Biologie du 25 mars - PCEM1 à Grenoble

Biologie du 25 mars
 FORMATION DES AXES
- = passage d’un œuf à un organisme pluricellulaire orienté dans l’espace.
- Mécanismes mettant en place l’axe :
-antéro postérieur.
-dorso ventral.
-asymétrie droite-gauche.
I/ Développement précoce des amphibiens.
A/Description
1)Structure de l’œuf
- pas une simple boule de cytoplasme uniforme avec un noyau au centre.
-Mais ovule polarisé avec :
- un pôle animal (en haut) : constitué du noyau de l’ovocyte bloqué en 2ème métaphase
+ ribosomes plus abondant  gradient ribonucléoprotéique avec forte concentration à ce pole.
- un pole végétatif (en bas) : réserves vitellines (lipide, protéine, glucide) plus
abondantes  gradient cytovitellin.
- Entouré par une membrane vitelline + gangue de polysaccharides.
- Présence d’un cytoplasme sous cortical = cortical juste sous la membrane plasmique 
présent +++ au niveau du pole animal.
- Œuf comprends des réserves : gradient cytovitellin  œuf hétérolécithe (chez les
amphibiens) car hétérogène et lécithe pour réserves.
- Œufs :
- alécithe : pas de réserve  mammifère car nutrition via placenta.
- oligolécithe  oursins intermédiaire entre mammifère et amphibien. Oligo =
réserves insuffisantes.
- à réserves complètes :
- hétérolécithe (amphibiens)
- télolécithe (poule)  réserves en dehors de l’embryon : jaune et blanc d’œuf.
- centrolécithe (insectes)  réserves au centre de l’œuf, au centre du
développement embryonnaire.
2)Fécondation dans le milieu extérieur
Dès lors  définition d’un deuxième axe : spermatozoïde peut rentrer n’importe où dans
l’œuf. Le point d’entrée du spermatozoïde définit un 2ème axe.
-1/ Une membrane de fécondation se forme, remplit d’eau (très fluide) de sorte que l’œuf peut
s’orienter selon la gravité.
-2/ Rotation de 30° du cytoplasme cortical en direction du point d’entrée du spermatozoïde 
apparition d’un croissant cris en dessous du cytoplasme cortical (Image : moitié supérieur
d’une mandarine peinte en gris, on la coiffe d’une demi orange pressée (= cytoplasme
cortical)  on la tourne  apparition d’un croissant gris.
-croissant gris sert de point de repère : rôle non connu  sert à définir l’axe « dorso
ventral » (n’est pas forcément le vrai axe ventro dorsal): le côté dorsal est celui du croissant
gris, le côté ventral est celui du point d’entrée du spermatozoïde.
-Dès la fécondation : 4 axes définis dans l’embryon.
-3/Fusion des pronucléis  zygote diploïde.
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3/Segmentation : divisions
-Chez amphibien : segmentation totale (l’ensemble de l’œuf intervient, il était d’abord une
seule cellule) et inégale [la 3ème division parallèlement au plan équatorial n’est pas sur ce plan
mais plus proche côté pôle animal  4 micromères + 4 macromères (blastomères) ] .
-Divisions rapide : 6000 cellules en 9 heures.
-Rapide car jusqu’au stade mi-blastula il n’y a pas utilisation du génome du zygote (il se
développe en utilisant ARNm et protéines déposés par la mère) puis transition mi blastuléenne
 premiers gènes du zygote commence à être transcrits en ARN.
-Blastula se développe, creusement du blastocèle  2 zones différentes :
- la CAP animal : petite épaisseur de cellules recouvrant le blastocèle.
- hémisphère végétatif : partie végétative pleine.
 Gastrulation.
 Carte des territoires présomptifs :
- car ce sont des cellules peu différentes et destin pas fixé.
- un groupe de cellules  épiblaste plus tard.
- présomptif car des expériences perturbent le développement ce qui peut donner
autres choses.
- au niveau pole animal  cellules qui donnent l’ectoderme ou épiderme avec une
partie devenant le neuroderme.
- au niveau du pole végétatif  futur endoderme
- entre les 2  le mésoderme.
- pôle animal en haut, pôle végétatif en bas.
- du côté dorso végatatif / du croissant gris (sur la droite)  formation de la lèvre
blastoporal (fente).
- au dessus il y a le mésoderme précordal.
- au dessus la futur corde.
- plus côté ventral : futurs somites + futur mésoderme latéral.
- au dessus une petite bande faisant tout le tour de la blastula  futur mésoderme
caudal.
4) Mouvement de Gastrulation
- coupe avec animal en haut, végétatif en bas.
- blastocèle, hémisphère végétatif.
- = 1 mouvement d’embolie de l’endoderme puis du mésoderme qui vont pénétrer à l’intérieur
de la blastula  blastocèle réduit + formation de l’archentéron (futur tube digestif).
- = 1 mouvement d’épibolie de l’ectoderme qui va se répandre de + en + à la surface de la
blastula jusqu’à le couvrir complètement.
- la lèvre blastoporale change de forme : d’abord un arc de cercle  cercle complet qui
délimite au centre des cellules qui vont encore pénétrer un peu à l’intérieur puis qui resteront
après coincés et formeront le bouchon vitellin ou fente blastoporale.
- pendant ce temps tout autour les cellules du futur mésoderme finissent de rentrer à l’intérieur
par embolie jusqu’à ce que la gastrulation soit terminée  à l’extérieur plus que de
l’ectoderme + neuroderme.
- sur le dessin ½ neuroderme + ½ ectoderme car coupe sur le plan médio sagittal  futur
mésoderme n’est que sur partie médiane du futur dos de l’embryon.
- définition ++ de la forme de l’animal : blastopore (à l’arrière de l’archentéron) = futur anus
donc sur la gauche c’est l’avant de l’animal et à droite c’est l’arrière. Dos au dessus + Ventre
en bas.
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[-Résumé :
-au départ un pole animal + pole végétatif
-spermatozoïde rentre  formation d’un 2ème axe.
-A la fin définition du dos/ventre, avant, arrière.]
B) Embryologie expérimentale
1) régulation
-expérience :
-ligature d’un œuf fécondé à un stade précoce ou
-ligature d’une blastula peu avant gastrulation (dernière ligne du tableau).
-obtient soit une moitié d’embryon se développant normalement soit les 2 moitiés.
-la carte des territoires présomptifs complètement changé.
-les blastomères ont une totipotence : une moitié compense la perte de l’autre. [cela
existe chez l’homme au stade morula où on peut enlever quelques blastomères].
-régulation possible au début jusqu’à fin de blastula mais peu à peu perdu pendant
gastrulation  fin de gastrulation : pas de régulation possible de ces absences  destin
cellules fixé pendant gastrulation.
-rôle primordial du croissant gris puis de la lèvre blastoporale qui se situe dans le même
endroit dorso végétatif :
-moitié d’embryon qui ont gardés croissant gris ou la lèvre blastoporale se développe.
-moitié embryon sans  avortement.
-zone dorso végétative organise gastrulation : au niveau de la lèvre blastoporale =
organisateur de Spemann et Mangold.
2) L’organisateur de Spemann et Mangold
- région du blastopore important donc prendre la partie supérieur de la lèvre blastoporale sur
un embryon donneur + greffe sur un embryon receveur.
- travail sur 2 tritons dont l’une avait des œufs pigmentés et l’autre non pigmentés 
permettre de retrouver cellules greffées après greffe.
- la lèvre blastoporale supérieur est prélevée en A, greffé en B à l’opposé de la première fente
blastoporale sur le receveur  se développe 2 gastrulations : 2 zones où embolie du
mésoderme + endoderme  A la fin 2 embryons puis 2 têtards siamois.
- Qu’est ce qui décide que certaines cellules deviennent du mésoderme ou non ? induction des
différents feuillets.
3) Induction du mésoderme
- diviser embryon en 4 zones :
-cape animale :
-1- partie du dessus.
-2- un peu plus bas.
-3- au contact de l’hémisphère végétatif.
-4- hémisphère végétatif.
- expérience 1 : enlever la zone 3 qui serait le futur mésoderme, remettre la cape animale
amputé sur l’hémisphère végétatif  embryon se développe bien.
- expérience 2 : d’où vient ce nouveau mésoderme ? Greffe de cape animal pigmenté de l’un
sur l’hémisphère végétatif non pigmenté de l’autre  embryon greffé d’une cape animale
pigmenté a son mésoderme pigmenté  le mésoderme provient des cellules de la cape animal
qui sont au contact de l’endoderme.
- mise en culture de cellules de la cape animal + cellules de l’hémisphère végétatif  il y a
des facteurs de croissance sécrétés par l’endoderme, qui diffusent très peu ce qui va induire
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les cellules d’à côté à devenir du mésoderme : ceci se produit juste avant gastrulation et
pendant.
-Pourquoi cette lèvre blastoporale supérieur se forme t-elle sous le croissant gris côté opposé
au point d’entrée du spermatozoïde dans la zone dorso végétative ?
4) Le centre de Nieuwkoop
-expérience : irradiation avec UV d’un œuf sain  pas de gastrulation : sac de cellules qui
avorte.
-si on prends des blastomères du côté dorso végétatif du côté du croissant gris d’un embryon
donneur sain ; et qu’on les greffe sur un embryon irradié  celui ci est sauvé.
-ces blastomères = centre de Nieuwkoop  il y a dedans un composant cytoplasmique détruit
par UV, il est important pour induire l’organisateur de Spemann.
5) Schéma des inductions dans l’œuf d’amphibiens
- avant gastrulation : hémisphère végétatif (futur endoderme) sécrète facteurs de croissance
qui vont induire le mésoderme : FGF et BMP (Bone morphogénétique protéine = protéine
assurant la morphogenèse des os) = peptides.
- cellules de la CAP animal ont R pour ces facteurs de croissance  cascade de kinases 
pendant gastrulation cellules se différencient en mésoderme.
- les cellules du centre de Nieuwkoop sécrètent des facteurs de croissance de la même famille
que les BMP : Vg1 , activin et noggin.
- Induisent une cascade de kinases.
- Noggin étant un antagoniste de BMP  se fixe sur les même R mais n’induit pas le
signal intracellulaire.
- Les autres sont aussi des antagonistes.
- les cellules au dessus du centre de Nieuwkoop sont induites à devenir du mésoderme mais
pas de BMP donc mésoderme particulier devenant organisateur de Spemann et Mangold qui
est le lieu où a lieu la gastrulation = lèvre blastoporale supérieur.
- Pendant la gastrulation l’organisateur organise les différentes parties du mésoderme par des
facteurs de croissance. Retenir que les cellules de l’organisateur de Spemann et Mangold
expriment le gène Goosecoïd qui code pour un facteur de transcription Goosecoïd
caractéristique des cellules de cet organisateur.
- A fin de gastrulation : différentes régions définis.
II/ Détermination de l’axe A-P de la drosophile (mouche).
- Drosophile est le modèle en génétique, embryologie et en toutes les sciences.
1/ Segmentation et formation du blastoderme
- Œuf ½ heure après la ponte : quand amphimixie (fusion pronucléus mal et femelle) le
noyau est plutôt en région antérieur, l’œuf a un petit opercule en région antérieur, son
cytoplasme n’est pas homogène.
- A 1h10 : 128 noyaux ou énergides = noyau + matériel cytoplasmique périphérique
(centriole, fusion chromatique, ce qui fait les divisions). En faite la cellule œuf ne se divise
pas mais les noyaux se dupliquent rapidement  à la fin syntitium. Division rapide
synchrone.
- Au stade 256 énergides les 1ère énergides migrent en région postérieur = futur cellules
polaires (cellules de la lignée germinale qui donneront les gonades)  c’est le stade de
blastoderme syntitial.
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- A partir de ce moment :
-1- perte de la synchronisation : des divisions se font plus vite que d’autres.
-2- utilisation du génome du zygote.
-A 3 heures : formation des 1ère cellules  stade de blastoderme cellulaire à 6000 cellules : la
membrane cytoplasmique a des prolongements vers l’intérieur et isole chacune des énergides
donc couche de cellules autour de l’embryon. Des énergides sont laissés au centre de
l’embryon  servent à programmer l’utilisation des réserves nutritives de l’œuf qui sont au
centre de l’œuf ( œuf centrolécithe)
 début de la gastrulation : tête de mouche adulte côté opercule.
 Après la gastrulation à la surface il y a des para segments qui préfigurent des para
segments des différents stades larvaires. Les segments de l’adulte correspondent aux para
segments des larves de la même façon que nos vertèbres correspondent à nos somites 
chaque segment provient de la fusion de la partie antérieur et postérieur de chaque para
segments.
La mouche a un corps segmenté  on parle de métamère qui est un segment visible à
l’extérieur et moins visible comme la métamérisation du SN, d’autres organes respiratoires
qui sont presque identique et presque totalement fonctionnel et autonome dans chaque
métamère. Chez la drosophile il y a plusieurs segments :
- plusieurs constituant la tête.
- 3 segments qui constituent le thorax.
- 8 segments + 1 dernier terminal constituent l’abdomen.
- tout cela est en parallèle avec l’axe antéro postérieur de l’axe avec l’opercule à
droite.
2) Bicoid, un exemple de morphogène
-A la ponte de l’œuf de drosophile il n’est pas une boule de cytoplasme : des ARNm ne sont
pas répartit de façon uniforme à l’intérieur  ce sont les ARNm produit par gène Bicoid ou
ARNm produit par le gène Nanos qui sont mis en place par la mère dans l’œuf  on parle de
gènes à effet maternel : ce n’est qu’à partir de blastoderme syntitial que le zygote utilise son
génome.
-gradient avec beaucoup d’ARNm du gène Bicoid à l’avant de l’œuf.
-gradient avec beaucoup d’ARNm du gène Nanos à l’arrière de l’œuf.
-ARNm maternel du gène hunchback répartis uniformément.
-au cours du développement de l’œuf : ARNm de Bicoid transcrit en protéines Bicoid =
facteur de transcription qui active la transcription du gène Hunchback – il s’agit d’utiliser le
génome du zygote -, le gène Hunchback est transcrit en ARNm puis traduit en protéines 
beaucoup de protéines Hunchback en antérieur de l’œuf et moins en postérieur et il y a en plus
des ARNm de hunchback qui ont étés déposés uniformément par la mère.
-en région postérieur l’ARNm de Nanos est traduit en protéine qui inhibe la traduction de
certains ARNm dont celui de hunchback
 gradient de Hunchback avec beaucoup de protéines à l’antérieur et pas en postérieur.
-Hunchback est le 1er gène cardinal = GAP (anglais) + 3 autres  chacun d’eux est traduit en
protéine seulement dans certaines régions définit selon l’axe A-P  au stade blastoderme
cellulaire il y a différentes régions de l’embryon caractérisée par la présence de telle ou telle
protéine des gènes GAP.
-Bicoid diffusible agit selon sa concentration :
-si au moment de ponte on injecte plus d’ARNm bicoid  larve qui se développe avec
une énorme tête.
-si trop peu d’ARNm bicoid à l’avant de l’œuf  tête atrophiée.
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-c’est un morphogène = qui envoi des substances diffusibles interprétées par
l’embryon selon concentration pour faire structure.
- Morphogène fonctionne dans l’œuf de drosophile car pas de cloisonnement de cellules donc
la substance peut diffuser librement alors que dans l’embryon d’homme il y a des cellules
dans le bourgeon du membre.
3) Les autres déterminants maternels (dont Nanos et Bicoid)
- = autres molécules clef mis par la mère dans l’œuf de drosophile ;
- le 3ème est « Torso »
- Torso = mutant où il manque la tête et l’extrémité postérieur de l’abdomen sur les larves 
mutations qui correspondent au gène Torso  la mère avait répandu des ARNm de façon
uniforme dans tout l’œuf.
- Torso code pour une protéine récepteur tyrosine kinase.
- Dans un œuf tout se passe bien si la protéine Torso n’est activé qu’en région antérieur et
postérieur par un ligant.
- Problème : un autre mutant ressemblant à Torso (pas de tête, pas de postérieur)  c’est la
mutation d’un autre gène que Torso donc on se dit qu’il intervient dans la cascade.
- Où se situe ce mutant ?
- Plusieurs allèles de Torso :
- Torso normal.
- Torso - : pas de tête et pas de postérieur.
- Torso Dominant + : RTK n’a pas besoin du ligant pour donner signal  larve
à hypertrophie des structures.
- Dans le mutant Torso like : pas de ligant donc Torso pas activé
- On croise le mutant torsolike avec des mouches à Torso D+  hypertrophie de la
tête et de la région postérieur car torsolike agit en amont.
-En génétique on dit que Torso est épistasique sur Torso like : Quand on ne peut voir l’effet
d’un gène (Torso like) en présence de la mutation d’un autre gène (Torso), ce dernier est dit
épistasique sur le premier.
b) L’axe dorso-ventral
- 4ème déterminant maternel déposé par la drosophile dans l’œuf : le gène dorsal
- contrôle par la présence d’un gradient de protéine dorsal avec beaucoup de protéines du gène
dorsal au niveau ventral de l’œuf.
- mutant avec que du dos = mutant dorsal  il est dorsalisé car rien ne permet de définir son
ventre.
- protéine dorsal fait partit d’une cascade de régulation dans laquelle interviennent d’autres
gènes : Toll, NF kappa B.
4) L’axe A-P de la drosophile est déterminé par une cascade de gènes régulateurs
- Bicoid et Nanos qui donnent une polarité au cytoplasme de l’œuf.
- gradient de protéines Hunchback et de toutes les autres protéines codées par les gènes
cardinaux.
- ce patron d’expression de gènes cardinaux régule l’expression de gènes qui s’expriment dans
un seul para segment sur deux :
 gènes « pair-rule » = de parité de segment exprimés soit dans les segments impairs soit
dans les pairs.
- Fushi-tarazu : exprimé que dans para segments pairs : 7 anneaux.
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 activent 2 types de gènes :
- gène de polarité de segment
- gène homéotiques
 gène de polarité de segment :
- les para segments sont une bande circulaire qui fait une épaisseur A-P de 4 cellules.
- la dernière cellule de chaque para segment exprime le gène Wingless codant pour un
facteur de croissance.
- les cellules les plus antérieur de chaque para segment exprime le gène Engrailed qui
code pour un facteur de transcription.
- Wingless et Engrailed permettent de mieux définir la frontière entre chaque para
segment Il y a des homologues chez l’homme.
 On arrive à un stade où s’expriment les homéogènes  similarité entre tous les animaux.
5) Conclusions :
- Contraintes génétiques + contraintes environnementales  différentes stratégies de
reproduction.
- 3 types de développement embryonnaire :
Type 2 : vertébrés (dont amphibien)
-Œuf se segment avec régulation c’est à dire que si on enlève quelques blastomères,
les restant compensent.
-Pas de lignage cellulaire prédéfinit : territoire présomptif modifié si blastomères
enlevés.
-Destin des cellules fixés tardivement : c’est pendant la gastrulation que ça se décide.
-Œuf avec 0 ou 1 axe prédéfini (cas des amphibiens : axe animal/végétatif).
Type 3 : Drosophiles/ insectes
- Développement par un syntitium donc pas de segmentation.
- Pas de lignage cellulaire car même au stade blastoderme cellulaire on peut enlever
quelques cellules.
- Destin fixé de façon précoce car avant la cellularisation, dès le blastoderme syntitial
certaines cellules sont programmés par les gènes cardinaux à faire partit de telle endroit de
l’animal.
-Pondu avec 2 axes prédéfinis : système bicoid nanos + système dorsal.
Type 2 : C. elegans
- segmentation en mosaïque : dès la 1ère division de l’œuf en 2 cellules on sait qu’une
cellule est antérieur, l’autre est postérieur. Chacune des divisions est immuable : si une cellule
est enlevée toutes les autres disparaissent  segmentation sans régulation : on peut rien
enlevée.
- lignage invariable : dès la division la cellule est induite à devenir ce qu’elle doit.
- destin des cellules établit précocement bien avant gastrulation.
-Après la gastrulation dans tout le règne animal il y a un stade similaire : le stade
phylotypique (dont font partis les homéogènes)
-Schéma de Haeckel :
1- Après gastrulation : organismes se ressemblent tous.
2- Au cours du développement : spécificités.
-La stade phylotypique correspond aux gènes homéotiques.
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 L’Homéose
- 2 gènes homéotiques :
-Antennapedia : Pattes à la place des antennes.
-Ultrabithorax : mutation au niveau T3  2ème paire d’aile à la place des haltères.
- définition historique: Quelque chose est changé en l’apparence de quelque chose d’autre.
- définition moderne : c’est l’apparition ectopique (mauvais endroit) d’une structure
morphologiquement identifiable et fonctionnelle.
- Ces exemples sont dus à la mutation d’un seul gène homéotique.
 8 gènes homéotiques chez la drosophile :
- dont antennapedia et ultrabithorax.
- ces gènes à l’origine de mutations sont rangés sur un seul complexe : le complexe
homéotique.
- ces gènes sont rangés sur le chromosome selon une « colinéarité spatiale » : A un bout du
chromosome labial (pas retenir) qui fait intervenir la tête et de l’autre côté du chromosome les
gènes intéressent des régions plus postérieurs de l’embryon.
 Gènes homéotiques chez tous les animaux
 Chez les vertébrés : homme, souris, poulet
- 4 complexes homéotiques.
- les gènes les plus postérieurs ont été dupliqués donc 13 gènes homéotiques dans un
complexe.
- On a donc jusqu’à 4 X 13  38/39 gènes homéotiques chez l’homme.
- Toujours une « colinéarité spatiale » : 1 sont les plus antérieurs.
- Le sent de transcription de tous les gènes est 5’-3’ mais on mis 3’-5’ car en embryologie on
met la tête à gauche.
- La limite antérieur d’expression est net.
- La limite postérieur est flou.
- Leur limite antérieur est corrélé à leur position c’est à dire que a-4 a une limite antérieur +
antérieur que a-5.
- Il y a des gènes homéotiques chez tous les animaux  nouvelle définition du règne animal
- Tous les animaux sont les êtres vivants qui présentent le zootype = agencement
spatial particulier de l’expression de certains gènes, les gènes considérés sont les homéogènes
= gènes homéotiques, cet agencement spatial est caractéristique du règne animal. On observe
le zootype principalement à la fin de la gastrulation au stade phylotypique.
- Les gènes à homéoboite codent pour des protéines qui ont un homéodomaine, ces protéines
sont des facteurs de transcription de la famille des hélice-boucle-hélice. Ces gènes à
homéoboite sont rencontrés dans de nombreux être vivant (plantes, champignons, animaux).
Parmi les gènes à homéoboite il y a un groupe qui a ce patron d’expression ordonné qu’on ne
rencontre que chez les animaux  les gènes homéotiques = homéogènes = gènes HOX qui se
rencontrent dans le stade phylotypique des animaux.
 Plan d’organisation : schéma.
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