la fecondation - DSI friends 972

LA FECONDATION 1) Introduction Les recherches réalisées ces dernières années ont montré que d’un nématode à l’homme, les processus de développement reposent sur les mêmes activités cellulaires fondamentales. La constitution d’un embryon , puis d’un adulte nécessite que les cellules prolifèrent , communiquent entre elles , s’informent de leur position , changent de forme , se déplacent , se regroupent , se différencient , et dans certains cas rentrent en apoptose (= mort cellulaire programmée) . Toutes ses activités sont coordonnées dans l’espace et dans le temps de manières très précises et sont sous le contrôle des gènes du développement. On distingue au cours du développement 5 étapes : -­‐la fécondation -­‐ la segmentation -­‐la gastrulation -­‐la neurulation -­‐l’organogénèse Chacune des étapes est marquée par des évènements cellulaires et moléculaires nouveaux, qui peuvent s’accomplir que si les étapes précédentes ont étés réalisées correctement. La fécondation va modifier profondément la structure de l’œuf et conditionne le développement futur de l’embryon. La segmentation transforme l’œuf en une structure pluricellulaire. La gastrulation contribue au positionnement des 3 feuillets embryonnaires primordiaux, et elle va être achevée au cours de la neurulation. Cette étape fait aussi l’objet de l’amorce du développement de l’embryon qui va s’allonger selon l’axe antéro-­‐postérieur et s aplatir selon un axe dorso-­‐ventral. Il y aura aussi mise en place d’un tube creux dans la région dorsale. L organogénèse constitue l’étape ou les organes et les tissus prennent leurs places définitives et vont se différencier, puis coordonnent leur fonctionnement pour constituer un organisme autonome. 2) Rencontre des gamètes La fécondation, c’est le phénomène de fusion du gamète male, de petite taille, très mobile qu’est le spermatozoïde, avec un gamète femelle, qui lui au contraire est très volumineux et immobile. Cette fusion donnera une cellule unique, l’œuf, que l’on appelle le zygote, c’est le point de départ du développement d’un nouvel organisme. La fusion des matériels génétiques est dite amphimixie, au cours de cette fécondation l’ovule est alors activé et la cellule redevient diploïde. Il y a des mécanismes de contrôles, de l’entrée de spermatozoïdes, qui vont limiter la fécondation entre espèces différentes. L’interaction entre le spermatozoïde et la surface de l’ovocyte provoque une cascade de réactions membranaires, cytoplasmique et nucléaires qui conduisent à l’activation du métabolisme de l’œuf, mais aussi au blocage de la polyspermie et a l’initiation du programme de développement. Les réactions dites d’activation modifient en profondeur, la structure cytoplasmique de l’œuf, la distribution de certains ARN messagers, et cela entraine la disparition de la symétrie radiale de l’ovocyte pour laisser place à une symétrie bilatérale. Chez les urodèles (triton, salamandre) au moment de l’accouplement les spermatozoïdes sont captes par la femelle et vont être stockés dans le cloaque. La fécondation qui va s’initier au niveau du cloaque va se prolonger lors de la ponte, on parle de fécondation pseudo externe. Chez les ANOURS, la fécondation se fait hors de l’organisme maternel, elle est dite externe. Dans ce cas au moment de la ponte, le spermatozoïde rentre en contact avec un cordon gélatineux que l’on appelle la gangue, puis avec la coque, puis avec l’enveloppe vitelline. Ces interactions sont primordiales car elles confèrent au spermatozoïde la capacité de féconder l’ovocyte 2. Ces interactions primordiales sont spécifiques de l’espèce et limite donc les fécondations croisées. Chez les mammifères, les observations microscopiques indiquent que seuls le noyau et le centriole proximal du spermatozoïde pénètre dans le cytoplasme de l’ovocyte. On appelle centriole, le centre de nucléation a partir duquel, les microtubules polymérisent pour former un aster, qui dans le cas du spermatozoïde porte un nom spécifique : le spermaster. Les microtubules du spermatozoïde vont rentrer en contact avec les microfilaments du cortex de la future région dorsale de l’œuf. Ce système de microtubules semble promouvoir le déplacement des 2 noyaux, mâle et femelle (les pronucléus) vers la région centrale de l’hémisphère animal ou ils vont fusionner pour restaurer la diploïdie. L’interaction entre le spermatozoïde et la surface de l’ovocyte provoque une cascade de réactions au niveau membranaire, cytoplasmique et nucléaire. Tout ceci va conduire à l’activation du métabolisme de l’œuf mais aussi le blocage de la polyspermie et l’initiation du programme de développement. toutes ces réactions sont appelées réactions d’activation . 3) Réorganisation du cytoplasme dans l’œuf Apres la fusion entre les membranes plasmiques des spermatozoïdes et des ovocytes, la membrane de la cellule fécondée va se dépolariser très rapidement, juste avant de se repolariser quelques instants après. Il s’agit d’une modification très rapide du potentiel de membrane, qui va réduire la possibilité de fusion d’un nouveau spermatozoïde avec l’ovocyte. La modification rapide du potentiel de membrane va réduire les chances de fécondation avec un second spermatozoïde, c’est la première barrière a la polyspermie, c’est une barrière de type ionique. La fécondation va aussi provoquer des modifications de flux ioniques à travers la membrane plasmique, et va provoquer une libération de calcium importante dans le cytoplasme (par le réticulum endoplasmique, et les mitochondries) .Elle aura pour conséquence, la contraction du cortex de la cellule, ca qui va déplacer les granules corticaux. Ces 2 membranes arrivent en contact et fusionnent, les granules corticaux vont donc s’ouvrir, et le contenu est libéré entre la membrane de la cellule et l’enveloppe vitelline. Ce phénomène se propage tout au long de la surface cellulaire. L exocytose de granules corticaux a deux conséquences : -­‐il y aura formation d’un espace entre la membrane et l’enveloppe vitelline, cet espace porte le nom d’espace prévitellin. -­‐il y aura mise en place d’une membrane de fécondation. *mise en place de l’espace prévitellin : Parmi les constituants des granules corticaux, on retrouve des mucopolysaccharides qui au contact du milieu extérieur vont former un gel hydrophile. L’hydratation e ces mucopolysaccharides va engendrer un afflux de liquide entre la membrane plasmique et l’enveloppe vitelline. Il y a aussi des enzymes qui au contact du milieu extérieur vont être activées, et vont hydrolyser les interactions moléculaires qui existent entre l’enveloppe vitelline et la surface de la cellule. Au final l’activité enzymatique des enzymes et l’afflux de liquides vont provoquer le soulèvement de l’enveloppe vitelline par rapport à la surface de la membrane plasmique pour provoquer la formation de l’espace péri-­‐vitellin. *mise en place de la membrane de fécondation Une dernière fraction du contenu des granules corticaux est forme de glycoprotéines qui traversent l’enveloppe vitelline, se polymérisent, et constituent un amas de glycoprotéines a la face externe de l’enveloppe. La membrane est ainsi modifiée et elle devient membrane de fécondation que l’on appelle aussi le chorion. Au final la formation du chorion et de l’espace prévitellin constituent une seconde barrière à la polyspermie, et donc mise en place d’une seconde barrière physique. La modification de la structure de l’enveloppe vitelline ainsi que la formation de l’espace prévitellin ont une autre conséquence, elles vont rendre l’œuf libre dans ses enveloppes, le cytoplasme aura alors subi des modifications en termes de mouvement. En effet, l’œuf va s’orienter sous l’effet de la pesanteur, sous l’effet d’un gradient vitellin, de telle sorte que les œufs fécondés vont tous présenter l’hémisphère animal vers le haut. Cette rotation d’orientation est le premier signe externe que l’ovocyte 2 est fécondé. Ce phénomène est observé environ 30 mn après la fécondation. L’ensemble de ces réactions constituent les réactions d activations. Dans l’hémisphère animal la reprise de la méiose entraine à l’émission du second globule polaire et la disparition du fuseau mitotique. Il y aura alors extensions du pigment dans le cortex au-­‐dessus du noyau, donc la tache de maturation va disparaitre. Cette disparition constitue le deuxième signe externe qui prouve que la fécondation est réalisée. La rotation du cortex va engendrer la mise en place d’un plan de symétrie et d’un nouvel axe. 4) Rotation du cortex : mise en place de la symétrie et d’un nouvel axe a) La rotation corticale Le dernier évènement est la rotation corticale ou rotation de symétrisation. Elle a lieu environ une 1H30 après la fécondation, le cortex subit une rotation de 30° en direction du point de pénétration du spermatozoïde, alors que le cytoplasme profond demeure immobile. L’analyse de la localisation de la tubuline (constituant majeur des microtubules =déplacement de l’œuf), montre qu’avant la rotation corticale, des faisceaux de microtubules se mettent en place, il y aura alors formation d’un réseau entre le cytoplasme cortical (=cortex) et le cytoplasme profond, qui se fait environ 5 um de la membrane plasmique. Dans le pole végétatif, les microtubules sont parallèles et orientes dans la direction de rotation corticale (30°). Cette mise en place se fait sous le contrôle du centriole apporté par le spermatozoïde. En présence de colchicine, la rotation corticale est perturbée. Cette rotation corticale entraine localement le déplacement du pigment : il descend au-­‐
dessous de l’équateur d’un côté de l’œuf et remonte au pôle animal de l’autre côté. Selon les espèces, il se forme un croissant dépigmenté du côté opposé au point d’entrée du spermatozoïde. L’analyse macroscopique du développement ultérieur de l’œuf a établi que la région du croissant dépigmenté coïncide avec la future région dorsale de l’embryon. En menant une expérience de l’irradiation de l’œuf par des ultraviolets, du côté du pole végétatif, cela a conduit à l’obtention d’un embryon atypique dépourvu de structure dorsale (chorde, somite) .Un embryon irradié dépourvue de structure dorsale est dit embryon centralisé. Ces observations sont fondamentales, car elles signifient que la rotation corticale dirige la mise en place du plan de symétrie bilatérale de l’embryon et d’un nouvel axe dorso ventral. b) redistribution des déterminants cytoplasmiques Dans le pole végétatif, on a un certain nombre de déterminants cytoplasmiques. Le mouvement du cortex va engendrer la redistribution de ces déterminants : ARNm, VG1, DSH, VegT. Avant la rotation du cortex, la protéine DSH est séquestrée dans les vésicules du cortex végétatif. Au moment de la rotation corticale, il a été montré que ces vésicules vont se retrouver transloqués dans la future région dorsale de l’embryon. Une fois arrivées, dans la partie dorsale, les vésicules libèrent leur contenu, et en l’occurrence la protéine DSH. Remarque : la protéine DSH est une protéine cytoplasmique intermédiaire dans la voie de signalisation de protéines WINT. Elle est le suppresseur d’activité de la protéine GSK3 (glycogène synthétase kinase 3). La protéine GSK3 provoque la dégradation d’une autre protéine cytoplasmique : la B-­‐caténine La B-­‐caténine est une protéine multifonctionnelle qui intervient dans l’encrage des cadherines au cytosquelette, (c’est un facteur nucléaire de transcription). Au final, ce qui se passe dans le cytoplasme de la région dorsale de la cellule fécondée : c’est un enrichissement en B-­‐caténine. La DSH qui diffuse dans cette région, inactive GSK3 présente dans le cytoplasme. Ainsi GSK3 étant inhibée, ne dégrade plus la B caténine qui va s’accumuler. Le cytoplasme de la future région dorsale de l’embryon s’enrichit en B-­‐caténine, alors que le cytoplasme de la futur région ventrale s’en appauvrie. La rotation du cortex libère les ilots du plasme germinal aux encrages des plaquettes vitellines et des mitochondries. L’analyse histologique de l’œuf montre des remaniements du cytoplasme après la fécondation. Dans le pole végétatif, on a du vitellus, qui va remonter vers le cortex de la région dorsale. Dans le pole animal, les pronucleis se déplacent l’un vers l’autre, le déplacement du pronucléus male s’accompagne de la formation d’une trainée spermatique constituée de grains de pigment qui pénètrent dans le cytoplasme de l’œuf à la suite de la fécondation de l’œuf La fusion de pronucleis s’appelle : l’amphimixie, et rétablit la diploïdie. Remarque : l’appareil mitotique est mis en place par le spermaster apporté par le pronucléus male. Une fois que l’amphimixie a lieu, la réplication de l’ADN peut commencer. c) La libération de calcium La libération de calcium dans le cytoplasme entraine une variation du pH intra cytoplasmique, ce qui active le métabolisme cellulaire (synthèse de protéines, etc...) Parthénogenèse : aptitude d’un œuf qui peut se développer sans qu’il y ait fécondation.