Morphogenèse - Morphogenesis

La morphogenèse (du grec morphê shape and genesis creation, littéralement « la génération de la forme ») est le processus biologique qui amène une cellule , un tissu ou un organisme à développer sa forme. C'est l'un des trois aspects fondamentaux de la biologie du développement avec le contrôle de la croissance tissulaire et la structuration de la différenciation cellulaire .

Le processus contrôle la distribution spatiale organisée des cellules au cours du développement embryonnaire d'un organisme . La morphogenèse peut également avoir lieu dans un organisme mature, comme dans le maintien normal des tissus par les cellules souches ou dans la régénération des tissus après des dommages. Le cancer est un exemple de morphogenèse tissulaire hautement anormale et pathologique. La morphogenèse décrit également le développement de formes de vie unicellulaires qui n'ont pas de stade embryonnaire dans leur cycle de vie. La morphogenèse est essentielle à l' évolution de nouvelles formes.

La morphogenèse est un processus mécanique impliquant des forces qui génèrent un stress mécanique, une contrainte et un mouvement des cellules, et peut être induite par des programmes génétiques en fonction de la structuration spatiale des cellules dans les tissus.

Histoire

Certaines des premières idées et descriptions mathématiques sur la façon dont les processus physiques et les contraintes affectent la croissance biologique, et donc les modèles naturels tels que les spirales de la phyllotaxie , ont été écrites par D'Arcy Wentworth Thompson dans son livre de 1917 On Growth and Form et Alan Turing dans son La base chimique de la morphogenèse (1952). Là où Thompson a expliqué que les formes corporelles animales étaient créées par des taux de croissance variables dans différentes directions, par exemple pour créer la coquille en spirale d'un escargot , Turing a correctement prédit un mécanisme de morphogenèse, la diffusion de deux signaux chimiques différents, l'un activant et l'autre désactivant. croissance, pour mettre en place des modèles de développement, des décennies avant que la formation de tels modèles ne soit observée. La compréhension plus complète des mécanismes impliqués dans les organismes réels a nécessité la découverte de la structure de l' ADN en 1953 et le développement de la biologie moléculaire et de la biochimie .

Base génétique et moléculaire

La morphogenèse est contrôlée par une "boîte à outils" de gènes qui activent et désactivent le développement à des moments et des lieux précis. Ici, les gènes gap de la mouche des fruits sont activés par des gènes tels que le bicoïde , créant des rayures qui créent la forme segmentaire du corps.

Plusieurs types de molécules sont importants dans la morphogenèse. Les morphogènes sont des molécules solubles qui peuvent diffuser et transporter des signaux qui contrôlent la différenciation cellulaire via des gradients de concentration. Les morphogènes agissent généralement en se liant à des récepteurs protéiques spécifiques . Une classe importante de molécules impliquées dans la morphogenèse sont les protéines du facteur de transcription qui déterminent le destin des cellules en interagissant avec l' ADN . Ceux-ci peuvent être codés par des gènes régulateurs maîtres et activer ou désactiver la transcription d'autres gènes ; à leur tour, ces produits géniques secondaires peuvent réguler l'expression d'encore d'autres gènes dans une cascade régulatrice de réseaux de régulation génique . Au bout de cette cascade se trouvent des classes de molécules qui contrôlent les comportements cellulaires comme la migration cellulaire , ou, plus généralement, leurs propriétés, comme l'adhésion cellulaire ou la contractilité cellulaire. Par exemple, pendant la gastrulation , des amas de cellules souches désactivent leur adhésion de cellule à cellule, deviennent migratoires et occupent de nouvelles positions au sein d'un embryon où elles activent à nouveau des protéines d'adhésion cellulaire spécifiques et forment de nouveaux tissus et organes. Les voies de signalisation du développement impliquées dans la morphogenèse comprennent Wnt, Hedgehog et les éphrines.

Base cellulaire

Tri cellulaire avec des cellules de carcinome embryonnaire P19 en culture . Les cellules vivantes ont été colorées avec DiI (rouge) ou DiO (vert). Les globules rouges ont été génétiquement modifiés et expriment des niveaux plus élevés d' E-cadhérine que les globules verts. La culture mixte forme de gros agrégats multicellulaires.

Au niveau tissulaire, ignorant les moyens de contrôle, la morphogenèse survient en raison de la prolifération et de la motilité cellulaires. La morphogenèse implique également des changements dans la structure cellulaire ou dans la façon dont les cellules interagissent dans les tissus. Ces changements peuvent entraîner un allongement, un amincissement, un pliage, une invasion ou une séparation des tissus en couches distinctes. Ce dernier cas est souvent appelé tri de cellules . Le "tri" cellulaire consiste en des cellules se déplaçant de manière à être triées en grappes qui maximisent le contact entre les cellules du même type. La capacité des cellules à faire cela a été proposée pour provenir de l'adhésion cellulaire différentielle par Malcolm Steinberg à travers son hypothèse d'adhésion différentielle . La séparation des tissus peut également se produire via des événements de différenciation cellulaire plus dramatiques au cours desquels les cellules épithéliales deviennent mésenchymateuses (voir Transition épithéliale-mésenchymateuse ). Les cellules mésenchymateuses quittent généralement le tissu épithélial à la suite de modifications des propriétés adhésives et contractiles cellulaires. Après la transition épithéliale-mésenchymateuse, les cellules peuvent migrer hors d'un épithélium et s'associer ensuite à d'autres cellules similaires dans un nouvel emplacement. Chez les plantes, la morphogenèse cellulaire est étroitement liée à la composition chimique et aux propriétés mécaniques de la paroi cellulaire.

Adhésion cellule à cellule

Au cours du développement embryonnaire, les cellules sont restreintes à différentes couches en raison d'affinités différentielles. L'une des façons dont cela peut se produire est lorsque les cellules partagent les mêmes molécules d' adhésion de cellule à cellule . Par exemple, l'adhésion cellulaire homotypique peut maintenir des frontières entre des groupes de cellules qui ont des molécules d'adhésion différentes. De plus, les cellules peuvent trier en fonction des différences d'adhésion entre les cellules, de sorte que même deux populations de cellules avec des niveaux différents de la même molécule d'adhésion peuvent trier. Dans la culture cellulaire, les cellules qui ont la plus forte adhérence se déplacent vers le centre d'un agrégat mixte de cellules. De plus, l'adhésion cellule-cellule est souvent modulée par la contractilité cellulaire, qui peut exercer des forces sur les contacts cellule-cellule de sorte que deux populations cellulaires avec des niveaux égaux de la même molécule d'adhésion puissent se trier. Les molécules responsables de l'adhésion sont appelées molécules d'adhésion cellulaire (CAM). Plusieurs types de molécules d'adhésion cellulaire sont connus et une classe majeure de ces molécules sont les cadhérines . Il existe des dizaines de cadhérines différentes qui sont exprimées sur différents types de cellules. Les cadhérines se lient à d'autres cadhérines de manière similaire : l'E-cadhérine (présente sur de nombreuses cellules épithéliales) se lie préférentiellement à d'autres molécules d'E-cadhérine. Les cellules mésenchymateuses expriment généralement d'autres types de cadhérines tels que la N-cadhérine.

Matrice extracellulaire

La matrice extracellulaire (MEC) est impliquée dans le maintien de la séparation des tissus, en fournissant un support structurel ou en fournissant une structure sur laquelle les cellules migrent. Le collagène , la laminine et la fibronectine sont des molécules majeures de la MEC qui sont sécrétées et assemblées en feuilles, fibres et gels. Des récepteurs transmembranaires multi-sous-unités appelés intégrines sont utilisés pour se lier à l'ECM. Les intégrines se lient de manière extracellulaire à la fibronectine, à la laminine ou à d'autres composants de la MEC, et de manière intracellulaire aux protéines de liaison aux microfilaments α-actinine et taline pour lier le cytosquelette avec l'extérieur. Les intégrines servent également de récepteurs pour déclencher des cascades de transduction de signaux lors de la liaison à l'ECM. Un exemple bien étudié de morphogenèse impliquant la MEC est la ramification canalaire des glandes mammaires .

Contractilité cellulaire

Les tissus peuvent changer de forme et se séparer en couches distinctes via la contractilité cellulaire. Tout comme dans les cellules musculaires, la myosine peut contracter différentes parties du cytoplasme pour modifier sa forme ou sa structure. La contractilité induite par la myosine dans la morphogenèse des tissus embryonnaires est observée lors de la séparation des couches germinales chez les organismes modèles Caenorhabditis elegans , la drosophile et le poisson zèbre . Il y a souvent des impulsions périodiques de contraction dans la morphogenèse embryonnaire. Un modèle appelé diviseur d'état cellulaire implique une contraction et une expansion cellulaires alternées, initiées par un organite bistable à l'extrémité apicale de chaque cellule. L'organite est constituée de microtubules et de microfilaments en opposition mécanique. Il répond aux perturbations mécaniques locales provoquées par les mouvements morphogénétiques. Celles-ci déclenchent ensuite des vagues de contraction ou d'expansion de différenciation embryonnaire sur des tissus présumés qui déterminent le type de cellule et sont suivies d'une différenciation cellulaire. Le séparateur d'état cellulaire a d'abord été proposé pour expliquer la morphogenèse de la plaque neurale au cours de la gastrulation de l' axolotl et le modèle a ensuite été généralisé à l'ensemble de la morphogenèse.

Morphogenèse ramifiée

Dans le développement du poumon, une bronche se ramifie en bronchioles formant l' arbre respiratoire . La ramification est le résultat de la bifurcation de l'extrémité de chaque tube bronchiolaire, et le processus de morphogenèse ramifiée forme les bronches, les bronchioles et, finalement, les alvéoles.

La morphogenèse ramifiée est également évidente dans la formation canalaire de la glande mammaire . La formation de canaux primitifs commence au cours du développement , mais la formation de ramifications du système de canaux commence plus tard en réponse aux œstrogènes pendant la puberté et s'affine davantage en fonction du développement de la glande mammaire.

Morphogenèse du cancer

Le cancer peut résulter d'une perturbation de la morphogenèse normale, y compris à la fois la formation de tumeurs et la métastase tumorale . Le dysfonctionnement mitochondrial peut entraîner un risque accru de cancer en raison d'une perturbation de la signalisation morphogène.

Morphogenèse du virus

Au cours de l'assemblage du virion T4 du bactériophage (phage) , les protéines morphogénétiques codées par les gènes du phage interagissent les unes avec les autres dans une séquence caractéristique. Le maintien d'un équilibre approprié dans les quantités de chacune de ces protéines produites pendant l'infection virale semble être critique pour la morphogenèse normale du phage T4. Les protéines codées par le phage T4 qui déterminent la structure du virion comprennent des composants structurels majeurs, des composants structurels mineurs et des protéines non structurelles qui catalysent des étapes spécifiques de la séquence de morphogenèse. La morphogenèse du phage T4 est divisée en trois voies indépendantes : la tête, la queue et les fibres de la longue queue comme détaillé par Yap et Rossman.

Voir également

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

  • Bard, JBL (1990). Morphogenèse : les processus cellulaires et moléculaires de l'anatomie du développement . Cambridge, Angleterre : Cambridge University Press.
  • Slack, JMW (2013). Biologie essentielle du développement . Oxford : Wiley-Blackwell.

Liens externes