Embryogenèse : premières étapes du développement embryonnaire - Chapitre 1

Embryogenèse:es première étapes du développement embryonnaire I -- introduction Embryogenèse : - développement des organismes multicellulaires : à partir d\'une cellule unique = cellule-œuf/Zygote - Développement embryonnaire → organes complexes et variés Comment à partir d\'une seule ce...

Embryogenèse:es première étapes du développement embryonnaire I -- introduction Embryogenèse : - développement des organismes multicellulaires : à partir d\'une cellule unique = cellule-œuf/Zygote - Développement embryonnaire → organes complexes et variés Comment à partir d\'une seule cellule les divisions cellulaire vont elle permettre d\'obtenir des cellules très différentes les unes des autres ? Comment ces cellules vont être capables de s\'organiser en structures différenciées avec des hauts niveaux d\'organisation et de différenciation ? Qu\'est ce qui va contrôler le comportement de chaque cellules pour conduire à ce niveau d\'organisation et à cette différenciation spécifique ? Quels sont les principaux organisateurs du développement embryonnaire contenus dans le zygote ? Aristote : 2 hypothèse : - Conception preformationniste → Développement = accroissement de taille. Tous les êtres seraient préformés et n\'auraient qu\'à grandir pour former un individu - Épigenèse : apparition progressive de nouvelles structures Au XVII e siècle la conception preformationniste était défendue, en Europe on pensait que les être vivant étaient des créations divines. Marcello Malpighi a décrit en détaille grâce au microscope le développement de \'embryon de poulet mais en dépit de ses observation il a affirmé que les parties étaient trop petites pour être observé donc la conception preformationniste dominait. Nicolas HARTSOEKER (1694) : Embryon contenu dans le spermatozoïde. Petit homme observable dans la tête du spermatozoïde humain. C\'est la découverte des cellules au XIX e siècle qui a mis fin au débat préformation et épigenèse. Matthias SCHLEIDEN, Theodor SCHWANN (1838-1839) ont énoncés la théorie cellulaire selon laquelle : - Tous les êtres vivants sont constitués de cellules. - Formation des êtres vivants à partir de la division d'autres cellules. → Zygote = cellule unique spécialisée Toute individu se forme à partir du zygote. Il entre en division pour former un organisme multicellulaire. Fin XIX e siècle Auguste WEISMANN a mis en évidence la différence entre cellules germinales et cellules somatique selon laquelle La descendance reçoit les caractéristiques contenues dans les gamètes. L\'observation de l\'oeuf d\'oursin a mis en évidence que la fécondation donne un zygote avec : 2 noyaux ; contribution des deux parents. Le Noyau est donc le support de l'hérédité. Zygote : chromosomes provenant en nombre égal des deux noyaux gamétiques. = Base de la transmission des caractères héréditaire. Gregor Mendel a établit qu\'au sein des gamètes il y avait une division particulière appelée méiose. Elle permet une réduction du matériel chromosomique. Elle fait passé des cellules diploïdes à des cellules haploïdes que sont les gamètes. Au moment de la fécondation c\'est le mélange de ces deux gamètes haploïdes qui vont établir la diploïdie au sein du zygote. En 1880, Auguste Weismann a proposé l\'hypothèse des déterminants nucléaires, au sein du zygote dans son noyau il proposait qu\'il y ait existence de déterminants nucléaires et que les premières divisions cellulaires vont être asymétrique permettant une distribution inégale des composants nucléaires et ainsi déterminer son destin cellulaire. Wilhelm ROUX (1890) : A partir d\'un embryon de grenouilles fécondé et suite à la première division cellulaire, il a détruit l\'une des deux cellules à l\'aide d\'une aiguille chaude, il a observé que la cellule d'à coté à continuer à se développer jusqu\'à former une demi larve. Même si il détruit l\'une des deux cellules elles restent attaché, ce lien est un frein au mécanisme de compensation. Hans DRIESCH (1890) : A partir d\'un stade de cellule, il a séparé les deux cellules pour observés ce qu\'elle devenait, il a observé que des larves plus petites que la normale se développaient. Pendant longtemps on a eu l\'embryologie d\'un coté et la génétique de l\'autre. 1940's : codage des protéines par les gènes. Propriétés des cellules déterminées par les protéines contenues. Les organismes modèles : Vertébrés : - Mammifères : souris - Poissons : Poissons zèbre - Oiseaux : Poulet - Amphibiens : grenouilles, Xénope Invertébrés : - Échinodermes : oursin - Insectes : drosophile - Nématode : Caenorhabditis elegans Reproduction sexuée et développement : Le zygote est le résultat de la fécondation. La première étape de développement embryonnaire se nomme la segmentation, c\'est une étape de divisions cellulaire intense et qui conduit à embryon nommé blastula. La seconde étape se nomme la gastrulation, les cellules migrent de manière coordonnées pour mettre en place «  feuillets embryonnaires qui portent le nom : d\'ectoderme, de mésoderme et d\'endoderme. Ces 3 feuillets permettent la formation de toutes les cellules de tous les organes et tous les systèmes de l\'organisme. Cette étape conduit à la formation de l\'embryon nommé gastrula. La troisième étape se nomme la neurulation, c\'est la mise en place du système nerveux, pendant laquelle les cellules continuent à s\'organiser entre elles jusqu\'à former un embryon possédant le plan d\'organisation caractéristique de l\'espèce. L\'embryon se nomme alors neurula. La 4 ème étape se nomme organogenèse c\'est la période pendant laquelle les organes se différencient. Pour former l\'embryon. II- Ovocytes et fécondation 1. Ovocytes et réserves ovocytaire Le gamète femelle est un ovocyte bloqué en deuxième division méiotique et qui résulte du processus d\'ovogenèse. Pendant l\'ovogenèse les ovocytes vont accumuler un certain nombre de réserves qui vont différer en fonction des espèces. On classes ses réserves en fonction de leur teneur et de leur distribution : - Ovocytes hétérolécithes ( organismes qui ont beaucoup de vitellus) → Amphibiens - Ovocytes télolécithes (vitellus séparé du cytoplasme actif de l\'ovocyte) → Oiseaux, reptiles, poissons - Ovocytes alécithes → Mammifères supérieurs - Ovocytes oligolécithes ( un peu de vitellus dans l\'ovocyte) → Échinodermes - Ovocytes centrolécithes (vitellus en position centrale mais séparé du cytoplasme) → Insectes L\'ovocyte hétérolécyte accumule des r »serves qui lui seront nécessaire pendant le développement embryonnaire précoce, chez l\'amphibien la femelle pond en environnement aquatique et le mâle libère les spermatozoïde en milieu aquatique. Fécondation en milieu aquatique. L\'embryon doit se contenter de ses réserves. Les réserves s\'accumulent au sein de l\'ovocyte 1. On a des réserves endogènes et des réserves exogènes ( vitellus). Le vitellus s\'accumule pendant la vitellogenèse. Les réserves endogène : accumulés par l\'ovocyte 1 : - Métabolites : acides aminés, glucides, phosphore, vitamines, glycogène, organelles... - Protéines : protéines de structure, enzymes, facteurs de transcription, facteurs de croissance - Acides nucléiques : ARNm, ARNr, ARNt. Les réserves exogènes sont accumulés par l\'ovocyte 1 mais fabriquées par l\'organisme maternelle, il s\'agit de la vitellogenine et pendant l'orogenèse elle est produite par le foi maternelle. La vitellogenine est véhiculée par le sang pour rejoindre les ovaires et est incorporée par l\'ovocyte 1 et transformée pour être stockée sous forme de plaquettes vitellines → elles constituent les réserves en vitellus de l\'ovocyte. Vitellus est là pour permettre à l\'embryon de se fournir en nutriments. Dans l\'ovocyte 2, on remarque un noyau en position excentrée dans l\'ovocyte, il est localisé à un pôle que l\'on appelle pole animal PA. Le pôle diamétralement opposé se nomme pôle végétatif PV. On définit un hémisphère animal et un hémisphère végétatif. Au sein de cet ovocyte les réserve accumulés ne sont pas distribués de manière symétrique et homogène mais on aura une distribution asymétrique et hétérogène des organites qui permettent de définir un certain nombre de gradients. - Gradient vitellin : lorsque l\'ovocyte accumule du vitellus, il va préférentiellement s\'accumuler du côté de l\'hémisphère végétatif. On pourra avoir des plaquettes vitelline dans l\'hémisphère animale mais leur densité sera moindre. - Gradient de ribonucléo-protéine : certaines protéines vont préférentiellement s\'accumuler à proximité du noyau dans l'hémisphère animale, tandis que d\'autres ARN et d\'autres protéines seront spécifiquement adressées au pôle végétatif. Ex : la protéine dishevelled (dsh) Les organites vont se positionner sous la membrane plasmique dans la partie corticale du cytoplasme, on parlera de Cortex. C\'est dans cette partie corticale que l\'on trouvera les mitochondries. Chez les amphibiens dans le cortex de l'hémisphère animale on trouvera des pigments. Ces gradients confèrent une polarité à l\'ovocyte et lorsque le zygote va entrer en division cellulaire, toutes les cellules filles n\'hériteront pas du même cytoplasme. 2. La fécondation chez l\'amphibien l\'ovocyte 2 constitue la cellule ovulé par la femelle, il a une symétrie radiaire avec un axe qui passe par le pôle animal et le pôle végétatif, elle présente une polarité structurale et une polarité moléculaire avec un distribution spécifique de certaines protéines et certains ARN. Pour l\'ovocyte 2 au moment de la fécondation elle déclenche des réactions d\'activation qui concernent la membrane, le cytoplasme et le noyau, elles permettent l\'activation du métabolisme de la cellule œuf, d\'un point de vu métabolique vont se produire des synthèse d'ADN, l\'activation des mitoses, le déclenchement des synthèse de protéines, elles permettent également le blocage de la polyspermie et conduisent à l\'initiation du programme de développement. Avant la fécondation on a un ovocyte entouré de sa membrane plasmique et qui a une orientation aléatoire de son axe pôle animal/pôle végétatif. Lorsque la fécondation à lieu , ces réactions d\'activation change les caractéristiques membranaires de la cellule et ces changements vont faire que la membrane plasmique se désolidarise de la membrane vitelline présente autour d\'elle, la membrane vitelline devient la membrane de fécondation. Cette désolidarisation créé l\'espace péri-vitellin ce qui libère la cellule de ses enveloppes, la cellule s\'oriente selon les loi de la pesanteur. A l\'intérieur de la cellule le vitellus est plus lourde que le reste du cytoplasme donc la cellule s\'oriente avec le pole végétatif en bas et le pole animal en haut. Cette rotation à lieu environ 30 min post fécondation, on la nomme rotation d\'équilibration. Environ 1h après la première rotation, une deuxième rotation à lieu, elle correspond à un déplacement d\'une partie du cytoplasme dans la cellule. C\'est une rotation qui concerne seulement le cytoplasme cortical, il se déplace dans la direction du point d\'entrée du spermatozoïde. Une partie du cytoplasme se déplace ver le pôle végétatif avec un angle de 30°. Les pigments du cytoplasme du pôle animal se déplace selon un angle de 30° vers le point d\'entrée du spermatozoïde. L\'espace auparavant pigmenté devient dépigmenté, il correspond au croissant dépigmenté, il est fonctionnellement très important pour la suite du développement embryonnaire parce qu\'il correspond à la futur région dorsale de l\'embryon. La rotation corticale définit l\'axe dorso-ventral. Lors de la rotation corticale la protéine dishevelled migre avec un angle de 30°, ces modifications qui suivent la fécondation induisent une redistribution de la protéine dsh qui se libère de ses microtubules et de placent dans ce qui va devenir la partie dorsale de l\'embryon. La GSK3 est bloquée, ce blocage est impliqué dans la dorsalisation de l\'embryon. segmentation : phase pendant laquelle une succession de division fait passer l\'oeuf de l'état unicellulaire à un état pluricellulaire. Les premières division se font sans accroissement de volume par rapport au zygote/ Dans la blastula on trouve une cavité de segmentation qui se nomme blastocèle. Les cellules filles qui se forment portent le nom de blastomère. La segmentation est dé&pendante des contraintes physique de l\'oeuf. Pour certaines cellules œuf on aura une segmentation totale. → holoblastique → égale ou inégale (chez l\'amphibien) Dans d\'autres cas on aura une segmentation partielle. → méroblastique La répartition inégale génère des blastomères de tailles différentes : - Gros : macromères - Petits : micromères CHEZ L\'amphibien : à partir de la 3 ème division cellulaire on a des cellules de différentes tailles 2. La segmentation chez l\'amphibien Au stade 4 cellules on a 4 blastomères qui sont identiques en taille et en apparence. Hans Spemmann  a disséqué les blastomères ventraux et dorsaux pour s'intéresse à leur devenir et tester leur potentialité de développement. Plusieurs plans de segmentation : à l\'issu de la première division on peut avoir une cellule qui hérite de tout le croissant gris ou un situation où les deux cellules filles auront une partie du croissant gris. Quand il Spemmann met en culture une cellule qui contient tout ou une partie du croissant gris il obtient un développement normal en revanche si il met en culture une cellule sans croissant gris il obtient des vésicules indifférenciés. Mise en évidence de l\'importance du croissant gris pour le développement embryonnaire. Caractéristique de la segmentation : pendant les premiers cycle de division cellulaire, il n\'y a pas expression du génome embryonnaire. Les cellules utilise ARN et protéine stockées pendant l\'orogenèse pour fabriquer les nouvelles cibles. Ces réserves finissent par s\'épuiser et les cellules doivent prendre le contrôle du génome embryonnaire, o observe alors l\'activation du génome embryonnaire qui a lieu pendant la segmentation afin de démarrer l\'activité transcriptionnelle Chez l\'amphibien les 10 à 12 premier cycle de division se font sans activité transcriptionnel. L\'activation du génome embryonnaire se font au moment de la transition blastuléenne. Pendant cette transition les cellules utilise la fois ARN et protéines d\'origine et les ADN et protéine nouvellement produits par l'embryon par transcription de son génome. Cette activation débute dans un état de silence transcriptionnel. La blastula obtenue en fin de segmentation possède une cavité de segmentation nommée blastocèle. Constitution de 2 feuillets, on parle d\'embryon à deux feuillets ou d\'embryon diblastique. Le blastocèle est localisé dans l'hémisphère animal, il a comme toit des micromères et pour plancher des macromères. Pour ce former le blastocèle est mis en place suite à deux mécanismes. Premièrement les espaces intracellulaire vont fusionner et par ailleurs on observe une variation de pression osmotique qui va stimuler une entrée liquidienne et accroître son volume. Les micromères se distinguent en micromères superficielles et profonds. Les micromères superficiels établissent entre eux des jonctions serrées qui assurent une couche de cellules cohésive afin de réaliser une ceinture d\'étanchéité pour la blastula. Les micromères profond établissent entre eux des jonctions communicantes afin d'échanger des petites molécules pour synchroniser l\'évolution du groupe de cellule vers un même devenir. Les micromères en bordure du blastocèle produisent des glycoprotéines qui forment un manteau sur le toit du blastocèle, elles sont organisées en réseau et forment la matrice extracellulaire, on la trouve uniquement sur les micromère qui tapissent le toit du blastocèle. Protéine spécialiste des interactions cellules/cellule : Cadhérines Intégrines : interactions cellule - matrice extracellulaire les protéines d\'adhésion ont un rôle fondamentale dans la mise en place, la réalisation et l\'agencement des feuillets embryonnaires. A ce stade de développement embryonnaire → Blastula, Nieuwkoop s\'est intéressé au pôle de développement de la blastula. Il a disséqué les cellules de la calotte animale, il a pris les macromères des cellules végétatif, la zone équatorial et la zone marginale. Il s\'est aperçu que les cellules évoluent différemment en fonction de leur position. Les cellules de la calotte animale forme des cellules épidermique. → ectoderme Les cellules de la partie marginale : forme des cellules épidermique → mésoderme Les cellules de l'hémisphère végétatif : cellules endodermique → endoderme Dès la fin de la segmentation on a des cellules progénitrice qui donneront toutes les cellules de l\'embryon ultérieurement.