Fonction et évolution de la régulation du gène Hoxa11 au cours du développement des membres chez les vertébrés

Le développement des membres nécessite la fonction des gènes des complexes HoxA et HoxD, qui sont exprimés de façon différentielle le long de l’axe proximo-distal, colinéaire avec leur position sur le chromosome. Cette stratégie régulatrice est essentielle afin de spécifier l’identité de chaque segment au cours du développement des membres. Précédemment, nous avons montré que l’expression des gènes HoxA dans la partie distale du membre dépend de plusieurs régions cis-régulatrices localisées à longue distance mais qui en 3D sont en contact avec les gènes Hoxa9 à Hoxa13. Cependant, Hoxa11 n’est pas exprimé dans la partie distale du membre et une série d’évidence indique qu’un mécanisme restreint son expression à la partie proximale du membre.  Au cours de l’évolution, la transition de la nageoire au membre fût l’une des adaptations morphologiques cruciales lors du passage d’un mode de vie aquatique à un mode de vie terrestre. Alors que la grande majorité des tétrapodes actuels possèdent des membres pentadactyles, les données fossiles nous indiquent que les premiers tétrapodes étaient polydactyles.  Dans le chapitre 2, nous avons montré qu’un changement dans la régulation du gène Hoxa11 au cours de l’évolution des vertébrés a vraisemblablement joué un rôle dans l’acquisition/stabilisation du stade pentadactyle chez les tétrapodes. Chez le poisson zèbre, les gènes hoxa11 et hoxa13 sont exprimés dans des domaines chevauchants dans la nageoire. En revanche, chez la souris, les domaines d’expression de Hoxa11 et Hoxa13 sont mutuellement exclusifs dans le bourgeon de membre. Hoxa11 est exprimé dans la partie proximale du bourgeon de membre (futur zeugopode) alors que Hoxa13 est exprimé dans la partie la plus distale (futur autopode). Nous avons montré que l’absence d’expression distale de Hoxa11 dans le bourgeon de membre est due à la présence d’une région régulatrice localisée dans l’intron de Hoxa11. Sous le contrôle des protéines HOXA13 et HOXD13, cette région régulatrice induit une transcription antisense, empêchant ainsi la transcription de Hoxa11 dans l’autopode. De plus nous avons montré que cette région régulatrice est absente chez le poisson zèbre, indiquant que son émergence a eu lieu lors de la transition de la nageoire au membre. Nous avons procédé à la délétion de cette région régulatrice chez la souris et observé une expansion distale du domaine d’expression de Hoxa11 dans le bourgeon de membre. Nous avons aussi montré que l’expression de Hoxa11 dans le domaine d’expression de Hoxa13 engendre la formation d’un membre polydactyle chez la souris (lignée de souris Prx1Cre ; RosaHoxa11/Hoxa11 ou A11KI). Ainsi, nos résultats indiquent que l’émergence d’une région régulatrice dans l’intron de Hoxa11, au cours de l’évolution, a permis la restriction du domaine d’expression de Hoxa11 à la région proximale du membre via un mécanisme de répression impliquant les protéines HOX13 et la transcription antisense. De plus, basé sur le phénotype de polydactylie observé après expression de Hoxa11 dans la région distale du bourgeon de membre, nos résultats suggèrent que l’évolution de la régulation de Hoxa11 (ayant entrainé la séparation des domaines d’expression de Hoxa11 et Hoxa13) a contribué à la transition des membres polydactyles des premiers tétrapodes aux membres pentadactyles des tétrapodes actuels.  Dans le chapitre 3, nous avons étudié les causes moléculaires du développement de la polydactylie résultant de l’expression distale de Hoxa11 chez les souris A11KI. La polydactylie est souvent engendrée par l’expression ectopique de Shh dans la partie antérieure du bourgeon de membre. En revanche, nos résultats suggèrent que l’activation ectopique de Shh dans le bourgeon de membre des souris A11KI est une conséquence du développement de la polydactylie et non la cause. L’analyse du transcriptome des membres A11KI indique que l’expression distale de Hoxa11 a pour conséquence une diminution de l’expression des gènes donnant l’identité antérieure au bourgeon de membre ainsi qu’une antériorisation de l’expression de gènes « postérieurs ». Par ailleurs, nous avons montré que HOXA11 se lie à la région régulatrice de Grem1, gène dont l’expression est essentielle à la croissance du membre et la formation des doigts. Nos résultats indiquent que l’expression distale de Hoxa11 a pour conséquence un renforcement de la boucle SHH-GREM1-FGF qui est probablement la cause de la polydactylie des souris A11KI. De plus, notre étude du double mutant Xt/Xt ; A11KI, nous a permis de montrer que la polydactylie, résultant de l’expression distale de Hoxa11, est dépendante de Gli3. En effet les doubles mutants Xt/Xt ; A11KI développent des membres oligodactyles (nombre de doigts inférieur à 5). L’analyse moléculaire de ce double mutant nous a aussi permis d’établir que l’expression de Grem1 est affectée dans les bourgeons de membres, suggérant fortement que l’oligodactylie observée est le résultat d’une altération de la boucle SHH-GREM1-FGF, ayant pour conséquence un défaut d’expansion des cellules progénitrices des doigts. Ainsi pour conclure, nos résultats indiquent que l’expression distale de Hoxa11 contribue à la régulation de la boucle SHH-GREM1-FGF. En présence de Gli3, l’expression distale de Hoxa11 a une action positive sur l’expression de Grem1, entrainant le développement d’un membre polydactyle. En l’absence de Gli3, Hoxa11 distal réprime l’expression de Grem1 causant la formation d’un membre oligodactyle.  Ce travail a permis une meilleure compréhension de l’importance des changements de régulation des gènes Hox survenus au cours de l’évolution et dans le développement des membres, notamment sur le contrôle du nombre de doigts et la mise en place de la pentadactylie chez les tétrapodes.

Keyphrases: Gènes Hox, Région cis-régulatrice, Régulation, Évolution, Membre, Nageoire, Pentadactylie, Polydactylie, Oligodactylie, Fin