Le système de polarité segmentaire est régulé par l'expression de divers gènes qui permettent de configurer les patrons de la segmentation qui est la répétition d’une unité structurée composé d’une série de caractères pouvant former un corps unique, le long de l’axe antéro-postérieur. Ces gènes délimitent les frontières des parasegments du blastoderme qui est une couche cellulaire primitive de l'embryon, grâce à l’induction de facteur de transcription, aux protéines sécrétées et de ses récepteurs pour la communication entre cellules adjacentes des frontières. Les groupes ayant un modèle de segmentation sont les annélides, les arthropodes et les chordés. Ce système de polarité a été détaillé à l’aide d’un modèle, Drosophila melanogaster.
Origine et évolution de la segmentation La segmentation se retrouve dans trois embranchements, les annélides, les arthropodes, et les chordés. L’évolution de la segmentation a tout de même été utile pour créer des relations avec le système métazoaire, les bilatérales. À la fin du , la découverte d’un segment d’un ancêtre commun regroupant ces trois embranchements suppose que la segmentation est un caractère homologue qui partage le même système de développement. Cependant, à la fin du , avec la distinction entre les protostomiens et les deutérostomiens et l’affinité proche de certains groupes des bilatéraux et des chordés, trois autres hypothèses ont été émis. La première hypothèse est que chaque embranchement a acquis la segmentation indépendamment. La deuxième hypothèse est que la segmentation est apparue indépendamment chez les chordés dans laquelle les caractères de segmentation sont similaires entre les annélides et les arthropodes. Enfin, la troisième hypothèse est que la segmentation est homologue lors de l’évolution des bilatéraux. Ces deux dernières hypothèses se basent sur des données moléculaires dans le développement d’un segment de l’ancêtre commun durant l’embryogenèse.
Chez les arthropodes Ce système de polarité segmentaire, contrôlé par Wingless et Engrailed et son interaction cellulaire sont conservés entre les groupes des arthropodes au cours de l’évolution. En effet, Drosophila et Tribolium possèdent le réseau de polarité segmentaire, ainsi que le système segmentaire avec les gènes Pair-Rules. Ce mécanisme est activé et est nécessaire dans le blastoderme de l’insecte durant l’embryogenèse afin de prédisposer chaque segment. La formation des segments est différente selon le temps de développement pour les insectes. Par exemple, chez les insectes qui germent de courte durée, comme Tribolium, les segments de la tête sont formés dans le blastoderme et les autres segments sont créés progressivement avec la croissance du postérieur. Chez les insectes qui germent à un temps plus long, comme Drosophila, tous les segments sont configurés dans le blastoderme.
Activation des gènes de polarité segmentaire vignette|Les gènes Even-Skipped et Fushi Tarazu (gènes de Pair-Rules) activent l'expression d'Engrailed, le gène principal pour le système de polarité segmentaire dans les cellules qui forment les fronts d'un parasegment Le modèle permettant de comprendre au mieux le développement de l’embryon d’un insecte est Drosophila melanogaster. Trois types de gènes sont importants pour la formation de segments tels que : les gènes maternels, les gènes de segmentation, les gènes homéotiques. Les gènes de segmentation sont divisés en trois catégories, les gènes Gap, les gènes et les gènes de polarité segmentaire. Les gènes Gap permettent de configurer l’axe antéro-postérieur en fonction de leur gradient de concentration des ARNm.
À la suite de l’expression des gènes comme Hunchback, Bicoïd et formant cet axe, les gènes Pair-Rule dont Even-Skipped et Fushi Tarazu, configurent la segmentation en 7 bandes parasegmentaires. Avant le système de polarité segmentaire, lorsque l’embryon est divisé en 14 bandes cellulaires le long de l’axe antéro-postérieur, Even-Skipped et Fushi Tarazu contrôlent la mise en place l’expression d’Engrailed dans les bandes cellulaires impaires avec ses séquences cis-régulation. L'augmentation de leur expression dans les cellules situées antérieurement aux parasegments activent l'expression d'Engrailed et donc activent le réseau de polarité segmentaire. À cette période, Wingless et Engrailed apparaissent dans les bandes cellulaires localisées le plus antérieur et le plus postérieur de chaque parasegment.
Les mutants de Fushi Tarazu démontrent l’absence des bandes formées par Engrailed et l’absence de formation de la moitié des parasegments. Parallèlement avec les mutants d’Even-Skipped, les bandes cellulaires d’Engrailed et ses parasegments ne sont pas formées. De plus, l’absence de ce dernier montre qu’il y a une absence de segmentation et qu’Even-Skipped est nécessaire et important pour les gènes de polarité segmentaire. En effet, en présence d’Even-Skipped, toutes les bandes paires sont exprimées par Engrailed avec les domaines FTZ et peu de bandes impaires sont exprimées. En opposé, Wingless qui est une protéine sécrétée pour la communication cellulaire, est réprimée par les gènes de Pair Rules dans les cellules se trouvant à l’extrémité postérieure d’un parasegment. Il est donc exprimé dans les cellules postérieures situées au plus proche du front du parasegment, à côté des cellules exprimant Engrailed pour former les cellules antérieures du parasegment. Ainsi, Engrailed, issu d'un facteur de transcription du noyau, est exprimé dans les cellules antérieures pour former les cellules postérieures d’un parasegment donnant lieu la partie antérieure d’un segment. Le contrôle des gènes Pair-Rules est un mode de régulation du système de polarité segmentaire.
Résumé du système de polarité segmentaire vignette|Signalisation d'Engrailed et de Wingless à partir du signal Hedgehog et Wingless durant la segmentation de l'embryon chez la Drosophile La communication cellulaire produite par Wingless (Wg) et Engrailed (En) impliquent aussi l’induction de récepteurs. de protéines sécrétées et accessoires par leurs facteurs de transcription pour délimiter le patron des segments avec l’aide d’un ensemble de gènes comme Hedgehog, Patched, Frizzled. Au cours de la gastrulation, Wingless et Engrailed deviennent dépendantes de leur expression. Ce système permet de réguler l'expression de ces gènes et de maintenir le réseau de polarité segmentaire pour la différenciation des cellules formant le front d'un parasegment jusqu'à l'arrivée des gènes homéotiques.
Une fois que les gènes Pair Rule ont assuré l'activation de ce réseau de polarité segmentaire, il y a l'expression de Hedgehog activé par le facteur de transcription d'Engrailed. En effet, les cellules antérieures du parasegment exprimant Engrailed expriment elles-aussi Hedgehog. Ce dernier est considéré comme un gène de polarité segmentaire car son rôle est de signaler aux cellules voisines qu'elles seront les cellules postérieures du parasegment. Le récepteur de ce signal, Patched, se situe à la membrane des cellules postérieures des parasegments. Il permet de maintenir le réseau en activant par la suite l'expression du gène Wingless qui assure la production de son signal. Lors de l’émission du signal Wingless, il se fixe alors à son récepteur situé à la membrane de la cellule antérieure qui est Frizzled, une protéine à 7 passages membranaires. Cette boucle de rétroaction positive permet de fixer les parasegments tout le long de l’embryogénèse.
L'implication d'autres gènes dans le réseau de polarité segmentaire
Expression/Répression du signal Wingless gauche|vignette|Voie de signalisation dans les cellules postérieures pour l'activation ou la répression de la transcription du gène Wingless lorsqu'il y a l'absence ou la présence du signal Hedgehog durant l’embryogenèse de la drosophile Lorsqu'il y a l'absence du signal Hedgehog, la cellule postérieure ne produit pas le facteur de transcription de Wingless vu que le réseau de polarité segmentaire a une organisation de boucle de rétroaction positive. En effet, en absence d'Hedgehog, son récepteur Patched inhibe l'activité d'une autre protéine transmembranaire qui est Smoothened et qui forme un grand complexe contenant d'autres protéines telles que : Cubitus interruptus (Ci), Répresseur de Fused (Su(Fu)), Fused (Fu), Costal-2 (Cos2). Son inhibition inhibe ainsi la translocation de Cubitus interruptus du cytoplasme vers le noyau. Son empêchement mène ainsi à la répression de l'expression de Wingless dans le noyau sachant que Cubitus interruptus est son facteur de transcription. Cet empêchement est aussi amplifié car trois kinases différentes, PKA (protéine kinase A), GSK (glycogène synthase kinase 3), CK1 (caséine kinase 1) le phosphorylent en rendant Cubitus interruptus comme un répresseur de Wingless (CiR) en inhibant sa transcription dans le noyau. De plus, le répresseur de Fused empêche l'activité de Cubitus interruptus.
Lorsqu'il y a la présence du signal Hedgehog, sa liaison avec Patched active le complexe Smoothened et ses protéines. Cette activation arrête la production de CiR et Cubitus interruptus se déplace librement dans le noyau afin d'activer les gènes cibles du signal Hedgehog, dont Wingless. D'ailleurs, chez la drosophile, Cubitus interruptus (ci), protéine se situant dans les cellules antérieures des parasegments, a un rôle essentiel dans la régulation de la voie de signalisation de Wingless et d’Hedgehog. Ce dernier est un gène de polarité segmentaire qui permet de maintenir l’expression du gène Wingless en encodant une protéine de type doigt de zinc. Il a aussi pour rôle de spécialiser la cuticule nue de chaque segment épidermique. Il est régulé de façon post-transcriptionnelle lorsque l’embryon est composé de 11 bandes cellulaires et son gradient d’ARNm est plus élevé au niveau des fronts des parasegments grâce au signal de Hedgehog. De plus, chez les mutants Fused, qui est une protéine sérine/thréonine kinase, Hedgehog et Wingless démontrent qu’il y a une absence de la distribution de ce gène dans les cellules antérieures. Les activités des gènes Fused et Cubitus interruptus sont indirectement aussi régulées par le récepteur Patched de Hedgehog. Le gène ci requiert l’activité kinase de Fused sinon son activité est instable. Au stade 11, la transcription de la protéine Patched est dépendante de la transcription de Cubitus interruptus et agit de manière opposée de ce dernier sur l’expression de Wingless en l’inhibant.
Expression/Répression du signal Hedgehog vignette|Voie de signalisation de Wingless avec les gènes respectifs dont Armadillo (β-caténine), Zeste-white3 (GSK3) pour la transcription d'Engrailed. À noter que LEF1 et APC ne sont pas des protéines à être considérées car celles-ci ne sont pas présentes dans l’embryogenèse de la drosophile. En parallèle, dans les cellules exprimant le signal Hedgehog par le facteur de transcription Engrailed, il y a de même une autre cascade de signalisation de Wingless avec l'activation d'un complexe de protéines appelées Dishevelled, Zeste-white3 et Amardillo considérées comme des gènes de polarité segmentaire chez la Drosophile.
Lorsqu'il y a l'absence du signal Wingless et donc à l'absence d'une liaison entre Wingless et Frizzled, Dishevelled, une protéine semi-membranaire et multifonctionnelle, est inactivée. Son inactivation mène à l'activation de la protéine kinase Zeste-White-3 qui a pour but de phosphoryler Armadillo, une β-caténine. La phosphorylation de cette dernière mène à sa dégradation et ainsi à la répression de la transcription du gène Engrailed.