Le gène Hunchback (hb) est un gène de segmentation qui fait partie de la famille des . Il intervient dans la formation des segments chez les arthropodes. Les gènes gap sont les premiers à s’exprimer parmi les gènes de segmentation. Les gènes sont souvent nommés par le phénotype des mutants, une mutation dans un gène gap entraine la perte d’un segment créant un « trou » (« gap » en anglais) dans le patron normal de développement, ainsi si le gène Hunchback est muté, les segments gnathaux et thoraciques seront absents, des défauts dans la formation de l’abdomen et du telson pourront aussi être observés. Les gènes gap codent des facteurs de transcription régulant l’expression des gènes pair-rule qui interviennent dans la mise en place des parasegments (correspondant à la partie antérieure d’un segment et à la partie postérieure d’un autre segment, les parasegments sont donc alternés). Si un gène pair-rule est muté, on observera une altération du phénotype normal sur la moitié des segments. Les gènes de polarité segmentaire sont les derniers gènes de segmentation à s’exprimer, ils permettent de mettre en place les limites antérieures et postérieures des segments. Les gènes de segmentation activent également des gènes homéotiques définissant l’identité de chaque segment.
Chez les insectes on distingue deux types de développement : les insectes holométaboles (métamorphose complète) et hétérométaboles (développement progressif ou métamorphose incomplète). L’apparition de la métamorphose est récente dans l’évolution. Les insectes holométaboles présentent donc des caractères évolués par rapport aux hétérométaboles. Pour comprendre comment les gènes impliqués dans ces deux types de développement ont évolué au cours du temps, il faut comparer différents organismes entre eux. Dans cette optique, beaucoup d’études en biologie évolutive du développement ont été réalisées pour comparer les expressions de différents gènes de développement chez plusieurs espèces afin de savoir quels sont les gènes qui sont conservés et de comprendre leur évolution au sein des arthropodes. Des comparaisons avec d’autres organismes proches des arthropodes tels que les nématodes et les annélides, ont aussi été réalisées afin de savoir comment les gènes ont évolué au cours de la divergence de ces deux groupes avec les arthropodes. Comparer les fonctions de ce gène avec des homologues chez les vertébrés, organismes présentant également une métamérie, permet de mieux comprendre comment les mécanismes permettant la métamérisation du corps ont évolué.
La drosophile, insecte holométabole, est un organisme modèle en biologie du développement, les mécanismes moléculaires intervenant au cours de son embryogenèse sont bien connus. C’est pourquoi de nombreuses études comparent l’expression des gènes de la drosophile à celle de gènes orthologues d’autres espèces.
Chez la drosophile, le gène Hunchback code un facteur de transcription possédant six domaines en doigt de zinc (sites de liaison à l’ADN) qui sont très conservés chez les insectes. Ce gène joue un rôle crucial dans la mise en place de l’axe antéro-postérieur.
Expression du gène Hunchback chez la drosophile La segmentation de la drosophile est superficielle car les œufs sont centrolécithes (le vitellus est au centre de l’œuf), seuls les noyaux se divisent dans un cytoplasme commun (syncicium), on parle d’embryon syncicial. Les cellules s’individualisent en périphérie à la division. La répartition des déterminants maternels (ARN provenant de la mère) va permettre la mise en place de l’axe antéro-postérieur au cours de la segmentation. Bicoid est présent côté antérieur et nanos est présent côté postérieur, l’ARNm maternel hunchback est réparti de façon homogène dans l’embryon. Les protéines Bicoid et Nanos sont réparties selon des gradients opposés dans l’embryon et inhibent respectivement l’expression de caudal dans la région antérieure et de hunchback dans la région postérieure . Les gradients des protéines Hunchback, Caudal et Bicoid activent la transcription zygotique de plusieurs gènes gap le long de l’axe antéro-postérieur dont le gène Hunchback. Le gène hunchback agit donc principalement à l’état syncitial. Il est surtout exprimé dans la partie antérieure, au cours du développement, cette expression diminue et avant la gastrulation hb est également exprimé dans la partie postérieure de l’embryon . Enfin, hb est exprimé dans les neuroblastes (cellules souches du système nerveux).
Hunchback code une protéine (protéine HB) qui est un facteur de transcription comportant six domaines en doigt de zinc : 4 au milieu de la protéine et 2 en position C-terminale. Sur l’ARNm se trouve un site de fixation pour la protéine Nanos appelé Nanos Response Element (NRE) situé dans la partie 3’UTR à 55 nucléotides du codon STOP.
Rôle du gène Hunchback chez la drosophile La protéine HB a un rôle important dans la formation de la partie antérieure de l’animal et dans la segmentation de cette partie en agissant comme un morphogène en synergie avec Bicoid pour contrôler l’expression de plusieurs autres gènes.
Hunchback permet la formation des segments gnathaux, thoraciques, du labium et participe à la formation de plusieurs segments abdominaux .
Dans le système nerveux, les neuroblastes expriment successivement des facteurs de transcription qui permettront leur différenciation en cellules du systèmes nerveux . Le premier facteur de transcription exprimé est HB qui va participer à la régulation des protéines POU (facteurs de transcription exprimés dans le système nerveux central).
HB contrôle l’expression de plusieurs gènes gap tels que Krüppel pour lequel un faible taux de HB active son expression tandis qu’un fort taux la réprime, ce gène est donc exprimé dans la partie médiane de l’embryon ; les gènes Knirps et Giant qui sont réprimés dans la partie antérieure par HB ou encore Antennapedia. HB réprime également l’expression de Ultrabithorax (Ubx) qui permet la différenciation des segments thoraciques et abdominaux. Ce gène est exprimé lorsqu’il y a peu de protéine HB donc dans la partie centrale de l’embryon. La protéine HB permet la formation d’un complexe qui réprime Ubx en agissant sur son promoteur proximal, empêchant ainsi à des activateurs de se fixer. La répression du gène Ubx par Hunchback intervient à un stade avancé dans le développement des embryons lorsque hb n’est plus nécessaire pour ses autres fonctions.
Hunchback permet la régulation de gènes Hox : la protéine dMI-2 se lie sur une région spécifique de la protéine HB et permet la répression des gènes Hox.
Des mutants pour le gène Hunchback peuvent être obtenus en mutant différentes régions codant chacun des doigts de zinc par exemple. Ils seront caractérisés par une absence des segments thoraciques et gnathaux et un labium absent, on observe donc une tête réduite. L’abdomen sera également déformé et si le deuxième doigt de zinc est délété ainsi que la D-box (une autre région du gène) on pourra observer la formation de segments abdominaux dans la région de la tête.
Comparaison avec d'autres espèces
Chez les insectes Le stade de la bande germinale est le stade zootypique des insectes (ou stade phylotypique, stade de développement commun à tous les insectes). À partir de ce stade, il y a 3 types d’élongation de la bande germinale : courte, intermédiaire et longue. Chez les insectes à longue élongation, toutes les cellules le long de l’axe antéro-postérieur sont déjà spécifiées et se différencieront par la suite en cellules de la tête, du thorax ou de l’abdomen. Chez les insectes à développement court, seules les cellules de la partie antérieure sont spécifiées, les régions postérieures le seront plus tard dans le développement. Le mode d’élongation court représente la forme la plus ancestrale alors que le mode d’élongation longue, que l’on retrouve chez la drosophile, représente une forme évoluée de développement. Comparer ces modes de développement chez différentes espèces peut permettre de comprendre comment ont évolué les gènes impliqués dans ces mécanismes et comprendre comment au cours de l’évolution, les insectes sont passés d’un mode à l’autre.
Holométaboles Chez Clogmia albipunctata, un diptère, l’homologue de hb a un rôle de gène gap similaire à celui de la drosophile . Son expression diffère de celle de la drosophile parce que ce gène s’exprime dans une structure extra embryonnaire non présente chez la drosophile, la serosa ainsi que dans la région proctodéale . L’expression dans la partie postérieure ne se fait qu’en début de gastrulation et est donc retardée par rapport à celle de la drosophile .
Chez le scarabée Tribolium castaneum (coléoptère), l’homologue du gène hunchback est exprimé maternellement dans tout l’embryon où son expression est régulée de la même façon que chez la drosophile. La protéine codée par ce gène porte 6 doigts de zinc et la séquence NRE est similaire à celle de la drosophile, située côté 3’ de l’ARNm également. L’expression zygotique permet le développement de la tête et des segments thoraciques. Hb participe de la même façon que chez la drosophile à la régulation de Krüppel. Il est également exprimé dans le système nerveux. A l’inverse de la drosophile, hunchback est exprimé dans la serosa comme chez Clogmia albipunctata. Dans la partie postérieure, l’expression de hb est réduite à 2 bandes d’expression alors qu’il n’y en a qu’une chez la drosophile et est plus tardive que chez la drosophile.
Tribolium castaneum se développe en ayant une élongation de la bande germinale courte et possède une serosa, deux caractéristiques ancestrales retrouvées aussi chez Clogmia albipunctata. En effet, les insectes plus basaux possèdent 2 tissus extra embryonnaires, l’amnion et la serosa alors que chez les insectes plus dérivés comme la drosophile, il n’y a qu’un seul tissu, l’amnioserosa . Beaucoup d’insectes expriment hb dans la serosa, cette fonction a été perdue au cours de l’évolution dans la lignée des drosophiles. De même, l’expression de hb dans la partie postérieure se fait plus tardivement dans les lignées plus basales que la drosophile.
Hémimétaboles Les insectes hémimétaboles font partie des hétérométaboles, leur métamorphose est incomplète et il y a un changement d’écologie entre la larve et l’adulte, c’est le cas par exemple des hémiptères et des orthoptères.
Chez Oncopeltus fasciatus, un hémiptère, l’homologue de hunchback est Of’hb. Ce gène code une protéine à 8 domaines en doigt de zinc : 2 en position N-terminale, 4 au centre de la protéine et 2 en position C-terminale. Les 6 derniers domaines sont homologues à ceux de la drosophile . Les mêmes observations ont été faites en comparant hb à son homologue chez la sauterelle Schistocera americana et le criquet migrateur Locusta migratoria , deux orthoptères. Cela suggère qu’il y a eu perte des 2 domaines en position N-terminale au cours de l’évolution entre hémimétaboles et holométaboles passant ainsi de 8 domaines en doigt de zinc (état ancestral) à 6 domaines (état dérivé). Il serait alors intéressant de savoir quelles sont les fonctions des 2 domaines en position N-terminale afin de savoir quel rôle ils jouent dans le développement hémimétabole et pourquoi ils ne sont plus nécessaires pour un développement holométabole .
Of’hb, comme chez la drosophile, est exprimé maternellement, de façon homogène dans l’œuf. L’expression de Of’hb dans le blastoderme est semblable à celle de la drosophile mais au cours de l’élongation de la bande germinale, l’expression est similaire à celle des autres insectes à élongation courte. Il est également exprimé dans le système nerveux. Of’hb possède deux rôles : il supprime l’identité abdominale dans la région thoracique et gnathale de l’embryon et permet la segmentation de la bande germinale. Des mutants pour ce gène présentent des phénotypes similaires à ceux de mutants hb chez la drosophile .