BMP4

Les BMP ont été découvertes pour la première fois par Marshall R. Urist en 1965, à la suite d'un isolement de trois protéines provenant de la déminéralisation d'os bovins[4]. Lorsqu'injectées dans des animaux, ces protéines induisaient la croissance du tissu osseux, plus particulièrement la formation de cartilage ectopique et d'os endochondraux.

Lors de la signalisation, les BMP se lient à des récepteurs spécifiques à la surface de la cellule. Ces récepteurs, appelés BMPR (pour BMP-receptor), sont des récepteurs kinases sérine/thréonine. Via un groupe de protéines spécialisées nommées Smads, le signal produit par les BMP subit une transduction par les BMPR. Ce signal affecte ensuite la régulation des gènes cibles en aval[1] - [2].

Il s'agit d'un processus extrêmement complexe pouvant être régulé de plusieurs façons, dont notamment un groupe de protéines inhibitrices extracellulaires de la signalisation qui agissent en se liant aux ligands des BMP. Dans le cas de BMP4, ses principaux inhibiteurs sont Noggin et Chordin[1].

Du point de vue extracellulaire et dépendamment du type de cellule ciblée, de la concentration de BMP4 et du moment du signal, BMP4 peut provoquer la prolifération cellulaire, la différenciation cellulaire ou l'apoptose. Il a été suggéré qu'une forte concentration de BMP4 aurait tendance à provoquer la différenciation, tandis qu'une faible concentration résulterait en une prolifération[5].

La morphologie craniofaciale détermine de quoi peut se nourrir une espèce, ainsi que son efficacité d'alimentation. Il va de soi que lorsque des espèces adoptent une alimentation spécialisée, il y a également un changement de la forme craniofaciale et de la fonction qui y est associée.

Il a été déterminé que BMP4 et CaM (calmoduline) ont un rôle majeur dans la détermination de la morphologie du bec des oiseaux et de la mâchoire des vertébrés lors du développement embryonnaire[6] - [7].

Détermination de la morphologie du bec chez Geospiza

Phylogénie du genre Geospiza.

Le genre Geospiza compte 6 espèces, appelées de façon colloquiale les pinsons de Darwin, toutes regroupées sur les îles Galápagos. L'espèce la plus basale de Geospiza est G. difficilis. Les autres espèces sont divisées en deux groupes. Il y a d'abord celles ayant un large bec profond apte à broyer des graines, les « géospizes terrestres » G. fuliginosa, G. fortis et G. magnirostris. Puis, il y a celles ayant un bec affilé plus long qui sert à atteindre les fleurs du cactus et les fruits, les géospizes des cactus G. scandens et G. conirostris[6].

La morphologie très variée du bec au sein de ce groupe est étroitement liée à la structure craniofaciale. La forme spécialisée du bec étant déjà présente à la naissance, cela indique une base génétique durant le développement embryonnaire. L'embryologie de ces espèces démontre qu'à partir du 26^e stade embryonnaire, les différences propres à l'espèce quant à la morphologie du bec sont déjà visibles.

Une étude comparative du patron d'expression de différents facteurs de croissance du développement du bec démontre une forte corrélation entre l'expression de BMP4 et la morphologie du bec. Chez les embryons des géospizes ayant un large bec profond, il y a une forte augmentation de l'expression de BMP4 dans le mésenchyme du bec au 26^e stade embryonnaire qui se maintient jusqu'au 29^e stade. Chez les embryons de G. difficilis et des espèces ayant un long bec affilé, il y a absence de cette augmentation dans l'expression de BMP4.

On en conclut que l'expression accrue et précoce de BMP4 dans le mésenchyme du bec (un exemple d'hétérométrie et d'hétérochronie respectivement) cause une croissance du bec dans l'axe dorso-ventral, ce qui résulte en un bec plus profond et large. La variation de l'expression de BMP4 se limite seulement au bec supérieur. L'expression de cette protéine au bec inférieur demeure constante à travers le genre Geospiza.

Lorsqu'on infecte le mésenchyme du bec d'embryons de poulet avec un vecteur viral dont l'effet est d'augmenter la production locale de BMP4, cela résulte en un bec morphologiquement similaire à celui des « géospizes terrestres ». Inversement, l'infection avec un vecteur viral possédant Noggin résulte en une forte réduction de la forme du bec. On suppose que la régulation de BMP4 dans le mésenchyme du bec découle de l'effet en amont de la protéine sonic hedgehog et du facteur de croissance des fibroblastes 8 (Fgf8), exprimés dans l'épithélium du bec.

Les poissons zèbre sont des téléostéens qui ne possèdent pas de dents orales, mais plutôt des dents pharyngiennes. Ce trait, couplé avec l'absence de l'expression de BMP2A, BMP2B et BMP4 dans la région orale au cours du développement embryonnaire, indique une forte corrélation entre les BMP et le développement des dents. L'absence de ces protéines semble être responsable des pertes locales de dents au cours de l'évolution des téléostéens[10].

Lorsqu'on compare l'organe reproducteur mâle chez deux groupes frères d'oiseaux, Galliformes et Anseriformes (communément appelés les gallinacés et les ansériformes, respectivement), on constate une grande différence entre ces deux groupes[11]. Les gallinacés ne possèdent pas un membre phallique qui s'introduit dans la femelle, mais plutôt un cloaque. Quant aux ansériformes, ils possèdent un phallus bien développé. L'embryologie révèle que les embryons de Galliformes développent un tubercule génital tout comme les Anseriformes à partir du 26^e stade embryonnaire. Cependant, vers le 35^e stade, il y a arrêt du développement et régression du tubercule par apoptose chez Galliformes. L'apoptose se déclenche au point le plus distal du tubercule.

Lorsqu'on étudie le patron d'expression des facteurs de croissance, on observe chez Galliformes une déviation du patron de BMP4 au niveau du tubercule génital comparativement aux autres groupes. Dans l'embryon du poulet, un gallinacé, il y a surexpression de BMP4 dans le tubercule. Cette surexpression coïncide, à la fois dans le moment et l'emplacement, avec l'apoptose du tubercule, ce qui indique un lien entre les deux phénomènes. L'inhibition de BMP4 par ajout de la protéine Noggin prévient l'apoptose, donnant un organe pénil entièrement développé. Chez les Anseriformes, BMP4 est très peu exprimée au niveau du tubercule. Dans l'embryon du canard, un ansériforme, le fait de provoquer une surexpression de BMP4 dans la région distale du tubercule cause sa régression par apoptose.

Ainsi, la réduction du membre phallique des Galliformes, et même des autres groupes d'oiseaux, ne résulterait pas d'une inhibition de la formation du tubercule génital, mais plutôt d'une apoptose régulée par l'expression de BMP4.

Schématisation de la détermination de l'axe dorsal-ventral lors de l'embryogenèse des vertébrés

L'interaction entre BMP4 et Noggin semble déterminer le processus de développement des plumes chez les oiseaux[12]. Alors que BMP4 promeut la formation du rachis et la fusion des barbes, Noggin promeut le branchement du rachis et des barbes. BMP4 est davantage exprimée dans la région distale du follicule de la plume, tandis que Noggin est exprimé dans les cellules de la pulpe, proche de l'épiderme.

Chez les vertébrés, BMP4 est responsable de l'identité de la région ventrale lors de la gastrulation. Lors du stade de blastocyste, BMP4 est exprimée sur toute la circonférence de l'embryon. Cependant, lors du stade de gastrula, il y a expression de Chordin/Noggin dans la région dorsale, ce qui limite l'expression de BMP4 à la région ventrale[2].

Chez la drosophile, le gène homologue de BMP4 est Dpp (décapentaplégique), responsable de l'identité de la région ventrale au stade de gastrula. Une expérience au cours de laquelle il y a substitution de la région responsable du ligand de Dpp avec celle du ligand de BMP4 humain résulte en un fonctionnement normal du gène Dpp modifié. On obtient tout de même un axe dorsal-ventral normal dans l'embryon de la drosophile, qui résulte en un adulte sain. Cela démontre qu'au cours de l'évolution, il y aurait une forte conservation de la voie de signalisation de BMP4-Dpp[13].

• Biologie évolutive du développement
• Régulation de l'expression