'oeil chez de nombreuses espèces animales et chez l'Homme.
On a retrouvé en 1983 une même chaîne de 180 paires de bases dans ces gènes homéotiques, appelée Homeobox ou Homéoboite.
Les mammifères possèdent quatre groupes de gènes homéotiques. On les appelle des complexes Hox (pour Homeobox) et ils sont chacun sur un chromosome différent. Les quatre complexes Hox proviennent de la duplication des chromosomes. On pense qu'il existait autrefois un complexe ancestral et, qu'au cours de l'évolution, il s'est produit une duplication de ce complexe. L'ordre de ces complexes Hox sur chacun des quatre chromosomes est tout à fait similaire, on dit qu'ils sont paralogues (par exemple HoxA3, HoxB3, HoxC3, HoxD3).
Les gènes qui donnent les mutations oculaires contiennent à la fois une homeobox et une "paired box" codant pour une deuxième région de la protéine, également capable de se fixer sur l'ADN des gènes cibles. Les gènes de régulation contenant une paired box constituent la famille des gènes pax (pour paired box) par analogie avec la famille des gènes Hox contenant une homeobox.
Les gènes pax illustrent ce que François Jacob a appelé "le bricolage de l'évolution" car ils sont constitués de différents morceaux. Certains gènes pax n'ont qu'une paired box (ou boite paired), d'autres ont une paired box et une homeobox (homéoboite), d'autres encore ont un paired box et une homeobox partielle, codant le bras N-terminal et la première hélice alpha seulement.
Les noyaux cellulaires apparaissent en bleu. La présence de l'ARN du gène Pax6 visualisé par les grains d'argent de l'hybridation moléculaire apparaît en jaune.
a : Epithélium pigmenté
b : couche (bleue) des photorécepteurs n'exprimant pas Pax6
c : couche (jaune) des cellules horizontales exprimant Pax6
d : cellules amacrines
e : neurones ganglionnaires exprimant Pax6
La couche sombre entre d et e correspond à la couche plexiforme interne, acellulaire.
Les gènes homéotiques déterminent la synthèse de protéines régulatrices qui activent ou bloquent l'activité d'autres gènes cibles en se fixant directement sur l'ADN.
Ces protéines régulatrices sont appelées homéoprotéines et elles possèdent une séquence d'acides aminés commune à toutes: c'est l'homéodomaine.
L'homéodomaine est une chaîne particulière d'acides aminés, qui reconnaît une séquence précise d'ADN sur laquelle elle se fixe. Les premiers gènes trouvés encodant des protéines avec homéodomaines furent ceux qui contrôlent chez la drosophile les gènes de développement.
L'homéodomaine a une longueur de 60 acides aminés et a une structure en trois dimensions, en trois hélices alpha. Cela donne un motif HTH (hélice-tour-hélice) qui va se positionner entre les brins de la molécule d'ADN pour que la transcription puisse se faire. Le domaine HTH est le plus vieux motif de liaison à l'ADN car on le trouve dans une protéine répresseur du phage lambda, ce qui veut dire qu'il préexistait chez les procaryotes. La séquence de paires de bases minimum reconnue par l'homéodomaine est la séquence TAAT.
Le motif HTH est présent chez l'ancêtre des procaryotes et l'ancêtre des eucaryotes (il n'est en effet pas sûr du tout que les eucaryotes dérivent des procaryotes).
Une paired box code pour le domaine paired qui comme l'homéodomaine est un motif de liaison à l'ADN.
Le sigle paired vient de ce que ce type de séquence a été initialement identifié dans le gène paired de la drosophile, ce gène codant pour une protéine (la protéine paired) impliquée dans le développement précoce de l'embryon. La structure du domaine paired déduite par l'analyse cristallographique est très proche de celle de l'homéodomaine avec trois hélices alpha, la troisième placée dans le plan perpendiculaire aux deux autres s'intercalant dans le grand sillon de l'ADN. La particularité de PAX6 c'est que son domaine paired code en fait deux motifs de liaison à l'ADN. La portion NH2 et la portion C-terminale peuvent se lier à l'ADN indépendamment l'une de l'autre et sur des séquences différentes, mais toutes deux ressemblent fort en structure à l'homéodomaine (3 hélices alpha chacune avons-nous dit).
Les séquences reconnues dans l'ADN sont toutefois différentes pour les domaines paired et homeo. Il y a 9 gènes pax chez les vertébrés, pax1 et pax9 étant les seuls à ne pas s'exprimer dans le système nerveux.
Dans l'oeil PAX6 s'exprime dans la placode cristalline puis dans le cristallin, dans la neurorétine (cellules ganglionnaires, amacrines et horizontales) la rétine pigmentaire.
Plus de précisions avec:
Growth and specification of the eye are controlled independently by Eyegone and Eyeless in Drosophila melanogaster Maria Dominguez, Dolors Ferres-Marco, Francisco J Gutierrez-Avinô, Stephan A Speicher & Monica Beneyto Nature Genetics January 2004
Two Pax are better than one Richard S Mann Nature Genetics January 2004
et en français:
Le domaine paired: divers moyens de construire une protéine PAX m/s vol 15 avril 99
Pax2 s'exprime au début du développement exclusivement dans la partie ventrale de la vésicule optique puis reste restreint aux cellules de la racine du nerfs optique (ou Pax6 ne s'exprime pas).
L'invalidation de Pax2 chez la souris conduit a des colobomes par défaut de fermeture de la fissure choroidienne qui est envahie par les cellules de la rétine pigmentaire. Pax2 s'exprime également dans le rein ou son absence induit également des défauts de développement. Les cellules qui expriment Pax2 n'expriment pas Pax6 et réciproquement.
Il a été récemment montré que ces deux gènes inhibaient mutuellement leur expression. Pax6 s'exprime dans le pancréas endocrine et son expression est indispensable pour la formation des îlots a (glucagon). Pour qu'il y ait un effet sur le pancréas, cela nécessite une mutation sur les deux allèles (un seul allèle touché, pancréas normal) par contre, un seul allèle touché, les yeux sont anormaux (une mutation sur les deux allèles est de toute façon létale tout de suite après la naissance à cause de troubles majeurs dans le fonctionnement du cerveau). Il n'y a pas d'autre gène pax à s'exprimer dans l'oeil (mais il y a pléthore de gènes à homéodomaine dont aucun n'a un effet aussi fort sur le développement de l'oeil que Pax6).
Ce gène est fondamental dans le développement, la différenciation et la maintenance des photorécepteurs rétiniens, cônes et bâtonnets. Il code un facteur de transcription mal connu pour l'instant. Voir OMIM
Il semble que des pathologies comme la cone-rod dystrophy-2, certaines rétinites pigmentaires et l'amaurose congénitale de Leber puissent être dues à des mutations de ce gène capital.
Germot Agnès, Spengler Tatjana, Harrison Gavan and Mazan Sylvie Structural evolution in mammals of Crx, an orthodenticle homeobox gene involved in retinal diseases in humans. Equipe ATIPE UPRES A CNRS 8080 "Développement et Evolution" Bâtiment 441 Université Paris 11 91405 Orsay cedex France.
Mazan Sylvie, Equipe ATIPE de l'UPRES-A 8080
Diversification fonctionnelle des gènes de la classe
orthodenticle chez les crâniates
"...Trois autres gènes, que nous avons identifiés
respectivement chez la roussette, chez un polyptère (le
poisson-roseau Erpetoichthys calabaricus), et récemment, chez
le xénope, définissent en outre une troisième
classe d'orthologie (Otx5). Nos analyses
phylogénétiques suggèrent fortement que le
gène humain Crx, impliqué dans des
dégénérescences rétiniennes
héréditaires chez l'homme, est un membre
très divergent de cette troisième classe."
Une famille de gènes donne le phénotype "sine oculis" (sans yeux) chez la drosophile. On retrouve cette famille chez la souris et elle contient au moins six membres, dont l'un d'eux appelé Six3 correspond au gène "sine oculis". Il joue un rôle dans la formation du nerf optique, des vésicules optiques, des cristallins et des placodes nasales. Son rôle mal connu semble donc très important.
Ce gène joue un rôle dans la différenciation de la neuro-rétine. La mutation du gène de la souris donne l'anomalie "ocular retardation". Chez ce mutant, la couche des cellules bipolaires manque complètement et l'oeil est plus petit. Ce gène contient une homeobox mais pas de paired box. Il s'exprime surtout dans la zone qui va donner la rétine et, chez l'homme, il s'exprime seulement dans les cellules bipolaires.
Ce gène pourrait correspondre à des anomalies de l'oeil (microphtalmies).
Chez l'homme, la mutation de ce gène est responsable du syndrome de Rieger (1935) qui associe des anomalies de la chambre antérieure de l'oeil avec glaucome, une hypoplasie dentaire, un dysmorphisme crânio-facial et une anomalie de la paroi ombilicale. On décrit six mutations de ce gène.
La maladie est autosomale dominante.
On a décrit ce gène en 4q25 et un autre locus fut trouvé en 13q14.
Les vésicules optiques comprennent deux feuillets, l'un qui est externe et qui va donner l'épithélium pigmenté de la rétine et l'autre qui est plus interne et qui va donner la rétine neuro-sensorielle avec les cellules visuelles, cônes et bâtonnets. Les deux feuillets vont se différencier grâce à des molécules extérieures, des FGF (fibroblast growth factor) qui proviennent de la surface ectodermique. Ils vont orienter la rétine proche en neurorétine.
Des expérimentations ont permis de placer ces facteurs dans la partie postérieure de la vésicule optique et l'on a assisté à un différenciation neuro-sensorielle du feuillet rétinien qui devait devenir épithélium pigmenté. Inversement, l'ablation de l'ectoderme proche des vésicules optiques a empêché la différenciation du feuillet sensoriel qui est devenu pigmenté.
La mutation de ce gène chez la souris est appelée 'microphthalmia' (mi) et donne une microphtalmie et un défaut de pigmentation de l'oeil et de la peau. Ces mutations chez l'Homme donnent le syndrome de Waardenburg de type II et ont été décrites en 3p14.1-p12.3 (voir OMIM).
Si ce gène est muté, on se rend compte que le gène PAX2 ne fonctionnera pas, comme s'il avait besoin de facteurs d'induction issus de BMP7. Les souris mutantes homozygotes ont une anophtalmie dans 60% des cas et une microphtalmie dans 40% des cas. On note un défaut de transformation de la placode cristallinienne en vésicule cristallinienne. L'ARNm BMP7 est retrouvé dans la vésicule optique et la placode ectodermique.
Ces protéines BMP appartiennent à la grande famille des TGFbêta (transforming growth factor bêta)
Ce gène est important car il entraîne la formation de facteurs diffusibles nécessaires pour la formation de l'oeil. Les gènes hedgehog ont été retrouvés chez la drosophile, le poulet, la grenouille et l'homme. Les protéines produites grâce au gène hedgehog et au gène decapentaplegic (dpp) sont impliquées dans la différenciation des photorécepteurs de la drosophile.
Chez la drosophile on a décrit deux gènes intermédiaires qui sont 'twin of eyeless' nommé Toy, et drosocrystallin. Chez cet animal en effet on a trouvé un homologue de Pax6 nommé toy. Il provient d'une duplication qui intervient tardivement dans l'évolution de l'insecte mais il s'exprime plus tôt que Pax6 dans l'embryogénèse. Toy est nécessaire pour l'initialisation de eyeless et dirige la formation de l'oeil grâce à eyeless.
Eyeless et Toy activent un ensemble de gènes de transcription : sine oculis (So), eye absent (eya) et dachshund (dac). Trois gènes homologues de Eya ont été retrouvés chez la souris.
Chez l'homme, un analogue de Eya a été repéré et est primordial pour le développement de l'oeil et du rein. Ce gène humain EYA1 altéré va donner un BOR (branchio-oto-renal) syndrome, une cataracte et des anomalies du segment antérieur.
Le deuxième gène intermédiaire encode pour une protéine appelée drosocrystalline; cette protéine initialement cuticulaire est utilisée en tant que protéine du cristallin.
Les travaux sur la génétique ont permis de mieux comprendre la différenciation cellulaire. Comment une cellule embryonnaire va-t-elle donner un globule rouge ou bien une cellule rétinienne ?
Il est permis d'imaginer qu'on pourra un jour influencer la différenciation cellulaire et l'orienter dans une voie choisie à l'avance. On arrive actuellement à dédifférencier une cellule pigmentée de rétine de caille et à lui faire, en quelque sorte, remonter le cours du temps pour lui redonner une jeunesse et une nouvelle destinée, par exemple la transformer en cellule du neuro-épithélium. On est même arrivé à transformer une cellule de la rétine pigmentée en neurone, ce qui est tout à fait intéressant.
On a cru longtemps que la différenciation d'une cellule était une voie sans issue. On se rend compte qu'au contraire, il est possible de modifier l'expression de son génome pour qu'elle se transforme en une autre cellule. Cela laisse la porte ouverte à de nombreuses possibilités. Ainsi on peut imaginer qu'on reconstituera des neurones dans les maladies neuro-dégénératives, ou bien des cellules visuelles et/ou pigmentées dans les nombreuses dégénérescences rétiniennes sans traitement à l'heure actuelle.
La récente publication de Andy J. Fischer et Thomas A. Reh dans Nature Neuroscience (2001) 4: 247-252, "Muller Glia are a potential source of neural regeneration in the postnatal chicken retina" décrit une expérimentation très intéressante. Après lésion de la rétine de poulet grâce à une injection intra-vitréenne de NMDA (N-methyl-D-aspartate), les scientifiques ont assisté à une dédifférenciation des cellules de Muller (la seule cellule gliale dérivée de la cupule optique). Celles-ci ont proliféré et certaines ont perdu leur caractère phénotypique glial pour exprimer des facteurs de transcription embryonnaires, comme Pax6, chx10 et CASH1. Certaines des cellules de Muller se transdifférencient en neurones et expriment un antigène neurofilament-like.
Cela met en évidence les possibilités du tissu glial à se dédifférencier et à trouver des capacités de transdifférenciation, même partielles.
Le Professeur Spyros Artavanis-Tsakonas, dans sa leçon inaugurale au Collège de France (chaire de biologie et génétique du développement), déclarait le jeudi 26 avril 2001 :"Pouvoir modifier une destinée cellulaire en manipulant un gène spécifique intégré à une voie spécifique pourrait avoir d'importantes conséquences en médecine. De nombreuses maladies dysplasiques, cancers compris, pourraient être soignées de cette manière. Moyennant par exemple, la manipulation d'une cellule maligne pour faire de sa destinée quelque chose de moins pathogène. Si nous parvenons à comprendre les règles qui régissent la manipulation des destinées cellulaires, peut-être pourrons-nous alors forcer certaines cellules à se différencier en cellules semblables à celles qui ont été atteintes ou supprimées par la maladie. Ces cellules serviraient alors à repeupler les organes atteints, entraînant ainsi la guérison, ou la réduction de l'état pathologique."
Une piste possible de recherche se présente selon Masatoshi Haruta, car il est possible de prélever des cellules de l'iris pour les cultiver et les inciter à se transformer en une couche monocellulaire productrice du pigment visuel, la rhodopsine. On pourrait ainsi peut-être un jour régénérer une rétine malade à partir d'un prélèvement d'iris simple à effectuer par une petite incision cornéenne. Il faut que les cellules iriennes expriment le gène Crx, ce qui n'est réalisable actuellement qu'en injectant ce gène surnuméraire grâce à un vecteur viral. Il dit ceci:
"We show that iris tissue in the adult rat eye, which is embryonically related to the neural retina, can generate cells expressing differentiated neuronal antigens. In addition, the Crx gene transfer induced the specific antigens for rod photoreceptors in the iris-derived cells, which was not seen in the adult hippocampus-derived neural stem cells. Our findings demonstrate a remarkable plasticity of adult iris tissue with potential clinical applications, as autologous iris tissue can be feasibly obtained with peripheral iridectomy."
On a là un exemple expérimental de dédifférenciation-différenciation cellulaire tout à fait passionnante.
Masatoshi Haruta, Mitsuko Kosaka, Yumi Kanegae,
Izumu Saito, Tomoyuki Inoue, Ryoichiro Kageyama, Akihiro Nishida,
Yoshihito Honda & Masayo Takahashi Induction of
photoreceptor-specific phenotypes in adult mammalian iris tissue
December 2001 Volume 4 Number 12 pp 1163 - 1164
Published online: 12 November 2001, DOI:10.1038/nn762.
Site web Nature
Neuroscience.
Les 650 pages de cet excellent livre
américain permettent d'avoir une vue
d'ensemble de la biologie moléculaire, de la
génétique et de
l'évolution des espèces animales.
Vraiment une référence. Sommaire :
1) The surprising conservation of cellular processses
2) Contingency
3) Regulatory linkage
4) The exploratory behavior of biological systems
5) Novelty
6) Conditionality and compartmentalization
7) Body plans
8) Axis specification and reproductive strategies
9) Developmental flexibility and robustness
10) Evolutionary diversification of the body plan
11) Evolution and evolvability
Babinet C., « Une famille de gènes du développement : les gènes pax », Médecine/sciences, 9,87,1993.
Bard, L. A. : Heterogeneity in Waardenburg's syndrome: report of a family with ocular albinism. Arch. Ophthal. 96: 1193-1198, 1978.
Bondurand, N.; Pingault, V.; Goerich, D. E.; Lemort, N.; Sock, E.; Le Caignec, C.; Wegner, M.; Goossens, M. : Interaction among SOX10, PAX3 and MITF, three genes altered in Waardenburg syndrome. Hum. Molec. Genet. 9: 1907-1917, 2000.
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