Introduction a la biologie du developpement

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Approfondissement
Les gènes
Un gène est une fraction d’ADN dont le produit
d’expression exerce une fonction au cours de la
vie d’un organisme. Chez les eucaryotes, la plupart des gènes sont distribués le long des chromosomes présents dans le noyau, mais il existe
également des gènes localisés sur l’ADN du
chromosome mitochondrial. La plupart des
gènes sont transcrits en ARN messager (ARNm)
qui code une ou plusieurs protéines. Certains
ARN sont cependant les produits terminaux,
c’est-à-dire qu’ils ne sont pas traduits en protéine mais exerce eux-mêmes une fonction dans
la cellule : c’est le cas des ARN ribosomiques et
de transferts.
L’ADN forme généralement, avec des protéines
(les histones), un complexe supramoléculaire (la
chromatine) localisé dans le noyau et visible au
microscope électronique.
Les gènes qui codent des protéines sont transcrits en ARN messager par l’enzyme ARN polymérase II. L’ARN issu de la transcription (le préARN) est modifié avant qu’il quitte le noyau et
devienne l’ARNm proprement dit. Il acquiert
une « cap » de méthyl guanosine à une extré-
mité (l’extrémité 5’) et une séquence poly A
(poly adénosine) à l’autre extrémité (l’extrémité
3’). Ces modifications stabilisent l’ARNm, le protégeant en particulier des dégradations par les
enzymes exonucléases. Les gènes sont souvent
divisés en plusieurs exons qui codent chacun
pour une partie de l’ARNm. Les séquences
d’ADN situées entre les exons, les introns, sont
éliminées du pré-ARN par un processus appelé
l’épissage réalisé par de petites ribonucléoprotéines nucléaires. Ainsi, un seul gène peut
engendrer plusieurs ARNm comprenant différentes combinaisons d’exons. Après cette étape
de maturation, l’ARNm est exporté dans le cytoplasme. Il est traduit en polypeptide, en protéine, par les ribosomes. L’ARNm possède une
séquence leader en position 5’ et une séquence
non traduite en position 3’. Ces séquences non
traduites contrôlent la traduction et la localisation intracellulaire de l’ARNm. Le nombre total
de gènes est de l’ordre de 80 000 chez les vertébrés, de 10 à 20 000 chez les invertébrés. Parmi
ces gènes environ 1 à 2 % sont impliqués directement dans des processus de développement.
1.2 Les réserves exogènes
Les réserves exogènes se confondent essentiellement avec le vitellus, résultat d’une
adaptation évolutive, qui chez l’amphibien, permettra à l’embryon de se développer en
absence de ressources nutritives externes jusqu’au stade larvaire, quand sera acquise
l’autonomie de nutrition. Le vitellus s’accumule au cours de la phase de vitellogenèse à
laquelle il donne son nom et représente 80 % des réserves protéiques de la cellule. Il se
présente dans le cytoplasme de l’ovocyte sous forme d’agrégats constitués de protéines
et de lipides appelés plaquettes vitellines. Ces composants ont pour origine un
précurseur, la vitellogénine d’une masse moléculaire de 470 kDa.
Sous l’influence d’œstrogènes sécrétés par les cellules entourant l’ovocyte (cellules
folliculaires), les ARNm de la vitellogénine sont transcrits dans les hépatocytes du
foie maternel qui synthétisent et sécrètent la protéine, précurseur soluble transporté
ensuite par la circulation sanguine jusqu’à l’ovaire. Il s’insinue dans les espaces interfolliculaires.
Au niveau de la membrane plasmique de l’ovocyte, la vitellogénine se lie à son récepteur (protéine de la famille des VLDL, very low density lipoproteins) et le complexe est
intégré par endocytose dans l’ovocyte. Là, il est transféré dans les endosomes puis dans les
1. LA CELLULE FÉCONDABLE
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Approfondissement
Contrôler l’expression des gènes, étape fondamentale
pour un développement harmonieux
Dans le génome, certains gènes ont des produits
d’expression requis dans tous les tissus et à tout
moment de la vie d’une cellule. Ce sont les
gènes qui codent les protéines de structure, les
protéines à activité enzymatiques ou autres
impliquées dans le métabolisme général de la
cellule. On a l’habitude de les appeler les gènes
de ménage.
D’autres gènes, moins nombreux, ont des produits d’expression spécifiques de tel ou tel type
de cellule, de telle sorte que les cellules diffèrent
les unes des autres par le répertoire de protéines
qu’elles expriment. Le contrôle de l’expression
des gènes est donc un événement central de la
différenciation des cellules au cours du développement d’un individu. Ce contrôle s’effectue à
différents niveaux.
Le premier niveau est le contrôle de la transcription. On dit qu’un gène peut être allumé ou
éteint dans des situations particulières, quand il
est transcrit ou non. Ce contrôle dépend de
séquences régulatrices présentes sur l’ADN et de
protéines appelées facteurs de transcription qui
interagissent avec ces séquences. Le promoteur
d’un gène est une région en amont de la
séquence codant le gène sur lequel l’ARN polymérase se fixe. Cette fixation dépend en général
de plusieurs facteurs de transcription qui
s’assemblent en un complexe multiprotéique, le
complexe de transcription. À côté de ce complexe, il existe des protéines spécifiques, des facteurs de transcription particuliers, qui interagissent avec des séquences régulatrices spécifiques
situées à proximité du promoteur. Ce système de
régulation est très souvent plus élaboré pour les
gènes du développement, car ils ont en général
des régions régulatrices complexes qui possèdent
plusieurs sites de liaisons aux facteurs de transcription. Chaque site est capable d’interagir à la
fois avec des facteurs de transcription activateurs
ou répresseurs de telle sorte qu’un gène peut
être transcrit ou non en fonction de la combinaison et de la quantité de facteurs présents dans la
cellule à un moment donné du développement.
Un autre niveau de complexité réside dans le fait
qu’un même facteur de transcription peut
contrôler l’expression de plusieurs gènes, ce qui
permet de réguler dans l’espace et le temps
l’expression d’un groupe de gènes.
Le second niveau de régulation s’exerce au
moment de la traduction. Par exemple, un
ARNm présent à un moment donné, ne sera traduit que lorsque certaines conditions seront satisfaites. Ceci est particulièrement important au
cours du développement précoce, où les ARNm
présents dans la cellule fécondable, ne seront
traduits qu’après la fécondation.
Le contrôle de l’expression des gènes peut également s’exercer au niveau de la maturation du
pré-ARN dans le noyau.
Un autre niveau de régulation de l’expression
des gènes concerne la stabilité du messager dans
le cytoplasme. Si un ARNm est instable, la quantité de protéine produite sera affectée.
Enfin, le dernier niveau de régulation intéresse la
protéine elle-même. Celle-ci peut être produite
et ne pas être fonctionnelle car totalement ou
imparfaitement maturée.
L’ensemble de ces niveaux de régulation constitue une combinatoire possible d’activation et de
répression de l’expression du génome qui peut
intéresser une cellule, un groupe de cellules ou
un tissu à tout moment du développement de
l’individu.
lysosomes au niveau desquels la vitellogénine est libérée de son récepteur et clivée en deux
protéines : la phosvitine, une protéine phosphorylée, et la lipovitelline, une lipoprotéine.
Ces protéines sont ensuite concentrées, et déshydratées pour constituer les plaquettes
vitellines. Chaque plaquette est donc limitée par une membrane plasmique et contient
également des enzymes telles que la cathepsine D (enzyme caractéristique des lysosomes).
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