embryologie les oursins

EMBRYOLOGIE
LES OURSINS
Les oursins appartiennent au phylum des Echinodermes, il en existe 7000 espèces, toutes
marines, réparties en 5 classes.
- Classe des Echinides (oursins, 900 espèces)
- Classe des Astérides (étoiles des mers)
- Classe des Holothurides (concombres de mer)
- Classe des Ophiurides (ophiures)
- Classe des Crinoïdes (lilas des mers)
I-
Anatomie et avantages/inconvénients
1- Anatomie
- Deutérostomiens : formation de l’anus { partir du blastopore (région anale se développe
avant la région buccale) + capacité de régulation des blastomères.
- Segmentation radiaire d’ordre 5 (pentaradiaire) : les plans de clivage sont parallèles ou
perpendiculaires { l’axe primordial (= axe animal-végétatif). Le test calcaire de l’oursin donne
la forme globulaire de l’oursin adulte. Celui-ci est formé de cinq plaques riches en calcium
soudées les unes aux autres 5 doublets de bandes sombres (=région ambulacraire) et claires.
- Segmentation est holoblastique (divisions totales).
- Pas de critères sexuels secondaires qui permettent de
différencier le mâle de la femelle.
- Vie sur fonds benthiques la face orale tournée vers le sol
afin de se nourrir d’algues grâce à un appareil masticateur =
« Lanterne d’Aristote » qui comporte 5 dents calcaires
alternées avec les compas (pièces squelettiques articulées
faisant office de pince) + muscles rétracteurs et transverses
pour faire bouger les dents.
- A l’opposé, on trouve la face aborale, qui constitue la région
ano-génitale qui rejette les excréments.
- Les régions ambulacraires portent les podias.
- Les régions interambulacraires portent les piquants.
- Les piquants ne permettent pas le mouvement, contrairement aux pieds ambulacraires, sur
lesquels sont fixés des podia (= ventouses).
2- Avantages/inconvénients de l’oursin pour l’étude du développement
Avantages :
- Grande production de gamètes : la femelle  107 ovocytes et le mâle 1012 spermatozoïdes,
de façon à augmenter les probabilités de fécondation dans le milieu extérieur (= eau).
- Fécondation et développement externes : très facilement observables et réalisables in vitro.
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- Le développement de l’embryon d’oursin est très rapide, on obtient au bout de deux jours une
larve et est aussi synchrone, signifiant que toutes les larves croitront de manière identique au
fil du temps.
- L’œuf et l’embryon d’oursin sont transparents (possède peu de réserves = vitellus), ainsi, on
peut facilement observer les types cellulaires { l’intérieur du blastocœle. Il est synchrone :
segmentation à espaces réguliers, chaque embryon se divise au même moment que le voisin. Et
il possède une taille permettant une manipulation facile par micro-injections (ADN, ARN,
morpholinos) grâce à des micropipettes.
- Les embryons sont manipulables facilement, on peut ainsi effectuer aisément des
transplantations.
Protéines et la structure de l’embryon au stade larvaire est simple, avec un faible nombre de
cellules.
Inconvénients :
- Analyse génétique classique impraticable car temps de génération trop long (quelques
années).
- Production saisonnière des gamètes (de janvier à juin pour Paracentrotus lividus).
II-
La reproduction
Le cycle vital est très long (de la fécondation à la larve pluteus :
2 jours).
Spermatozoïde + ovule
Développement d’une larve nageuse
Echinopluteus (plancton)
 Formes rudimentaires et organes larvaires résorbés
 Juvénile
 Métamorphose et ancrage au sol  adulte
1- Les gamètes
Pour les observer, on dissèque les oursins au niveau de
l’équateur.
Les gamètes seront expulsés grâce à des petits canaux
débouchant sur cinq orifices génitaux au niveau de la plaque
aborale. 5 gonades par individus.
Les oursins pratiquant l’oogamie : seul le spermatozoïde est
mobile.
 Spz.= un acrosome qui renferme des protéines
(principalement des hydrolases, de l’actine G et de la
bindine). + un flagelle est composé de 9 axonèmes, euxmêmes formés de doublets de microtubules ainsi que des
protéines (dynéine interne et externe), permettant aux
microtubules de glisser les uns sur les autres. Il ne possède
qu’une seule membrane.
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 Les ovocytes
Diamètre de 100µm.
Pendant l’ovogenèse, les ovocytes vont maturer et
donner des œufs non fécondés et orientés selon un
axe animal-végétatif : pôle animal et pôle végétatif
respectivement définis par la présence d’un canal
par lequel seront expulsés les deux globules
polaires au cours de la maturation de l’ovocyte, et
par le point d’ancrage de l’œuf { l’ovaire.
L’œuf est lié { l’ovaire pendant l’ovogénèse par le
pôle végétatif.
Il possède 3 types de membranes :
- membrane plasmique (mb interne)
-enveloppe vitelline, collée à la membrane plasmique, forme des microvillosités. Apres la
fécondation, cette mb vitelline va se décoller, pour mettre en place l’enveloppe de fécondation.
- gangue gélatineuse (mb externe) : composée de nombreux sucres, elle reste fine tant que
l’œuf se trouve dans l’ovaire, et servira par la suite de flotteur { l’œuf (se gorge d’eau une fois
l’œuf pondu). Elle va devenir très épaisse et va jouer un rôle de reconnaissance du
spermatozoïde durant la fécondation : elle est capable d’attirer via un mécanisme de
chimiotactisme les spermatozoïdes d’oursins de même espèce. Impliqué dans ce mécanisme,
on a pu isoler un peptide de 14 acides aminés, la resact, synthétisée par la gangue gélatineuse.
Sous la membrane plasmique, on trouve une grande quantité de vésicules, les granules
corticaux. Ceux-ci auront un rôle important à jouer lors de la fécondation.
Après expulsion, le courant va disséminer les gamètes dans le milieu marin, et ils vont se
rencontrer pour faire la fécondation. Une espèce d’oursins sera incapable de féconder une
espèce étrangère, du fait de mécanismes propres à leurs gamètes respectifs.
2- La fécondation
Les oursins n’ont pas de caractères sexuels secondaires mais si un oursin possède de
nombreux gamètes matures prêts à être expulsés, il y aura en son sein, soit une substance
orangée, soit une substance blanche près du pôle aboral. Les ovocytes et les œufs sont très
orangés, car ils expriment un pigment au niveau de leur cortex.
Les œufs sont beaucoup plus gros et denses que les spermatozoïdes, les oursins étant
anisogames.
Contrairement { d’autres espèces animales, le spermatozoïde d’oursin va pouvoir pénétrer
dans l’œuf { n’importe quel niveau. Le premier contact entre l’œuf et les spermatozoïdes va
activer les deux gamètes :
Réaction acrosomale du spermatozoïde
= exocytose de la vésicule acrosomale : les protéines vont être libérées et les hydrolases qui
vont digérer la gangue gélatineuse. L’actine sous forme globulaire (G) va polymériser en actine
F et former le filament acrosomal.
La bindine de la membrane de l’acrosome va être reconnue par un récepteur au niveau de la
membrane vitelline de l’œuf.
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La création du complexe bindine/récepteur permet la fusion des deux membranes, et la
pénétration du noyau dans l’œuf et permet d’éviter une fécondation interespèce. Une enzyme
va ensuite digérer la mb vitelline, et la tête du spermatozoïde va fusionner avec la membrane
plasmique de l’œuf.
2 réactions de l’œuf pour éviter la polyspermie
 L’œuf est chargé négativement avant la fécondation (-75
mV), en cas de fécondation, un flux entrant ou sortant d’ions va
bouleverser ce potentiel. La dépolarisation induite empêchera
la fixation des spermatozoïdes surnuméraires sur l’œuf. La
réponse à la fécondation est rapide, et le potentiel de
membrane retrouve un niveau normal au bout d’une dizaine de
minutes.
 Réaction corticale : les granules corticaux vont déverser leur contenu protéique par
exocytose, ce qui va provoquer un soulèvement de la membrane vitelline : elle va se décoller de
la membrane plasmique. En effet, des protéases vont couper les liens entre les deux
membranes. Des sucres vont être relargués et créer un gradient osmotique pour permettre à
l’eau de mer de rentrer entre les deux membranes, et créer l’espace périvitellin.
L’enveloppe de fécondation est la membrane vitelline qui a été modifiée après la fécondation.
C’est une enveloppe très résistante, qui assure une protection définitive contre la polyspermie.
Une couche de hyaline va entourer l’œuf pour assurer la cohésion des cellules pendant la
division.
Schéma de l’œuf fécondé
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III-
De L’œuf à l’oursin
1- La segmentation
Après une demi-heure, il y a fusion des noyaux des deux gamètes, et formation d’un zygote. On
appelle cette fusion amphimixie. L’œuf va ensuite se diviser et mener à un organisme
pluricellulaire par une segmentation orientée selon l’axe animal-végétatif, holoblastique (d’un
pôle { l’autre), totale, radiaire et réductive (les cellules ont des tailles de plus en plus petites
mais la taille de l’embryon
reste la même).
 Le 1er plan de clivage
est méridien, débute sous
forme
d’une
contraction
corticale. Les 2 cellules issues
de cette segmentation sont
des blastomères.
 Stade 2 : Le 2e plan
clivage, perpendiculaire au
premier, va donner naissance
à 4 blastomères de taille
identique.
S
 Stade 4 : Le 3e plan de clivage va être situé { l’équateur, et donner 4 cellules dans
l’hémisphère du pôle animal, et 4 cellules dans l’hémisphère du pôle végétal. La bande
pigmentaire est contenue dans les blastomères inférieurs
 Stade 8 : Les 4 cellules du pôle végétal vont se diviser asymétriquement avec formation
de petites cellules au pôle végétatif, et de grandes cellules au pôle animal + formation d’une
cavité entre les blastomères = blastocœle.
 Stade 16 : les blastomères supérieurs vont se diviser de façon méridienne et donneront
les mésomères. Les blastomères inférieurs vont se diviser de façon latitudinale décalée et
donneront 4 macromères et 4 micromères.
 Stade 32 : Les mésomères subissent une division équatoriale et donneront les cellules
an1 et an2. Les micromères vont subir une division latitudinale asymétrique pour donner
naissance aux grands et aux petits micromères. Les mésomères se diviseront de façon
méridienne pour en former 8.
 Stade 64 : les macromères subissent une division équatoriale pour donner deux assises
végétatives veg1 et veg2
A partir du stade 128 cellules on obtient un embryon appelé blastula.
Chaque cellule va acquérir un cil, servant à faire tourner la blastula. A la fin de ce stade, il va y
avoir éclosion de l’enveloppe de fécondation (10-12h après la fécondation): les cellules de la
partie animale vont synthétiser l’enzyme d’éclosion qui va digérer l’enveloppe et libérer la
blastula flotteuse capable de « nager » grâce à ses cils.
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Les cellules du pôle animal + une partie de veg1 vont donner l’ectoderme.
Une partie des cellules de veg1 et veg2 va donner l’endoderme (qui donnera le TD).
Les micromères + une partie de veg2 vont donner le mésoderme (mésenchyme)
Au pole animal, les cils des cellules sont très longs : on parle de touffe ciliaire apicale qui joue
un rôle de gouvernail.
Il faut que les cellules composant cet épithélium adhérent les unes aux autres de manière très
coordonnée. Ainsi, il y a une jonction cellulaire entre la face apicale et la couche hyaline côté
apical, et entre la face basale et la matrice extracellulaire tapissant la paroi du blastocœle. Cet
ensemble permet d’obtenir un embryon
parfaitement sphérique.
2- La gastrulation
Après l’éclosion, l’embryon est appelé blastula
tardive. Celle-ci va s’aplatir au niveau du pôle
végétatif  Formation de la plaque végétative =
épaississement du pôle végétatif. Un embryon
de cette forme est significatif d’un début de
gastrulation.
Les grands micromères vont changer de
propriétés : ils perdent leur polarité et leur cil
apical.
Puis ils vont s’extirper de l’épithélium par un phénomène d’ingression, vont pénétrer à
l’intérieur du blastocœle et devenir des cellules du mésenchyme primaire (PMC) c’est la
« transition épithélium – mésenchyme ».
Quand les cellules auront pénétré dans le blastocœle, les cellules non-PMC vont adhérer les
unes aux autres pour refermer l’épithélium unicellulaire.
On arrive au stade blastula avec
mésenchyme.
La gastrulation commence par la constriction
apicale des cellules épithéliales, qui leur
confèrent une forme dite « en bouteille »
La plaque végétative s’invagine donc,
formant le blastopore et l’archentéron. Les
cellules du PMC vont former des filopodes
(extension cellulaires) qui vont s’étendre dans le blastocœle afin de vérifier la composition des
parois ce qui va permettre { l’archentéron de s’allonger sur une longueur correspondant au
tiers de l’embryon.
On parle de gastrula précoce.
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Une seconde phase d’élongation fera intervenir des
cellules se trouvant au sommet de l’archentéron, les
cellules du mésenchyme secondaire (SMC),
provenant des petits micromères et d’une partie
des cellules de l’assise cellulaire veg2. Celles-ci vont
émettre des filopodes, parfois très longs, en
direction du toit du blastocœle. Une fois arrimées,
elles vont pratiquer une force de traction par
raccourcissement de leur filopodes qui permettra
l’allongement de l’endoderme vers le pôle animal. Par la suite, elles se détacheront pour se
disperser dans le blastocœle, où elles formeront des organes mésodermiques
Parallèlement, les cellules du PMC forment 2 amas cellulaires, de part et d’autres de
l’archentéron au niveau du pôle oral. Ces deux amas sont reliés entre eux par une chaîne orale
et une chaîne aborale. Les cellules de chaque amas vont ensuite fusionner les unes avec les
autres et former 2 syncytiums.
Il va y avoir un dépôt de carbonate de calcium, qui va former 1 spicule triradiée dans chaque
syncytium. Ces spicules vont s’allonger en suivant les chaînes Formation du squelette de
l’embryon.
Les cellules pigmentaires vont se détacher de l’archentéron et migrer vers l’ectoderme (c’est ce
qui va donner sa couleur { l’embryon).
Le blastopore quant à lui, va donner l’anus.
3- Le stade larvaireprismepluteus
Jusqu’{ ce stade, l’embryon possède une symétrie radiaire.
Mais alors que les cellules épidermiques aborales s’allongent,
les orales restent aplaties : c’est la dépression stomodéale 
formation de la bouche par fusion de cet ectoderme avec le
sommet de l’archentéron.
Mise en place de l’axe oral – aboral, perpendiculairement à
l’axe animal–végétatif  apparition de la symétrie bilatérale
stade larvaire.
L’ectoderme oral va s’aplatir et l’ectoderme aboral va s’agrandir.
 Stade prisme.
Les 4 bras anaux vont s’allonger.
 Stade pluteus. Développement d’une bandelette ciliée permettant à la larve de se déplacer
face orale en avant. En battant, les cils vont créer un courant d’eau et attirer des microorganismes vers la bouche de la larve. L’archentéron formera petit { petit œsophage, estomac,
intestin et anus. Les deux spicules se rejoignent au niveau de la face dorsale de la larve.
2 jours après la fécondation la larve est planctonique et autonome.
Les cellules du mésenchyme secondaire (SMC) micromères et de l’assise veg2 vont contribuer {
la formation de deux vésicules cœlomiques, de part et d’autre de l’archentéron.
C’est { partir du cœlome gauche que se forme un petit oursin par métamorphose.
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4- La métamorphose
La transformation ayant lieu lors d’une métamorphose, le développement de l’oursin est donc
indirect. La plupart des cellules embryonnaires sont détruites lors de cette métamorphose.
Le cœlome gauche se divise en 3 parties :
- Axocoele
- Hydrocoele
- Somatocoele
L’hydrocoele gauche va fusionner avec une partie de l’ectoderme (le vestibule) et former le
rudiment. Puis il va bourgeonner et former 5 vésicules. C’est le début de la pentamérisation.
L’ « amnios » formé correspond au vestibule. A partir de ce rudiment, au sein même de la larve,
il y aura formation du juvénile, oursin miniature garni de quelques piquants et de cinq podia
primaires qui va se poser sur un rocher et qui va grossir.
A la suite de la métamorphose, nous retrouverons une symétrie radiaire pentaradiée. Elle peut
être mise en évidence avant la formation du test calcaire via l’observation des 5 plaques
calcaires. La cavité amniotique s’ouvre, et les restes du pluteus non utilisé pour la
métamorphose sont ingérés par le juvénile. Au fur et { mesure que l’animal est alourdi par son
squelette et ses piquants calcaires, l’oursin descend vers les fonds marins. La formation du
juvénile prend 5 à 6 semaines.
IV-
L’axe animal – végétatif
Plusieurs critères permettent d’identifier l’axe animal végétatif, par exemple sur un œuf avant
la fécondation :
- Sur l’œuf, le canal permettant l’expulsion des globules polaires
- La bande pigmentée se situant sous l’équateur, visible seulement chez Paracentropus lividus,
due { un colorant s’accumulant dans des granules corticaux.
- Le premier plan de division est méridien. Il passe donc par les pôles de l’œuf.
- Des le stade 16, on peut repérer pôle animal et pôle végétal. A partir des autres stades, il
redevient difficile de les identifier, les cellules se divisant de plus en plus. Avant la gastrulation,
on sait qu’aura lieu un aplatissement de la plaque végétative.
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
Les chercheurs ont essayé de comprendre
des différents rôles de l’œuf, pour cela, ils ont dans
un premier temps pris un œuf qu’ils ont pu
orienter, pour ensuite en faire des coupes.
- A : une coupe méridienne permet l’obtention de
larves pluteus quasi-normales (mise à part la
taille).
- B : Une coupe équatoriale permettra quant à elle
l’obtention d’une blastula permanente pour la
moitié animale, et une larve pluteus quasi-normale
pour la moitié végétative.
Cette expérience nous indique que les
moitiés animales et végétatives d’un œuf n’ont
pas les mêmes propriétés. Ainsi, la partie
végétative semble la plus harmonieuse pour la
formation d’un embryon.
 Les chercheurs ont réitéré l’expérience
pour des embryons au stade 4. Chaque
blastomère séparé est à ce stade capable de
donner naissance à des larves pluteus
normales.
Pour des embryons au stade 8, on a :
- A : séparés de façon méridienne, formation
d’embryons normaux
- B : séparés de façon équatoriale, un seul animal sera viable
 L’axe animal végétatif est donc formé avant la
fécondation, démontrant l’existence de la polarité
animale/végétative. Au niveau de la moitié
végétative, il peut y avoir présence de substances
plus importantes qu’au pôle animal pour le
développement de l’embryon.
Pour confirmer ces résultats, les chercheurs ont pris
des embryons au stade 64, où les différentes assises
sont mises en place et actives. Quand on ne conserve
que la moitié animale, on obtient des embryons
animalisés composés uniquement d’ectoderme. Si
l’on rajoute { cette moitié animale l’assise cellulaire
veg1, on obtient au bout de 24h un embryon dont
l’animalisation sera plus faible, les cellules veg1
participant { la formation de l’endoderme. La moitié
animale avec veg2 donnera une larve pluteus
quasiment normale.
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Quant { la greffe de 4 micromères { une moitié animale, il y a obtention d’une larve pluteus
normale.
On conclut donc que les micromères ont le plus d’activité lors de la formation de larves
normales.
Les autres cellules ont également un rôle évident, mais plus faible. En comparaison, les cellules
veg1 ont un rôle minimal. Ainsi, on suggère qu’il existe un gradient végétatif avec un maximum
d’activité au niveau des micromères : au plus on s’éloigne du pôle végétatif, au moins le
gradient est fort. Les micromères se comportent alors comme un centre organisateur, c'est-àdire une zone de l’embryon importante dans la différenciation des autres cellules de l’embryon.
V-
Pouvoir inducteur des micromères
On prend un embryon sur lequel on ôtera les
micromères. A partir de ceux-ci, on effectuera une
expérience de greffe, et on les installera au pôle animal
d’un embryon au même stade. Pour pouvoir distinguer
les micromères greffés des micromères endogènes, on
colore une des deux groupes avec un traceur
fluorescent. Au moment de la gastrulation, l’embryon
receveur formera des PMC, l’archentéron, il y aura
élongation, et formation des spicules.
A partir du pôle animal, un second archentéron se
formera, ainsi, l’embryon possédera deux archentéron
qui se rejoindront par la suite.
Les micromères ont donc la capacité de
reprogrammer les cellules animales de l’ectoderme
pour qu’elles forment de l’endoderme (=archentéron)
Les chercheurs ont montré qu’il est possible
de modifier le devenir des cellules au cours
du développement de l’embryon. On peut
montrer avec des marqueurs anticorps que
les enzymes d’éclosion ont une certaine
répartition. Certains produits chimiques
peuvent en déplacer la frontière.
- Quand on rajoute du lithium, la frontière sera déplacée vers le pôle animal. Ainsi, la zone
d’expression de l’enzyme d’éclosion sera réduite. Moins de cellules formeront de l’ectoderme. Il
y a formation d’un embryon végétalisé. La larve a exogastrulé, signifiant que la gastrulation
s’est faite { l’extérieur de l’ectoderme.
- Si on traite des embryons avec du zinc, il y aura déplacement de la zone vers le pôle végétatif,
les embryons seront animalisés. Toutes les cellules appartiennent { l’ectoderme.
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