Embryologie Humaine - Principes Généraux - Introduction au Système de l'Embryon

Principes généraux Embryologie humaine  ==================== Embryologie **générale ** ------------------------- - Formation des gamètes, fécondation, segmentation de l'œuf - Développement des **3 feuillets primitifs** (**endoderme, ectoderme et mésoderme**) - Mise en place des **ébau...

Principes généraux Embryologie humaine  ==================== Embryologie **générale ** ------------------------- - Formation des gamètes, fécondation, segmentation de l'œuf - Développement des **3 feuillets primitifs** (**endoderme, ectoderme et mésoderme**) - Mise en place des **ébauches** ou bourgeons (primordial) des organes **Période embryonnaire **: les **8 premières semaines** de gestations (sur 389 mois) *NB : **le stade Carnegie 23** correspond à la fin du stade embryon (3cm)* *après l'embryon il y a le foetus* Embryologie **spéciale** ------------------------ Période de **croissance** et de **maturation** : **différenciation** des différentes parties du corps et leur croissance. **Période fœtale :** de la fin de la période embryonnaire jusqu'à la naissance (dès le 3^ème^ mois) Théories du développement (cellulaire)  ======================================= La cellule est l'unité structurelle et fonctionnelle fondamentale du monde vivant. L'organisme se forme à partir d'une cellule, le **zygote** (œuf fécondé) - Par **multiplication**, **migration** et **différenciation** on ne croit plus en la préformation(croyance que Dieu nous donne notre forme directement dans l'œuf - **Préformation vs épigenèse** - Invention microscope / découverte de la cellule et évolution -\> chimère et traçage cell **Révolution du développement** - Spécification et différenciation cellulaire **Induction et compétence** : gradients morphogénétiques - Gènes du développement - Méthodes expérimentales : transgenèse, clonage d'embryons et reprogrammation cell Théorie de l'évolution  ----------------------- La transformation des espèces au cours des générations, depuis l'apparition de la vie, est sous l'influence de la **sélection naturelle**. **C**omment passe-t-on d'une cellule (zygote, 1 seul type cellulaire) à environ **10^13^-10^14^** cellules, de 210 types différents ? « La question » On passe de l'un à l'autre par 2 processus : 1. **Division** cellulaire **asymétrique** (« cellules souches ») 2. **Expression** **différentielle** des gènes ### Le développement combine simultanément 3 processus - Génération du **nombre** de cellules **(croissance)** - Génération de la **diversité** cellulaire **(différenciation)** - **Organisation** des cellules différenciées en tissus et organes **(morphogenèse)** Les divisions asymétriques --------------------------   **L'information cytoplasmique** acquise par chacune des cellules filles (protéines, mARNs, mitochondries, etc.) est différente étant donné la **distribution** **asymétrique** de ces **molécules** dans la **cellule** **mère**. Cependant, **l'information génétique** est toujours **identique** (même info transmise aux deux cellules filles) Ce n'est donc pas seulement l'information ADN qui est importante mais **également le** **cytoplasme.** ### Croissance allométrique (développement des parties du corps n'est pas simultané) Pendant le développement, il y a une **augmentation** du **nombre** et de la **taille** des cellules. Il y a également des **changements** dans les **proportions** des différentes régions du corps (un embryon commence d'abord à développer la tête et le cœur et il croît seulement après en longueur en ajoutant des somites). L'embryon a donc une **croissance** **allométrique** car le développement de toutes les parties du corps n'est pas simultané. Embryologie expérimentale ========================= Avons-nous besoin de comprendre le développement ? - **Par intérêt** sinon principes biologiques (évolution), fonctionnement et causes **des maladies** Biologie du développement  **C'est l'étude** du développement embryonnaire par l'utilisation d'outils **classiques**, en particulier les **outils optiques et l'approche expérimentale** (manipulations). La question fondamentale de la biologie du développement est celle de l'origine de la **multiplicité** et de la **diversité** des cellules, ainsi que de leur **organisation** dans un système cohérent : l'organisme. **[Passer du « peu, général » au « beaucoup, spécialisé ]» :** C'est la question de notre [origine en tant **qu'individu**] (**ontogenèse**), de notre passé personnel, contrairement à notre [origine en tant que **groupe d'individus**], d'espèce, qui est la question fondamentale de l'évolution (**phylogenèse**). ### Embryon animal très proche de l'embryon humain Pour comprendre l'embryologie des humains, nous n'avons **pas besoin d'embryons humains**, ni pour la recherche **fondamentale**, ni encore pour établir des cellules souches pour la médecine **régénérative**. Les modèles **animaux** suffisent à l'analyse expérimentale du développement et de la régénération. Car les **embryons de tous les animaux** se ressemblent (c'est dans la différenciation des cell qu'il va y avoir une différence et dans la morphogénèse (la morphogenèse est l\'ensemble des lois qui déterminent la forme, la structure des tissus, des organes et des organismes) - **8 modèles d'animaux** **Paradigme** : conception théorique dominante -\> explication de l'univers « La révolution du développement »  les mêmes gènes chez les animaux mais pas la même expression ------------------------------------------------------------------------------------------------ Le développement se fait grâce à l'**activité d'un nombre réduit de gènes**, appelés les **gènes** **du** **développement**. **20000 gènes comme la souris -\> gènes humains existent pas** Les gènes, les principes et les génomes sont très **similaires** entre les **espèces**. C'est devenu le nouveau paradigme (conception théorique dominante). Les animaux ont les mêmes gènes mais **pas la même expression de ces gènes** (donc il n'y a pas la même quantité de protéines qui sont traduits) **Les gènes uniquement humains n'existent pas**. L'immense majorité de nos **gènes** sont **partagés** avec tous les mammifères (gène paralogue, orthologue, analogue) *Ex : **Piébaldisme** : défaut de prolifération et migration **des cellules des crêtes neurales** dû à une mutation du gène Kit (même pathologie homme-souris)* Conservation des gènes entre les espèces (mais utilisation différente) ---------------------------------------------------------------------- La protéine **Pax6** (facteur de transcription), nécessaire pour le **développement** des **yeux (et du pancréas endocrinien)**, est très **conservée** au cours de **l'évolution**. L'expression forcée du gène de souris Pax6 déclenche le développement des yeux composés d'insecte chez la mouche (ce gène de souris fonctionne comme un gène de mouche chez la mouche). Si on exprime bcp ce gène chez une mouche il y aura bcp d'yeux de mouche Les différences entre les hommes et les souris (c'est-à-dire entre les espèces) ne sont pas dans les gènes eux-mêmes, mais **dans l'utilisation différente** **des mêmes gènes**, c'est-à-dire comment **l'expression** (activité) des gènes est **contrôlée**. **La structure des protéines** reste **peu modifiée** entre les différentes espèces mais la régulation de l'activité des gènes (où, quand, comment) est différente. **Les protéines** sont également les mêmes entre les espèces **Entre les individus 0.1% différence entre 2 personnes et homme chimpanzé est 3-4%** ### Info supplémentaire sur ADN - **Non-codant** (qui ne code pas pour une protéine) -\> **98**% du génome - **2%** du génome est codant #### A propos de l'ADN non-codant **ADN non transcrit** (30% des séquences non-codanteseulement 2% du génome est codant) : - Eléments régulateurs - Télomères et centromères **20%** **ADN transcrit** (70%) : - ARN non codants (ARNr, ARNt...) - Pseudogènes : rétrotransposition, duplication - Séquences répétées - Retransposons, éléments viraux -\> **50%** ### Les gènes pléïotropes (un gène mais fonctionne dans plusieurs organes) Certains **gènes** ont **plusieurs** **fonctions** et participent à la formation de **structures** **différentes**, c'est ce qu'on nomme la **pléïotropie**. *[Exemple] : Le **gène*** **Pax6** *codent pour le développement de **l'œil et du pancréas endocrine**.* Origine de la diversité (les mutations) --------------------------------------- La fréquence des mutations chez l'homme est une valeur relativement fixe. Elle représente environ **30** par cellule **par mitose**. Cela favorise la diversité bien que la majorité de ces mutations apparaissent dans de l'ADN non codant. 1 mutation chaque **10\^8 pb** par division cellulaire En tout il y a **3 x 10\^9** paires de base dans une cellule Principe de la biologie du développement  ========================================= Théorie cellulaire / théorie de l'évolution / découverte de l'ADN L'approche anatomique / comparative (historique) ================================================ Description par Aristote de 3 manières de se reproduire : - **Oviparité** (poissons, oiseaux, invertébrés) des oeufs - **Viviparité** (mammifères) bébé vivant - **Ovoviviparité** (requins, reptiles)  des œufs qui restent dans voie génitale Léonard da Vinci : étude quantitative de la croissance du fœtus humain Harvey : « ex ovo omnia » tout vient de l'œuf **Malpighi** relance un grand débat - **Préformation **: doctrine de la **préexistence** et de l'emboîtement des germes (être humain déjà préformé dans les œufs grace a Dieu). Doctrine **mise en avant par l'Eglise.** Dieu forme l'œuf avec l'humain déjà dedans - **Épigenèse **: différenciation des organismes **à partir d'une masse indifférenciée.** Cela met fin à la théorie de la préformation car on reconnaît qu'à l'origine, les embryons sont similaires. **Ovistes et homunculistes : sperme ou ovule à la base** Les trois feuillets germinatifs ------------------------------- **Pander** est le 1^er^ à décrire **les feuillets germinatifs** chez les triploblastes : **ectoderme, mésoderme, endoderme**. Ce sont les 3 couches à l'origine de toutes les cellules de tous les organes du corps. Les trois feuillets créent tous les types cellulaires et tous les tissus de l'organisme Ex : les cellules des **crêtes neurales forment les mélanocytes** qui sont reponsable de la pigmentation de la peau (les crêtes neurales sont initialement formées par l'**ectoderme**) ### Induction des feuillets germinatifs (interaction) Il propose que les feuillets **interagissent** (communiquent) par **induction**. L'approche expérimentale (1) : origine des cellules =================================================== **L'approche expérimentale** a permis la fin de la théorie de la préformation. Notre origine (**ontogenèse**) -\> **pas la phylogenèse** (origine du groupe) ### Les cartes présomptives Des **cartes présomptives** et des **lignages cellulaires** ont commencé à être établis pour **déterminer l'origine des cellules**. ex : à partir de l'épiblaste il y a plusieurs types cellulaires qui peuvent être formé (ex : épiblaste mésoderme tissu musculaire) ### Grâce au marquage cellulaire Le **marquage cellulaire** a permis l'établissement **des cartes présomptives**. Des cellules de l'embryon sont marquées, et au fur et à mesure qu'elles se divisent, il est possible de **suivre** leur **lignée**. Chez l'embryon, pendant la **gastrulation**(ensemble des mouvements qui mettent en place les trois feuillets de l\'embryon, au cours de la morphogenèse)(**environ 3^ème^ semaine du développement**), **les territoires présomptifs** de **l'épiblaste** (embryon primitif) déterminent l'origine des trois feuillets. Il existe 3 méthodes pour suivre le devenir des cellules  --------------------------------------------------------- 1. La **transplantation** cellulaire (génération de « chimères ») 2. L'**ablation** cellulaire (mécanique ou génétique) 3. Le **marquage** cellulaire (avec colorants, etc., voire même marquage génétique avec des souris transgéniques). Le **marquage génétique** (ex : les souris transgénique) étant irréversible, on peut suivre le devenir des cellules de manière continue. - Souris transgéniques Suivre la destinée d'une cellule implique que : - Les cellules différenciées ne sont **pas à la position d'origine** (la morphogenèse implique le mouvement/ la **migration des cellules**) - Les gènes sont **actifs transitoirement** pendant le développement - Les différents types cellulaires peuvent avoir des relations de type **vertical** (**ontogénétique**), de cellules mère à cellules filles, ou **horizontal** (**paracrine**) entre 2 cellules adjacentes ou un peu éloignées, par la présence de facteurs de croissance de membrane ou solubles. ### Les trois méthodes 1. La **transplantation** cellulaire induit la génération de **chimères**  [Déf chimère] : Une chimère est un organisme (animal) constitué par **des cellules ayant deux génotypes différents**, dérivées de 2 individus (embryons) différents [Ex] : si un chien et un chat ont un enfant ça sera une chimère car deux génotype différent (toutes les cell n'ont pas le même génotype) 2. **L'ablation cellulaire** consiste en la **destruction** d'un **groupe** de **cellules** dans un embryon au stade **pré-gastrula**. L'embryon remplace alors les cellules perdues ce qui démontre la **plasticité** des cellules et leur **grande capacité d'adaptation** (mécanique ou génétique) **Plasticité : les cell peuvent s'adapter et changer** 3. Le **marquage cellulaire** **réversible** se fait par micro-injection d'un marqueur (**colorants, enzymes**). Cependant, le marquage **se dilue à mesure** que les cellules se divisent. On ne peut donc suivre qu'un **nombre limité de divisions**. ### Marquage cellulaire irréversible par modification génétique (animal transgénique) **Il est également possible de réaliser un marquage cellulaire irréversible qui vise à modifier le génome d'un être vivant afin de pouvoir suivre sur un laps de temps illimité le développement de l'embryon.** **Un animal transgénique est un animal dont le génome est altéré par l'insertion, la délétion ou la mutation, d'un ou de plusieurs gènes (dits "transgènes")** **On modifie le génome d'un animal par exemple pour faire produire une couleur dans certains types cellulaire** **L'approche expérimentale** est l'étude de **l'origine** et de la **spécification** des cellules et leurs interactions, pour produire un embryon. **Un transgène contient** : la **séquence codante** : Que ? **Séquence régulatrice** : OÙ Prendre le génome + trans gène dans ovule -\> puis **dans mère porteuse** **Développement cellulaire** ============================ Deux états se distinguent pour une cellule : - **Indifférenciée **: elle présente des caractères **juvéniles** (peut produire n'importe quel type de cellule par division asymétrique) - **Différenciée **: elle est **mature** et fonctionnelle, et a acquis une **morphologie particulière,** grâce à de nouvelles protéines exprimées, par exemple (ce type de cellule ne peut pas produire un autre type cellulaire par division qu\'elle-même) ### 3 étapes séquencielles intermédiaires Entre ces 2 états, il y a trois étapes séquentielles que suit une cellule : c'est la **spécification**, suivie de la **détermination** et de la **différenciation**. Ces trois stades déterminent le **« potentiel de détermination cellulaire »**. Lors de la **spécification**, la cellule non-différenciée, c'est-à-dire **pluripotente**, est **instruite**, mais de façon **réversible**. Elle peut se différencier de manière autonome dans un milieu approprié.  Lors de la **détermination**, la cellule est **instruite** de façon **irréversible**. Elle peut se différencier de manière autonome, même dans un milieu inapproprié. Le destin cellulaire est fixé, même en absence de signes extérieurs (la cellule est « engagée »). La spécification cellulaire** ** Selon la nature des signaux contrôlant la spécification cellulaire, il existe **2 modes de développement embryonnaire**. ### Mode de développement des embryons (2 modes : mosaïque et régulatif) 1. Les **invertébrés** ont une **spécification autonome** précoce avec une information **maternelle,** c'est-à-dire **intrinsèque**, qui confère aux cellules **un destin invariant**. Il s'agit du développement de type « **mosaïque** ». Dans ce cas, si on fait l'expérience de séparation des blastomères, les blastomères isolés poursuivent un développement normal, comme s'ils se trouvaient encore dans l'embryon (**prédétermination** ; la cellule sait déjà à l'avance sa fonction), par exemple les cellules ciliées chez l'embryon de patelle (mollusque). **La spécification et détermination** se fait très tôt donc les cellules savent déjà quoi faire et ce qu'elles vont devenir 2. Les **vertébrés** ont une **spécification conditionnelle** (**dépend des autres cell**) Les destins cellulaires sont variables et dépendent des **interactions** cellulaires, c'est-à-dire de signaux **extrinsèques**. Il s'agit d'un développement de type « **régulatif **». Chaque blastomère par exemple peut former un embryon (les cell peuvent savoir plus tard ce qu'elles vont devenir par la communication avec d'autres cellules voisines) 3. **Spécification syncytial** (insectes) - Sous type de spécification conditionnelle ### **Spécification conditionnelle** L'expérience de séparation des **blastomères** isolés montre qu'ils refont des larves entières reconnaissables (ils sont **totipotents** (*cellules pouvant se différencier en n'importe quelle cellule spécialisée et se structurer en formant un être vivant multicellulairedes cell qui peuvent former des embryons*)) Pour la spécificité conditionnelle chez l'amphibien, par exemple, la destinée des cellules est **déterminée par « l'environnement **». L'expérience de transplantation montre que les cellules transplantées peuvent acquérir une **nouvelle identité**. Dans l'expérience d'ablation, l'embryon remplace les cellules perdues. Le marquage génétique irréversible (souris doublement transgénique) ------------------------------------------------------------------- Un animal **transgénique** (ou plante) est un être vivant génétiquement modifié, c'est-à-dire dont le patrimoine génétique (génome) a été altéré **expérimentalement** par l'homme, par **l'insertion, délétion ou mutation** d'un ou plusieurs gènes (dits « **transgènes **»). Transgène : **séquence codante (Que) ou régulatrice (Ou)** Une souris **« doublement » transgénique** est le fruit du croisement de deux souris transgéniques. L'une contient un transgène **rapporteur** (que l'on peut détecter) qui est **inactif** à cause d'un promoteur **STOP** ubiquitaire et l'autre contient un transgène **marqueur**, donc **activateur** du rapporteur. Le transgène marqueur active le transgène rapporteur car il permet de **traduire une recombinase** qui va enlever le codon STOP du transgène rapporteur Le transgène marqueur possède un promoteur d'un gène à **spécificité** **cellulaire** (d'une protéine étudiée). Chez la souris **doublement transgénique**, il y a les 2 génomes. La **recombinase**, qui est codée par le transgène marqueur, catalyse la réaction de **recombinaison entre les deux séquences IoxP du transgène rapporteur**. Vu qu'il y a deux séquences IoxP autour du STOP le recombinaison site spécifique est possible Cela va induire la **transcription** du gène puis la **traduction** de la protéine bleue que l'on détecte. **La portion STOP** entre les 2 séquences IoxP est circularisée et donc dégradée. Comme le transgène marqueur est muni d'un **promoteur à spécificité cellulaire** (d'une protéine étudiée), il ne sera exprimé que dans quelques cellules, et ces cellules sont **détectées** chez la souris doublement transgénique. *Exemple : cette méthode a permis d'associer l'activité du gène **Pdx1** au développement des cellules précurseurs du pancréas.* Cette méthode permet de faire apparaitre une protéine (de couleur normalement) au moment que l'on veut et seulement dans les cellules que l'on veut Sera transmis à la descendance Spécification conditionnelle (développement régulatif des vertébrés) ==================================================================== Passage d'information --------------------- La spécification **conditionnelle** se fait grâce à des **contacts** entre cellules qui permettent le passage de **l'information**. La communication peut être : - **Endocrine **: les signaux (hormones) sont produits par des cellules endocrines, sont déversés dans le sang et atteignent tout le corps - **Paracrine **: les signaux affectent les cellules voisines avec la notion de **gradient** de concentration (exemple : NT, facteur de croissance) - **Juxtacrine **: les signaux sont transmis par contact direct entre cellules adjacentes, via des protéines ou autres molécules de membranes; ceci affecte les cellules émettrices aussi bien que les receveuses du signal - **Autocrine **: les signaux affectent les cellules émettrices ou des cellules du même type Les voies de signalisation peuvent être très complexes. Elles affectent la **survie** ou la **destinée** d'une cellule au cours de l'ontogénèse puis assure **l'homéostasie** de **l'organisme**. Cela se fait par : - **Régulation** de l'expression génique (**différenciation** cellulaire) - **Changement** du cytosquelette ou changement des interactions avec la matrice extracellulaire (forme cellulaire, capacité de **migration** : «**EMT**» signifiant transformation entre épithélium-mésenchyme) **mésenchyme = tissu conjonctif** - **Division cellulaire (prolifération) ou mort cellulaire programmée (apoptose).** Par exemple, l'apoptose est nécessaire pour le développement des doigts.  Le développement passe aussi par la disparition de cellules. -\> apoptose Développement des doigts BMP4 -\> sépare les doigts si protéine **Gremlin -\> inhibe BMP4** -\> il y a les palmes Passage de l'information entre deux groupes de cellules (induction) ------------------------------------------------------------------- Le passage d'informations peut être de 2 types : - **Induction** (permissive ou instructive) - **Inhibition** Ce sont des interactions entre des cellules adjacentes pour se **stimuler** ou au contraire **restreindre** mutuellement le **potentiel** de **différenciation**. **L'induction, ou l'inhibition,** est le processus par lequel un groupe de cellules peut influencer le développement (comportement) d'un autre groupe de cellules adjacent (qui sont compétents) Elle se fait par **diffusion**, par **contact direct** ou par jonctions **GAP**. Deux composantes entrent en jeu : d'une part le tissu qui induit (**inducteur** ou **inhibiteur**) et d'autre part le tissu qui répond (**receveur**). **[Adhésion tissulaire] :** les cellules adjacentes communiquent entre elles par **des protéines de surface**, accrochées à la membrane, qui sont capables de se reconnaître, de s'associer ou de s'exclure. *Un exemple de dérégulation dans ce processus de communication est celui de la «** phocomélie **» qui est **l'inhibition de l'induction** du développement des membres.* *Elle est causée par la thalidomide qui est un agent **tératogène**.* L'induction et la compétence ---------------------------- Les inductions entre tissus peuvent être de deux natures : - **Induction instructive** : le passage de l'information **déclenche** un **mécanisme (on donne une info)** **Ex : une cellule A (inductrice) informe un autre cellule B du type de différenciation dans lequel elle doit s'engager (une cellule donne l'info a une autre cellule pour savoir quoi faire)** - **Induction permissive **: le passage d'une information permet à un état intrinsèque de se réaliser, c'est-à-dire qu'il permet **l'acquisition** d'une **compétence (on donne une permission)** **Ex : le milieu A autorise B à exprimer la différenciation pour lequel il était prêt (ex : l'induction du tube neural est une induction permissive car les cell savaient déjà quoi faire mais attendait juste le signal)** La **compétence** est la propriété d'un tissu particulier à **recevoir un signal inductif**, il s'agit d'un phénomène **actif** de la part du tissu receveur tous les tissus qui recoivent une induction doivent être compétent Deux composantes : d'une part un tissu induit (inducteur) d'autre part le tissu qui répond (receveur) Induction du cristallin et de la rétine - **Fait une chaîne hassoul** ### Exemple d'induction (instructive) formation de l'oeil [Exemple] : **induction** de la lentille (cristallin) et de la rétine par la vésicule optique dans le développement de l'œil : Ces deux tissus sont d'origine **ectodermique**. Il s'agit d'une **induction** du neuroectoderme (vésicule optique) et d'une **compétence** de l'ectoderme (lentille). Nous pouvons constater que si les deux tissus sont à proximité (1), l'induction fonctionne et il y a bien le développement du cristallin. Cependant, si la vésicule optique est placée à un autre endroit (2), il n'y a pas de développement du cristallin car la vésicule optique ne peut pas induire un ectoderme qui **n'est pas compétent**. Si l'on retire la vésicule optique (3), il en est de même, l'induction n'a pas lieu. Enfin, si à la place de la vésicule optique un autre tissu est introduit (4), il n'y a pas induction non plus. Tout ceci tend à montrer que pour un développement normal, il faut que le tissu inducteur et le tissu receveur compétent **soient à proximité**. Ici le tissu receveur (compétent) est à l'ext et le tissu inducteur est vers l'int En cas de **problème de morphogenèse**, il est souvent difficile de savoir de quel côté se trouve le défaut (inducteur ou receveur) car le résultat est identique dans les deux cas. ### Autre exemple (gène Pax6) [Un autre exemple] : celui du gène **Pax6** qui permet l'induction de l'œil. Effectivement, si ce gène est muté, il n'induit pas la formation d'œil. Ce gène code-t-il pour un **facteur d'induction ou de compétence ?** Pour le savoir, il suffit de reconstruire l'induction in vitro en combinant de **l'ectoderme compétent** à une vésicule optique (inductrice). Les résultats montrent que le gène Pax6 code pour une protéine **nécessaire** à la **compétence** de **l'ectoderme** de surface pour répondre à l'induction de la vésicule optique. Le gène Pax6 permet la **compétence du tissu** receveur d'information (donc s'il est muté il y a une information qui est envoyé par le tissu inducteur mais le tissu receveur n'est plus compétent) Le mécanisme d'induction est souvent **réciproque**, le tissu induit devenant **lui-même inducteur**. Par exemple, la lentille, une fois induite, va à son tour induire la formation de la **rétine et de la cornée**. Il s'agit donc d'**induction en cascade.** Champ morphogénétique --------------------- Dans la spécification conditionnelle, il existe des **gradients morphogénétiques** (par **diffusion** d'une molécule soluble) qui donnent une **information de position** et des **coordonnées spatiales** à la cellule. Cette information produit des modes très complexes de comportement cellulaire, et génère des **patterns de morphogenèse**. Cela crée des populations cellulaires **homogènes et coordonnées**. Il y a des champs embryonnaires, et l'information positionnelle spécifie **quels gènes sont exprimés** par les cellules qui s'y trouvent. Un **champ morphogénétique** correspond à un **groupe** de **cellules** dont la **position** et le **destin** sont **fixés** par le même jeu d'information et de signaux. Des cellules vont produire et émettre des molécules solubles dans un milieu (donc le plus proche on est de ces cellules émettrice le plus de molécules il y aura et le plus on s'éloigne le moins de molécules il y aura) dépendant de la concentration de ces molécules (morphogènes) les cellules vont réagir différemment **Par conséquent, le champ lui-même a un destin. = espace cartésien** Cependant, les cellules à l'intérieur de ce champ ne sont **pas nécessairement fixées**. Par exemple, la formation des membres suit ce genre « d'écosystème cellulaire » (doigts). Le champ morphogénétique dépend de la notion de **gradient** (concentration décroissante d'un morphogène) qui peut être représenté selon le modèle du drapeau français. **Gradient :** cellule émet un signal et la distance par rapport à la cellule détermine la concentration de ce signal. Cela **induit une concentration décroissance de morphogène.** *Un **morphogène** est une molécule (protéine ou lipide) qui **spécifie** différents **types cellulaires** ou **différentes régions** d'un organisme **selon** sa **concentration**.* *Les morphogènes jouent un rôle essentiel au cours du développement embryonnaire pour donner une **information de position aux cellules** et **former des axes de polarité.*** *Un exemple de gradient morphogénétique est la **régénération** chez les planaires (verts plats).* *Couper en deux -\> 2 nouveaux -\> couper en 3 -\> 3 nouveaux* **Spécification du mésoderme par un gradient d'activine** On a observé un **gradient d'activine** chez l'embryon de grenouille. C'est ce gradient d'activine qui induit la **spécification du mésoderme**. Avec différentes concentrations d'activine, lors de la formation du mésoderme, ce sont différents types cellulaires qui sont générés. En **fonction de la quantité d'activine**, les cellules ont des destinées différentes. Morphogenèse ------------ **La morphogenèse** est le processus par lequel les cellules différenciées vont **s'organiser** dans **l'espace** et le **temps** de sorte à former un organisme cohérent Elle se fait grâce à **l'adhésion cellulaire** et à la **signalisation intercellulaire**. **La morphogenèse commence avec la gastrulation,** qui donne lieu à **l'ectoderme, le mésoderme et l'endoderme**. -\> 3^e^ semaine Les **migrations** cellulaires sont possibles grâce aux **transformations « épithélium-mésenchyme **» (EMT), comme par exemple la formation des feuillets germinaux, celle du cœur\... **L'adhésion cellulaire** se fait grâce à des molécules **comme les cadhérines**. Il existe des cadhérines de types différents selon les types cellulaires : cadhérines épithéliales (E), cadhérines neurales (N), etc. **Les transformations « épithélium-mésenchyme »** se font par **modification des protéines de surface (molécules d'adhésion)** et du **cytosquelette** et permettent des mouvements comme la **migration** de cellules de la crête neurale, la formation des feuillets embryonnaires (gastrulation), etc. *La formation de la crête neurale, par exemple, se fait grâce au triage des cellules exprimant différentes cadhérines.* L'approche expérimentale (2) : la génétique =========================================== Il y a **2 familles de « gènes du développement » **: - Les **gènes d'architecture **: permettent la formation du corps (complexe des gènes **Hox**) - Les **gènes contrôleurs** (ex : PAX6) Ces gènes codent pour des **facteurs de transcription** qui contrôlent l'expression (c'est-à-dire l'activité) d'autres gènes, donc la **différenciation cellulaire**. Si ces gènes sont exprimés ils décident d'exprimer ou pas d'autres gènes importants pour la croissance ### Gènes Hox Les gènes Hox sont communs à tous les animaux bilatériens. - Issus d'**une double duplication** L'expression des gènes Hox est contrôlée par les gènes « **gap** » et «** pair-rule** », à leur tour, contrôlés par des **ARNm maternels** (chez les insectes) ou par la présence **d'acide rétinoïque qui est un facteur de croissance** (dérivé de vitamine A ; chez les mammifères). L'activité des protéines Hox est impliquée dans l'établissement de **l'identité cellulaire** le long de **l'axe antéro-postérieur** (« information positionnelle »), elle contrôle la **régionalisation** **corporelle** (« champs embryonnaires »). ### Les somites (gérés par les gènes Hox) Cela est contemporain à la formation des **somites** (**métamères**), qui définissent les segments corporels répétés qui s'ajoutent les uns après les autres, permettant la **croissance longitudinale du corps**. Les **somites** sont des blocs de **tissu épithélial** **mésodermique** (« mésoderme paraxial »), qui se forment de part et d'autre du tube neural dans une séquence **antérieur à postérieur** (**selon un gradient morphogénétique de FGF**), et qui développent le squelette axial, la musculature et le derme. Les **nerfs spinaux** et les cellules de la **crête neurale** migrent à travers les espaces définis entre les somites adjacents. Plans et axes du corps ---------------------- L'homme, **bipède**, a des plans différents des animaux. Ceci est dû à une rotation ventrale de l'axe de la tête de 90°. Gènes d'architecture (Hox) -------------------------- Les gènes Hox (4 complexes (familles) de gènes dupliqués, sur 4 chromosomes différents) contrôlent la **régionalisation corporelle**, antéro-postérieure, des somites (segments corporels répétés : métamères). On considère que les complexes sont issus d'une **double duplication** d'un chromosome ancestral au cours de l'évolution : une première duplication crée un couple de complexes, puis ce couple s'est à nouveau dupliqué. **Bras** : somites **C4-8 et T 1-2** **Jambe** : somites **L2-5 et S1-3.** Les gènes sont placés sur les chromosomes **dans l'ordre temporel** dans lequel ils sont exprimés, et l'ordre des régions du corps définies par chacun d'eux. Les Hox donnent l'**identité cellulaire**. Selon l'expression des différents gènes, on peut attribuer à chaque cellule embryonnaire une valeur dite positionnelle au sein de sa population. ### Formation des dermatomes par les gènes Hox Grâce à ces gènes Hox, on a ce qu'on appelle des **dermatomes**, un dermatome étant une surface de la **peau innervée par un même nerf spinal**. On voit ici que sur l'axe antéro-postérieur chaque partie de la peau est innervé par un différent nerf spinal (donc les gènes Hox donnent l'ordre des régions de la peau) Gènes contrôleurs (Pax6) ------------------------ Pax6 est un gène **contrôleur**. Des mutations du gène Pax6 chez l'homme produisent toute une série de **défauts du développement** congénitaux des yeux (aniridie). L'expression de Pax6 est **nécessaire et suffisante** pour la formation d'un œil. La protéine Pax6 est très **conservée** au cours de l'évolution. C'est un gène qui permet l'induction et la compétence d'un tissu L'équivalence génomique (même génome pour presque toutes les cellules) ====================================================================== Chaque **cellule** du **corps** a le **même** **génome**, hormis quelques exceptions : - Les **gamètes** n'ont que la moitié des chromosomes, comparés aux cellules somatiques - Les **lymphocytes** possèdent des gènes des immunoglobulines obtenus grâce une recombinaison chromosomique unique - Les **érythrocytes** (globules rouges) ne possèdent pas de génome puisqu'ils sont anucléés pendant la différenciation (perdu leur noyau) En principe, toutes les cellules ont les **mêmes potentialités**. Ce qui change entre les types cellulaires est « **l'épigénome** » et les mutations qui s'accumulent avec le temps. ### Cellules iPS **L'équivalence génomique** est démontrée par le **clonage**, qui révèle les capacités de «** reprogrammation** » d'une cellule **différenciée**, à l'aide de la **technologie iPS**. Des cellules souches indifférenciées et pluripotentes persistent dans l'organisme adulte (grâce aux divisions asymétriques). On peut **reprogrammer une cellule différenciée par recréer une cellule indifférenciée** ### Création clones à partir de cellules somatiques **Les cellules souches pluripotentes induites (iPS cells)** sont des cellules pluripotentes obtenues à partir de cellules **somatiques** adultes. Elles permettent de **contourner les problèmes éthiques** liés aux cellules souches embryonnaires (clonage d'embryons humains). Cette technique permet de fabriquer des cellules souches **« à la carte »** pour la médecine régénératrice. La brebis Dolly fut le premier mammifère cloné à partir du noyau d'une cellule somatique adulte, par **transfert nucléaire**. Cette manœuvre est la **SCNT** (somatic cell nuclear transfer) : un animal vivant peut être produit à partir du **noyau d'une cellule autre que l'œuf** (c'est-à-dire une cellule somatique) en l'injectant **dans un ovocyte énucléé.** Les clones ne sont malgré tout **pas forcément identiques**. Le clonage ne démontre pas de façon formelle une égalité génétique **absolue** entre toutes les cellules, car des inégalités pourraient ne pas être forcément visibles : - **Seul un petit pourcentage du génome contient des gènes codants** (2%), et un pourcentage variable de gènes est exprimé par la cellule. - Nous sommes des « **mosaïques** » génétiques (les génomes de nos cellules ne sont pas parfaitement identiques) La fréquence des **mutations** est relativement élevée, avec 30 mutations par mitoses. **L'inactivation** d'un des deux **chromosomes X** dans chaque cellule chez les femelles des mammifères est aléatoire. Il y a également **l'ADN mitochondrial**