Les dispositifs d`adhérence jouent des rôles fondamentaux dans le

Devoir N°9 2ème partie
17/06/09
BIOLOGIE
Épreuve B
Durée : 2 heures 30 minutes
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L’usage de la calculatrice, d’abaques et de tables est interdit pour cette épreuve.
Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale
sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu’il a été amené à prendre.
Les dispositifs d’adhérence jouent des rôles fondamentaux dans le
déroulement du développement embryonnaire.
A partir de l’exploitation des documents et de vos connaissances, mettez en
évidence quelques uns de ces rôles
* L’exposé sera encadré par une introduction et une conclusion et sera structuré par un
plan faisant apparaître explicitement les thèmes abordés et la progression suivie.
* L’exposé doit se limiter aux trois thèmes abordés par les documents, qui font l’objet de
trois parties sont indépendantes.
* Les documents peuvent être découpés et collés sur la copie à condition d’être légendés,
commentés ou exploités.
Les documents proposés portent
- pour la partie I, sur le creusement de la cavité amniotique chez les mammifères
- pour la partie II, sur la formation du tube neural chez les amphibiens
- pour la partie III, sur la morphogenèse chez la drosophile
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THEME 1 : La formation de la cavité amniotique au cours du développement embryonnaire des
Mammifères.
Document 1-1 : L’étape d’amniogenèse
Pendant le développement embryonnaire des mammifères, se forme une cavité qui deviendra la cavité
amniotique (= « poche des eaux »).
Coupe de blastocyste à l’issue de l’amniogenèse
Chez les primates, la formation de cette cavité ou amniogenèse s’effectue par cavitation. La cavitation est la
mort des cellules centrales ectodermiques sous l’action d’une molécule-signal provenant des cellules
endodermiques.
Seule une couche de cellules ectodermiques survit. A la base de cette couche, on trouve une lame basale très
riche en fibronectine.
In vitro, isolées de l'embryon, toutes les cellules ectodermiques, mises en contact avec la molécule-signal
provenant de l’endoderme meurent, y compris les cellules isolées à partir de la couche externe de
l'ectoderme.
Document 1-2 : Rôle de la fibronectine sur la survie de fibroblastes
Afin de comprendre les causes de survie des cellules ectodermiques entourant la cavité amniotique, des
expérimentations sont menées. Les cellules prises pour modèles expérimentaux sont ici des fibroblastes.
Des molécules de
fibronectine
(glycoprotéines) sont
Les
fixées sur une lame de
cellules
verre de la façon
meurent par
Quantité X de
présentée ci-contre.
apoptose
fibronectine fixée
en un unique spot
Dans les deux cas, la
même quantité totale de
fibronectine est fixée sur
Les
la lame de verre.
cellules
vivent,
Des cellules de tissu
grandissent
Quantité X de
conjonctif (fibroblastes)
et se
fibronectine fixée
sont mises en culture sur en plusieurs spots
multiplient
cette lame. On observe les
différents
cellules cultivées au
microscope.
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Document 1-3 : Intervention des intégrines dans la survie des cellules
L’étude se poursuit sur d’autres cellules, des hépatocytes (cellules du foie).
Des hépatocytes sont mis en culture in vitro sur des
matrices extracellulaires artificielles (constituées
principalement de collagène I et de fibronectine).
Après une semaine de culture, les cellules ont
proliféré et présentent un phénotype normal.
On ajoute alors à la culture :
- soit rien (contrôle : ctrl)
- soit des anticorps spécifiques des intégrines
membranaires, qui se lient et recouvrent les sites de
fixation de ces intégrines aux constituants matriciels
(αvβ3) ;
On mesure alors dans les cultures le taux de mort
cellulaire programmée des cellules (index
d'apoptose).
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THEME 2 : La formation du tube neural chez les Amphibiens
Documents extraits de Biologie du développement Wolpert (Ed.Dunod)
Document 2-1 : Culture de cellules de neurectoderme et d’épiderme de neurula
Des explants de neurulas (stade plaque neurale) sont
prélevés au niveau de l'épiderme d'une part, et au niveau
du neurectoderme d'autre part.
Les cellules des explants sont dissociées et mises en
culture ensemble dans une même boîte de Pétri.
Les cellules s'agrègent les unes aux autres, dans une
configuration particulière représentée dans la 3e partie du
document.
Document 2-2 : Cadhérines et formation du tube neural
A: La cadhérine E, la cadhérine N et la protéine N-CAM sont localisées au niveau de la région dorsale de l'embryon
au cours de la neurulation.
B: Une expression anormale du gène codant la cadhérine N est déclenchée dans l'embryon. La figure présente le profil
d'expression du gène CAD N de la cadhérine N et le résultat de la neurulation dans cet embryon.
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THEME 3 : Adhérence différentielle et morphogenèse
D’après Médecine Science Mars 2007 article d’ I. Bécam
Document 3-1 : Ségrégation et tension superficielle des cellules
Dans les années 1960, Malcom Steinberg propose l’hypothèse d’adhérence différentielle : selon cette
hypothèse, les tissus embryonnaires sont assimilés à des liquides et les lois physiques qui gouvernent le
comportement de deux liquides, l’eau et l’huile par exemple, dirigeraient aussi les réarrangements
tissulaires. Un des principes fondamentaux de la thermodynamique prédit qu’un système tend toujours vers
l’état le plus stable, ce qui se mesure par une décroissance de son énergie libre. Dans le cas de deux liquides,
une partie de l’énergie libre provient des forces de tension qui s’exercent aux surfaces de contact. Cette
énergie libre est d’autant plus grande que les forces de tension de surface sont importantes et la surface de
contact étendue. Si la tension de surface est importante, l’énergie libre peut être minimisée en réduisant la
surface de contact. Dans l’exemple de l’émulsion eau-huile, l’huile, dont la tension de surface est plus
importante que celle de l’eau, forme de petites gouttes sphériques (plus petit rapport surface/volume)
entourées d’eau.
Pour démontrer que ces lois physiques s’appliquent aux tissus, l’équipe de M. Steinberg mesure la tension
de surface au sein des différents agrégats cellulaires de cellules dissociées à partir de différents tissus puis
observe l’organisation spontanée d’un agrégat comprenant des cellules provenant de 2 tissus différents.
Rouge
vert
jaune
rouge
bleu
jaune
orange
bleu
Plus récemment, en 2005, M. Steinberg montre dans un système de culture cellulaire in vitro que la tension
de surface tissulaire est directement proportionnelle à la quantité de cadhérines exprimées par les cellules.
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Document 3-2 : Mise en place de l’axe antéropostérieur chez la drosophile
Chez la drosophile, la mise en place des axes de polarité débute très précocement par la polarisation
antéropostérieure de l’ovocyte au cours de l’ovogenèse. Chaque ovocyte se développe au sein d’une
chambre ovarienne d’origine somatique. Dans cette chambre l’ovocyte se localise toujours au contact des
cellules folliculaires les plus postérieures avec lesquelles il échange des signaux nécessaires à sa polarisation
antéro-postérieure. Seules les cellules postérieures sont compétentes pour recevoir ces signaux. Le
positionnement de l’ovocyte est donc la première étape de la mise en place des axes de polarité chez la
drosophile.
Les cellules folliculaires ainsi que l’ovocyte expriment un niveau plus élevé de cadhérine E.
On peut modifier expérimentalement l’expression de la cadhérine E dans les cellules folliculaires.
Dans le schéma ci-dessous, le niveau d’expression est quantifié par l’épaisseur du trait de la membrane et le
positionnement de l’ovocyte est représenté.
Document 3-2 : Forme des ommatidies de l’œil de la drosophile
L’œil de drosophile est un œil composé formé d’environ 800 yeux simples appelés ommatidies (Photo A),
elles même comprenant un vingtaine de cellules. L’agencement quasi-cristallin des ommatidies au sein de
l’œil et celui des cellules au sein de chaque ommatidie fait de l’œil de drosophile un formidable modèle pour
étudier comment une cellule acquiert une forme spécifique au sein d’un groupe complexe.
En 2004, T. Hayashi et R.W. Carthew se sont particulièrement intéressés à l’organisation des quatre cellules
en cônes (CC) situées au-dessus des cellules photo réceptrices et entourées des cellules pigmentaires (CP),
qui forment la lentille de chaque ommatidie.
Il sont tout d’abord remarqué que la disposition en losange des quatre cellules en cône (photo B) était
identique à celles de quatre bulles de savon (photo C). Cette disposition réduit au minimum l’énergie libre
de surface et est thermodynamiquement prévisible par des lois physiques
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Afin de tester si les mêmes lois physiques gouvernent les cellules en cône, les auteurs ont utilisé le mutant
rough eye caractérisé par un nombre variable de cellules CC.
Les résultats sont photographiés ci-dessous :
Les configurations obtenues coïncident effectivement avec ce que prédisent les lois physiques, indiquant
qu’une minimisation de la tension de surface guide aussi l’organisation quasi-cristalline de l’œil.
L’analyse du profil d’expression de la N-cadhérine révèle que la E cadhérine est exprimée par toutes les
cellules de l’ommatidie et se localise à toutes les surfaces de contact alors que la N cadhérine est restreinte
aux cellules en cône et ne se localise qu’aux interfaces CC-CC. (figure D1).
Dans le cas D2, la N-cadhérine est retirée spécifiquement et dans le cas D3, la N-cadhérine est exprimée
aussi dans les cellules pigmentaires.
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Corrigé du DS n°9 du 17/06/09 – Partie 2 de type B
Introduction
Termes du sujet définis : développement embryonnaire, adhérence (cellule-cell. et cell. matrice)
Problématique : Grâce à l’étude expérimentale d’étapes du développement embryonnaire de
différents organismes, mise en évidence de l’intervention d’adhérences, identification du type
d’adhérence, de leur rôle et des molécules des mises en jeu.
Présentation des trois thèmes correspondant à 3 étapes du développement
THEME 1 : La formation de la cavité amniotique au cours du développement embryonnaire des
Mammifères.
A. Protection contre l'apoptose de cellules embryonnaires
Les cellules endodermiques sont situées à distance des cellules sur lesquelles elles agissent.
=>La molécule-signal circule donc jusqu’à ses cellules-cibles.
Seules les cellules en périphérie qui sont en contact avec la lame basale survivent.
Or ces cellules sont sensibles au signal de mort cellulaire in vitro.
Différence in vitro/in vivo = contact avec lame basale.
=> Le contact avec la lame basale annule l’effet de la molécule-signal.
Les molécules de la lame basale (dont probablement la fibronectine) sont responsables de la survie des
cellules ectodermiques adjacentes.
B. Rôle de la fibronectine dans la protection contre l'apoptose
Lors de la mise en culture de fibroblastes au contact d'une lame de verre recouverte de fibronectine, on
observe que pour la même quantité de fibronectine
- si condensation sur une petite surface, la cellule au contact du gros spot entre en apoptose
- si répartition en plusieurs spots, la cellule au contact des nombreux petits spots survit
=> La présence de plusieurs points de contact avec de la fibronectine répartis sur une grande surface permet
la survie cellulaire.
Les interactions entre les cellules et de nombreuses molécules de fibronectine de la lame basale
constituent un signal de survie qui peut être impliqué dans la survie des cellules ectodermiques tapissant
la cavité amniotique.
C. L'intervention des intégrines lors du contact cellule matrice permettant la survie
Intégrines = molécules d'adhérence se fixant sur des molécules de la MEC. (collagène, fibronectine)
Culture d'hépatocytes sur des MEC artificielles conduit à un développement normal.
En présence d'anticorps bloquant le site stéréospécifique des intégrines, donc bloquant la liaison intégrinesmolécules de la MEC, le nombre de cellules entrant en apoptose est multiplié par 4.
=> La liaison fibronectine-intégrine constitue l'information à l'origine de la poursuite de la vie cellulaire.
Les interactions entre cellules ectodermiques et matrice qui entraînent leur survie doivent aussi faire
intervenir les molécules d’adhérence cellule-matrice qui sont les intégrines.
THEME 2 : La formation du tube neural chez les Amphibiens
A. Culture de cellules de neurectoderme et d’épiderme de neurula
Des cellules épidermiques et des cellules du neurectoderme sont prélevées au niveau de deux neurulas
différentes. Les cellules sont séparées les unes des autres puis mises en culture
On constate un regroupement des cellules non aléatoire : cellules neurectodermiques groupées au cœur,
cellules épidermiques groupées en périphérie.
=> il existe une adhérence spécifique entre les cellules du neurectoderme et entre les cellules épidermiques.
Les dispositifs d’adhérence spécifiques cellule-cellule existent au sein de l’épiderme et au sein du
neurectoderme de l’embryon et permettent la reconnaissance l’adhésion des cellules à l’intérieur des
feuillets embryonnaires.
B. Intervention des cadhérines dans la formation du tube neural
Les cadhérines et la N CAM sont des molécules d’adhérence cellule-cellule.
On trouve la Cad E dans l’épiderme et Cad N et N-CAM dans le neurectoderme.
=> Ces molécules peuvent être impliquées dans les dispositifs supposés exister d’après l’expérience
précédente.
Une expression anormale de CAD N dans l’épiderme empêche la fermeture et l’isolement correct du tube
neural à partir du neurectoderme
=>la fermeture du t. n. dépend de la reconnaissance entre les deux cotés de l’épid. et au sein du tube neural.
La présence à la surface des cellules du neurectoderme de molécules d’adhérence particulières
différentes de celles de l’épiderme est nécessaire à l’isolement du tube neural et à son recouvrement par
l’épiderme.
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THEME 3 : Adhérence différentielle et morphogenèse chez la drosophile
A. Relation entre disposition relative des cellules, leur tension superficielle et leur quantité de
cadhérine
La tension superficielle varie selon l’origine tissulaire des cellules de 20,1 dynes. cm-2 pour les cellules de
bourgeon de membre à 1,6 dynes.cm-2 pour les cellules rétiniennes.
Quelle que soit la combinaison de cellules, les cellules ayant la plus forte tension de surface se trouvent
ensemble toujours au centre de l’agrégat, occupant la surface la plus petite, entouré par le tissu ayant la
tension de surface la plus faible et la surface la plus étendue.
=>L’organisation et les mouvements des différents feuillets embryonnaires correspondent donc à
l’acquisition de l’état thermodynamique le plus stable.
Puisque le nombre de cadhérines est proportionnel à la tension superficielle, ces résultats montrent que
les cellules qui expriment le plus grand nombre de molécules de cadhérine se localisent au centre,
entourées par celles qui en expriment moins et ceci en obéissant ainsi aux lois de la physique.
B. Adhérence et quantité de cadhérines
Dans le cas sauvage (= témoin) on constate que les cellules folliculaires postérieures au niveau desquelles
se positionne l’ovocyte sont celles qui expriment le plus de cadhérines
Dans le cas B où les cellules postérieures n’expriment plus de cadhérines et où toutes les autres cellules
folliculaires expriment la même quantité de cadhérine, l’ovocyte se place vers l’avant.
Dans le cas C où des cellules folliculaires latérales expriment davantage de cadhérines que les cellules
folliculaires postérieures, l’ovocyte se positionne au niveau des cellules latérales.
=>L’ovocyte est sensible à un gradient d’adhérence et se positionne au niveau des cellules folliculaires
possédant le plus de cadhérines.
La quantité relative de cadhérines plus abondante au niveau des cellules folliculaire postérieure est
déterminante dans le positionnement de l’ovocyte face à ces cellules folliculaires postérieures qui lui
permettent d’acquérir une polarisation antéropostérieure.
B. Rôle des cadhérines dans la forme des cellules des ommatidies
Chez les mutants on remarque que la forme des cellules en cône change lorsqu’il y a moins ou plus de
cellules.
On peut supposer que cette forme est telle que, comme pour les 4 cellules normales, la surface de contact
entre ces cellules en cône avec les cellules pigmentaires reste minimale.
Si la N-cadhérine est retirée spécifiquement dans une cellule cône (flèche), elle change alors de forme et
augmente sa surface de contact avec les CP.
L’expression de la N-cadhérine dans les CP entourant les CC entraîne un changement de forme de ce
groupe de cellules. Les CC adoptent alors une forme de crucifix plutôt que de losange.
=> Ces résultats démontrent que c’est la différence d’expression de la N-cadhérine entre les CC et les CP
qui donne l’organisation spécifique en losange.
La forme des cellules est le résultat d’un équilibre physique, conditionné par la présence de plus ou
moins de molécules de cadhérines à leur surface, elles-mêmes responsables de l’état de tension
superficielle.
Conclusion :
Au cours du développement embryonnaire, les dispositifs d’adhérence sont impliqués dans la survie de
certaines cellules lorsque d’autres sont appelées à entrer en apoptose. Dans ce cas ce sont les dispositifs
d’adhérence cellule-matrice mettant en jeu intégrine et fibronectine.
Ils sont également impliqués dans la reconnaissance entre les cellules appartenant à un même ensemble à
l’intérieur d’un feuillet embryonnaire et dans la formation de certains organes suite à des réorganisations
de ces ensembles cellulaires. Dans ce cas les interactions homophiles entre cadhérines qui sont mises en
jeu.
Enfin la forme des cellules à l’intérieur d’un organe est conditionnée par le nombre et le type de
cadhérines présentes à leur surface. Celles-ci sont responsables de la tension superficielle des cellules qui
détermine leur forme d’équilibre.
Plan,
Structuration du texte en rapport avec le raisonnement
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Présentation de la copie, soin à l'insertion des documents
Orthographe et rédaction
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