Il fallut attendre 1977 et l’identification de la première molécule d’adhérence, appelée N-CAM (neuronal-cell adhesion molecule), pour démontrer que l’adhérence cellulaire était due à des protéines spécialisées, localisées à la membrane des cellules [ 4– 6]. Depuis, on distingue l’adhérence entre cellules d’un même tissu, principalement assurée par des protéines appartenant à la super-famille des cadhérines, et l’adhérence des cellules à la matrice extracellulaire, qui permet la cohésion des tissus, sous la dépendance des intégrines (pour des revues détaillées, voir [ 7– 9]). Les cadhérines possèdent un large domaine extracellulaire, qui, en présence d’ions calcium, se lie directement au domaine extracellulaire d’une autre molécule de cadhérine de la cellule adjacente (Figure 1). La partie intracytoplasmique des cadhérines classiques est très conservée et contient un site de liaison à la β-caténine. La β-caténine, en se liant à l’α-caténine, relie les cadhérines directement au cytosquelette d’actine (voir aussi [ 32– 34]). Les liaisons entre cadhérines sont dites homophiliques car les cadhérines d’une même sous-famille se lient préférentiellement ensemble (Figure 1). Les tissus embryonnaires expriment souvent un groupe spécifique de cadhérines, et l’on a initialement pensé que cette caractéristique suffisait à expliquer l’affinité tissulaire postulée par J. Holtfreter [ 10, 11]. Cependant, des tests in vitro ont montré que la force des liaisons homophiliques était peu différente de celle des liaisons hétérophiliques et certaines cadhérines peuvent en fait fonctionner comme des molécules d’adhérence hétérophiliques [ 12, 13]. La capacité des cellules à ségréger ne peut donc pas s’expliquer simplement par la spécificité de liaison et d’adhérence, et doit être déterminée également par d’autres mécanismes. La spécificité des liaisons homophiliques des cadhérines ne permet pas non plus de comprendre les bases physiques qui gouvernent l’organisation des cellules en différents tissus au cours du développement.

Dans les années 1960, Malcom Steinberg propose l’hypothèse d’adhérence différentielle [ 14] : selon cette hypothèse, les tissus embryonnaires sont assimilés à des liquides et les lois physiques qui gouvernent le comportement de deux liquides, l’eau et l’huile par exemple, dirigeraient aussi les réarrangements tissulaires. Un des principes fondamentaux de la thermodynamique prédit qu’un système tend toujours vers l’état le plus stable, ce qui se mesure par une décroissance de son énergie libre. Dans le cas de deux liquides, une partie de l’énergie libre provient des forces de tension qui s’exercent aux surfaces de contact. Cette énergie libre est d’autant plus grande que les forces de tension de surface sont importantes et la surface de contact étendue. Si la tension de surface est importante, l’énergie libre peut être minimisée en réduisant la surface de contact. Dans l’exemple de l’émulsion eau-huile, l’huile, dont la tension de surface est plus importante que celle de l’eau, forme de petites gouttes sphériques (plus petit rapport surface/volume) entourées d’eau.

Pour démontrer que ces lois physiques s’appliquent aux tissus, l’équipe de M. Steinberg a reproduit les expériences de J. Holtfreter en mesurant la tension de surface de chaque tissu au sein des différents agrégats cellulaires à l’aide d’un tensiomètre ad hoc (Figure 2). En 1996, il publie des résultats en accord avec l’hypothèse d’adhérence différentielle : quelque soit la combinaison de tissus, le tissu ayant la plus forte tension de surface se trouve toujours au centre de l’agrégat, occupant la surface la plus petite, entouré par le tissu ayant la tension de surface la plus faible et la surface la plus étendue [ 15]. L’organisation et les mouvements des différents feuillets embryonnaires correspondent donc à l’acquisition de l’état thermodynamique le plus stable. Plus récemment, en 2005, M. Steinberg montre dans un système de culture cellulaire in vitro que la tension de surface tissulaire est directement proportionnelle à la quantité de cadhérines exprimées par les cellules [ 16]. Ces résultats confèrent une réalité biologique, l’adhérence, à la notion physique de tension de surface, et valident l’hypothèse d’adhérence différentielle. Ce même système in vitro permettra à ces auteurs de montrer que des cellules qui expriment la même cadhérine, mais à des niveaux différents, obéissent aussi à l’hypothèse d’adhérence différentielle, les cellules qui expriment le plus grand nombre de molécules de cadhérine se localisant au centre, entourées par celles qui en expriment moins [16– 18]. Ces derniers résultats suggèrent qu’une différence quantitative d’expression d’une même cadhérine suffit pour expliquer « l’affinité tissulaire » différentielle qui dirige l’organisation des tissus, et représente une alternative à la spécificité des liaisons entre cadhérines. Mais si l’hypothèse d’adhérence différentielle permet de rendre compte du comportement de cellules cultivées in vitro au sein d’agrégats artificiels, qu’en est-il pour les mouvements morphogénétiques survenant in vivo au cours du développement d’organismes complexes ?

Chez la drosophile, la mise en place des axes de symétrie débute très précocement par la polarisation de l’œuf au cours de l’ovogenèse [ 19, 20]. Chaque œuf, ou ovocyte, se développe au sein d’une chambre ovarienne composée de 16 cellules germinales, 15 cellules nourricières et un ovocyte, entourées par un épithélium de cellules folliculaires d’origine somatique (Figure 3). Dans cette chambre, l’ovocyte se localise toujours au contact des cellules folliculaires les plus postérieures, avec lesquelles il échange des signaux nécessaires à sa polarisation antéro-postérieure. Cette localisation de l’ovocyte est cruciale, car seules les cellules folliculaires postérieures sont compétentes pour recevoir ces signaux [ 21]. Le positionnement de l’ovocyte est donc la première étape de la mise en place des axes de polarité chez la drosophile.

En 1998, deux équipes ont exploré le rôle de la E-cadhérine (epithelial cadherin) dans ce processus morphogénétique [ 22, 23]. Une observation initiale importante était que l’ovocyte exprime plus de E-cadhérine que les cellules nourricières et que les cellules folliculaires postérieures expriment également plus de E-cadhérine que les autres cellules somatiques (Figure 3). Ces observations suggéraient qu’un « tri » cellulaire fondé sur la quantité de E-cadhérine pourrait être impliqué dans le mouvement de l’ovocyte vers le pôle postérieur de la chambre. Pour le vérifier, les auteurs ont éliminé l’expression de la E-cadhérine dans la lignée germinale, ce qui entraînait une localisation aléatoire de l’ovocyte dans la chambre ovarienne. Ce même phénotype est aussi obtenu dans les mutants dont toutes les cellules folliculaires sont dépourvues de E-cadhérine. L’expression de E-cadhérine dans la lignée germinale et somatique est donc nécessaire au positionnement de l’ovocyte. De manière intéressante, lorsque la E-cadhérine est éliminée d’une partie seulement des cellules folliculaires, l’ovocyte se positionne toujours au contact des cellules sauvages exprimant la cadhérine, et de préférence vers les cellules les plus postérieures (Figure 3). Cela suggère que l’ovocyte est sensible à un gradient d’adhérence présent dans l’épithélium folliculaire [22]. Nous avons récemment testé cette hypothèse en surexprimant directement la E-cadhérine dans les cellules latérales de l’épithélium folliculaire. L’ovocyte se localise alors toujours au contact des cellules surexprimant la cadhérine, même au sein de cellules folliculaires exprimant la E-cadhérine endogène (Figure 3) [ 24]. Ces données montrent que l’ovocyte est capable de distinguer différents niveaux d’expression de E-cadhérine et que son positionnement dépend de la reconnaissance d’une différence quantitative d’expression d’une même molécule d’adhérence. Il s’agit de la première validation in vivo de l’hypothèse d’adhérence différentielle.

Comment s’établit une telle différence quantitative de E-cadhérine ? Nous avons montré que la taline, qui normalement se lie aux intégrines, contrôle au niveau transcriptionnel l’expression de la E-cadhérine [24, 25]. Mais un second contrôle existe au niveau post-transcriptionnel, puisqu’une expression ubiquitaire de la E-cadhérine est également suffisante pour créer un gradient d’adhérence au sein de l’épithélium folliculaire [ 26]. Ces expériences établissent qu’un contrôle génétique de la E-cadhérine crée des différences quantitatives d’adhérence, elles-mêmes suffisantes pour guider des mouvements morphogénétiques. Mais ce ne sont que des premiers éléments de réponse, et les mécanismes sous-jacents restent encore largement inconnus.

L’œil de drosophile est un œil composé, formé d’environ 800 yeux simples appelés ommatidies, elles-mêmes comprenant une vingtaine de cellules. L’agencement quasi-cristallin des ommatidies au sein de l’œil et celui des cellules au sein de chaque ommatidie fait de l’œil de drosophile un formidable modèle pour étudier comment une cellule acquiert une forme spécifique au sein d’un organe complexe. En 2004, T. Hayashi et R.W.Carthew se sont particulièrement intéressés à l’organisation des quatre cellules en cônes (CC) situées au-dessus des cellules photoréceptrices (P) et entourées par des cellules pigmentaires (CP), qui forment la lentille de chaque ommatidie (Figure 4) [ 27]. Ils ont tout d’abord remarqué que la disposition en losange des quatre cellules en cône était identique à celles de quatre bulles de savon. Or il est bien connu qu’un ensemble de bulles de savon s’organise selon les lois physiques réduisant au minimum l’énergie libre de surface et que le nombre de configurations thermodynamiquement stables est prédit par les lois de Plateau¹ [ 28]. Afin de tester si les mêmes lois gouvernaient les cellules en cône, les auteurs ont utilisé le mutant rough eye (Roi), caractérisé par un nombre variable et anormal de CC (1 à 6 par ommatidie). De manière remarquable, quel que soit le nombre de CC, les cellules adoptent toujours les configurations prédites par la thermodynamique, indiquant qu’une « minimisation » de la tension de surface guide aussi l’organisation quasi-cristalline de l’œil. L’analyse du profil d’expression des cadhérines révèle que la E-cadhérine est exprimée par toutes les cellules de l’ommatidie et se localise à toutes les surfaces de contact, alors que la N-cadhérine est restreinte aux cellules en cône et ne se localise qu’aux interfaces CC-CC (Figure 4). Ces observations suggèrent que le profil d’expression de la N-cadhérine serait responsable de l’adhérence différentielle entre les cellules en cône et les cellules pigmentaires qui les entourent. De fait, l’élimination spécifique de la N-cadhérine des CC (créant un niveau uniforme de E-cadhérine entre les CC et les CP) induit les CC à adopter une forme de crucifix plutôt que de losange. La même forme en crucifix est obtenue lorsque l’expression ectopique de la N-cadhérine est induite dans les CP (créant un niveau uniforme de E- + N-cadhérine entre CC et CP). C’est donc bien la différence d’expression de la N-cadhérine entre les CC et les CP qui confère une forme spécifique à la lentille (Figure 4) [27]. Par ailleurs, une surexpression de la E-cadhérine dans les CP (créant un niveau uniforme de « cadhérine » entre CC et CP) n’induit pas de changement de forme. L’adhérence différentielle entre CC et CP n’est donc pas d’origine quantitative mais qualitative. Les auteurs en concluent que la forme spécifique des cellules en cône est à la fois sous contrôle génétique et physique. La régulation génétique permet d’exprimer des cadhérines qualitativement différentes dans des cellules spécifiques, alors que les lois physiques minimisent l’énergie de surface pour donner à la lentille sa forme finale.