vertebral development

Le développement des vertèbres

Heather Etchevers, Ph.D.

INSERM U563 et U781

Anatomie – survol rapide

cervical thoracique lumbaire sacrum coccyx

33 vertebrae chez l’humain 7 cervicaux 12 thoraciques 5 lombaires 5 fusionnes = sacrum 4 fusionnes = coccyx

La colonne vertébrale

Chaque vertèbre corps - ventral vertébral arch - dorsal (côtes)

Chaque domaine se développe individuellement autour du notocorde autour du tube neural dans le paroi du corps

Amnion

Système nerveuxcentral

Crête neurale

Somites

Sac vitellin

Ligne primitive

Maturation rostrocaudale / temps

Neurula

Gastrula

Tête

Les somites sont des blocs de mésoderme para-axiaux

embryon humain, 24 dayscourtesy K. Sulik courtesy M. Catala

embryon de poulet sans ectoderme

mésodermemésodermepre-somitiquepre-somitique

somite

Metamérisme du SNC et SNP imposée par les somites

Maturation du somite épithélial

Dermatome, myotome et sclerotome

somite

somite

somite

crete neurale axones centrales

Alternance de permissivité

Sclérotome caudale réfractaire

Migration de crête neurale ganglions rachidiens ganglions

sympathiques Racines

dorsales/ventrales

La resegmentation Gaine mésenchymateuse du notochorde

rostral – moins dense caudal – plus dense

Chaque vertèbre vient de deux sclérotomes caudal plus rostral (dense/moins)

La disque intervertébrale se forme a l’interface de cette nouvelle répartition des segments centre du sclérotome originel

Embryon humain vers 47j

estomac

foie

moellemoelleépinièreépinière

corpscorpsvertebralvertebral

disquedisque

ancienanciensomitesomite

Resegmentation

Ossification Centres primaires

autour du notochorde (centrum) latéral au tube neural (arc vertébral) processus costaux

Centres secondaires épiphyses annulaires – entre corps

et disque intervertébrale bout du processus épineux bout du processus transverse

Articulation entre centrum et arc vertébral permet la croissance de la colonne

dans les premieres annees

Les dérivés latéraux Les processus costaux se

condensent en face des arcs vertébraux

En région thoracique, les bouts distaux s’allongent pour devenir des côtes Les 7 premiers s’attachent au

sternum par des cartilages Les 5 suivants ne s’y

articulent pas directement Os des membres

sclérotomes C5 to C8 = membres supérieurs

sclérotomes L3 to L5 = membres inférieurs

Somitogenèse

Elongation du mésoderme présomitique vers la fin de la gastrulation

Formation de structures selon séquence rostrocaudale

Ajout de paires de somites successives Souris : tous les 120 minutes

65 paires Poulet : tous les 90 minutes

55 paires Serpent: tous les 60-90 minutes

300+ paires! mais génération de cellules 4x plus lente

Chez l’humain La formation des somites commence au

cours de la troisième semaine Elle se poursuit jusqu’a l’ajout

d’approximativement 52 paires de somites pourquoi ne sait-on pas précisément?

Les 4 premières somites = os basioccipital Les 33 suivants font les vertèbres

8 somites = 7 vertèbres cervicaux En caudal, les autres se dégénèrent

Conservation et divergence

Tous les animaux ont des segments Les gènes utilisés par les insectes pour faire

les leurs sont conservés au cours de l’évolution en séquence en fonction directe

mais...

Conservation et divergence

Des modules génétiques sont co-optées pour d’autres programmes

Chez les vertébrés, les segments s’ajoutent progressivement

Superposition de modules plus ou moins récents depuis 250 millions d’années

Copyright © 2002 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin CummingsFig. 21.13

L’activation séquentielle des gènes de segmentation affine progressivement les détails du plan du corps gènes “gap” gènes “pair-rule” gènes de “polarité

segmentaire” coordonnées intra segment

gènes homéotiques identité segmentaire

hunchback

Krüppel

knirps

giant

Genes “gap”

Zn finger

Zn finger

Nuclear receptor

B-zip

buttonheadcap ‘n’ collarcaudalcolliercrocodileempty spiraclesgianthuckebeinKrüppelknirpsorthodenticlesloppy-pairedtailless

Gènes « pair-rule » – arthropodes vs vertébrés even-skipped (Evx) hairy (Hairy/Hes1...) effecteur de la voie Notch odd-paired (Zic) cf holoprosencéphalie odd skipped (Osr) paired (Pax) cf Waardenburg syndrome,

rhabdomyosarcome (avec famille Fox...) runt (Runx) cf acute myeloid leukemia sloppy paired (Fox) cf Rieger, yellow nail

syndromes, myeloid/lymphoid leukemias... Tenascin major (tenascins, teneurins) cf Ehlers-

Danos syndrome

wt homeotic

Antp

Ubx

Les gènes homéotiques confèrent une identité segmentaire unique

Conservation de colinearité

Deux series de duplications chez les mammiferes

39 genes Hox maintenus

Copyright © 2002 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings

Fig. 21.15

Les gènes HOX : identité segmentaire

Santagati and Rijli, 2003

Combinatoire d’expression =« code HOX »

Les greffes de mésoderme gardent leur code Hox après transplantation ectopique

Nowicki and Burke (2000)

Transformations homéotiques

Mutation troncante de Hoxc8 Le Mouellic et al., Cell 1992

1er vertèbre lombaire devient un 14e vertèbre thoracique

Huitième côte s’attache au sternum Transformations vertébrales avec allèles

perte de fonction Hoxa2, Hoxa10 Hoxd3 Hoxb4

Carapuço et al., Genes Dev 2005

Os intramembranaire (dermique) Certains os du crâne et clavicules Origine crête neurale dans l’ensemble Condensation de mesenchyme vascularisée

Différenciation directe en ostéoblastes Déposition de matrice

Calcium Phosphate

Spicules osseuses près des vaisseaux Couches concentriques = système Haversien

Le tissu conjonctif dérivé de la CN s’étend jusqu’aux épaules

Matsuoka et al. (2005) Nature 436: 347

dorsal

ventral

vert = crête neurale

bleu = mésoderme

Les cellules de CN exprimant les gènes Hox ne sont pas ostéogéniques

Diencephalic andanterior mesencephalic NC

Posterior mesencephalic NC

r1 NC

r2 NC

r3 NC

r4 NC

Couly et al. (1993) Development 117:409

Hox

FGF8

autres facteurs àhoméoboite

Gain de fonction de gènes Hox dans la crête neurale inhibe l’ostéogenèse

Creuzet et al. (2002)

L’horloge de la segmentation chez les vertébrés

Modèles mathématiques Un oscillateur dans les cellules du mésoderme

pre-somitique Traduction de la périodicité temporel en spatial «Clock and wavefront» Cooke et Zeeman 1976

Cycle intrinsèque d’expression génique (clock) L’éloignement des cellules plus âgées du noeud

réduit signal en dessous d’un seuil (wavefront)

Expression cyclique de c-hairy1

Embryologie expérimentale Au meme nombre de somites, differents

patrons d’expression d’ARNm du facteur de transcription hairy-1 (HES1)

Cycliques Ces vagues corrélaient avec la période de

somitogenèse

Palmeirim et al., Cell 1997

Expression cyclique d’un facteur de transcription « paired-rule »

Le constat L’expérience

Andrade et al., Brain Res Rev 2005

Clock – implication de N

Resultat de l’oscillation: activation du recepteur Notch dans le mesoderme pre-somitique

Initiation du processus de la specification de la frontiere somitique

Boucles de la voie Notch

N Rbpjk Tbx6 Dll1 ( N...) N Lunatic fringe (Lnfg) N Boucles de regulation négatives

entre les voies Notch / FGF et Wnt / acide rétinoïque

Vermot et al., Science 2005 Dequeant et al. Science 2006 Etcheverri et Oats, Dev Biol 2007

Tbx6White et al.

andWhite and Chapman

Genesis 2005

Wavefront: Fgf8

L’oscillateur donne un rythme de somitogenese mais non la taille des somites

L’espacement depend d’un seuil mobile du facteur Fgf8 dont l’ARNm est transcrit dans les precurseurs du mesoderme pre-somitique (MPS)

Une fois ces precurseurs integrent le bout caudal du MPS, la transcription s’arrete

Degradation progressive du transcrit genere un gradient en meme temps que l’organisme s’allonge

Taille des somites: Fgf8 et Wnt3a

L’acide rétinoïque

Vermot et al., Science 2005Etcheverri et Oats, Dev Biol 2007 Raldh2

Hormone nucléaire dérivée de la vitamine A Coordonne la symétrie droite-gauche des

paires de somites en les protégeant du noeud

Agit au niveau du bout le plus rostral du mésoderme présomitique pour contrer l’influence de Fgf8

Trop ou trop peu = tératogène

Dequéant et Pourquié 2008

Modèle actuel – mais partiel

Dequéant et Pourquié 2008

Liens entre défauts de fermeture de TN et malformations vertébrales Zic2 et Zic3:

holoprosencéphalie, hétérotaxie

Genes « pair-rule » comme Hes1/7...

Gènes Hox ne régulent pas l’identité des somites les + rostrales/caudales

Interactions Shh (gènes du cil...), AR, Fgf8 dans la tête... Inoue et al. Dev Biol 2007

Inoue et al. Dev Biol 2007

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Spondylocostal dysostosis

Costovertebral malformations, kyphoscoliosis, short trunk, anal atresia; autosomal recessive SCDO 1 = DLL3 mutations (19q13; also AD) SCDO 2 = MESP2 mutations (15q26.1) SCDO 3 = LFNG mutations (7p22)

NTD: thoraco-lumbo-sacral (lipo)myelomeningocele or spina bifida occulta (low frequency)

NB Jarcho-Levin syndrome = AR spondylothoracic dysplasia ou SCDO 1?

Remerciements

Tulane University online Embryology course handouts http://www.tulane.edu/~embryo/Lectures/exam%203/11%20Skeletal%20Development1.pdf

Martin Catala, Anne-Helene Monsoro-Burq, Ben Hamel...

tous les auteurs dont j’ai pris des illustrations de leurs publications