De façon analogue à celle de nombreux gènes Hox, l’inactivation du gène Hoxa5 s’accompagne de transformations homéotiques affectant le squelette axial [ 1]. Ces transformations sont restreintes aux régions cervicale et thoracique supérieure (Figure 1). D’une part, on observe des antériorisations, telle l’absence de tuberculum antérieur sur la sixième vertèbre cervicale qui adopte ainsi une identité semblable à celle de la cinquième vertèbre cervicale. D’autre part, des postériorisations sont détectées, telle la présence de côtes ectopiques sur la septième vertèbre cervicale qui s’apparente alors aux vertèbres thoraciques [ 2, 3]. La présence concomitante des deux types de transformations chez les souris Hoxa5^−/− les distingue de la majorité des autres mutants Hox. Le développement du squelette appendiculaire est également affecté par la présence d’anomalies structurales au niveau de l’acromion, phénotype aussi observé chez les souris portant une mutation au sein du gène Pax1 [ 4]. Des analyses génétiques menées chez les double mutants Hoxa5 ; Pax1 ont notamment révélé l’existence d’une coopération entre ces deux gènes lors de la condensation préchondrogénique de la ceinture scapulaire. Les souris invalidées pour le gène paralogue Hoxb5 présentent aussi des malformations des squelettes axial et appendiculaire, distinctes de celles associées à la mutation Hoxa5 mais chevauchant les mêmes territoires [ 5]. Ces observations ajoutent la notion de complémentarité fonctionnelle régionale des gènes Hox à celle souvent évoquée de redondance fonctionnelle [ 6].

Figure 1. Patron d’expression du gène Hoxa5 et phénotypes associés à sa perte de fonction chez la souris. Le panneau central (A) montre l’expression du gène Hoxa5 détectée chez un embryon entier au jour 12,5 de gestation à l’aide d’une sonde correspondant aux séquences codantes du gène et reconnaissant tous les transcrits Hoxa5. La région cervico-thoracique supérieure bordée par les pointillés jaunes indique le domaine d’expression spécifique du transcrit de 1,8 kb [ 25]. B. Au niveau du squelette axial, les souris Hoxa5 −/− présentent plusieurs transformations homéotiques mises en évidence par la coloration au bleu d’alcian (cartilage) et au rouge d’alizarine (os). Parmi celles-ci, on observe la perte du tuberculum antérieur sur la sixième vertèbre cervicale (C6 ; flèche blanche du côté droit) et l’apparition de côtes ectopiques sur la septième vertèbre cervicale (C7 ; flèche noire du côté droit) [2, 3]. C. Des anomalies au niveau de la ceinture scapulaire sont aussi détectées chez les nouveau-nés Hoxa5−/− avec le raccourcissement de l’acromion indiqué par la flèche [4]. D. Au niveau du tractus gastro-intestinal, une hyperplasie des cellules à mucus (montrée par coloration à l’acide périodique de Schiff en rouge) est observée dans l’épithélium stomacal des individus Hoxa5 −/− [ 12]. E. Par immunohistologie comparative de la glande thyroïde, une désorganisation des follicules et une distribution anormale de la thyroglobuline sont détectées chez les spécimens mutants à e18,5 [ 11]. F-G. Au niveau de l’appareil respiratoire, la perte de fonction Hoxa5 se traduit par une diminution de la lumière trachéale qui peut aller jusqu’à l’occlusion totale (F). Pour leur part, les poumons des nouveau-nés Hoxa5 −/− sont collapsés alors que les saccules sont remplis de liquide (G) [ 7]. H. Chez les femelles Hoxa5 −/−, une profonde désorganisation de la glande mammaire est observée tout au long du développement post-natal. Lors de la lactation, la taille des alvéoles est réduite avec un nombre anormalement élevé de gouttelettes lipidiques (flèche noire) dans les cellules épithéliales, reflet d’une activité sécrétrice perturbée [ 14].

Figure 1. Patron d’expression du gène Hoxa5 et phénotypes associés à sa perte de fonction chez la souris. Le panneau central (A) montre l’expression du gène Hoxa5 détectée chez un embryon entier au jour 12,5 de gestation à l’aide d’une sonde correspondant aux séquences codantes du gène et reconnaissant tous les transcrits Hoxa5. La région cervico-thoracique supérieure bordée par les pointillés jaunes indique le domaine d’expression spécifique du transcrit de 1,8 kb [ 25]. B. Au niveau du squelette axial, les souris Hoxa5 −/− présentent plusieurs transformations homéotiques mises en évidence par la coloration au bleu d’alcian (cartilage) et au rouge d’alizarine (os). Parmi celles-ci, on observe la perte du tuberculum antérieur sur la sixième vertèbre cervicale (C6 ; flèche blanche du côté droit) et l’apparition de côtes ectopiques sur la septième vertèbre cervicale (C7 ; flèche noire du côté droit) [2, 3]. C. Des anomalies au niveau de la ceinture scapulaire sont aussi détectées chez les nouveau-nés Hoxa5−/− avec le raccourcissement de l’acromion indiqué par la flèche [4]. D. Au niveau du tractus gastro-intestinal, une hyperplasie des cellules à mucus (montrée par coloration à l’acide périodique de Schiff en rouge) est observée dans l’épithélium stomacal des individus Hoxa5 −/− [ 12]. E. Par immunohistologie comparative de la glande thyroïde, une désorganisation des follicules et une distribution anormale de la thyroglobuline sont détectées chez les spécimens mutants à e18,5 [ 11]. F-G. Au niveau de l’appareil respiratoire, la perte de fonction Hoxa5 se traduit par une diminution de la lumière trachéale qui peut aller jusqu’à l’occlusion totale (F). Pour leur part, les poumons des nouveau-nés Hoxa5 −/− sont collapsés alors que les saccules sont remplis de liquide (G) [ 7]. H. Chez les femelles Hoxa5 −/−, une profonde désorganisation de la glande mammaire est observée tout au long du développement post-natal. Lors de la lactation, la taille des alvéoles est réduite avec un nombre anormalement élevé de gouttelettes lipidiques (flèche noire) dans les cellules épithéliales, reflet d’une activité sécrétrice perturbée [ 14].

Outre les défauts squelettiques, la perte de fonction Hoxa5 s’illustre par une incidence élevée de mortalité périnatale des mutants, conséquence de profondes altérations du développement pulmonaire causant une détresse respiratoire (Figure 1) [7]. Une dysmorphogenèse trachéale menant à son occlusion partielle ou totale, un processus de ramification des voies aériennes entravé et un développement sacculaire perturbé caractérisent l’appareil respiratoire des fœtus Hoxa5^−/− . Ces anomalies histologiques s’accompagnent d’une diminution d’expression de Nkx2.1 et Foxa2, deux activateurs transcriptionnels des protéines du surfactant. Les souris survivantes à la naissance manifestent un élargissement des espaces aériens par suite d’un défaut de cloisonnement des sacs alvéolaires. Cette réduction de la surface alvéolaire est cependant compensée par une hausse de la fréquence ventilatoire et du volume courant permettant le maintien d’une capacité respiratoire comparable à celle des individus témoins. Ces observations indiquent que la perte de fonction Hoxa5 n’est associée à aucun dysfonctionnement des centres de contrôle respiratoire [ 8]. Par ailleurs, une spécification cellulaire altérée au cours de l’embryogenèse est à l’origine de la localisation inadéquate des myofibroblastes au sein du parenchyme et de l’hyperplasie des cellules à mucus. Ces défauts entraînent une désorganisation des fibres élastiques et un nombre plus élevé de cellules inflammatoires qui rendent compte des désordres morphologiques observés dans les poumons des souris Hoxa5^−/− [ 9]. Dans leur ensemble, les troubles pulmonaires des souris Hoxa5^−/− établissent l’importance du gène tout au long du développement et de la maturation pulmonaires. De plus, ils s’apparentent à ceux rencontrés dans deux pathologies humaines, la dysplasie bronchopulmonaire (DBP) et la broncho-pneumopathie chronique obstructive, considérées comme des défis majeurs en santé publique. Une diminution de l’expression du gène Hoxa5 est notamment rapportée chez le rat nouveau-né dans deux modèles expérimentaux mimant les troubles caractéristiques de la DBP : l’exposition à l’hyperoxie et l’administration du glucocorticoïde dexaméthasone [ 10].

L’inactivation du gène Hoxa5 lors de l’organogenèse affecte non seulement le développement pulmonaire, mais aussi les fonctions thyroïdiennes et la morphogenèse de l’appareil digestif (Figure 1) [11, 12]. Dans ce dernier cas, les souris Hoxa5^−/− arborent une répartition anormale des différents types cellulaires de l’épithélium stomacal. À l’instar du poumon, une hyperplasie des cellules à mucus est observée suggérant une transformation homéotique de la muqueuse stomacale vers une identité intestinale. Ces différentes altérations, reflet d’une postériorisation, se traduisent sur le plan fonctionnel par une diminution de l’activité pepsinique. D’autre part, un retard dans l’acquisition du mode adulte de digestion est retrouvé malgré l’absence d’anomalie morphologique au niveau de l’intestin [ 13]. Enfin, la mutation Hoxa5 affecte le développement post-natal des glandes mammaires (Figure 1) [14]. Le tissu mammaire, sous l’influence d’hormones, subit une séquence bien définie de modifications qui s’échelonnent de la puberté à la parturition. Chez les femelles Hoxa5^−/− , le développement de l’épithélium mammaire est accéléré et ce, en l’absence de variation substantielle du statut hormonal. Cette anticipation du développement mammaire n’est pas exempte de conséquences. Une capacité amoindrie de la mère à nourrir ses petits, reflet d’une activité sécrétrice perturbée, est observée.

Un épithélium désorganisé représente donc un dénominateur commun aux atteintes des différents organes affectés par la perte de fonction Hoxa5. Au cours du développement, l’expression restreinte du gène Hoxa5 au mésenchyme, conjuguée aux troubles observés dans l’épithélium, soulignent le rôle instructeur du mésenchyme et attribuent à la protéine HOXA5 une fonction prépondérante dans les interactions entre le mésenchyme et l’épithélium. Ceci est mis en exergue par le comportement d’un épithélium mammaire de souris Hoxa5^−/− greffé en lieu et place d’un épithélium de glande mammaire de souris témoins. Une restauration architecturale et fonctionnelle de l’épithélium mutant est alors constatée. Il est par ailleurs important de noter que la greffe réciproque s’accompagne d’altérations comparables à celles mises en évidence dans l’épithélium mammaire Hoxa5^−/− [14]. De plus, au niveau de l’estomac, des modifications quantitatives et qualitatives de l’expression de molécules signalétiques telles que FGF10 (fibroblast growth factor-10), SHH (sonic hedgehog), BMP4 (bone morphogenetic protein-4), TGF-β1 et TGF-β3 (transforming growth factor-β1 et -β3) sont observées [12]. Ces données sous-entendent que le gène Hoxa5 gouvernerait des processus mobilisant des facteurs diffusibles nécessaires à la spécification de l’épithélium et, conséquemment, au développement des différents organes.

Le rôle des gènes Hox dans le maintien de l’intégrité de l’organisme et dans les processus de surveillance cellulaire est maintenant clairement établi. Le gène Hoxa5 ne fait pas exception : une diminution de son expression est observée dans plusieurs lignées cellulaires de tumeurs du sein et dans des carcinomes mammaires humains [ 15]. La contribution du gène Hoxa5 à la tumorigenèse mammaire pourrait s’expliquer par la liaison de la protéine HOXA5 aux régions promotrices des gènes p53 (qualifié de « gardien » de l’intégrité du génome) et hMLH1 (human mutL homolog 1, impliqué dans la réparation des mésappariements de l’ADN) pour en moduler positivement l’expression [15– 16]. Par ailleurs, la protéine HOXA5 peut interagir avec la protéine TWIST, dont la surexpression entraîne une inhibition majeure de la réponse apoptotique dépendante de p53 dans les cellules mammaires cancéreuses, et en atténuer l’action [ 17]. Dès lors, une baisse d’expression du gène Hoxa5 dans les tumeurs du sein pourrait agir sur p53, d’une part en favorisant une instabilité génomique et, d’autre part, en s’opposant aux mécanismes conduisant à l’apoptose. Toutefois, les souris Hoxa5^−/− ne développent pas spontanément de tumeurs mammaires, indiquant ainsi que cette lésion génétique n’est pas suffisante pour déclencher le processus d’oncogenèse mais qu’elle pourrait conférer un état de prédisposition.

Par ailleurs, une hausse d’expression du gène Hoxa5 semble jouer un rôle critique dans la survenue d’hémopathies malignes consécutives à la formation d’une protéine chimérique issue du réarrangement génique CALM-AF10 [ 18]. L’analyse des mécanismes moléculaires sous-jacents a révélé que les leucémies induites par la protéine de fusion CALM-AF10 nécessitent l’activation transcriptionnelle du gène Hoxa5 via la méthyltransférase hDOT1L qui agit sur la lysine 79 de l’histone H3 au locus Hoxa5. Les cellules de la moelle osseuse des souris Hoxa5 ^−/− sont donc résistantes à une transformation tumorale induite par la protéine CALM-AF10 [ 19]. Ainsi, la perte ou l’excès de la protéine HOXA5 peut conduire à des anomalies profondes, permettant d’envisager HOXA5 comme une cible thérapeutique prometteuse dans le traitement de certains cancers.

Il est à noter que malgré l’importance reconnue des gènes Hox, le nombre de leurs cibles géniques directes et démontrées demeure restreint [ 20]. Une redondance fonctionnelle ainsi que l’existence de plusieurs cofacteurs aux propriétés modulatrices rendent la compréhension des mécanismes d’action particulièrement complexe. La caractérisation des séquences régulatrices, des facteurs en cause et des processus associés au contrôle de leur expression représente également un axe majeur de recherche.

Les gènes Hox sont activés de façon séquentielle dans le temps et dans l’espace selon un ordre qui reflète leur organisation le long des complexes. Cette relation de colinéarité se concrétise par une expression plus précoce et dans des domaines plus antérieurs le long de l’axe antéropostérieur de l’embryon des gènes situés à l’extrémité 3’ des complexes Hox alors que ceux retrouvés en 5’ s’expriment plus tardivement et dans les régions postérieures. La régulation de l’expression coordonnée des gènes Hox fait appel à une combinaison de mécanismes distincts. Elle associe, entre autres, le remodelage de la chromatine au niveau des complexes, la présence de régions activatrices « globales » situées à distance des complexes Hox et pouvant agir sur l’expression de plusieurs gènes, et l’action de séquences régulatrices se retrouvant au sein des complexes [ 21]. Ces dernières peuvent être spécifiques d’un gène, partagées par des gènes adjacents ou utilisées sélectivement par différents gènes Hox [ 22]. Par ailleurs, des ARN non codants participent également à la régulation des gènes Hox. Des microARN sont impliqués dans la régulation post-transcriptionnelle des gènes Hox [ 23]. De longs transcrits non-codants sens et anti-sens retrouvés tout le long des complexes contribuent pour leur part à la régulation épigénétique de l’expression des gènes Hox [ 24]. Ce déploiement de stratégies régulatrices souligne la nécessité d’un contrôle strict de l’expression spatio-temporelle des gènes Hox dans l’accomplissement de leur rôle. Il suggère aussi que les séquences régulatrices dispersées le long des complexes et partagées entre les gènes Hox ainsi que les longs transcrits non-codants peuvent exercer une pression sélective participant au maintien de l’organisation compacte des complexes Hox.

La régulation de l’expression du gène Hoxa5 obéit à plusieurs des mécanismes cités plus haut. Plusieurs transcrits d’une taille de 1,8, 5, 9 et 11 kb sont associés au locus Hoxa5 [2]. Le transcrit de 1,8 kb est le plus abondant et correspond aux deux exons connus du gène. Les formes plus longues proviennent, quant à elles, de l’utilisation de promoteurs situés plus en amont et d’un épissage alternatif. Le profil d’expression des différents transcrits témoigne d’ailleurs de leur localisation le long du complexe. En effet, le transcrit de 1,8 kb est exprimé dès le jour embryonnaire (e) 8,0-8,25. Il est détecté dans la région cervico-thoracique supérieure du squelette axial, la glande thyroïde et le poumon, structures atteintes par la perte de fonction Hoxa5 (Figure 1). Pour leur part, les longs transcrits s’expriment plus tardivement, vers e8,5-8,85, et de façon restreinte à des régions plus postérieures le long de l’axe [25]. Le domaine d’expression du transcrit de 1,8 kb correspond à celui de la protéine HOXA5 suggérant qu’il pourrait être seul responsable de la fonction [ 26]. Aucun rôle n’a été clairement défini pour les longs transcrits à ce jour. Récemment, l’existence d’un microARN, miR-130a, pouvant lier une séquence de la région 3’ non traduite du second exon du gène Hoxa5 et ainsi causer une baisse d’expression, a été mise en évidence [ 27].

La présence de plusieurs transcrits associés au locus Hoxa5 nécessite des régions de contrôle dispersées et partagées le long du complexe. La caractérisation des séquences régulatrices du gène Hoxa5 par transgenèse chez la souris a démontré que plusieurs des éléments responsables du contrôle de l’expression du transcrit de 1,8 kb étaient situés de part et d’autre des régions codantes du gène, chevauchant parfois les séquences codantes des gènes Hox voisins (Figure 2) [25]. Ainsi, on retrouve en amont du promoteur proximal une séquence de 604 pb nommée BSC (brachial spinal cord) pouvant diriger l’expression du transgène dans la région brachiale du système nerveux central entre e11 et e13 [ 28]. Une seconde séquence désignée T (Temporel) plus en amont et englobant une partie du second exon du gène Hoxa6 permet de récapituler l’expression temporelle précoce du gène Hoxa5 lors de l’embryogenèse [25]. En aval du gène Hoxa5, une région identifiée MES (mesodermal enhancer sequence), couvrant 2,1 kb et possédant les caractéristiques d’une séquence activatrice, dirige l’expression dans les bourgeons des membres, dans les tractus digestif et urogénital et dans la région cervico-thoracique supérieure de la colonne prévertébrale, ce dernier site correspondant au domaine d’expression spécifique du transcrit de 1,8 kb [25]. La région MES contient, entre autres, un élément de 164 pb nécessaire à la restriction postérieure du domaine d’expression de ce transcrit au niveau thoracique. Cet élément peut lier les protéines CDX, régulateurs connus des gènes Hox. D’ailleurs, la mutation des sites de liaison CDX lève la restriction postérieure de l’expression du gène Hoxa5. Ceci illustre l’importance du contrôle exercé par les protéines CDX sur la régionalisation de l’expression des gènes Hox [ 29– 30]. Enfin, des séquences régulatrices additionnelles ont été identifiées à proximité du gène Hoxa4. Ces séquences exerceraient un rôle dans l’expression des gènes Hoxa4 et Hoxa5, notamment dans le poumon et le système digestif, suggérant un contrôle partagé [ 31– 32]. À ce jour, la régulation de l’expression spatio-temporelle initiée au promoteur proximal et responsable du transcrit de 1,8 kb met en jeu des séquences couvrant plus de 14 kb et allant du gène Hoxa6 à Hoxa4. De plus, l’existence de promoteurs distaux responsables de l’expression des longs transcrits suggère une répartition plus vaste des séquences responsables de l’établissement du domaine global d’expression du gène Hoxa5.

Figure 2. Représentation schématique des régions régulatrices modulant l’expression du promoteur proximal du gène Hoxa5. Les gènes Hoxa4, Hoxa5 et Hoxa6 sont représentés par des rectangles jaunes (séquences transcrites), bleus (séquences traduites) et rouges (boîtes homéo). Les étiquettes T (Temporel), BSC (Brachial Spinal Cord), MES (Mesoderm Enhancer Sequence) et L/G (Lung/Gut Sequence) définissent les domaines régulateurs identifiés [25, 28, 31]. On peut voir le profil d’expression associé à chacune des régions. La séquence T permet l’expression d’un transgène rapporteur dès e8,25. Au jour e12,5, la séquence BSC cible l’expression dans la région brachiale du tube neural, alors que la région MES dirige l’expression dans les dérivés mésodermiques de la région cervico-thoracique supérieure et dans les systèmes digestif et urogénital. Quant à la séquence L/G, elle permet l’expression dans le poumon (p), l’estomac (e) et l’intestin (i) à e13,5.

Figure 2. Représentation schématique des régions régulatrices modulant l’expression du promoteur proximal du gène Hoxa5. Les gènes Hoxa4, Hoxa5 et Hoxa6 sont représentés par des rectangles jaunes (séquences transcrites), bleus (séquences traduites) et rouges (boîtes homéo). Les étiquettes T (Temporel), BSC (Brachial Spinal Cord), MES (Mesoderm Enhancer Sequence) et L/G (Lung/Gut Sequence) définissent les domaines régulateurs identifiés [25, 28, 31]. On peut voir le profil d’expression associé à chacune des régions. La séquence T permet l’expression d’un transgène rapporteur dès e8,25. Au jour e12,5, la séquence BSC cible l’expression dans la région brachiale du tube neural, alors que la région MES dirige l’expression dans les dérivés mésodermiques de la région cervico-thoracique supérieure et dans les systèmes digestif et urogénital. Quant à la séquence L/G, elle permet l’expression dans le poumon (p), l’estomac (e) et l’intestin (i) à e13,5.

L’ensemble de ces données témoigne du lien intime existant entre l’organisation des gènes Hox le long des complexes et leur fonction développementale. Le gène Hoxa5 fournit un paradigme à la compréhension de la relation existant entre les processus régulateurs et les mécanismes fonctionnels des gènes Hox.

Nous désirons remercier les collègues du laboratoire pour leurs commentaires judicieux. Nous nous excusons auprès des collègues dont les articles n’ont pu être cités faute d’espace. Les recherches effectuées au laboratoire sont financées par les Instituts de recherche en santé du Canada et la Société de recherche du cancer. Lucie Jeannotte détient une bourse « Chercheur National » du Fonds de la recherche en santé du Québec et Olivier Boucherat, une bourse postdoctorale de la Fondation de la recherche médicale.