Mécanismes de spécification des polarités: Origine et diversification chez les deutérostomes M2, Université Paris 7 Sylvie MAZAN UMR 7150, Roscoff smazan@sb-roscoff.fr 1

Taxon A Etat ancestral Taxon B Approche évo-dévo de la symétrie bilatérale: mécanismes d ’apparition au cours de l ’évolution? Fondée sur l ’étude comparative des mécanismes de spécification des axes au cours du développement Recherche des conservations évolutives Inférence de l ’état ancestral Taxon A Etat ancestral Taxon B

Spongiaires Cténaires Cnidaires Bilatériens Apparition de la symétrie bilatérale chez les métazoaires Spongiaires Cténaires Cnidaires Bilatériens Gènes de patterning des axes A/P et D/V présents chez les cnidaires Pas d ’équivalence claire entre l ’axe oral-aboral et l ’axe AP des bilatériens 3

A V Sog/ Bmp Chd A l ’échelle des bilatériens : Gènes de patterning AP postérieur conservés, implication d ’un antagonisme Bmp/chordin dans la formation de l ’axe D/V Conservation des mécanismes de spécification précoce: peu claire Adoutte et al. 1999. Trends Genet 15: 104-107

5 Les deutérostomiens Quel état ancestral chez les vertébrés? VERTEBRES CEPHALOCORDES ECHINODERMES HEMICORDES UROCORDES Quel état ancestral chez les vertébrés? Conservation à l ’échelle des cordés? 5

Un mode d’évolution général chez les vertébrés? le « modèle du sablier » tardif Stade phylotypique précoce Pas de support quantitatif Fondé sur la divergence apparente du développement précoce modes de clivage différents présence ou non de vitellus mécanismes de spécification des polarités différents présence ou non de tissus extraembryonnaires 6

Deux questions distinctes : Mise en place des polarités au cours du développement précoce Animal D Ab-Organisateur P A Organisateur V Végétatif Deux questions distinctes : Mécanismes d ’établissement des polarités précoces (bilatéralité) Lien aux axes rostro-caudal et dorso-ventral de l’embryon proprement dit 7

EARLY AXIS SPECIFICATION MECHANISMS IN VERTEBRATES AMPHIBIANS, TELEOSTS : deep similarities An An Vg D V X. laevis Vg An Vg D V An D. rerio Vg - Early symmetry breaking event - Displacement of vegetal maternal determinants towards organizer pole - Formation of « dorso-ventral » polarity - dorsalizing/ventralizing factors : Wnt, Nodal vs Bmp 8

EARLY AXIS SPECIFICATION MECHANISMS IN VERTEBRATES AMNIOTES : a difficult link M. musculus 5.25 dpc 6.50 dpc ExVE 3.5 dpc ExE PE P A E TE EmVE P A - No overt equivalent of the « D/V » axis - Early gene asymmetric expressions in the VE, related to AP patterning - Early partitioning in embryonic and extraembryonic territories - Crucial roles in AP specification - No clear equivalents in amphibians and actinopterygians

Complexification of amniotes ? Which origin for the AVE and this sequence of inductions ? AVE equivalents in xenopus and zebrafish unclear No evidence for this sequence of specifications Complexification of amniotes ? ACTINOPTERYGIANS AMNIOTES AMPHIBIANS More ancient origin in jawed vertebrates ? Lineage-specific modifications ? 10

Inférer un état ancestral: la démarche comparative Intérêt d ’un groupe externe Ne représente pas l ’état primitif ! 11

Une approche évo-dévo du développement précoce des gnathostomes SARCOPTERYGIENS Etat ancestral des gnathostomes ? ACTINOPTERYGIENS CHONDRICHTHYANS S. canicula Groupe externe Morphologie comparable aux vertébrés modèles Des annexes extra-embryonnaires distinctes 12

Embryonic axis formation in the dogfish Large, flat blastoderm : 3 mm diameter at onset of gastrulation Slow development : 9-12 days prior to gastrulation Distinct extraembryonic tissues Internal fecundation, spawning at early blastula Telolecithal egg A P 1.5 cm Stage 7/8 Stage 10 Stage 11 Cuboidal epithelium Columnar epithelium Elongated marginal cell population Deep blastomeres Syncitial nuclei 13

Stage 12 : embryonic axis formation, EMBRYONIC AXIS FORMATION IN THE DOGFISH Stage 10 Stage 11 Stages 13-14 Stage 12 A 2.5 cm P Stage 12 : embryonic axis formation, posterior margin 14

EMBRYONIC AXIS FORMATION Prechordal level Notochordal level Otx1 Otx2 Gsc HoxB1 Mox1 X St. 12 St. 13 St. 14-15 From rostral to caudal Strict temporal regulation 15

Site of mesendoderm internalization Brachyury St 13 St 12 St 14 St. 11 to 12 St. 12 to 13 Vandebroek, 1954 16

Equivalent of Spemann organizer Chordin St 11+ St 12+ St 13 St 14 D 17

18 Regionalisation of the site of mesendoderm internalization V D Bmp4 Posterior arms Lateral and anterior margin (blood islands formation) St 12-13 FoxA2 Bmp4 MafB dorsal Wnt8 St. 12+ paraxial St. 13 Gata6 V Ventral D 18

Diversifications du site d’internalisation du mésoderme chez les gnathostomes roussette xénope poisson-zèbre poulet Régionalisation comparable à l’échelle des gnathostomes Tendance à une restriction postérieure chez la roussette et les amniotes Absence totale d’internalisation à la marge du blastoderme chez les amniotes

déplacement antérieur Développement des tissus extra-embryonnaire: la souris comme référence et l’endoderme comme paradigme FORMATION : des composants extra-embryonnaires distincts impliquant une séquence complexe d’inductions 3.5 dpc A P PE 5.25 dpc 5.50 dpc 5.0 dpc ExVE ExE déplacement antérieur Spécification EmVE Spécification DVE VE EmVE DVE- AVE 20

Stades 12-/13, endoderme définitif Des marqueurs de ExVE exprimés dans les blastomères profonds et le syncitium vitellin 4.5 dpc ApoE Hex Gata6 Sox17 PE, ExVE : ApoA Sox17 Hex Gata4 Sox17 Stades 12-/13, endoderme définitif - spécification distincte, plus tardive - propriétés moléculaires distinctes 21

Expression de marqueurs d ’EmVE à la marge postérieure 5.25 dpc Stade 10: Expression de marqueurs d ’EmVE à la marge postérieure 5.25 dpc Lim1 Otx5 Fgf17 EmVE : Lim1 Fgf8 Otx2 Lim1 St 10 St 11 St 11+ Un déplacement antérieur caractéristique 22

5.50 dpc DVE : Hex Stade 11 : induction d ’un marqueur de DVE dans un territoire plus restreint Stade 11 Stade 12- Stade 11+ Hex 23

Roles of Nodal activin signaling in early mouse embryos PrE 5.50 dpc Nodal -/- : absence of EmVE and DVE specification Smad2-/- /Smad3-/- : absence of epiblast Nodal EmVE ExVE ? DVE ExE Bmp ? Nodal/activin signaling Ep ? In ovo pharmacological treatment : injection of Nodal antagonist (SB 505124), stage 7-8 24

Des phénotypes très semblables à ceux observés chez la souris Des mécanismes également conservés: rôle de la voie Nodal/activine Control +SB505124 Hex Control +SB505124 Sox17 Lim1 Control +SB505124 Control +SB505124 Bmp4 Perte de la 2e phase d’expression de Hex et des marqueurs de la marge postérieure Pas d ’effet sur les blastomères profonds Expansion de Bmp4 dans l ’ectoderme Des phénotypes très semblables à ceux observés chez la souris 25

Populations endodermiques Des patterns précoces très semblables chez la souris et la roussette VE Populations endodermiques 4.5 dpc St. 9 5.25 dpc St. 10 A P 5.50 dpc St. 11 A Même dynamique d ’expression génique, mêmes mécanismes Mais : une radialisation des composants extra-embryonnaires chez la souris P CONVERGENCES ? 26

Des patterns liés à une polarité dorso/ventrale précoce ancestrale Bmp4 Sizzled Nodal Otx5 St. 9/10 St. 5/6 Un patterning extraembryonnaire lié à une polarité précoce Reflète la polarité précoce dite dorso-ventrale chez le xénope et le poisson-zèbre Des centres de signalisation précoces conservés 27

Un lien entre les organismes modèles V D V Ex-Embr. Embr. D V D Polarité ancestrale dorso-ventrale reconnaissable chez la roussette Liée à une organisation embryonnaire-extraembryonnaire semblable à celle des amniotes Homologie vraie entre ces mécanismes de patterning Base des convergences apparentes dans les mécanismes de formation des tissus extraembryonnaires chez les chondrichtyens et les amniotes 28

Origin of the mechanisms of early patterning in deuterostomes : insights from Amphioxus CHONDRICHTHYANS ACTINOPTERYGIENS AMPHIBIENS AMNIOTES CYCLOSTOMES CEPHALOCORDES ECHINODERMS UROCORDES Amphioxus B. floridae 29

EARLY DEVELOPMENT IN AMPHIOXUS - a « simple  » mode of gastrulation : invagination - No asymmetry of Wnt, Nodal, Bmp expression prior to gastrulation Holland et al. 2002. Dev. Dyn. 233, 1430-1443 30

Conserved mechanisms of embryo patterning - Chordin : an organizer territory - Wnt repression : a conserved mode of anterior specification - Nodal : a role in dorsal specification ? Yu et al. Nature 445:613-617 31

Origin of mechanisms of embryo patterning in chordates Dkk : anterior repression of Wnt Posterior Wnt Chordin : Presence of a dorsal organizer 32

Sea urchin S. purpuratus Origin of the D/V axis in deuterostomes ? CHONDRICHTHYANS ACTINOPTERYGIENS AMPHIBIENS AMNIOTES CYCLOSTOMES CEPHALOCORDES ECHINODERMS UROCORDES Sea urchin S. purpuratus 33

CLEAVAGE TO GASTRULATION STAGES IN THE SEA URCHIN - pas de détermination au stade 8 cellules - mesenchyme primaire et endoderme : formation par ingression et invagination - formation d ’un axe oral-aboral 34

Roles of Bmp and Nodal signaling in oral-aboral axis formation : gain of function analysis + Nodal : radialisation marqueurs dorsaux, perte marqueurs ventraux + Bmp : radialisation marqueurs ventraux, perte marqueurs dorsaux Duboc et al. 2004. Cell 6, 397-410 35

ANTAGONISM BMP-NODAL : ANCESTRAL MECHANISM IN DEUTEROSTOMES? Bmp and Nodal signaling roles in oral-aboral axis formation : loss of function analysis Mo-BMP2/4 Mo Nodal : loss dorsal and ventral markers Mo Bmp : expansion of dorsal markers, loss of ventral markers, expansion of Nodal expression ANTAGONISM BMP-NODAL : ANCESTRAL MECHANISM IN DEUTEROSTOMES? RECRUITMENT ? 36

Conclusions Nécessité d ’analyses détaillées des interactions entre voies de signalisation Nécessité de reconstructions progressives de l ’état ancestral à chacun des grands nœuds de l ’arbre des deutérostomiens/métazoaires Intégration d’un spectre d ’espèces élargi aux espèces non modèles VERTEBRES CEPHALOCORDES ECHINODERMES HEMICORDES UROCORDES