La segmentation - DSI friends 972

La segmentation 1) Mise en place de la morula Quand un œuf est fécondé ou activé, sa segmentation débute. Les 3 feuillets, que sont, l’ectoderme, le mésoderme, et l endoderme, se mettent en place selon les axes de polarité de l’embryon lors de la gastrulation et de la neurulation. L’embryon qui se segmente est appelé blastula, il est caractérisé par une activité mitotique intense .Au sein de la blastula apparait une cavité de segmentation appelée blastocœle. Les cellules filles qui composent la blastula sont des blastomères. Le mode de segmentation est fonction de la quantité de réserve en vitellus que l’œuf aura accumulé, de ce fait on distingue différents types d’œufs : -­‐Un œuf alécithe est un œuf ayant aucune réserve vitelline. -­‐Un œuf oligolécithe est un œuf ayant peu de réserve vitelline -­‐Un œuf hétérolécithe est un œuf ayant des réserves vitellines relativement importantes mais inégalement réparties (c’est le cas des amphibiens). Un œuf télolécithe est un œuf au vitellus abondant, présent chez les reptiles, oiseaux et mollusques. Un œuf centrolécithe est un œuf au vitellus placé au niveau central, terme spécifique aux insectes Chaque phylum possède un mode caractéristique de segmentation, fonction de l’abondance et de la distribution des réserves en vitellus de la cellule œuf. On observe deux types de segmentation : -­‐Une segmentation holoblastique ou totale, où l’œuf se divise dans son intégralité. -­‐Une segmentation Méroblastique ou partielle, ou seule la région du cytoplasme pauvre en vitellus, se divise. Une segmentation holoblastique peut engendrer des cellules filles de taille identique ou différente. La segmentation holoblastique est égale au début du développement puis devient inégale après les premières divisions. On distingue quatre types de segmentation holoblastiques selon l’orientation et les positions des plans de divisions : -­‐Une segmentation radicalaire, caractérisée par une succession de plans méridiens et latitudinaux (amphibiens). -­‐Une segmentation spirale, marquée par la rotation entre chaque cycle de division, d’un angle de 45° par rapport à l’axe pole animal/pole végétatif. -­‐ Une segmentation bilatérale, marquée par le fait que pendant les divisions , les cellules se répartissent de part et d’autres des axes antéro-­‐postérieurs , dorsal-­‐ ventral ,du futur embryon -­‐ Une segmentation rotationnelle, au stade de cellule, l’un des blastomères se divise selon un plan méridien, et l’autre selon un plan équatorial. Il existe deux types de segmentation Méroblastique : -­‐Une segmentation discoïdale -­‐Une segmentation superficielle Dans une segmentation discoïdale, les divisions sont restreintes à une région cytoplasmique dépourvue de réserve vitelline. La segmentation s’initie par des plans méridiens, puis transversaux. On obtient alors la formation d’un disque de cellules au-­‐dessus du vitellus (oiseaux, reptiles et certains poissons). Il y a une segmentation superficielle observée chez les insectes et les crustacés. Au début de la segmentation seuls les noyaux se divisent et forment ainsi le syncytium. Ensuite les noyaux migrent à la périphérie de l’embryon. Les membranes plasmiques qui apparaissent, proviennent de la membrane plasmique de l’œuf ; et entoure chaque noyau. 2) Descriptions des premières divisions Premier plan de division : Le premier plan de segmentation est vertical/méridien selon l’axe pole animal/pole végétatif. Le sillon de segmentation est initié au pôle animal et se propage vers le pole végétatif. Il divise l’œuf en cellule de tailles identiques : les blastomères. Dans le pole animal, le sillon se propage à une vitesse estimée à 1mm/min. Alors que dans le pole végétatif la vitesse est de l’ordre de 3.10-­‐3 mm/min. Pour la plupart des espèces, le premier plan de division passe dans la moitié des cas par le plan de symétrie bilatérale (= croissant dépigmenté ou gris). Second plan de division : Le second plan de la segmentation est également méridien et vertical, et perpendiculaire au premier, il va donc diviser l’œuf en quatre blastomères identiques en taille et en apparence, mais cela ne signifie pas qu’ils aient la même composition moléculaire, ni les mêmes potentialités de développement. Il a été démontré qu’en isolant chacun des blastomères, au stade 2 ou 4 cellules, que les blastomères dorsaux, qui contiennent tout ou en partie du croissant gris, poursuivent leur développement et produisent deux embryons. En revanche les blastomères ventraux qui n héritent pas de croissants gris, continuent de se diviser et forment des vésicules indifférenciés. L’analyse histologique, révèle dans ces blastomères ventraux, la présence de cellules épithéliales de type épidermique, de cellules mésenchymateuses, mais également des cellules sanguines et des cellules endodermiques. Au final, ceci suggère qu’il existe au sein du croissant gris, des facteurs ou des déterminants, qui contrôlent la réalisation du programme de développement. Une expérience consistant à ligaturer un œuf, juste après la fécondation, a montré que l’hémisphère qui contient le noyau se divise. Au stade 8 ou 16 cellules, si on relâche la ligature, un noyau peut passer du coté qui en était dépourvu, si ensuite on resserre la ligature pour séparer définitivement les deux hémi-­‐embryons, et qu’on laisse le développement se poursuivre, on obtient alors deux embryons. Ceci permet de conclure que les noyaux sont génétiquement identiques, et capables de diriger un développement harmonieux. Troisième plan de division : A partir de ce troisième plan de division, la segmentation devient inégale, le troisième plan est lui, horizontal et est placé légèrement au-­‐dessus de l’équateur. Il conduit à la formation de 8 blastomères inégaux, quatre que l’on qualifiera de micromères dans l’hémisphère animal, et quatre macromères dans l’hémisphère végétatif. A l’issue de cette troisième division, les divisions suivantes se font suivant une alternance de plans horizontaux et méridiens, au stade 16 blastomères, l’embryon prend la forme dite de morula. Une analyse histologique a montré qu’au cours de la segmentation, le plasme germinal, qui est localisé au pôle végétatif, vont remonter progressivement, le long du premier sillon de segmentation. Au stade de 4 blastomères, ce plasme germinal va former quatre masses de cytoplasmes, qui vont se repartir en quatre cellules. Ce mouvement du plasme germinal est sous la dépendance de microtubules et des protéines de l’œuf, au final à la fin de la segmentation, le plasme germinal ne va être distribué que dans un nombre restreint de macromères au niveau végétatif. 3) Contrôle de la transcription du génome et des divisions par des facteurs cytoplasmiques : La segmentation est marquée par l’activation et la reprise de la transcription du génome d’un nouvel organisme, mais il y a également un contrôle précis de division et la formation de nouvelles membranes plasmiques. -­‐transition blastuléenne : Au tout début de la segmentation les divisions sont rapides, car la durée de chaque cycle, est réduite en absence des phases G1 et G2 du cycle cellulaire. Un cycle dure 35 minutes chez les anoures, et le double chez les urodèles, les divisions sont synchrones jusqu’ aux 10-­‐12 eme cycles mitotique. Jusqu’ à ce moment l’embryon contient 4096 cellules, a partir de là il se produit un allongement des cycles de division, liée a l’introduction progressive des phases G1 et G2. La durée des divisions devient inégale, principalement a cause de la surcharge en vitellus des blastomères végétatifs, de telle sorte que ces blastomères végétatifs sont moins nombreux mais plus volumineux que les blastomères du pole animal. Cette désynchronisation des cycles qui s’accompagnent de la reprise de la transcription, est appelé la transition blastuléenne. La reprise de la transcription est sous le contrôle de protéines stockées lors de l’ovogénèse, ce sont des facteurs de transcription. Ces facteurs de transcription viennent se fixer sur des séquences nucléotidiques que l’on retrouve au niveau des promoteurs de certains gènes. Entre la fécondation et la transition blastuléenne la réplication de l’ADN est rapide, la transcription semble être inactivée, mais la traduction des ARN messagers maternels, permettant la synthèse des protéines, indispensables aux premières étapes de développement, est active. A partir de la transition blastuléenne deux nouveaux ARN messagers sont transcrits, ils représentent les premières expressions des gènes du zygote, si bien que coexistent, des ARN messagers et des protéines d’origine maternelles, et des protéines zygotiques. Contrôle des cycles de division : Les divisions de segmentation impliquent une coordination spatio-­‐temporelle du cycle mitotique, et un contrôle très précis du doublement des noyaux et des organites. Il y a des chercheurs qui ont montrés, que le facteur qui débloquent la division méiotique, joue également un rôle au cours des divisions de mitose, lors de la segmentation. Les cycles de divisions sont donc sous le contrôle du complexe protéique appelé le MPF (maturation promoting factor). Il est associé a une protéine, une cycline nommée cycline B, ainsi qu’une protéine kinase dénommée CDC2 qui pourra, elle, s associer a une autre cycline. Il semblerait qu’une sous unité inhibitrice des kinases interviendrait dans l’activité du MPF, cette activité varie de manière cyclique, et après la fécondation, l’activation de l’œuf provoque la synthèse de la cycline, cette cycline se complexera avec la kinase, le MPF devient alors actif, lorsque la réplication de l’ADN est terminée. Son activité est liée à son état de phosphorylation. Le MPF activé, engage les cellules à rentrer en phase M, et quand il est inactivé, il prépare la phase S du cycle cellulaire. Donc la perte ou le gain d’activité du MPF contrôle l’entrée en mitose en phase S. Structure de la blastula : A partir du stade morula, les divisions sont asynchrones, et conduisent à la formation d’une blastula, au plan anatomique, l’embryon est alors constitué de deux groupes de cellules, de types différents et qui entourent une cavité, que l’on appelle blastocœle. C’est un embryon diblastique, le toit, la partie supérieure du blastocœle est limitée par les cellules de l’hémisphère animal, et le plancher, la partie inférieure, est formé par les blastomères de l’hémisphère végétatif. La mise en place du blastocœle repose sur deux mécanismes : Le premier mécanisme est établi à partir de la morula, les espaces intercellulaires formés lors d’une division fusionnent. Le deuxième mécanisme est un flux de sodium qui s’établit entre l’extérieur et l’intérieur de l’embryon, cela entraine la variation de pression osmotique dont la conséquence est une entrée d’eau dans la blastula. La cavité formée est excentrée dans l’hémisphère animal. Les jonctions entre les cellules de l’hémisphère animal : Les cellules sont de petites tailles pigmentées et cohésives entre elles. Elles sont reparties en plusieurs couches dont le nombre dépend des espèces. Les blastomères les plus externes sont relies entre eux par des jonctions serres localisées a l’apex des cellules sous les microvillosités. Les jonctions serrées forment autour de la cellule, une ceinture qui assure cohésion et étanchéité. Les cellules plus profondes possèdent des jonctions de type Gap qui mettent en connexion des cellules adjacentes. L’importance de ces jonctions lors du développement a été mise en évidence par des expériences qui ont tenté de « perturber » les connexines Les anomalies de la morphogenèse qui ont étés observées suggèrent l’importance des communications intercellulaires dans la réalisation du programme de développement. Mise en place de la matrice extracellulaire : Les cellules du pole animal qui sont en contact avec le blastocœle synthétisent et mettent en place une matrice extracellulaire. Des marquages ont mis en évidence une accumulation et une sécrétion de cette matrice extracellulaire au niveau du toit du blastocœle. Des études morphologiques, ont révélés la présence de fibrilles, sur la surface basale, des cellules en contact avec le blastocœle. Ces fibrilles forment un réseau continu, qui tapissent des cellules avec le blastocœle. Ce réseau est donc une matrice extracellulaire. Remarque : dans l’hémisphère végétatif, les blastomères plus volumineux sont moins cohésifs et constituent le plancher du blastocœle, eux, n élaborent pas de matrice extracellulaire. Expression des molécules d’adhérence au sein des cellules de la blastula : Les cellules de la blastula expriment à leurs surfaces des molécules d’adhérence impliquées soit dans les interactions des cellules entre elles, soit dans l’interaction des cellules avec la matrice extracellulaire. On retrouve donc dans ces molécules d’adhérence, les cadherines et les intégrines. Les cadherines, se sont des glycoprotéines transmembranaires responsables de l’adhérence intercellulaire dépendante du calcium présent dans le milieu extracellulaire, elles interagissent entre elles par une liaison homophile, c’est à dire que les cadherines exprimées à la surface d’une cellule interagissent avec des cadherines présentes a la surfaces des cellules adjacentes. À la surface des blastomères, les cadherines vont former des homodimères. Chaque homodimère de la surface d’un blastomère établit des liaisons homophiles, avec des homodimères présents à la surface d’un blastomère voisin. Du coté cytoplasmique, les cadhérines, s associent au cytosquelette, en particulier au niveau des faisceaux d’actines, par l intermédiaires de protéines de liaisons que l on appelle les caténines. Concernant les intégrines, ce sont des glycoprotéines transmembranaires hétérodimériques, composées de sous unités alpha, associées de manière non covalente a une sous unité beta. Elle interagissent avec les composants, les protéines du cytosquelette par l intermédiaire de protéines de liaison. Elles transmettent des signaux de l extérieur vers l intérieur de la cellule et inversement. Mise en place des trois feuillets, ectoderme, mésoderme, et endoderme au sein de la blastula : Analyse expérimentale : Un chercheur du nom de Peter Nieuwkoop a fait plusieurs, pour étudier le devenir des cellules de la blastula, il a disséqué et mis en culture différentes régions de l’embryon, et il a montrer que les cellules de la blastula, évoluent différemment, en fonction de leur position selon l axe pole animal, pole végétatif. Coté pole animal, on distingue les cellules de la calotte animale, ensuite coté intermédiaire, il distingue les cellules équatoriales, que l on nomme aussi cellules de la zone germinale, et en fin les cellules du pole végétatif. L analyse morphologique montre que les blastomères de la calotte animale, donnent des cellules de type épidermique, qui sont fondatrices de l’ectoderme. Les blastomères de la zone marginale, donnent des cellules épidermiques, des cellules musculaires, des cellules de la chorde, et des cellules sanguines. Toutes les cellules de la zone marginale, sont fondatrices de l’ectoderme et du mésoderme. Les cellules de l hémisphère végétatif regroupent toutes les cellules fondatrices de l endoderme. La blastula contient donc, les cellules génitrices des trois feuillets fondamentaux, l’ectoderme, le mésoderme, et l’endoderme. Les cellules ont des destinées différentes, a partir d expériences réalisées au stades 16/32 /64/128, les informations obtenues ont permis de donner la carte de destinée des blastomères en fonction de leur position, pole végétatif / animal, de l’axe dorso/ventral. Au niveau des anoures ou urodèles, cette carte indique que la zone marginale de l’embryon contribue au lignage mésodermique. La zone marginale dorsale contribue au lignage mésodermique, c est a dire qu’elle contient les cellules fondatrices de la chorde et des somites. La zone marginale latérale, elle contient principalement les cellules a l origine du mésoderme intermédiaire comme par exemple les cellules rénales, les gonades et etc. La zone marginale ventrale, elle regroupe les blastomères qui sont fondateurs du mésoderme ventral, et donc tout ce qui peut être a l origine des cellules sanguines, ainsi que le mésothelium. On considère qu’il existe une hiérarchie dans l’établissement des destinées des blastomères lors de la segmentation. Cette hiérarchie est exprimée selon les axes, pole animal/pole végétatif, et l axe dorso-­‐ventral. Des recherches ont étés menées, sur la spécification des mésodermes et blastomères chez le xénope. Cette spécification implique des processus d’induction, qui font appel a des mécanismes de signalisation, et de communication cellulaire complexes. Processus d induction L induction est un processus par lequel, une cellule, un groupe de cellules ou encore un tissu, va engager une autre cellule, un autre groupe de cellules ou un autre tissu, adjacent dans une nouvelle voie de différenciation. L induction est également la commutation , d une voie de différenciation a une autre , sous le contrôle d une cellule , d un groupe de cellules , ou d un tissu . Au cours du développement des inductions peuvent aussi bien intervenir entre blastomères adjacents, des l’origine, qu’entre des cellules ou tissus, mis en contact lors de mouvements morphogénétiques. Sur le plan moléculaire, une induction, nécessite au bon endroit et au bon moment, la présence d un signal inducteur, ce signal est généralement une molécule diffusible, émise par une cellule dite inductrice. Cette molécule doit agir avec la cellule cible. L interaction se réalise grâce a un récepteur spécifique, localisé a la surface de la cellule cible, et généralement ce récepteur est une protéine membranaire. L interaction entre l inducteur, et le récepteur, conduit a l activation, la mobilisation, la transduction d un signal, a l intérieur de la cellule cible. Le signal propagé jusqu’ au noyau active a ce niveau un ou plusieurs gènes cibles. La conséquence de l activation du génome, c est l engagement de la cellule dans telle ou telle voie de différenciation. La réalisation d une induction nécessite également que la cellule cible soit en mesure de répondre au signal inducteur, on dit qu’elle est compétente. Cette notion de compétence est définie comme étant la capacité que possède une cellule, ou groupe de cellules, a réaliser un phénotype de différenciation , qui la distingue des autres cellules dans le temps et dans l espace . La compétence d un tissu dépend de nombreux facteurs, en particulier, de l’âge du tissu, de sa position selon les axes de l’embryon, mais aussi cela dépend des espèces. Mise en place de la lignée mésodermique : La mise en place de la lignée mésodermique se réalise par induction des cellules sus-­‐jacentes des blastomères végétatifs. Deux chercheurs qui s appelaient BALE et SLACK (1985-­‐1987), ont repris l’expérience de Nieuwkoop, en utilisant des morula au stade 32 cellules. Les blastomères du pole animal ou de la zone marginale ont étés isolées, et incubées indépendamment dans un milieu salin sain. Après plusieurs jours de culture, les blastomères ont formé dans les deux cas, une petite sphère de cellules, présentant des signes caractéristiques de cellules ectodermiques. L’isolement et la mise en culture de blastomères végétatifs, conduisent à une masse de cellules indifférenciées, de type endodermique. Ils n ont pas observer de dérives mésodermiques. par contre au stade 128 cellules , des expériences révèlent , pour les tissus issus des blastomères de la zone marginale , la présence de cellules ciliées , des cellules de la chorde , des cellules musculaires , des cellules sanguines , et des cellules du mésenchyme . Ces types cellulaires, sont caractéristiques des dérivés ectodermiques et mésodermiques. Ils en ont conclut, qu’entre le stade 32 et 128 cellules , les blastomères de la zone marginale acquièrent la propriété de se différencier en cellules du mésoderme . Les experiences suggerent qu il existe in vivo un processus d inductions des blastomeres du pole animal et du pole vegetatif . Des experience menees par la suite ont permis de conclure que les cellules de l endoderme ( au pole vegetatif) qui induisent les blastomeres sus jacents a produire du mesoderme , ce qui correspond a la zone marginale . Les experiences ont suggeres la nature du mesoderme induit par endoderme peut etre coreléa la polarité dorso ventrale lors de la fecondation ( lors des rotations : la premiere correspond a l apesanteur , la seconde a la corticale 30°) Activité inductrice des blastomeres du pole vegetatif depend de leur position selon l axe dorso ventral de l embryon . Centre de Niewkoops : le centre de niewkoops est un centre inducteur formé par les blastomeres dorso/vegetatifs . au stade 32 cellules , si on associe des blastomeres du pole animal avec un blastomere dorsal vegetatif , l analyse histologique revele la presence de cellules cilliees , cellules musculaires , cellules cordales . ceci prouve bien que le mesoderme dorsal a bien ete induit . si on associe des blastomeres du pole animal avec un blastomere vegetatif ventral , on observe la differenciation du mesenthelium , du mesenchyme , et des cellules de la lignée sanguine . Au stade morula , l induction produite par le pole vegetatif semble etre regionalise . cet hemisphere vegetatif est non seulement capable d induire les blastomeres de la zone marginale pour la production de mesoderme , mais aussi de transmettre des informations de positions de l’axe dorso-­‐ventral de l embryon . Les blastomeres dorso-­‐vegetatifs induisent le mesoderme dorsal Les blastomeres vegetatifs ventraux et lateraux induisent le mesoderme ventral et intermediaire . Des experiences suggerent l existence de centre inducteur capable d induire du mesodermedorsal in vitro , il se pose la question de ce qu il en est in vivo. Deux experiences ont ete menees par ginrich et gerhart en 1984 et 1986 , ils ont tentés de repondre a cette question . cette experience consiste a transplanter le blastomere dorsaux vegetatifs dans deux contextes embryonnaires differents . Le blastomere dorsal vegetatif est preleve au stade morula 64 cellules et greffé sur un embryon au stade morula prealablement traité aux U.V ( les U.V perturbent la rotation corticale ce qui entraine une perturbation de l axe dorso-­‐ventral et qui entrainera la formation d un embryon ventralisé ) L analyse histologique revele l absence de cellule de la chorde et de cellules musculaires , ce qui indique qu il n y a aucune structure dorsale et ventrale . La transplantation restaure la polarité dorso-­‐ventrale et la formation d’un embryon . (voir image) En deuxieme lieu , le blastomere dorso vegetatif au stade morula 64 cellules est gréffé en position ventrale , sur une morula receveuse du meme stade . Il se forme alors a cet endroit un axe embryonnaire secondaire , surnumeraire , alors que les structures dorsales de l embryon donneur sont reduites. Si le blastomere greffe est pourvu d un marqueur cytoplasmique fluorescent destiné a suivre la descendance , l analyse histologique montre que les structures mesodermiques de l axe secondaire ne sont pas marqués . on en deduit que les cellules issues du blastomeres greffé ne participe pas aux structures mesodermiques dorsales et anterieur qui ont ete induite. Les blastomeres greffes contribuent a la formation de derives endodermiques anterieur d embryon secondaire . Les blastomeres dorso-­‐vegetatifs de la morula capable d induire un axe embryonnaire sans y participer s appelle le centre Niewkoop , c est le lieu d emissions des signaux inducteurs dorsaux . Les blastomeres de cette region ont vraisemblablement herité des determinaux dorsaux qui ont ete actives lors de la rotation corticale . Differentes molecules participent a l induction du mesoderme , les molecules inductrices du mesoderme sont des substances secretees et diffusibles . deux criteres ont etes etablis pour rechercher ces molecules : -­‐distribution des molecules inductrices et de ces recepteurs doit etre correles dans le temps et dans l espace doivent etre exprimes avant la transition blastoleene ( ajout cycle G1/G2) -­‐molecules inductrices doivent etre in vivo susceptible d induire du mesoderme lorsqu elle est incubee en presence des cellules du pole animal. In vivo un arn messager codant pour un inducteur mesodermique dorsale , si n est injecte dans le blastomere dorsal vegetatif . il doit conduire a la differenciation de cellules musculaires et chordales ou a la formation d un second axe ambryonnaire . si il est injecte en position dorsale , il doit etre susceptible de produire des cellules mesodermiques dorsales ou de restaurer la formation d un axe embryonnaire si l embryon est prealablement traité aux U.V . Molecule inductrice appartiennent a la famille des facteurs de croissance ce sont des peptides de 15 a 30 kDa , qui en regle generale stimule la proliferation des cellules . les FGF ( facteurs croissance fibroblastiques) connus pour reguler la proliferation et la migration de cellules et leur differenciation des cellules Activine , proteine VG1 , TGFβ Proteine VG1 presente ovocyte 2 apres la fecondation synthetisée par l une des molecules impliquees dans l activité inductrice du centre de Niewkoop quand elle est a forte dose elle induit du mesoderme dorsal et a faible dose induit du mesoderme ventral . -­‐
proteine nodale ; facteur de transcription , c est une proteine qui possede un domaine fonctionnel leur permettant de se lier a des sequences specifiques de l and de faciliter ou de reprimer la transcription d un ou des genes situes en aval du site de fixation . ARNm et vgt est transloque dans l hemisphere vegetatif ou cours de l ovogenese cet arn code un facteur de transcription . au cours de la segmentation il se distribue dans les blastomeres endodermiques , la proteine gsv3 est indispensable au devellopement de la region ventrale de l embryon .