Développement embryonnaire du système hématopoïétique
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Introduction :
L'hématopoïèse embryonnaire et foetale présente une particularité essentielle : elle se déroule successivement dans plusieurs organes distincts, selon un calendrier très précis.
Les cellules qui se différencient dans chacun de ces organes à un moment donné de l'ontogenèse ont des caractères morphologiques et biochimiques spécifiques de stade, indépendamment de leur fonction : par exemple les globules rouges primitifs du sac vitellin sont ronds et contiennent les hémoglobines embryonnaires, alors que les globules rouges du foie foetal sont elliptiques et renferment les hémoglobines foetales. Sauf dans le cas du sac vitellin au début de son activité, des cellules souches extrinsèques colonisent le rudiment stromal des organes hématopoïétiques, au fur et à mesure de leur entrée en activité.
Ces processus de colonisation successifs impliquent donc de savoir où et quand les cellules souches hématopoïétiques émergent du mésoderme.
Ces cellules autorenouvelables sont supposées se maintenir pendant toute la vie de l'animal.
Également importants sont le calendrier de colonisation des organes, les voies de migration des cellules souches et le mécanisme de l'attraction exercée par les rudiments.
Certains mécanismes mis en jeu sont similaires à ceux qui opèrent dans le système hématopoïétique adulte (facteurs de survie, de croissance et de différenciation, molécules attractives et d'adhérence) et les approches expérimentales peuvent faire appel aux mêmes technologies.
Mais d'autres aspects sont particuliers : sites de production des cellules souches, activation des gènes spécifiques de chaque stade.
L'embryon ou le foetus de mammifère n'est pas nécessairement le matériel le mieux adapté à l'expérimentation.
De ce fait plusieurs concepts centraux, de valeur générale, ont été développés à la suite d'expériences réalisées sur l'embryon d'autres vertébrés, comme par exemple l'embryon d'amphibien et surtout l'embryon d'oiseau.
Ce chapitre montrera comment ces différents concepts ont été acquis, en mettant en lumière les caractères spécifiques de l'ontogenèse.
Développement des organes hématopoïétiques :
La différenciation structurale et fonctionnelle des tissus assurant l'hématopoïèse après la naissance
- moelle osseuse, thymus et bourse de Fabricius des oiseaux
- s'effectue précocement pendant la vie embryonnaire et foetale.
Avant et pendant ces phases de développement, d'autres organes tels que le foie et la rate remplissent, transitoirement, une fonction hématogène.
Encore plus tôt, avant le commencement de l'organogenèse embryonnaire, une première génération de cellules sanguines est produite par le mésoderme extraembryonnaire, dans le futur sac vitellin. L'origine des cellules souches sanguines qui fonctionnent dans ces organes est restée longtemps problématique.
Des expériences réalisées essentiellement chez l'embryon d'oiseau ont montré que seul le sac vitellin produit ses propres cellules souches alors que tous les organes sanguiformateurs de l'embryon doivent être colonisés par des cellules extrinsèques pour devenir fonctionnels.
Moore et Owen montrèrent, en utilisant les chromosomes sexuels comme marqueurs cellulaires dans des expériences où ils réunissaient par des anastomoses vasculaires deux embryons de poulet de sexes différents, la présence dans le thymus, la bourse de Fabricius et la moelle osseuse de cellules extrinsèques à ces organes.
Ils proposèrent alors l'hypothèse dite hématogène de la formation des organes sanguiformateurs de l'embryon selon laquelle les primordia du thymus, de la bourse de Fabricius, de la moelle osseuse comme de la rate fournissent un environnement (ou stroma) susceptible de recevoir et de retenir des cellules souches sanguines circulantes.
Cependant le marqueur utilisé dans ces expériences n'identifie que les cellules en division et par conséquent ne peut être que partiel.
La preuve définitive que les organes hématopoïétiques sont incapables de fournir les progéniteurs des cellules sanguines a été apportée par les expériences fondées sur l'utilisation des chimères entre embryons de caille et de poulet.
On peut en effet reconnaître aisément les cellules de ces deux espèces par la structure de leur noyau interphasique ou à l'aide d'anticorps à la fois spécifiques d'espèces et d'un type cellulaire donné.
Tel est le cas par exemple des anticorps monoclonaux MB1/QH1 qui reconnaissent un déterminant antigénique commun aux cellules hématopoïétiques (excepté les érythrocytes) et aux cellules endothéliales de caille, à l'exclusion de tout type cellulaire chez le poulet.
La construction d'organes hématopoïétiques chimériques dans lesquels le stroma appartenait à l'une des deux espèces (par exemple la caille) et les cellules hématopoïétiques à l'autre (le poulet) s'est révélée possible, montrant que la totalité des cellules sanguines du thymus, de la bourse de Fabricius, de la moelle osseuse et de la rate se développe à partir de précurseurs initialement étrangers à ces organes.
Il a été possible de déterminer à quel stade du développement embryonnaire chacun de ces organes est colonisé par des cellules souches sanguines.
A - Hématopoïèse vitelline :
Le premier organe hématopoïétique au cours du développement des amniotes (reptiles, oiseaux et mammifères) est le sac vitellin.
L'établissement de l'hématopoïèse vitelline se déroule de façon similaire dans toutes les espèces où il a été décrit mais il a été particulièrement bien étudié chez l'oiseau où après une vingtaine d'heures d'incubation, des précurseurs angiogènes et hématogènes prolifèrent au sein du feuillet mésodermique extraembryonnaire de l'aire opaque, donnant naissance à un réseau de massifs cellulaires qui préfigure le système vasculaire extraembryonnaire.
Les cellules bordant ces massifs se différencient en cellules endothéliales, alors que les cellules centrales se dissocient, laissant apparaître les premières lumières vasculaires.
Lors de cette vasculogenèse initiale, des amas de cellules intravasculaires développant une intense basophilie cytoplasmique demeurent adhérents à l'endothélium : ce sont les îlots sanguins, à l'origine de la première génération de cellules hématopoïétiques.
L'hématogenèse vitelline produit essentiellement la lignée érythrocytaire primitive, indépendante de l'érythropoïétine et dont les éléments demeurent nucléés, et aussi chez l'oiseau des thrombocytes - équivalents des mégacaryocytes - et des granulocytes neutrophiles.
Le rôle du sac vitellin a régressé chez les animaux vivipares mais il conserve néanmoins une fonction hématopoïétique chez les mammifères, active entre les 7e et 12e jours environ du développement chez la souris, où elle est strictement restreinte à l'érythropoïèse.
Dans l'espèce humaine, le sac vitellin est hématogène dès le milieu de la 3e semaine de la grossesse, et produit essentiellement des érythrocytes et de rares macrophages, mégacaryocytes et granulocytes.
Son activité hématopoïétique, analysée in vitro, chute dès la 5e semaine et a définitivement disparu à la 9e.
Le sac vitellin est donc le premier tissu hématopoïétique au cours du développement embryonnaire des vertébrés, dans lequel des cellules précurseurs dérivées du mésoderme extraembryonnaire, et peut-être programmées dans l'épiblaste avant même la gastrulation, donnent naissance simultanément à l'endothélium des premiers vaisseaux sanguins et aux cellules sanguines initiales, sous l'influence inductrice supposée de l'endoderme.
L'existence à ces stades précoces de précurseurs communs, ou hémangioblastes, à l'origine de ces deux lignées est fortement suggérée mais n'a pas encore été formellement démontrée expérimentalement.
B - Fonction hématopoïétique du foie et de la rate embryonnaires et foetaux :
Chez les mammifères, l'activité hématogène du sac vitellin est tôt relayée par celle du foie dont le rudiment naît d'un épaississement, puis de la pénétration dans le septum transverse de l'endoderme ventral du duodénum, à l'origine des cordons d'hépatocytes et des canaux biliaires.
L'hématopoïèse hépatique commence au 10e jour du développement de la souris, culmine à 12-14 jours et décroît à partir du 16e jour, bien qu'elle ne s'éteigne complètement que plusieurs semaines après la naissance.
L'ébauche hépatique est le siège d'une hématopoïèse myéloérythroïde dominante, ainsi que du développement d'une génération de lymphocytes B.
Chez l'homme, des cellules précurseurs hématopoïétiques marquées par l'expression de l'antigène CD34 sont détectables dès la 5e semaine de gestation dans l'ébauche hépatique ; simultanément, des foyers d'érythroblastes se développent entre les cordons hépatocytaires et établissent l'érythropoïèse définitive, dont les précurseurs sont largement majoritaires dès la 8e semaine.
L'hématopoïèse hépatique est bien établie au cours du 3e mois et inclut érythropoïèse et thrombopoïèse.
L'ébauche splénique foetale, enfin, peut aussi exercer une fonction hématogène, après sa colonisation par des cellules souches sanguines.
C - Différenciation de la moelle osseuse :
La moelle osseuse, site définitif de l'hématopoïèse, incluant la lymphopoïèse B, chez l'adulte, apparaît tardivement chez la souris, vers le 17e jour de la gestation qui en compte 21, mais commence en revanche à se développer chez l'homme dès la 8e semaine de gestation alors que les ébauches cartilagineuses des os sont colonisées, au niveau diaphysaire dans le cas des os longs, par des cellules mésodermiques périostéales à l'origine des ostéoblastes, par les précurseurs ostéoclastiques d'origine hématopoïétique et par des bourgeonnements vasculaires issus des nombreux capillaires entourant l'ébauche.
Dès la 10e semaine, les cavités médullaires sont formées dans lesquelles des trabécules osseux en cours de calcification limitent un réseau de sinus et capillaires sanguins.
Des foyers d'érythro- et granulopoïèse sont détectés à partir de la 11e semaine dans les logettes hématopoïétiques extravasculaires et avant la 20e semaine l'hématopoïèse médullaire est active et les différentes populations de cellules sanguines myélolymphoïdes rencontrées dans la moelle adulte sont identifiables.
Des expériences de parabiose entre embryons de poulet puis de transplantation dans le système caille/poulet ont montré que l'hématopoïèse médullaire, qui débute chez le poulet au 12e jour du développement, est aussi établie par des cellules souches circulantes.
L'origine, le nombre et la situation précise dans la hiérarchie hématopoïétique des cellules hématogènes qui colonisent l'ébauche de la moelle demeurent néanmoins indéterminés.
D - Développement des organes lymphoïdes primaires :
Au contraire de l'hématopoïèse myéloérythroïde, le développement des lymphocytes T se déroule avant et après la naissance dans le même organe, le thymus.
Chez les oiseaux, un site unique de différenciation des lymphocytes B, la bourse de Fabricius, existe aussi.
Le thymus est le premier organe à recevoir des cellules sanguines circulantes.
Il est le site d'un bref influx de cellules qui dure environ 24 heures chez la caille et 36 heures chez le poulet.
Cette période de réceptivité est suivie d'une période pendant laquelle virtuellement aucune cellule sanguine n'entre plus dans le rudiment thymique.
Après quelques jours cependant le thymus devient à nouveau réceptif, et une nouvelle vague de cellules hématopoïétiques colonise l'organe.
Les techniques de transplantation embryonnaire ont ainsi permis de mettre en évidence la succession de trois entrées de cellules dans le thymus de caille et de poulet au cours de la vie embryonnaire, c'est-à-dire pendant la période où, le système étant immature, le rejet de greffe ne perturbe pas ces expériences.
Il est probable que cette alternance de phases réceptives et non réceptives se maintient tant que le thymus est fonctionnel.
Le caractère cyclique de la colonisation du thymus embryonnaire a été aussi retrouvé, quoique d'une manière moins nette, chez la souris.
Dans l'espèce humaine, une telle approche expérimentale dynamique du développement thymique précoce n'a bien sûr pas été possible.
Néanmoins, la détection d'antigènes marqueurs des cellules hématopoïétiques humaines, tels que CD45 et CD7, a permis de situer aux environs de la 8e semaine du développement la colonisation de l'ébauche épithéliale du thymus, qui dès la 13e semaine a acquis sa structure microanatomique définitive et contient les sous-populations lymphocytaires rencontrées après la naissance.
L'existence éventuelle chez l'homme de vagues successives de colonisation du thymus ne peut être à l'heure actuelle qu'extrapolée à partir des observations faites chez les animaux.
La bourse de Fabricius, en revanche, reçoit pendant la vie embryonnaire une vague unique de cellules hématopoïétiques qui sont donc à l'origine des cellules B qui fonctionneront pendant toute la vie de l'animal. Aux alentours de l'éclosion, les progéniteurs capables de coloniser la bourse disparaissent, et quelques semaines plus tard, la bourse elle-même involue.
Pendant sa période de fonctionnement les follicules bursiques sont le siège d'une amplification très importante des progéniteurs.
C'est à ce niveau qu'a lieu le réarrangement de l'un des allèles des gènes des immunoglobulines (Ig).
Les cellules pré-B qui en résultent s'installent ensuite dans la moelle osseuse.
Il est intéressant de souligner que le réarrangement des gènes d'Ig obéit à une stratégie particulière chez les oiseaux : un seul gène est fonctionnel dans chaque locus (un seul gène gamma pour les chaînes légères, un seul gène µ pour les chaînes lourdes) et c'est toujours ce gène qui subit le réarrangement. Les gènes réarrangés se diversifient progressivement par un processus de conversion génique faisant appel à des séquences provenant des nombreux pseudogènes d'Ig.
Ces mutations somatiques ont lieu pendant toute la période de prolifération dans la bourse. La diversification des Ig est réalisée selon différentes stratégies chez les vertébrés ; le mécanisme qui génère le répertoire des cellules B chez les oiseaux en est un exemple intéressant.
Émergence et origine des cellules souches sanguines :
Puisque l'animal adulte est, jusqu'à plus ample informé, incapable de produire des cellules souches, et que les cellules souches sanguines ne prennent leur origine dans aucun des rudiments d'organes hématopoïétiques, à l'exception du sac vitellin, les mécanismes et les circonstances au cours desquels ces cellules apparaissent pendant l'ontogenèse ont une importance primordiale.
Étant donné la mobilité des cellules sanguines et de leurs précurseurs, ainsi que la propriété du sac vitellin de produire ses propres cellules souches, Moore et Owen ont postulé un rôle central de cet organe dans la construction du système hématopoïétique.
Selon l'hypothèse « hématogène » de ces auteurs, les cellules souches apparaîtraient au cours d'un événement unique dans le sac vitellin et coloniseraient ultérieurement par la voie sanguine les ébauches des organes hématopoïétiques.
Cette hypothèse a réuni le consensus pendant de nombreuses années, mais des démonstrations expérimentales l'ont infirmée chez l'embryon d'oiseau depuis 1975 et chez l'embryon d'amphibien depuis 1981.
Ces démonstrations sont fondées sur la création de chimères entre un embryon et une aire extraembryonnaire (futur sac vitellin) étrangère chez l'oiseau ou sur l'échange de l'îlot sanguin ventral entre deux jeunes neurulas chez l'amphibien.
Dans les deux cas évidemment on fait appel à des marqueurs pour distinguer les cellules sanguines dérivées de chacun des composants de la chimère.
Lorsque le corps de l'embryon de caille est associé à l'aire extraembryonnaire du poulet, les organes hématopoïétiques internes de l'embryon sont exclusivement colonisés par des cellules de caille, qui proviennent donc du corps de l'embryon.
Les globules rouges circulants (titrés par immunohémolyse à l'aide d'anticorps polyclonaux reconnaissant les érythrocytes de caille ou de poulet) appartiennent à l'espèce poulet jusqu'à 5 jours de développement et sont donc issus de cellules souches du sac vitellin.
A partir de 5 jours, des proportions croissantes de globules rouges de caille s'y mêlent.
L'examen de la commutation des hémoglobines dans les deux populations de globules rouges montre que ce « switch », indépendant du site d'origine des cellules souches, est déterminé par un programme temporel de développement.
Ces résultats sont confirmés chez des chimères poulet-poulet, deux allotypes d'immunoglobulines ou deux haplotypes du complexe majeur d'histocompatibilité servant de marqueurs.
Lorsque ces chimères atteignent le stade de l'éclosion, les cellules sanguines issues du sac vitellin ont complètement disparu et les lymphocytes B des animaux adultes dérivent toujours de cellules souches intraembryonnaires.
Un tableau très comparable a été établi chez la grenouille et le crapaud Xénope.
Dans les embryons de ces espèces, les cellules souches sanguines sont produites successivement par deux compartiments mésodermiques distincts, dont l'existence et les contributions respectives ont été déterminées par des échanges de territoires entre neurulas diploïdes et tétraploïdes, le contenu en ADN (acide désoxyribonucléique) servant de marqueur.
L'îlot sanguin ventral est l'homologue du sac vitellin des oiseaux ou des mammifères. Sa contribution, précoce, fournit essentiellement les globules rouges de la larve.
Le second compartiment, désigné comme le compartiment dorsal des cellules souches qui comprend le pronéphros, les veines postcardinales et les aortes dorsales, fonctionne ensuite pour ensemencer le thymus et fournir les cellules souches responsables de la production ultérieure de toutes les lignées sanguines.
Chez l'embryon d'oiseau, un site d'émergence intraembryonnaire de cellules souches a pu être identifié.
L'aorte peut être isolée à E3 (jour embryonnaire 3) et E4 sous forme d'un tube endothélial entouré d'une enveloppe de mésenchyme.
L'aorte de caille greffée dans le mésentère d'un poulet hôte de E3,5 perd sa structure tubulaire et donne naissance à un important agrégat de cellules hématopoïétiques QH1+, tandis que les cellules endothéliales présentes au moment de l'explantation s'intègrent dans les vaisseaux de l'hôte.
Les cellules d'aortes de poulet à E3 ou E4 dissociées et ensemencées en cultures clonales donnent, en présence d'activités de croissance appropriées, des colonies érythroïdes, monocytaires ou myéloïdes.
En revanche, les cellules d'embryons dissociés après ablation de l'aorte ne donnent aucune colonie dans les mêmes milieux de culture.
Ces résultats indiquent que des cellules souches apparaissent à deux reprises en des sites distincts.
La première émergence se situe à E1-E2 dans l'aire extraembryonnaire, la seconde à partir de E3 ; cette dernière a lieu simultanément dans le sac vitellin et l'embryon.
Mais seules les cellules souches formées dans l'embryon colonisent les organes hématopoïétiques définitifs, tandis que les cellules souches du second contingent du sac vitellin s'engagent dans la voie érythropoïétique, puis s'éteignent.
Le tableau récapitulatif du développement hématopoïétique aviaire indique que les premières cellules souches hématopoïétiques (CSH) intraembryonnaires apparaissent à peu près au moment où le thymus va être colonisé pour la première fois.
Chez l'embryon et le foetus des mammifères, on a aussi longtemps admis que le sac vitellin est l'unique source des CSH, et que celles-ci colonisent successivement les ébauches des organes hématopoïétiques lors de leur entrée en fonction.
Cette interprétation est maintenant réévaluée à la lumière de résultats récents. D'abord on a cherché une possible contribution de l'omentum.
Bien que cette structure paraisse héberger des progéniteurs chez le foetus de E13,5, rien ne permet d'affirmer que ceux-ci soient apparus in situ, et on s'oriente à l'heure actuelle vers une source beaucoup plus précoce, que l'on peut cerner chez l'embryon de souris de E8,5 à E10.
Ces CSH sont produites alors que le sac vitellin est déjà fonctionnel depuis 24 heures mais avant l'entrée en activité du foie.
Medvinsky et coll. trouvent des CFU-S (« colony-forming unit in spleen »), aux stades de 24 à 30 paires de somites, dans une région désignée « AGM » parce qu'elle contient l'aorte, les gonades et le mésonéphros.
Le nombre de ces progéniteurs dans la région AGM présente un pic à 38-40 paires de somites (E10). L'AGM serait la source initiale des CSH qui migreraient vers le foie foetal.
Il a été possible de trouver des progéniteurs à un stade un peu plus précoce dans une région homologue de celle qui est hématogène chez l'embryon d'oiseau.
Cette région, la splanchnopleure para-aortique ou Sp-P (la splanchnopleure de l'embryon est constituée des feuillets primordiaux endodermique et mésodermique dont les dérivés sont essentiellement les organes internes), comporte les deux aortes (qui vont fusionner pour donner l'aorte dorsale définitive), l'artère omphalomésentérique, le mésoderme et l'endoderme du tube digestif.
La Sp-P comporte l'AGM parmi ses dérivés.
Les potentialités hématogènes de la Sp-P ont été testées in vivo en greffe sous la capsule du rein de souris SCID (severe combined immunodeficiency). 3 mois après la greffe, un compartiment de lymphocytes B est reconstitué.
In vitro, les cellules de la Sp-P dissociée ont été ensemencées sur la lignée stromale S17 en présence d'un cocktail de cytokines.
Des clones de quelques milliers de cellules se développent : ils représentent la descendance des progéniteurs présents au moment de l'explantation.
Ces progéniteurs sont décelables dans la Sp-P dès le stade de 10 paires de somites et deviennent nombreux entre 15 et 25 somites.
Aux mêmes stades, des progéniteurs apparaissent en parallèle dans le sac vitellin.
En revanche l'embryon séparé du sac vitellin et privé de la Sp-P ne contient jamais de progéniteurs. Les progéniteurs présents dans la Sp-P peuvent s'engager dans la différenciation myéloïde ou lymphoïde B ou T, selon les cytokines présentes. Ils sont donc pluripotentiels.
Signalons que la multiplication et la différenciation en globules rouges des CSH primitives du sac vitellin a lieu de manière normale chez des souris qui présentent des délétions ou des mutations spontanées ou expérimentales de plusieurs gènes, tels que c-myb, rb, W (codant pour le récepteur à activité tyrosine-kinase, c-kit) et Steel (ou ligand de c-kit).
En revanche, l'activité de ces gènes est indispensable à la différenciation hématopoïétique définitive.
Potentialités respectives des cellules souches hématopoïétiques embryonnaires et adultes :
L'hématopoïèse observée séquentiellement, au cours du développement, dans plusieurs organes, du sac vitellin à la moelle osseuse, reflète l'activité de plusieurs générations de cellules souches dont la filiation n'est pas, comme il est décrit ci-dessus, encore clairement établie.
L'introduction de ces cellules dans des tests de différenciation in vivo et in vitro a néanmoins permis de mettre en évidence un certain nombre de différences fonctionnelles entre cellules souches et progéniteurs sanguins embryonnaires et adultes.
A - Capacités d'expansion des cellules souches embryonnaires et adultes :
Les cellules du sac vitellin reconstituent l'ensemble de l'hématopoïèse chez la souris adulte et chez l'embryon de poulet irradiés létalement.
Cependant, les colonies sanguines spléniques qui se développent chez la souris irradiée et reconstituée avec des cellules vitellines contiennent plus de cellules que celles générées par les CFU-S de la moelle adulte.
Ces colonies sont également plus fréquemment de type mixte, contenant un mélange d'érythrocytes, granulocytes, macrophages et mégacaryocytes et en outre leur contenu en CFU-S retransplantables dans un second hôte irradié est plus élevé.
Le foie foetal de la souris contient également des CFU-S, qui présentent néanmoins une radiosensibilité supérieure à celle des CFU-S de la moelle osseuse ainsi qu'une susceptibilité accrue à la destruction après incorporation de thymidine tritiée, suggérant qu'elles présentent une activité mitotique supérieure.
Dans l'espèce humaine, une activité proliférative des précurseurs sanguins clonogéniques du foie foetal supérieure à celle des précurseurs de la moelle a été également décrite.
Des expériences de reconstitution compétitive ont été réalisées en injectant à des souris adultes irradiées létalement des quantités égales de cellules de foie foetal et de moelle osseuse adulte portant des marqueurs cytogénétiques distincts.
Alors qu'après 2 semaines la majorité des cellules hématopoïétiques en division dans l'hôte provenait de la moelle osseuse, toutes étaient d'origine hépatique après 8-9 semaines.
Ces résultats suggèrent que l'activité proliférative des cellules souches du foie foetal s'exerce pendant plus longtemps que celle des cellules souches de la moelle osseuse.
Des cellules de foie foetal ou de moelle osseuse adulte greffées in utero, par voie placentaire, dans des souris génétiquement hématodéficientes, y ont reconstitué l'hématopoïèse.
Dans ces conditions également, les CSH foetales ont montré des capacités d'expansion et d'autorenouvellement supérieures à celles de la moelle.
B - Formes embryonnaires et adultes des cellules sanguines :
Au sein d'un même lignage, différentes populations de cellules aux caractéristiques moléculaires et aux propriétés fonctionnelles distinctes se succèdent au cours de l'ontogenèse.
Le paradigme d'une telle succession phénotypique a longtemps été la transition entre les différentes formes d'hémoglobine dans les générations successives d'érythrocytes.
Plus récemment, l'apparition séquentielle dans le thymus, au cours du développement, de sous-populations de lymphocytes T différant par leurs récepteurs à l'antigène (TCR) et par leurs sites de dissémination dans l'organisme a été démontrée.
1- Commutation (« switch ») des hémoglobines :
Les hémoglobines sont des tétramères associant deux sous-unités α et deux sous-unités β à quatre molécules d'hème.
Les lignées de globules rouges qui se succèdent au cours du développement se caractérisent par l'assortiment des chaînes de globine qu'elles synthétisent.
Les activations successives de gènes sont à peu près synchrones des changements d'organes où a lieu l'érythropoïèse.
Cependant à toute étape de la vie on peut observer la coexistence de plusieurs hémoglobines.
Chez l'homme, l'hémoglobine foetale, normalement inférieure à 1 %, apparaît confinée à une population restreinte de cellules adultes, dites cellules F.
Les deux familles de gènes codant pour les sous-unités α et β sont disposées en deux loci (« clusters ») ; chez l'homme, les gènes α sont disposés sur le bras court du chromosome 16, les gènes β sur le bras court du chromosome 11.
Ces gènes sont arrangés de 5' en 3' dans l'ordre où ils sont exprimés au cours du développement.
Cet arrangement est une règle à peu près générale chez les vertébrés.
Les mécanismes de l'activation séquentielle résident donc dans la structure des gènes, en particulier celle de leurs séquences régulatrices.
Ces mécanismes ont été étudiés par différentes approches, dont la plus résolutive est l'analyse des chaînes de globine produites à différents stades chez des souris transgéniques.
Dans le cas du locus β humain, toutes les séquences nécessaires à la régulation de l'expression de ce locus chez la souris ont été définies.
Une expression élevée et régulière est obtenue lorsque des sites hypersensibles à la DNase 1, situés à une certaine distance du locus (65 à 44 paires de bases en amont), sont liés au transgène.
Ces séquences confèrent à celui-ci une capacité d'expression élevée indépendamment du site d'intégration du transgène ; l'expression est alors proportionnelle au nombre de copies intégrées.
La région responsable est appelée LCR pour « locus control region ». Le LCR est nécessaire à l'activation de tous les gènes du locus.
Il y a quatre sites hypersensibles à la DNase dans le LCR dont trois (HS2, HS3 et HS4) sont des activateurs (« enhancers ») tissu spécifiques puissants.
Les gènes et gamma sont régulés de manière autonome : leur expression en présence du LCR est identique qu'ils soient introduits chez la souris à l'état isolé, ou qu'ils soient associés aux autres gènes du locus.
Les gènes β, eux, sont régulés de manière compétitive : ils sont exprimés à tous les stades du développement s'ils sont associés au LCR en l'absence des gènes embryonnaires ou foetaux ; leur régulation temporelle est rétablie s'ils sont en compétition avec les gènes foetaux.
De nombreuses mutations affectent la transcription du locus β-globine humain ; beaucoup ont été identifiées sur le plan moléculaire, et sont évidemment prises en compte dans la conception des modèles de fonctionnement du locus.
Les sites hypersensibles contiennent chacun des séquences de liaison pour les deux protéines érythroïdes spécifiques GATA-1 et NF-E2 ainsi que pour des facteurs de transcription généraux, tels que Sp1, AP1, etc.
Le facteur GATA-1 est indispensable au développement de la lignée érythroïde : sa délétion empêche les cellules ES (« embryonic stem cells ») de participer à la production des globules rouges chez la souris. L'expression de GATA-1 est restreinte aux cellules hématopoïétiques et est très active dans les lignages érythroïde, mégacaryocytaire et mastocytaire.
Le facteur est détecté dès un stade précoce de la détermination hématopoïétique, par exemple dans les lignées pluripotentielles murines et dans les progéniteurs humains CD34+). GATA-1 est le prototype d'une famille de protéines caractérisées par un domaine conservé qui leur confère la capacité de se lier à certaines séquences de l'ADN.
Ce domaine consiste en deux doigts de zinc homologues de la variété cys-cys.
Les mécanismes de l'activation séquentielle des différents gènes du locus sont encore incomplètement compris malgré de nombreux travaux.
Un facteur inhibiteur serait responsable de la mise au repos du gène embryonnaire en relation avec le site HS2, d'autre part une combinaison de facteurs de transcription serait responsable des interactions entre les différents gènes et les sites HS3 et HS4.
2- Étapes successives du développement lymphoïde, avant et après la naissance :
Chez la souris, les premières cellules T produites expriment des récepteurs à l'antigène de type V gamma 3 (qui, en d'autres termes, incluent dans la région variable de la chaîne gamma le produit du gène V gamma 3) et représentent les précurseurs de cellules dendritiques de l'épiderme ; celles exprimant un récepteur V gamma 4 appartiennent à une génération ultérieure, interrompue peu après la naissance, qui colonise les épithéliums de la langue, du tractus génital femelle, etc.
Ces deux générations ne sont produites que dans le thymus foetal ; en revanche, le développement des lymphocytes de type V gamma 1 et V gamma 2 commence à la fin de la vie foetale mais se poursuit chez l'adulte, en même temps que celui des cellules T α β majoritaires.
Afin de déterminer si cette séquence reflète l'influence distincte des tissus thymiques embryonnaire et adulte sur les mêmes cellules souches ou/et des capacités de différenciation distinctes des CSH au cours du développement, des cellules souches triées à partir du foie foetal ou de la moelle osseuse adulte ont été introduites dans le thymus foetal maintenu en culture organotypique in vitro : seules les premières ont donné naissance à une descendance de lymphocytes V gamma 3+, bien que toutes aient repeuplé le thymus cultivé.
Ceci a montré que, dans cette lignée, les potentialités des cellules souches sanguines sont progressivement restreintes au cours de l'ontogenèse.
L'utilisation dans ces expériences de cellules souches isolées à différents stades du développement, de 12 jours de gestation à quelques jours après la naissance, a permis de situer au jour 16 environ la perte des potentialités à générer des cellules V gamma 3+.
Néanmoins, les capacités inductrices de l'environnement thymique changent également puisque le thymus adulte n'est plus capable d'entraîner la différenciation de cellules souches foetales en lymphocytes V3+.
Dans la lignée lymphocytaire B, des expériences de transplantation de l'ébauche embryonnaire de la bourse de Fabricius chez le poulet adulte ont montré que les cellules souches qui en colonisent normalement le rudiment à partir du 8e jour de l'incubation n'existent pas dans la circulation sanguine après l'éclosion.
Chez la souris, la sous-population des lymphocytes B CD5+ se développe précocement pendant l'ontogenèse et demeure largement localisée dans la cavité péritonéale, se démarquant ainsi nettement de celle des cellules B « conventionnelles ».
Encore abondants peu après la naissance, les précurseurs des cellules B CD5+ sont très rares chez l'adulte. L'extinction au cours du développement de populations de précurseurs déterminés dans ces voies de différenciation pourrait expliquer ces observations. L'existence de tels précurseurs demeure néanmoins à démontrer.
Des cellules souches capables de recréer l'ensemble de l'hématopoïèse chez l'adulte apparaissent donc précocement au cours de l'ontogenèse et persistent pendant toute la vie.
Chez l'homme, les cellules du foie foetal ont été transplantées avec succès chez des enfants atteints d'immunodéficience combinée sévère (SCID) ou de diverses autres maladies génétiques du métabolisme sanguin.
Un avantage essentiel de cette source de cellules souches thérapeutiques est que la rareté ou l'immaturité des lymphocytes T dans le foie foetal réduit considérablement, même en cas d'incompatibilité HLA (« human leukocyte antigen »), le risque de réaction du greffon contre l'hôte.
En outre, les mêmes combinaisons d'antigènes membranaires permettent de caractériser et de purifier les CSH dans le foie et la moelle foetaux et dans la moelle osseuse de l'adulte, et ceci chez la souris comme chez l'homme.
Pourtant, si l'on considère le développement des cellules souches sanguines dans son ensemble, il apparaît que la notion de totipotentialité de ces éléments chez l'adulte doit être prise avec réserve.
Les cellules souches foetales affichent clairement ce caractère totipotentiel après transplantation chez l'adulte.
En revanche, les cellules souches de l'adulte ne seraient pas nécessairement capables de reconstituer intégralement le système sanguin d'un embryon et, au moins dans le cas de la lymphopoïèse T, une restriction au cours de l'ontogenèse des potentialités de différenciation de cellules souches phénotypiquement définies a été clairement mise en évidence.
Conclusion :
Le développement du système hématopoïétique a été interprété jusqu'en 1965 comme une suite de processus statiques indépendants les uns des autres.
En effet la formation du sang chez l'embryon a lieu successivement dans plusieurs sites anatomiques distincts, avant de se stabiliser dans les organes hématogènes fonctionnels après la naissance.
Chacun de ces sites était conçu comme une entité indépendante, chaque ébauche donnant naissance aux cellules stromales et aux progéniteurs hématopoïétiques. Cette ancienne interprétation a été abandonnée au profit d'une conception dynamique.
Deux faits nouveaux en ont été responsables : la démonstration des trafics de cellules entre les compartiments du système hématopoïétique chez l'adulte suivie de la mise en oeuvre chez l'embryon de techniques susceptibles de détecter de tels trafics, c'est-à-dire des parabioses ou des échanges d'ébauches entre deux embryons qui diffèrent par des caractères marqueurs.
Ce type de techniques est plus aisé à réaliser chez l'embryon d'oiseau, c'est pourquoi les règles, maintenant bien établies, qui régissent l'ontogenèse du système sanguin ont été élucidées dans cette classe de vertébrés, puis confirmées chez les mammifères.
Récemment, il est même devenu possible de reproduire et de manipuler expérimentalement certains aspects du développement foetal du thymus et de la moelle osseuse humains après transplantations d'ébauches dans des animaux immunodéficients, xénotolérants.
Ces règles peuvent être récapitulées de la manière suivante.
Bien que le système sanguin soit entièrement issu du feuillet moyen ou mésoderme de l'embryon, les progéniteurs hématopoïétiques ont une origine indépendante de celle du compartiment stromal des différents organes, à la seule exception de l'organe primordial qu'est le sac vitellin.
Les autres ébauches sont toutes colonisées par des progéniteurs extrinsèques.
On a d'abord pensé que le sac vitellin était le site unique de production de ces progéniteurs qui auraient colonisé l'embryon par la voie sanguine.
Mais il a été établi ensuite chez l'oiseau que les progéniteurs du sac vitellin s'éteignent sans manifester de capacité d'autorenouvellement à long terme, après avoir donné l'ensemble de la lignée érythroïde primitive et participé à la lignée rouge suivante.
Les progéniteurs qui colonisent les ébauches définitives sont issus de la région du mésoderme intraembryonnaire qui avoisine l'aorte.
Chez l'embryon de souris, il est maintenant clair que la même région produit des progéniteurs distincts de ceux du sac vitellin, cependant les contributions respectives des deux régions à l'hématopoïèse définitive n'ont pas encore été déterminées.
L'intérêt de la compréhension des mécanismes du développement du système sanguin dépasse les limites de l'embryologie fondamentale : l'hématopoïèse qui, chez un adulte en bonne santé, assure la production quotidienne de plusieurs centaines de milliards d'éléments figurés conserve bien après la naissance des caractéristiques de prolifération, de différenciation et de migration cellulaires comparables à celles de la vie embryonnaire.
Une transplantation de moelle osseuse ou de cellules souches purifiées, telle qu'elle se pratique désormais doit, en quelques semaines reconstituer entièrement un système sanguin détruit par les traitements de radio- et de chimiothérapie, et l'utilisation récente, avec succès, de cellules souches foetales, hépatiques ou ombilicales, à cette fin est remarquable.
Il fait donc peu de doute que la caractérisation des mécanismes de l'ontogenèse des cellules du sang permettra de mieux comprendre leur homéostasie chez l'adulte.
