La méduse, un modèle clé pour revisiter la mise en place des axes embryonnaires

Les cnidaires, un modèle clé pour l’étude du développement embryonnaire

Le développement des embryons est un processus fascinant où un œuf fécondé se transforme en un organisme complet. Pour que cela fonctionne, les cellules doivent s'organiser de manière précise. Les scientifiques étudient ces mécanismes chez divers animaux pour comprendre leur origine évolutive. Les cnidaires, comme les méduses, sont particulièrement intéressants, car ils ont divergé très tôt des autres animaux à symétrie bilatérale, dont les humains, il y a plus de 600 millions d'années. Ces organismes offrent de plus, un modèle intéressant pour étudier la polarité corporelle en raison de leur simplicité structurale. La polarité corporelle est un concept fondamental en biologie du développement qui décrit comment, à partir d’une cellule œuf, s’établissent les principaux axes de l’embryon tels que l’axe antéro-postérieur. La polarité corporelle est établie très tôt. Par exemple, chez la méduse Clytia hemisphaerica, une molécule appelée Wnt3, localisée au pôle animal de l’œuf, définit ainsi le futur pôle postérieur de l’embryon.

La voie Wnt/β-caténine et la Polarité cellulaire planaire (PCP)

Des recherches précédentes ont montré que la voie de signalisation Wnt/β-caténine joue un rôle crucial dans l'établissement de la polarité corporelle chez de nombreux animaux. La β-caténine est une protéine qui, lorsqu’elle est activée par Wnt, agit comme un interrupteur capable de réguler l’expression de nombreux gènes. Cependant, ce seul mécanisme ne suffit pas à expliquer comment les tissus s'organisent dans l'espace. Par ailleurs, en 1931, le biologiste Georges Teissier a suggéré que la polarité de l'œuf est héritée et présente dans chaque fragment de l'embryon, déterminant ainsi l'axe principal du corps.

Les scientifiques ont donc utilisé le modèle de méduse, Clytia hemisphaerica, pour approfondir cette question. Dans une étude publiée dans la revue eLife, ils se sont intéressés à une autre voie de signalisation : la Polarité cellulaire planaire (PCP). Identifiée pour la première fois grâce à l’étude de mutants chez la drosophile, cette voie repose sur des protéines dites « core PCP », qui fonctionnent comme des boussoles moléculaires intracellulaires pour aligner les cellules adjacentes. La voie PCP, parfois appelée voie Wnt/PCP, partage d’ailleurs certains composants avec la voie Wnt/β-caténine.

Les scientifiques ont développé des méthodes pour visualiser la PCP et manipuler certaines des protéines impliquées dans cette voie de signalisation. Ils ont ainsi mis en évidence une fonction supplémentaire de Wnt3. Cette dernière joue un rôle dans l’orientation de la PCP, distinct de son rôle déjà connu pour l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Ce mécanisme simple garantit une morphogenèse coordonnée avec l’expression des gènes. L’orientation de la PCP induite par Wnt3 repose sur deux étapes modulaires : (1) une première phase de rupture de symétrie au futur pôle postérieur, au cours de laquelle Wnt3 initie la polarité ; (2) une phase de propagation où des interactions cellulaires transmettent cette polarité à l’ensemble du tissu. Une fois cette polarité PCP établie, la morphogenèse suit son cours de manière harmonieuse.

Nouveaux scénarios sur l’organisation des axes embryonnaires

Cette étude apporte un nouvel éclairage sur l'évolution des animaux en posant une question cruciale : quand ce mécanisme d'auto-organisation cellulaire est-il apparu ? En d'autres termes, au cours de l’évolution, les cellules ont-elles développé la capacité de s'organiser de manière autonome avant ou en parallèle de l'utilisation de signaux moléculaires comme la β-caténine pour définir la structure corporelle ?

De plus, cette recherche aborde une question fondamentale en biologie cellulaire : comment la polarité cellulaire planaire (PCP) s'oriente-t-elle dans l'espace ? Comprendre ce mécanisme est essentiel pour saisir comment les cellules s'alignent et se coordonnent pour former des tissus et des organes fonctionnels.

Grâce à ces travaux, la méduse émerge comme un modèle biologique clé, rejoignant des organismes modèles bien établis tels que la drosophile et la souris. Cette découverte enrichit notre compréhension des processus fondamentaux du développement embryonnaire et de l'évolution des animaux.

Figure 1 : Une larve de planula de Clytia hemisphaerica. Elle a une forme allongée caractéristique, et les cellules de la couche externe (épiderme) possèdent des cils mobiles coordonnés le long de l'axe du corps. L'embryon nage donc dans la direction « antérieure » (à gauche sur la photo).

Figure 2 : (A) Orientation de l’axe PCP en deux étapes grâce à Wnt3 localisé
Dans l’embryon de méduse Clytia, la protéine Wnt3 est produite principalement à l’extrémité postérieure (à droite sur l’image). : L’expression locale de Wnt3 guide l’orientation des cellules de l’épiderme cilié situées à proximité, sans nécessiter l’activation d’un autre mécanisme appelé Wnt/β-caténine. Ensuite, cette organisation locale se propage progressivement vers l’avant (côté gauche) grâce à des interactions entre protéines PCP dans les cellules voisines. La production de Wnt3 semble être maintenue par un système de régulation en boucle impliquant la voie Wnt/β-caténine.
(B) Deux scénarios possibles pour l’évolution des axes du corps chez les animaux
Les premiers animaux pluricellulaires auraient pu ressembler à une masse de cellules sans structure définie (choanoblastaea). Deux scénarios expliquent comment ils auraient pu acquérir un axe corporel :
Scénario « PCP en premier » (en haut de l’image) : les cellules auraient pu s’organiser seules grâce aux interactions entre protéines PCP, sans signal spécifique pour indiquer une direction. Mais, pour des fonctions comme le déplacement des cils servant à filtrer l’eau ou à nager, une organisation plus précise aurait été avantageuse. L’apparition d’un signal fiable, comme Wnt3, aurait alors permis de structurer l’axe du corps plus efficacement. 
Scénario « Wnt/β-caténine en premier » (en bas de l’image) : ces organismes primitifs auraient d’abord développé un mécanisme permettant d’activer localement la voie Wnt/β-caténine. Cette activation aurait ensuite été utilisée pour guider une autre voie, appelée PCP, qui oriente la forme et l’organisation du corps.

Référence : Planar cell polarity coordination in a cnidarian embryo provides clues to animal body axis evolution. Uveira Julie, Donati Antoine, Léria Marvin, Lechable Marion, Lahaye François, Vesque Christine, Houliston Evelyn, Momose Tsuyoshi.
eLife, 28 janvier 2025, DOI : https://doi.org/10.7554/eLife.104508