Au cours de l’évolution des espèces animales, des mécanismes
moléculaires complexes sont apparus. Les plus efficaces ont été
conservés au cours des générations, et souvent réutilisés pour
accomplir de nouvelles fonctions. C’est le cas d’un certain nombre
de voies de signalisation moléculaires (Wnt, Shh, BMP) et de
mécanismes de régulation transcriptionnelle (Hox, Pax) impliqués au
cours du développement embryonnaire. L’histoire des homéoprotéines
Six et de leurs partenaires illustre un nouvel aspect de cette
conservation moléculaire.
Les gènes Six (sine oculis homeobox) codent pour des facteurs de
transcription ayant en commun deux domaines protéiques conservés :
un homéodomaine divergent et un domaine Six, tous deux impliqués
dans la reconnaissance de séquences spécifiques d’ADN. Le domaine
Six participe également à des interactions protéiques avec les
cofacteurs Eya (co-activateur) ou Groucho (corépresseur). Ces gènes
ont été identifiés chez tous les organismes animaux où ils ont été
recherchés, de la planaire à l’homme. On les trouve organisés en
clusters (Figure 1, en bas à droite), et leurs homologies de
séquence ont permis de distinguer trois sous-familles chez la
drosophile comme chez les mammifères (respectivement 3 et 6 gènes)
[1]. La conservation de ces gènes suggère qu’ils participent à des
mécanismes essentiels à la survie des organismes.
En outre, des résultats récents indiquent qu’un dérèglement du gène
Six1 est associé à certains types de cancers métastatiques (cancer
du sein, tumeur de Wilms et rhabdomyosarcome) [2-4]. Ce gène
pourrait donc non seulement contrôler la prolifération cellulaire,
mais aussi participer à l’acquisition des propriétés invasives des
cellules cancéreuses. Les caractéristiques des cellules
métastatiques étant remarquablement similaires à celles des
cellules embryonnaires, il est probable que l’exploitation des
données obtenues au cours du développement devrait permettre de
mieux comprendre les mécanismes contrôlant l’engagement des
cellules dans un processus cancéreux ou métastatique.
Figure 1. Profils d’expression des 6 gènes Six de souris au
cours du développement. Schéma représentant des embryons de souris
à 10,5 dpc (day post coitum). À ce stade du développement,
l’expression des gènes Six3 et Six6 est restreinte au cerveau
antérieur et à la placode optique. Ces gènes sont ensuite exprimés
dans la rétine en cours de différenciation. Six3 apparaît également
exprimé dans la couche pigmentaire et le cristallin. Les gènes
Six1, Six4 et Six5 sont largement co-exprimés dans les placodes
nasales et otiques, dans les arcs branchiaux, dans les ganglions
craniaux et dorsaux, ainsi que dans les somites et les bourgeons de
membre. Le gène Six2 est, quant à lui, exprimé dans les arcs
branchiaux, les bourgeons de membre et le mésenchyme métanéphrique.
Par ailleurs, la localisation chromosomique des gènes Six révèle
une organisation en cluster de Six4-Six1-Six6 et de Six2-Six3,
respectivement sur les chromosomes 12 et 17. Chr : chromosome
(d’après [1]).
Caractéristiques fonctionnelles des gènes Six de drosophile
Sine oculis
Le premier membre de la famille Six a été isolé chez la
drosophile, et baptisé sine oculis (so) car l’absence de ce gène
dans les disques imaginaux oculaires entraîne un développement
anormal de l’œil [5, 6]. So participe à l’organogenèse oculaire en
collaboration avec les gènes eyeless (ey), eyes absent (eya) et
dachshund (dac). Ces quatre gènes interviennent au cours de l’étape
précoce de détermination oculaire et peuvent induire, de manière
synergique, la formation d’un œil ectopique lorsqu’ils sont
surexprimés dans les disques imaginaux de l’antenne ou de la patte
[7-9]. Non seulement des boucles de régulation positive relient
génétiquement ces quatre gènes, mais leur synergie fonctionnelle
semble reposer sur des interactions protéiques directes entre So et
Eya, d’une part, et Eya et Dac, d’autre part [10].
Optix
Un deuxième gène, optix, a été cloné chez la drosophile par
homologie de séquence avec le gène Six6/Optix2 de vertébré. Il est
localisé sur le chromosome 2, à proximité du gène so [11]. Si les
profils d’expression de ces deux gènes sont largement superposables
dans le disque imaginal de l’œil, leurs caractéristiques
fonctionnelles semblent différentes : soit il existe une autre voie
d’induction de la différenciation oculaire, parallèle à celle
préalablement décrite impliquant ey, so, eya et dac, soit le gène
optix agit en aval de cette boucle de régulation génétique.
D-Six4
Le troisième gène Six de drosophile, D-Six4, est exprimé au
cours du développement dans les structures mésodermiques à
l’origine des muscles striés squelettiques et de l’enveloppe
somatique des gonades [12]. Des mutations ponctuelles de ce gène
conduisent à une réduction de la taille des gonades et à des
anomalies musculaires : tandis que certains muscles sont absents,
d’autres sont présents mais ne s’attachent pas correctement à la
cuticule. Enfin, la plupart des cellules musculaires apparaissent
mononucléées, ce qui signifie que, chez la drosophile, la perte de
fonction de D-Six4 est responsable d’un défaut de fusion des
myoblastes en myotubes.
Fonctions des gènes Six chez les vertébrés
L’étude des profils d’expression des gènes Six au cours du
développement embryonnaire chez les vertébrés a permis de proposer
un certain nombre d’hypothèses concernant la fonction de ces gènes,
hypothèses vérifiées ensuite par invalidation fonctionnelle ou
surexpression du gène d’intérêt.
Six3/Six6
Les gènes du groupe Six3/Six6 (homologues de optix) sont
exprimés très tôt au cours du développement embryonnaire, dans une
région de la plaque neurale à l’origine du cerveau antérieur, des
placodes optique et nasale. Plusieurs études réalisées chez des
vertébrés inférieurs (zebra fish, medaka fish et xénope) ont montré
que la surexpression des gènes Six3/Six6 peut induire un
élargissement des yeux et du cerveau antérieur [13] et, dans
certaines conditions, induire la formation de cristallin ou de
rétine ectopique [14]. Dans ce dernier cas, la surexpression
ectopique de Six3 induit l’expression de Pax6 là où se forme la
rétine additionnelle.
Réciproquement, l’invalidation fonctionnelle de Six3 chez le medaka
fish et chez la souris conduit à l’absence d’œil et de cerveau
antérieur, confirmant le rôle majeur joué par Six3 au cours de la
différenciation de ces structures chez les vertébrés [15]. En
absence de Six3, un certain nombre de facteurs (Wnt1, En2, Otx2,
Pax3), normalement absents, sont exprimés dans le cerveau
antérieur. Plus particulièrement, la protéine Six3 contrôlerait
négativement l’expression de Wnt1 en se liant directement au niveau
des séquences régulatrices de ce gène [15].
L’invalidation fonctionnelle de Six6 chez la souris n’est pas
létale comme celle de Six3, mais conduit néanmoins à une hypoplasie
hypophysaire et à une hypoplasie rétinienne (due à l’absence de
nerf et de chiasma optique) [16]. In vitro, il a été montré que
Dach1 interagit fortement avec Six6 et joue le rôle d’un
corépresseur transcriptionnel de Six6 en transfection transitoire.
De plus, le complexe Six6/Dach1 contrôlerait directement
l’expression du gène p27Kip1 (codant pour un inhibiteur des kinases
dépendantes des cyclines). Les hypoplasies observées apparaissent
ici corrélées à un défaut de prolifération des cellules précurseurs
[16]. Il est à noter cependant que l’invalidation fonctionnelle de
Dach1 n’entraîne pas de défauts de prolifération, ni d’hypoplasie
hypophysaire chez la souris [17], bien que les nouveau-nés meurent
à la naissance pour une raison encore indéterminée [18].
Six4/Six5
Chez les vertébrés supérieurs, les gènes Six4 et Six5 sont
exprimés dans de nombreux territoires au cours du développement
(Figure 1) [19, 20]. L’invalidation fonctionnelle de ces gènes
n’entraîne pas de défauts majeurs, mis à part une cataracte
développée par les souris dont le gène Six5 est déficient [20-22].
Il est probable que ces deux gènes, qui codent pour des protéines
fortement homologues et sont exprimés dans les mêmes territoires au
cours du développement, aient des fonctions redondantes. L’analyse
des souris dont les gènes Six4 et Six5 ont été invalidés permettra
de s’affranchir de cette éventuelle compensation fonctionnelle et
de définir plus précisément leurs fonctions.
Six1/Six2
Contrairement à leurs homologues de drosophile ou de planaire,
les gènes Six1 et Six2 de vertébrés ne sont pas exprimés dans les
territoires oculaires au cours du développement et ne semblent pas
particulièrement impliqués dans la différenciation de l’œil
[23-25]. En revanche, Six1 est exprimé dans d’autres structures
sensorielles, tant au niveau de la tête (placodes nasale et otique,
ganglions crâniaux), que dans le reste du corps (ganglions dorsaux,
ligne latérale). Chez la souris, le profil d’expression de Six1 est
tout à fait comparable à celui de Six4 et de Six5, mais n’est que
partiellement superposable à celui de Six2 (Figure 1). Ces profils
d’expression suggèrent un redéploiement de l’expression des gènes
Six1/Six2 au cours de l’évolution, et leur participation à de
multiples événements de différenciation.
En effet, l’invalidation fonctionnelle du gène Six1 chez la souris
a révélé le rôle majeur de ce gène au cours de multiples processus
de différenciation. En particulier, Six1 apparaît comme un acteur
clé de la différenciation myogénique [26]. Les souris Six1-/-
meurent à la naissance d’insuffisance respiratoire due à l’absence
de diaphragme et à des malformations des côtes. Les nouveau-nés
présentent une hypoplasie musculaire qui touche tous les muscles du
corps (mais pas les muscles de la tête) et qui atteint plus
spécifiquement certains muscles distaux, en particulier au niveau
des membres. L’analyse des marqueurs myogéniques exprimés chez ces
souris a permis d’établir le rôle tardif de Six1 au cours de la
myogenèse primaire (Figure 2). Six1 participe également à
l’organogenèse rénale et thymique, à la morphogenèse du squelette
craniofacial et thoracique, ainsi qu’à la différenciation de
l’oreille interne, de la cavité nasale et des glandes lacrymales et
parotides [27-30]. Comme la plupart de ces défauts sont comparables
à ceux décrits chez les souris dont le gène Eya1 a été invalidé
(Figure 3) [31, 32], il est probable que Six1 et Eya1 agissent en
synergie pour induire le développement de ces organes selon un
mécanisme similaire à celui mis en évidence chez la drosophile au
cours de l’organogenèse oculaire. Plus généralement, différentes
combinaisons de gènes Pax, Six, Eya et Dach pourraient participer à
de nombreux processus de différenciation.
Figure 2. Profil d’expression du gène Six1 au cours du
développement et phénotype musculaire des embryons Six1-/- à E13,5
dpc. Le knock-in du gène rapporteur LacZ au locus Six1 permet de
visualiser l’expression du gène Six1 par coloration X-gal. A-H :
embryons hétérozygotes à différents stades de développement
(indiqués en bas à gauche de chaque image). Six1 est exprimé dans
de nombreux territoires : les somites (so), la placode otique (po),
la placode nasale (pn), les arcs branchiaux (ab), les ganglions
dorsaux (drg), les ganglions craniaux proximaux (gc) et les
bourgeons de membre (bm). Le marquage somitique apparaît
particulièrement fort dans le myotome (my), ainsi que dans les
lèvres dorsomédianes (ldm) et ventro-latérales (lvl) du
dermomyotome. I-J : les animaux homozygotes Six1-/- (J) présentent
des défauts musculaires importants à E13,5 comparés aux
hétérozygotes Six1+/- (I). Les muscles abdominaux (ma) et
superficiels du dos (msd), notamment, sont réduits et désorganisés,
et certains muscles de l’épaule (me) et des membres sont
absents.
Conservation et redéploiement des mécanismes
moléculaires impliquant les gènes Pax, Six, Eya et Dach… au cours
de la myogenèse
Les gènes Pax3, Six1, Eya2 et Dach2 sont co-exprimés dans les
précurseurs myogéniques, au niveau des somites [33]. De plus, une
synergie fonctionnelle entre les facteurs Six1 et Eya2, d’une part,
et entre Eya2 et Dach2, d’autre part, a été rapportée pour
l’induction de la différenciation myogénique chez le poulet [33].
En effet, dans un modèle de somites en culture primaire, la
surexpression couplée de ces facteurs induit l’expression de
marqueurs de différenciation myogénique tels que MyoD, myogénine et
les chaînes lourdes de myosine (MyHC). Le promoteur du gène
myogénine possède, en effet, un site MEF3 reconnu par les protéines
Six et indispensable à son activité transcriptionnelle au cours du
développement de la souris [34]. Par ailleurs, plusieurs
combinaisons de facteurs Six et Eya sont capables de se lier au
site MEF3 du promoteur myogénine et activent la transcription des
gènes rapporteurs avec une efficacité variable [35, 36].
Dans l’hypothèse d’une conservation et d’un redéploiement des
mécanismes moléculaires impliquant les facteurs Pax, Six, Eya et
Dach, l’on s’attend à trouver des phénotypes comparables chez les
mutants (Figure 3). De fait, les muscles les plus atteints des
souris Six1-/- sont également ceux qui font défaut chez les mutants
Splotch (mutants spontanés du gène Pax3) [26, 37]. Il semble donc
que Six1 et Pax3 participent à la différenciation des mêmes masses
musculaires distales. Néanmoins, Pax3 et Six1 ne contrôlent pas les
mêmes étapes de cette voie de différenciation, Pax3 agissant en
amont de Six1. En effet, chez les mutants Splotch, l’absence de
muscles hypaxiaux résulte d’un défaut de migration précoce des
précurseurs myogéniques [37]. Chez les mutants Six1, en revanche,
la migration n’est pas affectée, mais l’étape ultérieure de
différenciation des myoblastes est profondément altérée dans les
territoires distaux [26].
Figure 3. Rôles multiples des gènes Pax, Six, Eya et Dach au
cours du développement embryonnaire. A. Chez la drosophile,
l’organogenèse oculaire est contrôlée par une combinaison de gènes
Pax (eyeless, ey et twin of eyeless, toy), Six (sine oculis, so et
optix), Eya (eyes absent) et Dach (dachshund, dac). B. Chez la
souris, il existe 9 gènes Pax, 6 gènes Six, 4 gènes Eya et 2 gènes
Dach. Des combinaisons variables de ces différents facteurs
semblent impliquées dans de multiples événements de
différenciation, de morphogenèse ou d’organogenèse. Les gènes notés
en gras sont ceux pour lesquels l’invalidation fonctionnelle
conduit à un développement anormal de l’organe ou du tissus
considéré. Les autres gènes Pax, Six, Eya ou Dach, indiqués avec un
point d’interrogation, sont exprimés au cours du développement de
l’organe en question, mais leur fonction n’a pas encore été
clairement démontrée.
… au cours d’autres événements d’organogenèse
Les mutations des gènes Pax2, Six1 et Eya1 conduisent à des
défauts d’organogenèse rénale ainsi qu’à des défauts de
différenciation de l’oreille interne. Ces phénotypes comparables
suggèrent qu’une combinaison Six1-Eya1-Pax2 pourrait participer au
développement du rein et de l’oreille (Figure 3) [27].
Des défauts de différenciation thymique et de développement du
squelette craniofacial ont été décrits chez les mutants des gènes
Pax1, Pax9, Six1 et Eya1, suggérant qu’une combinaison
Pax1/9-Six1-Eya1 pourrait intervenir au cours du développement de
ces structures [27].
Enfin, les mutations du gène Pax6 conduisent au phénotype Small
eye, caractérisé par une réduction de la taille des yeux, mais
également par des défauts de différenciation de la cavité nasale et
des glandes lacrymales et parotides. Ainsi, la combinaison
Pax6-Six1 pourrait participer à la différenciation de l’appareil
olfactif et des glandes sécrétrices de la face. En revanche, la
différenciation oculaire serait contrôlée par une combinaison
Pax6-Six3/6 [15].
Conclusions
L’étude fonctionnelle des homéoprotéines Six a permis de mettre
en évidence le rôle d’une nouvelle classe de facteurs de
transcription à homéodomaine au cours du développement
embryonnaire. Les mécanismes moléculaires impliquant les
homéoprotéines Six et leurs partenaires Pax, Eya et Dach
apparaissent conservés entre la drosophile et la souris,
respectivement pour contrôler l’organogenèse oculaire et la
différenciation musculaire. Compte tenu du rôle crucial de ces
facteurs au cours de plusieurs événements d’organogenèse, il est
vraisemblable que des combinaisons variables de facteurs
Pax-Six-Eya-Dach contrôlent de multiples processus de
différenciation. Néanmoins, ces corrélations fonctionnelles restent
à confirmer par une approche cellulaire et moléculaire, car la
plupart des cibles transcriptionnelles de ces facteurs n’ont pas
encore été identifiées.
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