LaboRAToirE

La création des couleurs et marquages

On trouve des rats dans de nombreuses variétés de couleurs allant du noir au blanc, d'un brun foncé à une couleur crème, de l'ardoise au gris bleu pâle... Les rats peuvent être marqués de parcelles de couleur blanche qui vont de la poitrine à une petite tâche sur la tête ou le ventre. Les variations sont nombreuses! On peut alors se demander d'où viennent les couleurs et les marquages actuels? Comment les différents pigments sont-ils réalisés et intégrés dans le code génétique? Comment les mutations de la production de pigments produisent les différentes couleurs que nous voyons sur nos rats?

Nous allons, au travers d'une traduction, tenter de répondre à ces questions.

• Un exemple de pigment

Les pigments sont fabriqués dans des cellules appelées mélanocytes. Durant le développement de l'embryon, les cellules qui deviendront des mélanocytes (ses précurseurs étant appelés mélanoblastes) migrent de la zone dorsale (région active qui longe l'arrière de l'embryon) à tout le reste du corps. Ces cellules prennent position à la base des follicules pileux. Ils vont également faire partie intégrante dans d'autres organes commes les yeux, l'oreille interne, et d'autres systèmes neurologiques. Si la migration des cellules est perturbée, il se peut que certaines régions de l'organisme ne reçoivent pas de mélanocytes et dans ce cas, ces régions du corps produisent des poils blancs. Les mélanoblastes transformés en mélanocytes, vivent dans la peau et à la base de chaque poil et produisent des pigments de mélanine. 

Dans les mélanocytes...

Les particules de pigment, appelées granules, sont synthétisées dans des vésicules appelées les mélanosomes. Deux types de pigments sont produits par le mélanosome; jaune-rouge, dont les pigments sont appelés phaeomélanins, et brun-noir, dont les pigments sont appelés eumélanins. Il y a enfait des mélanosomes distincts pour les deux types de pigments. Les phaeomelanosomes sont spécialisés dans les couleurs jaunes-rouges et les eumelanosomes dans les couleurs brun-noir.

Un mélanocyte peut passer entre une production de pigments blonds à bruns en un seul poil. Dans ce cas, la couleur est parsemée de poils de couleurs différentes comme on peut le voir avec l'allèle agouti. Les mélanosomes produisent des pigments dans les mélanocytes. Les mélanosomes commencent leur voyage au milieu de la cellule mélanocyte et migrent vers le bord extérieur de la cellule. Les mélanocytes sont en réalité des cellules neuronales en provenance de la crête neurale.

Au bord extérieur de la cellule, les mélanosomes libérent leurs pigments qui sont ensuite incorporés dans les kératinocytes.

Comment les mélanosomes migrent à partir du milieu au bord de la mélanocyte? Les mélanosomes sont réellement attachés à un cadre de microtubes et sont transportés jusqu'à la dentrite sur des échelles d'actine.

Hors des mélanocytes...

A l'intérieur d'un mélanosome, les mammifères produisent deux types de pigments: eumelanins dont les couleurs vont du brun foncé au noir et phaeomelanins dont les couleurs vont du rouge au jaune. Ces deux types de pigments sont fabriqués à partir du même produit, l'acide aminé, et la première de plusieurs étapes de la production est sensiblement la même que les autres. L'enzyme tyrosinase (codé par le gène chinchilla) convertit la tyrosine, qui est incolore, en dopaquinone, aussi incolore. Les phaeomelanins sont fabriqués à partir de ceux-ci. Pour faire des eumelanins, la dopaquinone est convertie en dopachrome. Le dopachrome peut prendre deux voies;

• dans le premier parcours, la dopachrome est convertie en 5,6 dihydroxyindole, qui est brune, puis composée de quinone par l'enzyme tyrosinase produite par le gène brun.
• dans le second parcours, la dopachrome est convertie en DHCA.

Les phaeomelanosomes et eumelanosomes sont en fait très différents à l'intérieur. Les phaeomelanosomes ont une forme sphérique et sont assez primitives. Ils possèdent seulement un tiers du niveau de la tyrosinase que contiennent les eumelanosomes. Les eumelanosomes sont plus sophistiqués, de forme ovale.

Conclusion

Les variations de couleur des poils peuvent résulter des différences dans la synthèse des pigments, ce qui se traduit en noir, marron, jaune, ou incolore. Les différences de dépôt de pigments dans les poils produisent des variations de l'intensité de la teinte de la couleur. La couleur et la quantité de granules peuvent varier sur la longueur d'un poil ou entre différents poils. La variation provient de la pigmentation dans les schémas de migration des mélanocytes et à la distribution finale. Les zones où se trouvent les mélanocytes deviennent pigmentés et les zones sans mélanocytes ne produisent aucune pigmentation, les poils sont blancs.

• Les mutations dans la distribution des mélanocytes

Un retard dans la migration des mélanocytes; les allèles hooded et spotted.

Introduction

Dans l'embryon, un pli qui se développe dans le bas du dos, appelé tube neural, contient une région active appelée crête neurale. Cette région fournit les cellules pigmentaires qui migrent sur tout le corps. Les cellules pigmentaires paires migrent vers des lieux spécifiques de chaque cotés du corps. Il existe trois sites sur la tête (près de l'oeil, près de l'oreille et à proximité du sommet de la tête), il existe six sites le long de chaque cotés du coprs, et plusieurs le long de la queue. Quelques cellules pigmentaires migrent vers chacun de ces sites où ils prolifèrent et migrent à nouveau vers l'extérieur, jusqu'à ce qu'ils se rejoignent pour former de grandes tâches.

Une fois que les cellules pigmentaires ont fini la migration, ils prennent position à la base des follicules pileux. Là, ils synthétisent la mélanine. Normalement, tous les follicules ont des cellules pigmentaires qui leur sont associées. Mais si aucun pigment n'est associé à un follicule, il n'y a pas de pigment dans cette région. Les mutations qui affectent les cellules pigmentées au cours du développement de l'embryon déterminent quelles parties du corps ont une cellule pigmentaire et donc produira des pigments.

Les cellules pigmentaires migrent vers l'iris et la rétine de l'oeil. Si l'iris n'a pas de cellules pigmentaires, il semble rouge. Les vairons sont causés par la migration des cellules pigmentaires de l'oeil à l'un mais pas à l'autre. (Note: le blanc et les yeux rouges des albinos ne sont pas causés par un échec de la migration des cellules pigmentaires, mais par l'incapacité des cellules pigmentaires à produire des pigments).

Les cellules pigmentaires migrent vers l'oreille interne où ils jouent un rôle essentiel mais indéfini dans le maintien de l'audition. Si l'oreille interne ne dispose pas de cellules pigmentaires, le rat peut être sourd.

Les cellules pigmentaires migrent vers le cerveau pour des domaines tels que la substance noire (partie du mésencéphale qui régule l'humeur, produisant la dopamine et contrôlant les mouvements volontaires), le locus ceruleus (partie du cerveau qui traite la réaction au stress), ainsi que d'autres domaines tels que la leptoméninge (membranes qui entourent le cerveau), les ganglions rachidiens et les ganglions crâniens. L'échec des cellules pigmentaires à atteindre ces zones peuvent donner une grande variété d'effets sur le comportement.

Les cellules pigmentaires sont donc impliquées dans des régions du cerveau liées à l'humeur et à la réaction au stress. Ce lien entre le comportement et la dépigmentation a probablement joué un rôle dans la domestication des rats.

Les cellules pigmentaires ne sont pas les seules cellules qui migrent de la crête neurale.Si les cellules neurales ne sont pas parvenues à la fin de l'intestin, les intestins de l'animal ne peuvent pas fonctioner correctement, ce qui entraîne un mégacôlon.Il existe de nombreuses mutations qui peuvent affecter la migration des cellules de la crête neurale.Chaque mutation est différente, chacune peut être modifiée par d'autres gènes.Chaque mutation peut avoir divers effets sur la robe, les comportements et les fonctions sensorielles. C'est pourquoi la coloration blanche, les yeux vairons, la surdité et le mégacôlon se retrouvent souvent ensemble.Ils sont tous le résultat d'un retard dans la migration des cellules de la crête neurale.

L'allèle hooded  

L'allèle hooded chez le rat résulte d'un retard de la migration des mélanocytes de la crête neurale. En conséquence, les zones les plus éloignées de la ligne médiane dorsale (pieds, poitrine, ventre), n'ont pas de mélanocytes et ces zones produisent des poils dépigmentés, blancs.

Il existe différents allèles à capuchon qui provoquent différents degrés de retard dans la migration des mélanocytes. Ils produisent des quantités variables de dépigmentation et les autres gènes influencent la mise en place exacte des domaines de la pigmentation.

Exemples: les rats possédant HH ont une distribution de pigments normale couvrant l'ensemble de leur coprs. Avec des rats Kk, ils sont partiellement dépigmentés (ventre blanc), connu sous le nom du BERKSHIRE. Et avec des rats hh à capuchon, le corps est blanc, une bande colorée sur l'épine dorsale, tête colorée.

Les gènes des tâches blanches et les risques de maladies

Les cellules des crêtes neurales provenant de l'extrémité de la crête neurale migrent vers l'intestin et peuvent engendrer le mégacôlon.

Une mutation dans le récepteur endolethin : une suppression dans le gène du récepteur endolethin (appelé mutation létale) conduit à des problèmes dans les mélanocytes et des cellules entériques chez le rat. Cela conduit à une dépigmentation du front (fléché/blazed) et l'absence de connexion de neuronnes au côlon, ce qui signifie que l'intestin ne peut pas évacuer corrctement. L'impossibilité de l'intestin à évacuer est appelée mégacôlon ou magacecum et il est fatal.

Les tâches blanches, une mutation dans le kit des protéines.

Une mutation distincte, appelée tâches blanches touche au kit de protéines. Le kit de protéines possède une grande variété de fonctions; il est impliqué dans le développement de cellules souches du sang, dans les mélanoblastes et leur migration et dans des cellules primordiales. Alors si l'on touche au panel des protéines nous obtiendrons une grande variété d'effets notamment une depigmentation de certaines zones (y compris le BEW) et parfois de l'anémie, qui est une insuffisance des mastocytes. Il existe également des problèmes de reproduction et de surdité.

Cependant, ce ne sont pas les seuls rôles du kit de protéines. Il est également utilisé lors de contractions intestinales: les cellules spéciales de la paroi intestinale génrent des ondes électriques lentes dans le conduit gatro-intestinal. Ces ondes lentes réglementent la fréquance des contractions musculaires intestinales. Les rats atteints de la mutation des tâches blanches ne produisent pas de protéines dans leurs intestins. Il en résulte une contraction anormale et le mégacôlon.

Exemples: Le mégacôlon est connu pour être associé à la flèche chez le rat. Certains blazed (ou fléchés), comme les HUSKY (dépigmentation du front et des flancs, parfois vairons) peut avoir une incidence plus élevée de mégacôlon. Notez toutefois que le mégacôlon peut être causé par d'autres facteurs (comme par exemple une souche de mégacôlon congénitale de cause inconnue) et que tous les blazed sont causés par le gène de la tâche blanche sans tous pour autant être atteints du mégacôlon!

• Les mutations dans la formation des mélanosomes

Un problème dans la lignée de cellules conduisant à un mélanosome: l'allèle de dilution des yeux rouges

Les mélanosomes sont de minuscules vésicules que l'on trouve à l'intérieur des celulles pigmentaires. Les pigments sont assemblés dans ces petits mélanosomes et sont ensuite transportés vers le bord de la cellule pigmentaire pour déposer leur pigment dans la croissance des poils.

Les mélanosomes font en réalité partie d'une famille de "cellules organes" qui comprends des lysosomes et des granules plaquettaires denses. Les lysosomes sont de petites vésicules que l'on trouve dans les cellules et contenant des enzymes. Les granules plaquettaires denses se trouvent dans les plaquettes sanguines (elles stockent et sécrètent des nucléotides). Les irrégularités dans les granules plaquettaires denses débouchent sur une mauvaise coagulation du sang et des saignements prolongés.

Ces trois types d'organites: les mélanosomes, les lysosomes et les granules plaquettaires denses, sont les descendants d'un commun ancêtre organite. Par conséquent, toute mutation qui affecte cet ancêtre commum affectera les descendants. Le gène recessif de la dilution des yeux rouges vient de cette effet.

Le RED (Red-eyed dilution) interfère avec le développement normal de ces organites. Ceci conduit à des anomalies du transport des mélanosomes dans le pigment des cellules ce qui conduit à une diminution de depôt de pigments dans les poils et les yeux, d'où les yeux roses et la fourrure blanche. Deux rats homozygotes aux yeux rouges ont également une dilution anormale des fonctions plaquettaires, appelé Platelet Storage Pool Deficiency (SPD). Chez les rats attients de SPD, les plaquettes et les médiateurs des sécrétions de la coagulation sont déféctueux ce qui entraîne des saignements denses. 

Le RED est assez différent du PED (Rose-eyed dilution). Génétiquement, ces mutations sont très distinctes et ont des effets très différents.

Note: le croisement du RED et de l'agouti n'est pas la seule façon d'obtenir un rat de couleur TOPAZE. Il existe une autre mutation qui réduit la pigmentation en noir et en bleu mais son mécanisme est inconnu. Le topaze sur un rat noir produit un café brun, tandis que sur un bleu, il produit une couleur fauve.

Les autres effets: Les rats hooded topaze sont largement utilisés dans la recherche et possèdent une liste de troubles associés:

• hypertension conduisant à

1. protéinurie (protéines dans l'urine)
2. sclérose glomérulaire focale (cicatrisation du tissu rénal)
3. altération de la capacité de réaction de mécanismes dans le systèmes nerveux central

Les rats hooded topaze ont été utilisés comme un modèle animal de l'homme dans l'étude des troubles psychiatriques entraînant des anomalies en fonction de la sérotonine telles que:

• la dépression
• l'anxiété
• les troubles obsessivo-compulsifs
• des toubles de l'alimentation

Seuls le désordre du stockage des plaquettes et un trouble de l'absorption de sérotonine ont prouvé qu'ils pouvaient être causés par le RED. Beaucoup de ces autres troubles peuvent être causés par d'autres gênes associés à des lignées de laboratoire.

• Les mutations dans les transports et la déposition des pigments

Les mélanocytes produisent deux types de pigments, les eumelanins et les phaeomelanins. Les proportions relatives de ces pigments sont réglementés par:

1. Alpha-MSH se lie à un récepteur appelé mélanocortine sur les mélanocytes et les stimule afin de produire un brun-noir en stimulant la tyrosinase
2. la protéine Agouti inhibe la liaison et dont les résultats obtenus sont de couleur jaune-rouge

Donc, les rats avec la protéine agouti alternent entre la production de pigments brun-noir et rouge-jaune, ce qui est le phénotype du Rattus Norvegicus. Les rats sans la protéine agouti n'ont pas de suppléant. Elles produisent continuellement des eumelanins et leurs poils sont de la même couleur foncée uniforme.

Les autres effets: Les protéines agouti empêchent également de se lier à leurs récepteurs sur la mélanocortine des cellules neurales. Ces mélanocortins sont de puissants neuromodulateurs qui ont des effets divers sur la physiologie et le comportement des mammifères. Les différences de comportement entre agoutis et non-agoutis sont probablement dûes à la réglementation de la mélanocortine et de ses effets sur le cerveau et le comportement ultérieur.

Le gène agouti a donc un impact sur le comportement et peut être important dans la domestication du rat. 80% des souches de rats de laboratoires internes sont homozygotes non-agouti.

Comme on le remarquera, les phaeomelanins sont à protéger des rayons ultraviolets, ce qui explique pourquoi les RED sont plus sujets au cancer de la peau.

Diluer le gène

Lorsque les pigments sont faits, ils doivent être transportés vers les poils. Les particules pigmentaires, appelées granules, sont synthétisés dans des vésicules appelées mélanosomes et qui sont transportés par les dentrites, des mélanocytes à la base du follicule pileux.

Les rats ayant une mutation de dilution produisent normalement les types et les quantités de pigments dans leurs mélanocytes mais le transport de ces pigments est perturbé en raison d'une mutation dans la myosine. Beaucoup de mélanosomes ont leurs pigments coincés dans le centre de la cellule et sont incapables d'être transportés jusqu'au bord de la cellule. Moins de pigments sont donc incorporés dans les poils et quand il sont intégrés, ils tendent à se déposer par régions. Cela donne une robe délavée, une couleur diluée.

Il existe plusieurs allèles du gène de dilution qui se traduisent par des anomalies neurologiques graves et parfois la mort en cas d'homozygote.

Exemples: Les rats qui sont génétiquement noirs mais qui sont dilués sont appelés bleu. Notez toutefois qu'il existe de nombreuses mutations différentes qui donnent lieu à des rats de couleur bleu chez le rat domestique donc il n'est pas forcé que la mutation d'un animal corresponde à une mutation connue en laboratoire. Notez également que les noms des différentes nuances de bleus sont désignées par les selctionneurs de rats et peuvent varier selon les organisations et les pays.

Les autres effets: le transport des pigments n'est pas la seule mutation qui est affectée lorsque la myosine est compromise. La myosine est également utilisée dans l'élaboration et la maintenance des processus cellulaires des mélanocytes. La myosine est également chargée de faire glisser le réticulum endoplasmique à la pointe des cellules du cervelet où elle produit des flux de calcium. Si la myosine est perturbée, elle ne peut pas faire glisser le réticulum endoplasmique au bord des cellules, les flux de calcuim sont alors perturbés, ce qui réduit l'excitabilité de la cellule de Purkinje, ce qui entraîne des déficits neurologiques comme nous l'avons vu plus haut.

• Les mutations des pigments de synthèse

Un signe clé dès le début, les mutations Chinchilla

Une des premières mutations dans la production de pigments est une mutations des enzymes tyrosinases qui transforme le pigment précurseur. Le gène de la tyrosinase est appelé chinchilla. Si une mutation dans le gène chinchilla est le résultat d'un tout non enzymatique, alors l'animal sera incapable de produire des pigments sur tout le corps. Les rats atteints de cette mutation sont appelés ALBINOS. Le gène chinchilla a connu d'autres mutations et un grand nombre d'entre elles se traduisent par une tyrosinase semi-fonctionnelle. Ces animaux produits ont une couleur diluée, comparativement à ceux ayant une tyrosinase normale. La version semi-fonctionnelle de la tyrosinase est très fragile et dépend de la température. Les rats sensibles à la température produisent seulement les pigments dans les zones plus froides de leur corps; les extrémités telles que le nez, les oreilles, les pieds et la queue. Ces rats sensibles à la température sont dits SIAMOIS ou HIMALAYENS.

Les autres effets: l'absence de mélanine dans les yeux et les nerfs optiques conduit à des anomalies de développement et de la fonction, et donc, la détérioration de la vue et parfois la cécité. L'absence de la fovéa (partie interne de l'oeil), le strabisme et la diminution de l'acuité visuelle sont fréquents chez tous les types d'albinismes.

• Un mauvais environnement cellulaire pour les pigments de synthèse: le PED

Les pigments de synthèse ont un lieu dans les mélanosomes: la tyrosine entre dans le mélanosome et transforme la catalyse enzymatique tyrosinase en dopaquinone. Plus tard, dans le parcours des eumelanins, les protéines tyrosinases sont liées à leur tour aux pigments brun-noir. Ces réactions chimiques peuvent être améliorées ou altérées par les changements dans le pH interne du mélanosome.

Le locus p code une protéine située sur la membrane des eumelanosomes, une porte permettant aux molécules l'entrée dans la cellule. Cette porte semble aider à réguler le pH du mélanosome. Une mutation dans ce locus affecte cette porte, change la normale, et le pH acide laisse place à un environnement plus neutre. Comme les protéines p ne se trouvent pas dans les phaeomélanosomes, la production de phaeomélanins n'est pas affectée. Un environnement acide dans le mélanosome normal est nécessaire pour l'activité de la tyrosinase. Quand les mélanosomes sont acides, ils produisent plus de pigments, avec une augmentation préférentielle dans le noir. Quand ils sont neutres, ils produisent moins d'eumélanins mais les phaeomélanins sont relativement épargnés.

Exemples: dans l'agouti, le RED dilue la bande sombre sur chaque poil d'une couleur pâle, résultant d'une combinaison parfois appelée AMBRE. Le noit est parfois dilué à un jaune pâle pour donner le CHAMPAGNE.

• Une dernière étape dans la production des pigments: la mutation brune

Après la dopaquinone, le chemin du pigment se sépare en deux. Une branche d'eumélanins mène à l'autre et l'autre mène aux phaeomélanins. L'une des mutations qui affete la production des eumélanons est une mutation dans le gène brun qui catalyse la dernière étape de synthèse des eumélanins: la conversion du pigment brun en noir. Une mutation siginifie que cette dernière étape ne peut pas se produire et les rats atteints de cette mutations produisent des eumélanins bruns. Il existe au moins deux types de mutations: l'une est une mutation ponctuelle ce qui rend la tyrosinase non fonctionnelle et l'autre est une mutation qui cause la production de tyrosinases en faibles quantités.

Exemples: les rats homozygotes pour la mutation sont appelés CHOCOLAT.

Les autres effets: les mutations de la tyrosinase affectent également la prolifération cellulaire et la maturation mélanosomale.