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25.8: Détermination

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25.8: Determination

25.8: Détermination

During embryogenesis, cells become progressively committed to different fates through a two-step process: specification followed by determination. Specification is demonstrated by removing a segment of an early embryo, “neutrally” culturing the tissue in vitro—for example, in a petri dish with simple medium—and then observing the derivatives. If the cultured region gives rise to cell types that it would normally generate in the embryo, this means that it is specified. In contrast, determination occurs if a region of the embryo is removed and placed in a “non-neutral” environment—such as in a dish containing complex medium supplemented with a variety of proteins, or even a different area of the embryo itself—and it still generates the expected derivatives. Specification and determination are two sequential steps in the developmental pathway of a cell, which precede the final stage of differentiation, during which mature tissues with unique morphologies and functions are produced.

In Vitro Demonstration of Specification

To study specification, researchers must first understand the normal derivatives of different regions of an embryo. To accomplish this, fate maps are often used, which are generated by dyeing or labeling cells early in embryonic development, culturing whole embryos and monitoring where the marked cells end up. For example, such techniques employed in the chicken have demonstrated that distinct regions located off-center in the embryo (at approximately the 9’ o’clock and 3 o’clock positions) give rise to neural crest cells, which are capable of migrating and generating the peripheral nervous system.

Importantly, these neural crest-destined areas can be excised during the early stages of gastrulation (when the embryo is transformed into a three-layered structure)—before they begin to express protein markers or any distinct features of the cell type. When any underlying tissue that may be a source of signaling factors is scraped away, and these explants are cultured within collagen drops in a simple medium, they generate cells expressing typical neural crest transcription factors. Interestingly, some cells are even observed migrating away from the body of the tissue fragment, which is another feature of this cell fate. These experiments have demonstrated that specification of the neural crest occurs early during embryonic development, and while much of this work has been performed in the chicken, more recent evidence suggests a similar pattern of specification in the rabbit; both of these organisms are used as models for human embryonic development.

Understanding the Signaling Behind Specification

Once specification of a region of an embryo has been demonstrated, researchers are also interested in determining how protein signals—and the position of the tissue in the embryo itself—result in a cell being sent down a particular developmental pathway. For the neural crest, researchers have determined that a combination of proteins, among them bone morphogenetic proteins and fibroblast growth factors, emanating from tissue abutting or underlying the prospective neural crest induce this cell fate. Such signals, in turn, elicit the expression of specifier proteins in these cells, which launch them into the neural crest pathway.

Pendant l’embryogenèse, les cellules s’engagent progressivement à des destins différents grâce à un processus en deux étapes : spécification suivie de détermination. La spécification est démontrée en enlevant un segment d’un embryon précoce, en présentant « neutrement » le tissu in vitro— par exemple, dans une boîte de Pétri avec un simple médium — puis en observant les dérivés. Si la région cultivée donne naissance à des types de cellules qu’elle générerait normalement dans l’embryon, cela signifie qu’elle est spécifiée. En revanche, la détermination se produit si une région de l’embryon est enlevée et placée dans un environnement « non neutre », comme dans un plat contenant un milieu complexe complété par une variété de protéines, ou même une zone différente de l’embryon lui-même , et qu’elle génère toujours les dérivés attendus. La spécification et la détermination sont deux étapes séquentielles dans la voie de développement d’une cellule, qui précèdent l’étape finale de la différenciation, au cours de laquelle les tissus matures avec des morphologies et des fonctions uniques sont produites.

In Vitro Démonstration de spécification

Pour étudier les spécifications, les chercheurs doivent d’abord comprendre les dérivés normaux des différentes régions d’un embryon. Pour ce faire, les cartes du destin sont souvent utilisées, qui sont générées par la teinture ou l’étiquetage des cellules au début du développement embryonnaire, la culture d’embryons entiers et la surveillance où les cellules marquées finissent. Par exemple, de telles techniques utilisées dans le poulet ont démontré que des régions distinctes situées hors centre dans l’embryon (vers 9 heures et 3 heures) donnent naissance à des cellules de crête neurale, qui sont capables de migrer et de générer le système nerveux périphérique.

Fait important, ces zones à crête neuronale peuvent être excisées au cours des premiers stades de la gastrulation (lorsque l’embryon est transformé en une structure à trois couches) avant qu’ils ne commencent à exprimer des marqueurs protéiques ou des caractéristiques distinctes du type cellulaire. Lorsque tout tissu sous-jacent qui peut être une source de facteurs de signalisation est gratté, et ces explants sont cultivés dans des gouttes de collagène dans un milieu simple, ils génèrent des cellules exprimant des facteurs typiques de transcription de crête neuronale. Fait intéressant, certaines cellules sont même observées migrer loin du corps du fragment de tissu, qui est une autre caractéristique de ce destin cellulaire. Ces expériences ont démontré que la spécification de la crête neurale se produit tôt pendant le développement embryonnaire, et tandis qu’une grande partie de ce travail a été effectuée dans le poulet, des preuves plus récentes suggèrent un modèle semblable de spécification dans le lapin ; ces deux organismes sont utilisés comme modèles de développement embryonnaire humain.

Comprendre la signalisation derrière les spécifications

Une fois que la spécification d’une région d’un embryon a été démontrée, les chercheurs sont également intéressés à déterminer comment les signaux protéiques — et la position du tissu dans l’embryon lui-même — entraînent l’envoi d’une cellule sur une voie de développement particulière. Pour la crête neuronale, les chercheurs ont déterminé qu’une combinaison de protéines, parmi lesquelles les protéines morphogenétiques osseuses et les facteurs de croissance du fibroblaste, émanant du tissu attenant ou sous-jacent à la crête neuronale prospective induire ce destin cellulaire. De tels signaux, à leur tour, provoquent l’expression de protéines spécifiants dans ces cellules, qui les lancent dans la voie de crête neuronale.

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