Stratégies employées dans la régulation des gènes différentiellement réactifs

Les mécanismes de régulation des gènes par la signalisation morphogène doivent fournir un moyen de traduire de petites différences dans l’intensité du signal en réponses à seuil dans lesquelles des changements tout ou rien dans l’expression des gènes permettent la sélectiond’identités cellulaires discrètes dans le tissu en développement. Il y a plus d’une génération, des stratégies qui pourraient expliquer ce phénomène ont été proposées (Monod et Jacob, 1961), et certaines de ces idées commencent à réapparaître dans des études moléculaires plus récentes. Nous tentons de classer ces stratégies en caractéristiques générales de conception qui peuvent expliquer la régulation différentielle des gènes par la signalisation graduée (Fig. 2). Il est clair qu’il existe des chevauchements entre ces catégories et que la liste n’est pas exhaustive. Il est évident que la plupart, sinon la totalité, des voies morphogènes bien étudiées utilisent une combinaison de ces mécanismes pour contrôler l’expression des gènes cibles. Afin d’illustrer les caractéristiques clés de chacune des stratégies, nous avons présenté des exemples de leur utilisation dans l’interprétation de gradients morphogènes spécifiques.

Affinité du site de liaison

Un mécanisme majeur qui a été largement étudié exploite les différences dans l’affinité de l’effecteur transcriptionnel pour les tosites de liaison avec différentes séquences d’ADN (Fig.2A). Un paradigme de ce mécanisme est le gradient Dl dans l’embryon précoce de drosophile, qui dirige la formation du DV et la gastrulation par l’activation et la répression de gènes cibles en fonction de la concentration (Stathopoulos et Levine, 2004). Des études approfondies des amplificateurs spécifiques qui répondent à différents seuils de Dl ont révélé une image détaillée du mécanisme de régulation des gènes. En fonction de leur réactivité à Dl, les gènes cibles ont été classés en différentes catégories. Les gènes de type I, tels que twi (twist), sont activés dans le mésoderme présomptif où les niveaux de Dl nucléaire sont les plus élevés (Fig.1C). Les amplificateurs de ces gènes ont tendance à avoir des sites de liaison à Dl de faible affinité qui ne sont occupés que lorsque la concentration de Dl est la plus élevée, ce qui limite l’expression des gènes de type I au mésoderme présomptif (Jiang et Levine, 1993). Par comparaison, les amplificateurs des gènes de type II, tels que rhomboïde (Fig. 1C), contiennent des sites de liaison à Dl de haute affinité qui sont liés et activés par les plus faibles niveaux de Dl présents dans le neuroectoderme ventral (Ip et al., 1992a). Une analyse computationnelle récente d’un grand ensemble d’amplificateurs sensibles à Dl provenant des génomes de D. melanogaster et d’espèces apparentées a confirmé que l’affinité de Dl est un déterminant majeur des domaines d’expression des gènes cibles de Dl (Papatsenko et Levine, 2005).Cependant, un site de liaison à Dl de haute affinité ne conduit pas nécessairement à l’activation de la transcription lorsque Dl est présent. Dans certains cas, Dl lié à un site de haute affinité peut également réprimer la transcription, indiquant que l’architecture de l’enhancer joue également un rôle important dans la détermination de la réactivité des gènes à Dl (Stathopoulos et Levine, 2004). De plus, les interactions coopératives entre Dl et d’autres facteurs influencent également de manière significative la réactivité de certains gènes.

Un deuxième exemple est l’interprétation du gradient Bcd, qui est responsable de la régulation de l’activité des gènes le long de l’axe antéropostérieur (AP) dans l’embryon de drosophile. Les premières études sur l’interprétation de Bcd ont identifié l’affinité des sites de liaison de Bcd comme un déterminant clé pour fixer les limites de l’expression du gène cible hb (Fig. 1B). La diminution de l’affinité Bcd conduit à un modèle d’expression restreint plus antérieur où les niveaux de Bcd sont plus élevés. Ainsi, un modèle a été proposé pour l’interprétation du gradient de Bcd, dans lequel les gènes avec une expression restreinte antérieure ont des sites de liaison de Bcd de faible affinité dans leur amplificateur et nécessitent par conséquent une concentration élevée de Bcd pour l’occupation et l’activation. Inversement, les sites d’affinité plus élevée dans l’amplificateur hb permettent l’expression à des positions plus postérieures où la concentration de Bcd est plus faible (Driever et al., 1989 ; Struhl et al., 1989). A l’appui de ce modèle, le gène orthodenticle, qui est régulé par un amplificateur à faible affinité Bcd, présente un profil d’expression étroit (Gao et al., 1996) (Fig. 1B).

Il n’y a pas que dans l’embryon précellulaire que la réponse des gènes à l’activation des facteurs de transcription dégradés utilise l’affinité des sites de liaison. Ce mécanisme est également pertinent dans des contextes plus conventionnels après la cellularisation, comme l’interprétation du gradient extracellulaire de Dpp dans l’embryon de drosophile. En réponse aux niveaux maximums de signalisation Dpp sur la ligne médiane dorsale de l’embryon, le gène cible Race est exprimé dans une bande étroite de cellules dans l’amnioserosa présumé (Fig. 1D). L’amplificateur responsable de cette activité contient des sites de liaison de faible affinité pour Mad, l’effecteur transcriptionnel de Dpp. L’altération de ces sites pour augmenter l’affinité pour Mad élargit le modèle d’expression associé à celui qui est caractéristique des gènes qui sont sensibles à un seuil plus bas de signalisation Dpp (Wharton et al.,2004).

Apports combinatoires

L’affinité des sites de liaison peut expliquer certains des résultats du gradient morphogène ; cependant, en général, l’affinité seule est insuffisante pour diriger le complément complet des réponses transcriptionnelles. Par exemple, bien que l’affinité des sites de liaison de Bcd fixe les limites de l’expression du gène cible (Driever et al., 1989 ; Struhl et al., 1989), une étude computationnelle d’un plus grand échantillon de modules régulateurs de Bcdcis indique que pour la plupart il y a une faible corrélation entre la force des groupes de liaison de Bcd et les limites d’expression du gène. De plus, seuls quelques gènes cibles semblent être activés par Bcd seul, et l’expression de ces gènes est limitée aux parties les plus antérieures de l’embryon qui contiennent les niveaux maximaux de Bcd (Ochoa-Espinosa et al., 2005), comme observé pour un rapporteur synthétique contenant uniquement des sites de liaison à Bcd (Crauk et Dostatni, 2005).Pour de nombreux gènes, le principal déterminant pour l’interprétation de l’information positionnelle n’est pas l’affinité absolue de Bcd. Au contraire, d’autres éléments ciblent les promoteurs des gènes et l’intégration des entrées transcriptionnelles positives et négatives des protéines liées à ces éléments peut déterminer l’interprétation du gradient Bcd. Pour les gènes activés dans les régions médiane et postérieure de l’embryon, la plupart des amplificateurs des gènes cibles de Bcd ont tendance à avoir des entrées supplémentaires des facteurs de transcription Hb, Caudal (Cad) et/ou Krüppel (Kr) (Ochoa-Espinosa et al., 2005). Hb et Cad sont exprimés par la mère et activés et réprimés par Bcd au niveau transcriptionnel et traductionnel, respectivement (Driever et Nusslein-Volhard, 1989 ; Dubnau et Struhl, 1996 ; Rivera-Pomaret et al., 1996). Hb et Cad augmentent l’activation transcriptionnelle dépendante de la Bcd (La Rosee et al., 1997 ; Simpson-Brose et al., 1994). Par conséquent, le gradient de Bcd peut fonctionner avec Hb ou Cad pour établir un large domaine où l’activation de l’enhancer peut se produire, et l’équilibre des entrées positives et/ou négatives de ces facteurs de transcription et d’autres facteurs de transcription déterminerait les limites d’un domaine d’expression (Ochoa-Espinosa et al., 2005).Le répresseur de transcription Kr peut être une de ces entrées négatives qui établit une frontière postérieure nette de certaines cibles de Bcd (Kraut et Levine, 1991). Outre les sites de liaison pour d’autres effecteurs de transcription, l’agencement des sites de liaison de la Bcd influence également l’expression génétique, et les données indiquent que la Bcd se lie de manière coopérative à l’ADN. Par conséquent, la liaison de la Bcd à un site de haute affinité renforce la liaison à un site adjacent de faible affinité (Burz et al., 1998). L’expression d’une protéine Bcd avec une mutation qui perturbe la coopérativité dans l’embryon conduit à un déplacement antérieur des patrons d’expression des gènes cibles, tels que ashb, et à une réduction de la netteté de leurs frontières postérieures(Lebrecht et al., 2005).

L’intégration des entrées de Dl et d’autres facteurs de transcription influence également la réponse des gènes le long de l’axe DV de l’embryon de drosophile. Une analyse des promoteurs de gènes cibles de Dl chez différents drosophiles (Papatsenko et Levine, 2005) a révélé que, tout comme les gènes de seuil de type I ont tendance à avoir une affinité Dl plus faible que les gènes de type II, il existe une tendance similaire dans ces promoteurs pour l’affinité d’un autre facteur de transcription, Twi. De plus, les seuils de type II ont tendance à avoir une orientation et un espacement fixes entre les sites Dl et Twi. Ceci est cohérent avec l’occurrence d’interactions synergiques entre les facteurs de transcription Dl et Twi qui sont importantes pour l’activation des cibles de type II dans le neurectoderme où les niveaux de Dl et Twi sont faibles (Papatsenko et Levine, 2005).Les amplificateurs de type II ont généralement une entrée positive supplémentaire de l’activateur Suppressor of Hairless (Erives et Levine, 2004) et une entrée négative du répresseur Snail. Snail est un gène cible de Dl qui est activé dans le mésoderme présomptif (Ip et al., 1992b), ce qui exclut l’activation des cibles de type II, 1992b), excluant ainsi l’expression des gènes de type II du mésoderme (Kosman et al., 1991). Contrairement aux exhausteurs de type II, il existe une corrélation négative entre la qualité des sites Dl et Twi dans les exhausteurs de type I, c’est-à-dire qu’un bon site Dl est associé à un mauvais site Twi, et vice versa. Cela suggère que, dans les amplificateurs où les niveaux de Dl et Twi sont les plus élevés, les activateurs fonctionnent de manière compensatoire (Papatsenko et Levine, 2005). Il est important de noter que des études sur les amplificateurs synthétiques indiquent également que la présence de sites Twi et Dl entraîne un schéma d’expression plus net, par rapport au schéma plus faible et flou observé avec Dl seul (Szymanski et Levine, 1995). Ainsi, il est clair qu’en plus de l’affinité des sites de liaison pour le principal effecteur transcriptionnel d’un morphogène, l’intégration des entrées positives et négatives sur un enhancer est un déterminant important des réponses à seuil (Fig.2B).

Les boucles feed-forward

L’inclusion d’entrées combinatoires dans le contrôle de l’expression différentielle des gènes permet le développement de relations régulatrices complexes entre les gènes correspondants. L’une de ces relations est la boucle de rétroaction (Fig. 2C), dont un exemple a été récemment décrit pour l’activation de Race par la signalisation Dpp. En plus de l’affinité des sites de liaison de Mad dans l’amplificateur de Race (Wharton et al., 2004), le facteur de transcription Zerknüllt (Zen) joue un rôle crucial dans l’activation de Race. Zen et Mad se lient à des sites adjacents dans l’amplificateur de Race, et une interaction directe entre eux est nécessaire pour l’activation de Race (Xuet al., 2005). zen est lui-même un gène régulé par Dpp qui dépend des niveaux maximums de signalisation Dpp (Rushlow et al., 2001). Ainsi, pour que Race soit induit, les pics de signalisation Dpp doivent activer des niveaux élevés de Mad et induire l’expression de Zen, qui fonctionnent ensemble pour activer Race (Xu et al., 2005). Ce type de réseau génétique de régulation, dans lequel le facteur de transcription X active le facteur de transcription Y, et ensemble X et Y activent la cible Z, est appelé une boucle d’anticipation (Lee et al., 2002).

La boucle d’anticipation Mad-Zen peut représenter une stratégie générale qui est utilisée pour activer d’autres gènes cibles de Dpp (Xu et al., 2005). C’est certainement le cas que les boucles de feed-forward opèrent dans d’autres réseaux de gènes sensibles aux morphogènes. Par exemple, Twi, qui fonctionne avec Dl pour réguler les gènes le long de l’axe DV, est lui-même codé par un gène sensible à Dl (Jiang et Levine, 1993). La fréquence des boucles de type feed-forward dans l’interprétation des gradients morphogènes des embryons de drosophile précoce suggère que ce type de circuit de régulation est particulièrement adapté à l’interprétation des gradients. Des données provenant d’autres systèmes révèlent que les boucles d’anticipation sont utiles pour discriminer les signaux externes erratiques afin de s’assurer que l’activation ne se produit qu’en réponse à une signalisation persistante, fournissant ainsi un moyen d’amortir les petites fluctuations du signal (Shen-Orr et al. 2002), 2002).De plus, l’exigence de coïncidence inhérente aux boucles feed-forward peut également fournir des réponses très sensibles à de petits changements dans le niveau du signal(Goldbeter et Koshland,1984), une caractéristique qui permettrait de générer des réponses à seuil en réponse à de petits changements dans la force initiale de la signalisation.

Rétroaction positive

L’autorégulation ou les boucles de rétroaction positive (voir figure 2D) dans les gènes répondeurs peuvent également jouer un rôle dans l’interprétation du gradient et fournir un mécanisme pour la génération de réponses totales ou nulles à des niveaux de seuil de signalisation. Un exemple bien caractérisé de ceci est la régulation de Hoxb4 dans le cerveau postérieur des vertébrés (Gould et al., 1998 ; Gould et al., 1997). Un gradient d’acide rétinoïque (AR) confère une information de position le long de l’axe AP du cerveau postérieur des vertébrés en formation et est responsable de la détermination de la limite antérieure de l’induction de Hoxb4. Le RA active les récepteurs nucléaires RA (RAR), et ces récepteurs se lient à une région amplificatrice définie dans le locus Hoxb4 pour activer son expression. Aux premiers stades du développement du cerveau postérieur, ce mécanisme établit une frontière d’expression antérieure diffuse de Hoxb4. Un deuxième élément enhancer, l’élément enhancer tardif, dans le locus Hoxb4 est sensible à la protéine Hoxb4 elle-même. Par conséquent, à des stades ultérieurs du développement, après une induction de Hoxb4 médiée par le RA, cet élément répond à la protéine Hoxb4 induite et est suffisant pour diriger l’expression de ce gène jusqu’à la limite antérieure normale de l’expression du gène. Ainsi, l’activité progressive de RAR initie l’expression de Hoxb4, l’autorégulation médiée par Hoxb4 affine et maintient son expression au fur et à mesure que le développement du cerveau postérieur progresse. Hoxb4 régule RARβ de manière similaire, indiquant qu’il existe un circuit de rétroaction positive réciproque entre ces protéines qui génère et maintient les limites discrètes de l’expression de Hoxb4 (Serpente et al., 2005).

Répression croisée

Les interactions répressives entre les gènes régulés par les morphogènes sont également importantes pour l’interprétation du gradient (Fig.2E). Un exemple bien étudié est la contribution de la répression croisée à la partition du neuroectoderme de la drosophile en trois colonnes le long de l’axe DV (Cowdenet Levine, 2003). Cette subdivision est médiée par trois facteurs de transcription homéobox (Vnd, Ind et Msh) qui délimitent respectivement les colonnes ventrale, intermédiaire et dorsale. Des seuils distincts de signalisation D induisent ces gènes, mais la production des colonnes distinctes d’expression génique, qui sont délimitées par des commutations abruptes dans l’expression de chaque protéine homéodomaine, dépend d’interactions régulatrices croisées asymétriques entre ces protéines. Ainsi, les protéines homéodomaines exprimées dans les domaines les plus ventraux répriment celles exprimées plus dorsalement. Ainsi, des augmentations progressives de la signalisation Dl entraînent l’activation séquentielle de chaque gène et la répression correspondante des gènes induits par des niveaux inférieurs de Dlactivité – un processus qui a été appelé « dominance ventrale ».

Le système nerveux des vertébrés présente une variation de ce motif de régulation qui implique l’utilisation de la répression croisée mutuelle, ou rétroaction négative réciproque, entre des paires de gènes. Les cellules du tube neural des vertébrés répondent à la signalisation graduelle de Shh en régulant l’expression d’une série de facteurs de transcription qui incluent les orthologues homéodomains de Vnd, Ind et Msh (Briscoe et Ericson, 2001). Sur la base de leur mode de régulation par la signalisation Shh, ces facteurs de transcription sont divisés en deux groupes, appelés protéines de classe I et II. L’expression de chaque protéine de classe I s’éteint à des seuils distincts de l’activité Shh ; inversement, l’expression des protéines de classe II dépend de la signalisation Shh. In vivo, les profils d’expression de ces gènes divisent le tube neural ventral en domaines nettement délimités qui rappellent ceux observés chez la drosophile, la limite ventrale de la plupart des protéines de classe I correspondant à la limite dorsale de l’expression d’une protéine de classe II. Ceci est obtenu par des interactions sélectives de répression croisée entre les paires complémentaires de protéines de classe I et de classe II exprimées dans des domaines adjacents (Briscoe et al., 2001 ; Briscoe et al., 2000). Dans le système nerveux des vertébrés et de la drosophile (Cowden et Levine, 2003), les interactions répressives établissent les seuils de réponse des gènes et génèrent les frontières nettes de l’expression génétique qui garantissent que chaque domaine progéniteur exprime un ensemble distinct de facteurs de transcription. Ce mécanisme convertit un gradient d’information positionnelle en changements discrets de l’expression génique.

Le principe des interactions régulatrices croisées est également observé dans d’autres tissus en développement, ce qui indique qu’il peut représenter une stratégie générale déployée pour interpréter l’information positionnelle graduelle. Le gradient Bcd spécifie les domaines d’expression des gènes Gap, qui positionnent en aval les gènes de la règle de la paire et de la polarité du segment nécessaires à la segmentation de l’embryon (Jäckle et al., 1986 ; Kraut et Levine, 1991). Les interactions répressives asymétriques et réciproques entre les gènes Gap semblent former un circuit complexe. Une forte répression réciproque entre des paires de gènes assure l’exclusivité mutuelle de l’expression, tandis que la répression asymétrique des gènes Gap antérieurs par des gènes plus postérieurs conduit à un déplacement antérieur de leurs limites postérieures (Jaeger et al., 2004 ; Monk, 2004) (Fig. 2E). Ces résultats mettent en évidence une caractéristique dynamique de l’interprétation du gradient Bcd, par laquelle les domaines spatiaux de l’expression génétique peuvent être repositionnés par des interactions répressives asymétriques ultérieures entre les gènes Gap.

Gradient répresseur réciproque

Une caractéristique commune de nombreux gradients morphogènes est l’établissement d’un gradient inverse d’un répresseur transcriptionnel qui est réciproque à l’effecteur transcriptionnel activé par le signal (Fig. 2A). Dans le cas de la signalisation Shhand Wnt, les effecteurs transcriptionnels primaires de ces voies exercent une répression transcriptionnelle en l’absence de signalisation, mais sont convertis en activateurs transcriptionnels lors de la signalisation (Giles et al., 2003 ; Jacob et Briscoe, 2003). L’effet global de la signalisation est donc la formation d’un gradient d’activateur transcriptionnel avec un gradient de répresseur opposé, une stratégie qui pourrait augmenter les changements dans l’activité transcriptionnelle médiée par le morphogène. Une variation de cette stratégie est employée dans l’interprétation du gradient de Dpp dans le disque imaginal de l’aile de la drosophile. Ici, le rôle principal de la signalisation de Dpp semble être la création d’un gradient réciproque de la protéine répresseur Brinker (Brk). Mad et Medea répriment directement Brk dans un complexe avec le facteur de transcription Schnurri (Pyrowolakis et al., 2004), et la sensibilité à la répression de Brk fixe les limites d’expression des réponses à seuil de Dpp, y compris spalt (sal) et optomotor-blind (omb) (Muller et al., 2003).L’expression de omb est réprimée dans les clones mutants de mad à cause de la dérépression de Brk. L’expression d’omb est réprimée dans les clones mutants doubles de brk mad en raison de la dérépression de Brk. Cependant, dans les clones mutants doubles de brk mad, il y a une activation ectopique d’omb, indiquant que, pour l’expression d’omb, la seule exigence pour la signalisation Dpp est de réprimer Brk. En revanche, l’expression de niveaux maximaux de sal nécessite un apport positif des Smads (Affolter et al., 2001 ; Barrio et de Celis, 2004). Dans d’autres contextes de développement, on a découvert que Mad et Brk sont en compétition pour les mêmes sites de liaison (Affolter et al., 2001), bien que la pertinence de ce phénomène pour l’établissement des domaines d’expression du gène cible de l’aile ne soit pas claire.