192

Deux phases distinctes inter-viennent dans la formationdun neurone : (1) linduc-tion de lectoderme enneuroectoderme durant la

gastrulation ; (2) la spcification desprcurseurs neuronaux durant laneurulation et les stades plus tardifsdu dveloppement embryonnaire.Nous allons dcrire la phase initialedinduction qui a pour consquencedengager les cellules de lectodermedu ct dorsal vers la diffrenciationneuronale. En particulier, nousallons prsenter un modle sugg-rant lexistence dun inducteur delpiderme qui jouerait le rle dinhi-biteur neural et un mcanisme mol-

culaire dpendant de linactivationde cet inhibiteur. Ce modle pardfaut propose que linhibition delinducteur de lpiderme dvoileraitla destine neurale. Nous allons dis-cuter, du point de vue volutif, lasignification de ce modle.

Les leonsde lembryologieclassique

Le systme nerveux des vertbrs estinduit lors de la gastrulation. Chez lesamphibiens et en particulier chez lexnope (Xenopus laevis), la gastrulationintervient environ neuf heures aprs lafcondation. Durant cette tape

Linduction neuralechez les vertbrs :le cerveau par dfaut

Classiquement, le systme nerveux de lembryon damphi-bien nait, au cours de la gastrulation, dinteractions induc-trices entre le msoderme dorsal et lectoderme qui lerecouvre ; elles mettent en jeu trois facteurs diffusibles, Nog-gin, Follistatin et Chordin, scrts par lorganisateur de Spe-mann. Les tudes actuelles montrent que linduction neuralesemble, en outre, lie la leve dune inhibition des cellules devenir neurales : cest le modle dit du cerveau pardfaut. On a montr que la protine BMP4 (bone morphoge-netic protein), un autre membre de la superfamille TGF,induit la diffrenciation pidermique et inhibe la spcifica-tion neurale ; linverse, toute interfrence avec la voie detransmission du signal BPM4, en particulier par Noggin, Fol-listatin et Chordin, provoque linduction neurale. Ces mca-nismes molculaires sont conservs au cours de lvolution etleur tude pourrait conduire des dveloppements thra-peutiques intressants dans les maladies neurodgnratives.

ADRESSESE. Honor : charg de recherche au Cnrs.UPR411, Sophia Antipolis, 660, route deslucioles, 06560 Valbonne, France. A. Hem-mati-Brivanlou : assistant professor. The Roc-kefeller University, 1230 York Avenue, Box32, New York, NY 10021-6399, tats-Unis.

SYNTHSEmdecine/sciences 1997 ; 13 : 192-200

ric HonorAli Hemmati-Brivanlou

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majeure de lembryogense, lecto-derme situ sur le ct dorsal delembryon se transforme en neuroecto-derme (figure 1A) [1-3]. La partie ven-trale de lectoderme se diffrencie entissu pidermique. Le neuroectoderme

va, en quelques heures, devenir laplaque neurale. A ce stade primaire dela diffrenciation, la plaque neuralepossde dj un axe antro-postrieuret un axe mdio-latral (figure 1B). Lapartie antrieure de la plaque neurale

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Ve

V

A

D

piderme

Msodermeventral

Neuroectoderme

EndodermeOrganisateurde Spemann

Somite

Chorde

A

Figure 1. (A) Topographie tissulaire de la gastrula du xnope. Lpiderme situsur la partie ventrale du ple animal de la gastrula (11 heures aprs-fcondation)est indiqu en gris clair et le tissu neural, sur la partie dorsale du ple animal, engris fonc. Le msoderme est indiqu en rose clair et rose fonc. Lorganisateurde Spemann (msoderme axial) sur le ct dorsal de lembryon est reprsenten rouge. Lorganisateur de Spemann va donner naissance la chorde. Lendo-derme (ple vgtatif) est indiqu en bistre. Les axes dorsal (D), ventral (Ve)ainsi que les axes animal (A) et vgtatif (V) sont reprsents par une croix.

Figure 1. (B).Topographie tis-sulaire de la neu-rula du xnope.Vue dorsale dela plaque neu-rale dune neu-rula (15 heuresaprs-fconda-tion). Laxe ant-ropostrieur estvertical. Le sys-tme nerveux duttard (30 heuresaprs fconda-tion) est illustrsur la partie droitedu schma.

Ttard

Cerveau antrieur

Cerveau moyen

Cerveau postrieur

Moelle pinire

Neurula

B

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donne naissance au cerveau et la partiepostrieure forme la moelle pinire(figure 1B) [4]. Les bordures latralesde la plaque neurale fusionnentensuite au cours du dveloppementembryonnaire pour former le tubeneural. La fusion de la plaque neuralecre alors un axe dorso-ventral. Lesbordures latrales forment la partiedorsale et laxe mdian forme la partieventrale du tube neural. Au dbut du sicle, Spemann etMangold [5] ont montr, chez lasalamandre, que la transplantationde la zone marginale dorsale (lorga-nisateur de Spemann) dune jeunegastrula donneuse dans la zone mar-ginale ventrale dune jeune gastrulareceveuse, aboutit la formationdun axe embryonnaire surnum-raire et complet (figure 2). En particu-lier, un second systme nerveux estform dans lembryon receveur.Lorsque lorganisateur de Spemannest isol puis cultiv in vitro, du mso-derme caractre axial (chorde etsomites) est produit et cela sans for-mation de tissu neural. En outre, lesexpriences de marquage cellulairemontrent que laxe nerveux surnu-mraire drive de lembryon rece-veur [6]. Ces expriences suggrentque lectoderme ventral, prdestin devenir de lpiderme, deviendraitde type neural sous leffet dun signalinducteur provenant de limplant(lorganisateur de Spemann). Lexistence de ce signal a t confir-me par des expriences de recombi-naisons dexplants [7]. Lorsque lacalotte animale dune jeune blastulaest isole puis cultive en conditionssalines, seul de lpiderme est form(figure 3). En revanche, lorsque lazone marginale dorsale dune jeunegastrula est combine avec la calotteanimale (ectoderme) dune blastula,du neuroectoderme est alors induit(figure 3). Cette exprience montreque la zone marginale dorsale est lasource des molcules responsables delinduction neurale. Finalement, il at propos que lpiderme corres-pondrait une destine par dfautde lectoderme, ne ncessitant pas designal inducteur, alors que la forma-tion du tissu neural serait sous lecontrle dun signal inducteur prove-nant du msoderme dorsal (pourune revue, voir [8]). Linduction neurale dpend, dunepart, de la prsence dun inducteur

et, dautre part, de la comptence delectoderme vis--vis de cet inducteur.La comptence de lectoderme linduction neurale se termine lafin de la gastrulation [9]. La notion dinduction neurale estdifficile rconcilier avec les don-

nes obtenues plus rcemment parplusieurs groupes, montrant que ladissociation cellulaire dun explantectodermique dclenche la forma-tion de tissu neural [10-12]. En effet,au stade blastula, lorsquune calotteanimale, qui est prdestine deve-

194

Rserve

Rserv

eVe

V

A

D

Organisateur de Spemann

Figure 2. Lexprience de Spemann et Mangold (1924). Lorganisateur deSpemann (msoderme dorsal) est prlev partir dune jeune gastrula don-neuse (11 heures aprs-fcondation) et implant dans la partie ventraledune gastrula receveuse. Un axe surnumraire complet comportant unsecond systme nerveux est form dans lembryon receveur.

Calotte animale

Organisateur de Spemann

Tissu neuralpidermeMsoderme axial

Msoderme axial

piderme

Figure 3. Leffet neuralisant de lorganisateur de Spemann. Lorsque lazone marginale dorsale dune jeune gastrula (11 heures aprs-fcondation)est prleve puis cultive jusquau stade neurula (18 heures aprs-fconda-tion), seul du tissu msodermique est form. La calotte animale (explantectodermique) dune blastula (8 heures aprs-fcondation) se diffrencie invitro uniquement en tissu pidermique. Lorsque la zone marginale dorsaleest combine avec la calotte animale, du tissu neural est alors induit mon-trant le pouvoir inducteur de lorganisateur de Spemann.

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nir de lpiderme, est dissocie pen-dant plusieurs heures en absence decalcium et de magnsium, du tissuneural se forme (figure 4). Ces rsul-tats sont en apparente contradictionavec les donnes de lembryologieclassique puisque, lors de la dissocia-tion cellulaire, linduction neuraleintervient en dpit de labsence demsoderme dorsal. De plus, ces don-nes suggrent lexistence dunsignal(s) inhibiteur au sein de lecto-derme, rprimant linduction neu-rale et imposant la destine pider-mique (tat neural par dfaut).

Caractrisationmolculairedes inducteursdu tissu neural

Depuis les expriences originelles deSpemann et Mangold [5], de nom-

breux groupes ont tent en vaindidentifier les molcules impliquesdans linduction neurale. Ces checsont t lis au choix du modle bio-logique ainsi quaux techniques utili-ses. Des explants ectodermiques(calotte animale) de salamandretaient cultivs in vitro en prsencede diffrents facteurs et le tissu neu-ral tait ensuite identifi histologi-quement. Ces approches se sont av-res infructueuses car lectoderme deces embryons est neuralis par ungrand nombre de molcules, maiscela de faon non spcifique [8]. Depuis les vingt dernires annes, lexnope est devenu le modle dechoix pour lidentification des mol-cules impliques au niveau embryon-naire dans les mcanismes induc-teurs. La calotte animale (ectoderme)du xnope est plus robuste linduc-tion neurale que ses homologues

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Calotte animale

piderme

Blastula

Dissociation Ragrgation

Tissu neural

Figure 4. Leffet neuralisant de la dissociation cellulaire de la calotte ani-male. La calotte animale (cellules ectodermiques) dune blastula (8 heuresaprs-fcondation) est prleve puis dissocie pendant quatre heures enabsence de calcium et de magnsium. Les cellules sont ensuite agrges nouveau en prsence de calcium et de magnsium, puis cultives in vitrojusquau stage neurula (20 heures aprs-fcondation). La calotte animaleintacte cultive en prsence de calcium et de magnsium donne naissanceuniquement du tissu pidermique. Lorsque les cellules sont dissocies puisagrges nouveau, du tissu neural est form en absence de msoderme.

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chez les autres amphibiens. Une foisexplante, en absence de stimulation,la calotte animale se diffrencie inva-riablement en piderme. Les travaux les plus rcents utilisentdes marqueurs molculaires, se sub-stituant lexamen morphologique.Ainsi, linduction dun type cellulaireest dsormais dcele par la prsencedun marqueur molculaire spci-fique. En particulier, lARN messager(ARNm) codant pour la molculedadhrence neurale (NCAM) qui estsynthtise par toutes les cellules ner-veuses de lembryon de xnope, estun marqueur spcifique du tissu neu-ral [13]. De mme, lARNm codantpour la cytokratine est spcifique delpiderme [14]. Lintroduction destechniques de biologie molculaire(RT-PCR, protection la RNase, etc.)permet dsormais lidentification trsrapide et prcise de ces ARNm dansdes explants tissulaires et rvle defaon fiable la prsence des diff-rents types cellulaires.Quels sont les critres permettant dedfinir un inducteur neural ? Lin-duction du tissu neural doit tredirecte. En effet, de nombreux fac-teurs, comme par exemple lactivine(un membre de la famille des fac-teurs TGF), induisent du tissu neu-ral dans des explants ectodermiquesde xnope mais cela de faon indi-recte [8, 15]. Lactivine induit dumsoderme dorsal dans les explantsectodermiques qui induit ensuite, defaon secondaire, du tissu neural.Ces facteurs sont des inducteurs dumsoderme et non pas du tissu neu-ral [3]. Une molcule sera doncconsidre comme un inducteurneural uniquement lorsque sa syn-thse dans un explant ectodermiquepermet dinduire du tissu neural enabsence de formation de mso-derme. De plus, la molcule candi-date doit tre capable dinduiredirectement du tissu nerveux partirdun explant ectodermique durant lapriode de la gastrulation (critretemporel). Enfin, le facteur identifidoit tre synthtis dans lorganisa-teur de Spemann (msoderme axial)durant la gastrulation (critre spa-tial). Lorsque lensemble de ces cri-tres sont remplis, la molcule identi-fie est alors considre comme uninducteur neural direct [8]. Il fautcependant toujours garder lespritque lidentification des facteurs can-

didats, sur la base des critres dcritsci-dessus, montre uniquement cequun facteur peut faire dans lecontexte cellulaire de la calotte ani-male et non ce quun facteur fait rellement dans lembryon. Ainsi, lesfacteurs candidats doivent treensuite tests dans lembryon avecdes approches qui incluent le gainde fonction aussi bien que la pertede fonction .Noggin, Follistatin et Chordin sontdes protines scrtes qui sont syn-thtises dans lorganisateur de Spe-mann [16-18]. Lorsque lARNmcodant pour Noggin, Follistatin ouChordin est exprim dans unecalotte animale, NCAM est induit enabsence de formation de msoderme[16-19]. Cela remplit lensemble desconditions requises pour classifierNoggin, Chordin et Follistatincomme inducteurs du tissu neural(voir ci-dessus). Cependant, jusqutrs rcemment le mcanismedaction de ces protines demeuraitobscur.

Linduction neurale :suppressionde linduction pidermique

En 1994, Hemmati-Brivanlou et Mel-ton [20] ont fait une dcouverte inat-tendue qui a rvolutionn lesconcepts de linduction neurale dfi-nis originellement par lembryologieclassique. Afin dtudier le rle delactivine dans le processus delinduction du msoderme in vivo,ces auteurs ont fabriqu un rcep-teur de lactivine de type II (XAR1)dont le domaine intracellulaire cor-respondant lactivit srine/thro-nine kinase est tronqu (1XAR1,figure 5A). Le rcepteur 1XAR1 secomporte alors comme un dominantngatif [15] car les rcepteurs appar-tenant la famille des TGF fonc-tionnent par dimrisation. Ainsi, enproduisant de faon htrologuedans lembryon de xnope le rcep-teur 1XAR1, il est possible de blo-quer totalement lactivit du rcep-teur endogne. La synthse durcepteur 1XAR1 supprime la for-mation du msoderme axial, mon-trant donc que les signaux dclen-chs par lactivation de ce rcepteursont requis pour linduction dumsoderme. De faon surprenante,la synthse de 1XAR1 dans un blas-

tomre, quil soit dorigine ectoder-mique, msodermique ou endoder-mique, conduit la formation detissu nerveux [20]. En particulier, lesblastomres de lhmisphre vgta-tif, qui normalement donnent exclu-sivement naissance de lendo-derme, changent de destine endevenant du tissu neural. Encoreplus inattendu, lorsque 1XAR1 estinject dans un blastomre dunembryon ventralis par le traitementaux rayons UV (absence daxe dorsalet de systme nerveux), le blastomreinject ainsi que ses descendants cel-lulaires forment du tissu nerveux quisorganise en tube neural [20].

196

Kinasesrine/thronine

XAR1(rcepteur endogne)

1XAR1(dominant ngatif)

Figure 5. (A) Linduction du tissuneural par un dominant ngatif durcepteur de lactivine. Les mol-cules dactivine (le ligand) sont dim-rises dans lembryon, puis clives,librant ainsi la partie active. Lorsquelactivine (dimrise) se fixe sonrcepteur, une autophosphorylationde la partie cytoplasmique du rcep-teur (dimris) intervient, formantalors un complexe ligand-rcepteuractif. Le rcepteur de lactivine dontla partie cytoplasmique correspon-dant la kinase srine/thronine esttronque, se comporte comme undominant ngatif en se dimrisantavec les rcepteurs endognes delactivine. Lorsque le rcepteur tron-qu de lactivine est exprim dansune calotte animale, les rcepteursendognes de lactivine et de BMP-4sont inhibs, et du tissu neural estalors form.

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Sur la base de ces rsultats, Hemmati-Brivanlou et Melton [20] ont pro-pos pour la premire fois unmodle molculaire qui postule quela spcification neurale de lecto-derme des vertbrs intervient pardfaut. Selon cette hypothse, lessignaux extracellulaires, convertis parles rcepteurs de lactivine prsentsdans lectoderme (calotte animale),sont responsables de linduction dela destine pidermique et de linhi-bition de la destine neurale. Le blo-cage de ces signaux aurait pourconsquence de dvoiler la destineneurale et dinhiber la formation delpiderme. En labsence de cetteactivation tonique (effet du rcep-teur 1XAR1), les cellules ectoder-miques deviendraient alors pardfaut des cellules nerveuses. Lemodle de ltat neural par dfautest provocateur non seulement parcequil contredit les conclusions delembryologie classique, mais aussiparce quil prdit lexistence duninducteur de lpiderme chez les ver-tbrs.Ce modle a lavantage dexpliquerles donnes plus anciennes de disso-ciation cellulaire de la calotte ani-male [10-12]. La dissociation cellu-laire aurait pour effet de diluer lefacteur scrt qui joue le rledinhibiteur neural et dinducteur delpiderme (lactivine ou un homo-logue) et permettrait aux cellulesectodermiques de se transformer pardfaut en neurones.

Le BMP-4est un inducteurde lpiderme

Des tudes rcentes ont montr quele rcepteur 1XAR1 inhibe lactivitdautres ligands de la famille desTGF, tels que les protines BMP(bone morphogenetic proteins) et Vg1[21, 22]. Le ligand responsable delinduction de lpiderme a t iden-tifi par un test de complmentationde cellules disperses de la calotteanimale. Le modle de ltat neuralpar dfaut prvoit que linductionneurale produite par la dissociationcellulaire peut tre inhibe parlajout de linducteur de lpiderme.Lorsque la dissociation cellulaire esteffectue en prsence dactivine, seulle marqueur msodermique Bra-chyury est dtect. Lactivine inhibe

donc ltat neural mais cela en trans-formant les cellules ectodermiquesen msoderme et non pas en pi-derme. Lactivine ne semble doncpas tre le facteur impliqu danslinduction de lpiderme (ou linhi-bition neurale) [23]. Trs rcemment, Wilson et Hemmati-Brivanlou [23] ont montr que BMP-4 inhibe linduction neurale par ladissociation cellulaire de la calotteanimale (voir les leons de lembryologieclassique ci-dessus). Lorsquune disso-ciation cellulaire de la calotte animaledune jeune blastula est effectue enprsence de BMP-4, les marqueurspidermiques Epi-1 et Cytokratinesont dtects, alors que les marqueursNCAM (neural) et Brachyury (mso-dermique) sont absents. Ce rsultatimportant, en accord avec le modlede ltat neural par dfaut, montreque le BMP-4 est un inducteur delpiderme et par consquent uninhibiteur neural. Le rle de BMP-4 comme inducteurde lpiderme ou comme inhibiteurneural a t rcemment confirmpar trois approches diffrentes, ayanttoutes en commun llimination delactivit biologique du ligand BMP-4 : (1) mutation du rcepteur deBMP-4 ; (2) mutation du ligand BMP-4 ; (3) oligonuclotides antisens diri-gs contre lARNm de BMP-4. Le rcepteur BMP-4R (dltion dela kinase srine-thronine) se com-porte comme un dominant ngatif etinhibe lactivit du rcepteur endo-gne de BMP-4 (voir les expriences avecle rcepteur de lactivine dcrites ci-dessus)[24]. Lexpression du rcepteurBMP-4R dans une calotte animaleinduit la synthse du marqueur neu-ral NCAM. Lexpression du domi-nant ngatif du ligand BMP-4conduit aussi la neuralisation delectoderme en labsence de forma-tion de msoderme [25]. Ces effetssont spcifiques car une mutationidentique dans le gne de lactivinene permet pas de mimer leffet dumutant BMP-4. Enfin, ces donnesont t confirmes par des exp-riences dinjection doligonuclo-tides antisens dirigs contre le ligandBMP-4 [16]. Ces rsultats montrentque le BMP-4 est linducteur de lpi-derme responsable de linhibitionneurale. Chez les mammifres, lamutation homozygote du locus BMP-4 conduit la mort embryonnaire au

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stade gastrula montrant le rle pr-pondrant de ce facteur durant ledveloppement prcoce [26].Le modle de ltat neural par dfautprvoit que lactivit de BMP-4 doittre inhibe spcifiquement dans lect dorsal de lectoderme pour don-ner naissance au tissu neural

(figure 5B). Les facteurs dorsaux pos-sdant une activit neuralisante pourraient donc agir : soit au niveautranscriptionel en rprimant le pro-moteur du gne BMP-4, soit au niveaude la stabilit ou de la traduction delARNm de BMP-4, soit au niveau delinhibition de lactivit de la protine

BMP-4, soit encore par lensemble deces mcanismes. Ltude de la distri-bution tissulaire de lARNm de BMP-4par hybridation in situ montre quelARNm disparat graduellement delectoderme dorsal au dbut de la gas-trulation [27]. Le gne BMP-4 sembledonc tre rprim au niveau trans-criptionel. Aucun candidat molcu-laire rglant la synthse ou la stabilitde lARNm de BMP-4 na ce jour tidentifi. Linhibition de lactivit dela protine BMP-4 a t rcemmentmontre. En effet, Noggin et Chordininteragissent directement avec celle-ciet inhibent son activit (R. Harland,communication personnelle, [16]).Le mcanisme daction de la protineFollistatin (inhibiteur de lactivine[18]), na pas encore t lucid.

Ltat neural par dfaut :le prosencphale

Comme indiqu ci-dessus, ds sa for-mation initiale, la plaque neuralepossde une polarit antro-post-rieure et mdio-latrale. Sur la basedes observations classiques effectuespar les embryologistes du dbut dusicle, Nieuwkoop et al. [28] ont for-mul une hypothse selon laquelle lagense du systme nerveux centraldes vertbrs serait sous le contrlede deux types de signaux inducteurs.Le premier signal induit la destineneurale dans le ct dorsal de lecto-derme de la gastrula et lui impose uncaractre antrieur (prosencphale).Le second signal ne possde pas lacapacit dinduire du neuroecto-derme mais, en revanche, caudalisele caractre antrieur du tissu neuralet donne naissance aux structuresplus caudales (msencphale, rhom-bencphale et moelle pinire). Letissu nerveux induit par la dissocia-tion cellulaire de la calotte animale[10-12] ainsi que par lensemble destraitements inhibant lactivit BMP-4(1XAR1, Follistatin, Noggin, Chor-din, mutant de BMP-4, BMP-4R) estde caractre antrieur (prosenc-phale). Linhibition de BMP-4 corres-pond donc au premier signal dumodle de Nieuwkoop [28]. La par-tie antrieure de la plaque neurale(prosencphale) peut tre caudaliselorsque elle est recombine avec dutissu neural de type postrieur pourdonner naissance aux structuresintermdiaires [29]. Rcemment, le

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Signaux inhibiteurs drivant de l'organisateur de Spemann

pidermeNeurone

BMP-4

1XAR1

Dissociation cellulaire

Inhibition par 1XAR1

Conditions in vivo

V D V D

Figure 5. (B) Linduction neurale par dfaut. La protine BMP-4 ainsi que sonrcepteur sont synthtiss dans les cellules ectodermiques de la calotte ani-male. BMP-4 est linducteur de lpiderme (ou linhibiteur neural). Lorsqueune calotte animale est prleve partir dune blastula (8 heures aprs-fcondation), puis cultive in vitro jusquau stade neurula (20 heures aprs-fcondation), il y a uniquement formation dpiderme. Lorsque les cellulesde la calotte animale sont dissocies en absence de calcium et de magn-sium pendant une dure de quatre heures, puis agrges nouveau et culti-ves jusquau stade neurula, il y a uniquement formation de tissu nerveux.La dilution de BMP-4 (inhibiteur neural) permet linduction neurale pardfaut. Lorsque lARN codant pour le dominant ngatif 1XAR1 est inject austade deux cellules (90 minutes aprs-fcondation) dans le ple animal desblastomres, le rcepteur 1XAR1 est synthtis dans les cellules ectoder-miques de la calotte animale de la blastula. La calotte animale de cesembryons exprimant le gne 1XAR1 est prleve puis cultive in vitrojusquau stade neurula. Les cellules ectodermiques deviennent par dfautdes neurones car le dominant ngatif 1XAR1 inhibe le rcepteur de BMP-4.In vivo, lorganisateur de Spemann de la gastrula produit des signaux telsque Noggin et Chordin qui inhibent (directement ou indirectement) linduc-teur de lpiderme, le BMP-4. Suite linhibition de BMP-4, les cellules ecto-dermiques sur le ct dorsal du ple animal forment du tissu neural pardfaut. Laxe dorso-ventral est indiqu par une double flche.

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bFGF (basic fibroblast growth factor) at impliqu dans les phnomnesdinduction et de caudalisation dutissu neural antrieur [29-33]. Il restecependant montrer la significationfonctionnelle in vivo du processus decaudalisation dpendant du bFGF.Ainsi, ces expriences, en accordavec le modle de Nieuwkoop [28],suggrent que lors de la formationdu systme nerveux central, un pre-mier signal (inhibition de BMP-4 parChordin, Noggin ou Follistatin)induirait du tissu neural de caractreantrieur (prosencphale) et unsecond signal (bFGF ou un homo-logue) caudaliserait le cerveau ant-rieur pour le transformer en struc-tures plus caudales.

Conservationdes mcanismesmolculairesde linduction neuraledurant lvolution

Le modle de ltat neural par dfautchez les vertbrs est galement enaccord avec les donnes gntiquesobtenues chez les insectes [34]. Eneffet, chez la drosophile, Sog,lhomologue de Chordin [35],inhibe lactivit du facteur decapen-taplegic (Dpp), lhomologue deBMP-4 chez les insectes [36]. Lesgnes sog et dpp peuvent se substitueraux fonctions de chordin et de BMP-4chez le xnope [37]. De plus, endehors du fait que le systme ner-veux de la drosophile est form duct ventral de lembryon (ct dor-sal chez le xnope), la localisation tis-sulaire de ces facteurs est conserve.En effet Sog/Chordin sont prsentsdans la rgion donnant naissance ausystme nerveux et Dpp/BMP-4 sontprsents dans la rgion oppose don-nant naissance lpiderme. Lexistence dun tissu organisateursimilaire celui des amphibiens aaussi t montre chez les vertbrssuprieurs. En particulier, chez lepoulet, une rgion correspondant la zone marginale dorsale des amphi-biens a t identifie (le nud deHensen) et possde aussi les propri-ts dinducteur neural in vivo et invitro [38]. De mme, chez les mam-mifres tels que la souris et le lapin(pour revue, voir [8]), un tissu orga-nisateur, source des molcules res-ponsables de linduction neurale a

t mis en vidence. En particulier,la protine Follistatin a t identifiechez le poulet et lARNm est prsentdans le nud de Hensen (quivalentde lorganisateur de Spemann) [39].Lorsque le nud de Hensen desembryons de poulet est combin avecla calotte animale dune blastula dexnope, lectoderme est converti entissu neural [40]. Les donnes molculaires concer-nant linduction neurale ont tobtenues pour la plupart partir destudes effectues chez les amphi-biens tels que le xnope. Nanmoins,des travaux rcents effectus sur descultures cellulaires de souris confir-ment le modle de ltat neural pardfaut chez les mammifres. Les cel-lules P19 de carcinome de souris sediffrencient en cellules neuronalesen prsence dacide rtinoque [41,42]. Comme chez le xnope, les cel-lules P19 sont neuralises parlexpression de 1XAR1 (Hoodless etHemmati-Brivanlou, sous presse). Deplus, linduction du tissu neural parlacide rtinoque est aussi inhibepar BMP-4 (Hoodless et Hemmati-Brivanlou, sous presse). Enfin, le trai-tement des cellules P19 par BMP4induit la synthse de plusieurs mar-queurs pithliaux. Ces observationssuggrent que linduction neuralechez les mammifres pourrait,comme chez les amphibiens, tresous le contrle inhibiteur de BMP-4(inhibiteur neural ou inducteur delpiderme). Trs rcemment, les analogues dugne mad (mothers against dpp) de ladrosophile [43] ont t identifis chezle xnope (Xmad ou DOTs pour downs-tream of TGF) [44]. En particulier,DOT1 est impliqu dans la rponse BMP4. Lexpression de DOT1 sup-prime linduction du tissu neural dansla calotte animale par le rcepteurtronqu de BMP-4 ([44, 45] et Thom-sen, soumis pour publication). Ilsemble donc que DOT1 permet latransduction du signal BMP-4 vers lenoyau cellulaire. La protine DOT1pourrait activer la transcription desgnes impliqus dans linduction delpiderme. Selon le modle de ltatneural par dfaut, ces gnes seraientconsidrs comme des rpresseursneuraux et pourraient tre de faontonique induits par lactivation desrcepteurs de BMP-4 dans les cellulesectodermiques, rprimant ainsi la

transcription des gnes neuraux telsque NCAM. En labsence de BMP-4,ou lorsque ce complexe est inhib parNoggin ou Chordin, les rpresseursneuraux ne seraient plus synthtisset, ainsi, la transcription des gnesneuraux interviendrait. Lidentifica-tion des gnes activs par le BMP-4permettra, dans le futur, unemeilleure comprhension de cesmcanismes.Ces rsultats suggrent donc que lesmcanismes inducteurs impliqusdans la formation du neuroecto-derme seraient conservs durantlvolution, des arthropodes jus-quaux mammifres.

Conclusionset perspectives

Aprs plus de soixante-dix annesdefforts intensifs, il a t possibledidentifier chez le xnope trois mol-cules scrtes (Noggin, Chordin etFollistatin) qui sont synthtises danslorganisateur de Spemann (mso-derme dorsal) durant la gastrulationet qui possdent une activit dinduc-teur neural. La dissection molculairein vitro des processus impliqusdurant linduction neurale a permisde proposer un modle par dfautsuggrant lexistence dun inhibiteurneural (ou inducteur de lpiderme),le BMP-4 (figure 5B). Les travauxrcents dcrits dans cet article mon-trent que ces mcanismes sont conser-vs durant lvolution. Au niveau cel-lulaire et molculaire, de nombreusesquestions demeurent sans rponse.En particulier, lidentification dessignaux impliqus dans la transduc-tion de BMP-4, lidentification desgnes prcoces induits par BMP-4, ladtermination de ltablissement desfrontires entre lpiderme et le tissuneural, la rgulation de la comp-tence de lectoderme durant linduc-tion neurale seront sans aucun doutele sujet de recherches intenses dans lefutur. Cette recherche au niveau cel-lulaire et molculaire aura de mul-tiples applications : dune part, auniveau fondamental pour lucider lacascade molculaire implique dansltablissement de la destine neuraleet pidermique et, dautre part, pourpermettre plus long terme de conce-voir des traitements rationnels dans lecadre des maladies humaines du sys-tme nerveux central et de la peau

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SummaryThe default model of vertebrate neural specification

Classical experiments performed inthe amphibian embryo establishedthat the vertebrate nervous systemarises, during gastrulation, frominductive interactions between thedorsal mesoderm and the overlayingectoderm. Transplantation of thegastrula dorsal lip in the ventral sideof a host embryo results in a twinembryo with a complete ectopic dor-sal axis in the ventral side [5].Lineage tracing experiments haveshown that while the axial mesodermin the ectopic axis is derived fromthe explant itself, the nervous systemis derived from the ventral ectodermof the host embryo which otherwisewould have formed epidermis [6].While these experiments demonstra-ted that gastrula dorsal mesoderm,termed the organizer, can changethe fate of ectodermal cells from epi-dermal to neural, only recently hasthe molecular nature of these organi-zer signals begun to be elucidated.Experiments performed in amphi-bians have led to the characterizationof three diffusible factors, noggin,follistatin and chordin, all localizedin the organizer, the embryonicsource of neural inducing signals[16, 18, 19]. These factors canchange the fate of ectodermal cellsfrom epidermal to neural directlywithout concomitant mesoderminduction. Based on studies withTGF- antagonists, such as the trun-cated activin receptor (1XAR1) andfollistatin, we proposed that the for-mation of the nervous system in ver-tebrates is under negative controland requires the inhibition of aninhibitor, activin or a related factor,which can be antagonized with1XAR1 and follistatin [18, 20]. Wecalled this the default model ofvertebrate neural specification. Thismodel provides the molecular linkbetween the observation made byclassical experimental embryologitsand more recent experiments invol-ving dissociated animal caps. Severalgroups have shown that animal caps,which give rise to epidermis if keptintact, will form neural tissue if the cells of the explants are disso-

ciated for several hours [10-12].These results suggest that dilutionof a diffusible neural inhibitor from the explants provides anotherway to eliminate a neural inhibitor.Later experiments demonstratedthat BMP4, another member ofTGF- superfamily, can inhibit neu-ral specification and induce epider-mis in dissociated Xenopusembryonic ectodermal cells, poin-ting to the involvement of BMP4 incell fate decisions in the context ofthe ectoderm [23]. Recent experi-ments with chordin, noggin anddominant negative forms of BMP4ligands and receptors support thishypothesis [16, 24, 25], thus provi-ding additional evidence for thedefault model and for neuralizationbeing under inhibitory control.Interference with TGF- signalingin a mammalian embryonic cellline also leads to the specificationof neural cells, and BMP4 inhibitsthe retinoic acid induced neuraldifferentiation suggesting that themolecular strategy behind neuraldetermination has been conservedthroughout vertebrate evolution.Thus, the model emerging fromthese results proposes that thedefault state of Xenopus ectodermis neural, that BMP4, and possiblyother members of the TGF- familyinhibit neuralization, and thatBMP4 induces cells to become epi-dermal. The isolation and characte-rization of proteins involved in neu-ral and epidermal induction hasimmediate health related conse-quences. Factors which induce neu-ral differentiation in ectodermaland mesodermal cells may provideinsights into regeneration of neuraltissue in adults and, in the longterm, may provide therapy fordiseases involving loss of neuronalcells, including stroke and neuro-degenerative diseases. In addition,the characterization of an epider-mal inducer may lead to treatmentsfor skin injuries and diseases. Thecollection of this type of knowledgewill provide the basis for develop-ment of rational treatments.

Remerciements

Nous remercions Richard Harland, Jon Graff,Gerry Thomsen et Pamela Hoodless pour lacommunication de rsultats non publis ainsique Georges Romey pour ses conseils lors dela rdaction de ce manuscrit. ric Honorremercie la Fondation Philippe et la Fonda-tion del Duca. Ali Hemmati-Brivanlou remer-cie The Rockefeller University et la FondationSearle.

TIRS PARTA. Hemmati-Brivanlou.

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9-10 marsProteins and free radicals, from radicalenzymes to damagesMarc Fontecave Jean-Louis Pierre

11-12 marsOxidative effects of radiations onbiomolecules and cellsJean Cadet Jean-Claude Beani

13-14 marsOxidative Stress and apoptosisAlain Favier Jacques Mathieu

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3es Confrencesde Recherche Hivernales

9-14 mars 1997

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