TP 2 : La différenciation du sexe
publicité
TP 2 : La différenciation du sexe phénotypique Partie du programme concernée : - Deuxième étape : Du sexe génétique au sexe gonadique - Troisième étape : Du sexe gonadique au sexe phénotypique différencié Prérequis : - TP n° 1 Notions à construire : L'acquisition des structures des appareils génitaux mâles et femelles nécessite 2 étapes : - Du sexe génétique au sexe gonadique : mise en jeu d’un gène situé sur le gonosome Y. - Du sexe gonadique au sexe phénotypique différencié : mise en jeu d’hormones. Capacités exercées : - Adopter une démarche explicative en intégrant des données nouvelles. - Exploitation de 4 documents. - Elaboration d’une synthèse (question type 3 d’un sujet de bac) par mise en relation logique des documents fournis. - Réalisation d’un schéma bilan. Matériels, supports et bibliographie : - Quatre documents seront à exploiter (tirés des sources ci-dessous) - Site INRP http://www.inrp.fr/Acces/biotic/procreat/determin/html/ - Sexualité / Charles Houillon – Hermann - Biologie t 3 : Reproduction et développement, / Claude-Louis Gallien, collection Biomed – PUF - Sciences de la Vie et de la Terre - Première S / Le Bellégard, Kersyfer et coll. chez Hatier- 1993 - Sciences de la Vie et de la Terre Seconde / Collection Raymond TAVERNIER Claude Lizeaux Bordas 2000 Plan du TP - Quatre documents à exploiter. - Une problématique à résoudre à partir d’une exploitation raisonnée de chacun des documents et d’une mise en relation logique desdits documents. Principe de l’activité : A l’aide d’une exploitation raisonnée des 4 documents proposés, puis de leur mise en relation logique : - reconstitution les étapes de la différenciation du sexe phénotypique mâle d’une part, puis celle du sexe phénotypique femelle d’autre part. - à partir de la formation des gonades indifférenciées mises en place chez l’embryon humain dès la 7ième semaine de développement. - réalisation d’un bilan sous forme de schémas. 582664036 / Créé par Lycée Janot - Sens / Page 1 sur 8 - construction d’une hypothèse expliquant l’existence de femmes XY, et d’hommes XX à partir des connaissances sur la méiose et du document 4. Documents proposés : Document n°1 : Le phénomène du Free-Martin Document n° 2 : Expériences de castration d’embryons de souris Document n° 3 : Expériences de greffe de testicules et d’implantation d’un cristal de testostérone chez un fœtus de Lapin (expériences de Jost). Document n° 4 : Gènes, dont le gène SRY portés par le gonosome Y. DOCUMENT n° 1 - Le cas particulier du «free-martin» Les éleveurs de bovins connaissent, depuis longtemps, le phénomène de Free-Martin. Les termes employés par les éleveurs pour désigner ces animaux varient selon les pays et les régions : "vache-boeuf", "vache-mule", "taure", "gelin" ou "boubic" en France, "bouquetin" en Belgique, ou encore "Zwicken" en Suisse. Les scientifiques utilisent le terme de free-martin (ou freemartin) issu vraisemblablement du dialecte écossais ferry = stérile et mart = animal impropre à la reproduction, ou animal destiné à la boucherie et vendu à la foire de la Saint Martin. Il désigne un bovin femelle stérile né d’une gestation gémellaire particulière : l’un des 2 embryons fauxjumeaux est mâle et l’autre femelle. Le mâle est normal en tous points. La génisse obtenue est stérile. Elle montre : des organes génitaux externes normaux, correspondant à un phénotype femelle, des conduits génitaux internes atrophiés : vagin rudimentaire clos, utérus réduit à l’état de vestige, voire même absent, des conduits génitaux mâles présents à l’état d’ébauches : épididyme, vésicules séminales et même, beaucoup plus rarement, prostate, des ovaires peu développés (de la taille d’un petit pois à celle d’un poing) et renferment rarement des cellules germinales. La génisse présente aussi des cellules sanguines provenant de son jumeau mâle. L’examen du placenta montre des anastomoses entre les circulations sanguines des 2 fœtus : certains vaisseaux sanguins ont fusionné (voir dessin ci-dessous). Fichier I6DIJ05Ca.jpg in http://www.inrp.fr/Acces/biotic/procreat/determin/html/ in Sexualité / Charles Houillon - Hermann in Biologie t3 : Reproduction et développement, / Claude-Louis Gallien, collection Biomed - PUF Comment agirait la gonade pour masculiniser l’appareil génital de la génisse ? 582664036 / Créé par Lycée Janot - Sens / Page 2 sur 8 DOCUMENT n° 2 : Castration de l’embryon chez la Souris Image = fichier I6DIJ05Cb.jpg Image = fichier I6DIJ05Cc.jpg Embryon XX non castré Embryon XY non castré Embryon XX castré Embryon XY castré sexe phénotypique femelle sexe phénotypique mâle sexe phénotypique femelle sexe phénotypique femelle Dessins d’après Initiation à la Biologie / D.G. Mackean - Seghers 1973 Expériences in Sciences de la Vie et de la Terre - Première S / Le Bellégard, Kersyfer et coll. - Hatier 1993 DOCUMENT n° 3 : Greffes sur un foetus de Lapin Pour comprendre le mode d’action du testicule, Jost réalise, dans les années 1940, les expériences complémentaires suivantes : Foetus femelles - 20 j Foetus femelles - 20 j Cristal de Testostérone Greffe de testicule Résultats 28 jours plus tard Résultats 28 jours plus tard Trompe Trompe Vésicule séminale Vésicule séminale Testicule Canal déférent Canal déférent Dessins JM Brosse, Lycée Janot - Sens Expériences in Sciences de la Vie et de la Terre - Première S / Le Bellégard, Kersyfer et coll. - Hatier 1993 DOCUMENT n° 4 : Le chromosome Y 582664036 / Créé par Lycée Janot - Sens / Page 3 sur 8 Ce chromosome, et les gènes qu’il porte, jouent un rôle fondamental dans la différenciation sexuelle mâle. Des travaux récents (1989) ont permis de connaître sa structure génique : Partie homologue de X Bras court Yp 1 2 3 Gène SRY 4 Centromère 5 SRY = Sex-determining Region of Y Mb = Méga-bases Bras long Yq 6 1 à 7 = Intervalles (contiennent plusieurs gènes) 7 Partie homologue de X Chromosome Y (28 Mb) in INRP - http://www.inrp.fr/Acces/biotic/procreat/determin/html/ Le gène SRY appartient à la famille des gènes SOX : gènes-architectes déjà vu en classe de Seconde. Il s’exprime entre la 5° et la 7° semaine après la conception et entraîne la synthèse d’une protéine de 204 amino-acides appelée TDF (Testis Determining Factor) qui est à l’origine de la différenciation de la gonade en testicule (sexe gonadique). Ce gène ne semble plus s’exprimer par la suite. ***** BILAN - Réponses attendues : Document n° 1 : - Les organes génitaux ne sont pas développés correctement, le tractus génital féminin est atrophié et la rencontre des gamètes est impossible. L’énoncé indique aussi que les ovaires n’ont pas un développement normal et ne contiennent pas de gamète femelle. L’animal est donc stérile. - L’appareil génital est masculinisé (ébauches de tractus génital mâle) et l’on observe des anastomoses entre les vaisseaux sanguins de chacun des 2 embryons. Des sécrétions mâles sont passées de l’embryon mâle vers l’embryon femelle. Ceci est confirmé par la présence, dans le sang de la génisse free-martin, de cellules sanguines en provenance de son frère. - Ces sécrétions auraient masculinisé l’appareil génital de l’embryon femelle lors de sa mise en place dans l’embryon. - Il s’agirait de molécules déversées dans le sang, agissant à distance sur le développement des organes génitaux (organes cibles) ; ces molécules sont fabriquées par l’embryon mâle : il s’agirait donc d’hormones mâles sécrétées par le testicule embryonnaire. Il faut noter que, dans le cas de gestation gémellaire avec un mâle et une femelle, on n’observe jamais de féminisation d’embryon mâle. Document n° 2 : 582664036 / Créé par Lycée Janot - Sens / Page 4 sur 8 - La castration d’un embryon, avant la différenciation de son appareil génital, donne naissance à un animal de sexe phénotypique femelle et ce, quels que soient ses gonosomes (donc son sexe chromosomique). - La différenciation du sexe phénotypique mâle est sous la dépendance de la gonade mâle (testicule). Par contre, la différenciation femelle ne nécessite pas la présence d’une gonade (sexe par défaut ?). - Seul, le testicule paraît capable d’orienter la différenciation sexuelle de l’appareil génital. Document n° 3 : - Le fœtus non traité nous sert de témoin : son sexe phénotypique est femelle, normalement constitué et conforme à ses gonosomes. - Les 2 greffes entraînent l’apparition d’un canal déférent et d’une vésicule séminale : il y masculinisation de l’appareil génital des embryons femelles traités. - Le testicule est bien indispensable à la masculinisation de l’appareil génital. - L’implantation d’un cristal de Testostérone confirme les déductions faites dans le paragraphe 2 (free-martin : le testicule stimule la masculinisation par voie sanguine) : c’est la Testostérone, hormone sécrétée par le testicule, qui est responsable de la masculinisation observée. - Dans le cas de l’implantation du cristal de Testostérone, l’appareil génital femelle est conservé : la Testostérone est indispensable à l’apparition du tractus mâle mais ne suffit pas à faire régresser les conduits génitaux femelles. Le testicule développe donc une autre action par voie sanguine : la régression des canaux de Müller. Il sécréterait une hormone anti-müllerienne (= AMH). Les 2 hormones testiculaires ne sont pas sécrétées par le même type de ¢ : la Testostérone est sécrétée par les ¢ interstitielles et l’AMH par les ¢ de Sertoli. Un premier schéma-bilan peut déjà s’établir ainsi : 44 autosomes + XX Sexe gonadique Ovaire 44 autosomes + XY Gonade indifférenciée Testostérone Régression Tractus génital Canaux de Wolff AMH Testicule Cellules interstitielles Cellules de Sertoli Epididyme Canaux déférents Vésicules séminales Canal éjaculateur Trompes Utérus Vagin Canaux de Müller Régression Clitoris Tubercule génital Pénis externes Lèvres Bourrelets génitaux Scrotum Document n° 4 : - La gonade indifférenciée ne reçoit pas le signal de la protéine TDF et ne se différencie pas en testicule : il se formera des ovaires. 582664036 / Créé par Lycée Janot - Sens / Page 5 sur 8 - Femme XY (individu intersexué) : un gène SRY non fonctionnel (à la suite d’une mutation) ne codera pas la synthèse de la protéine TDF et la gonade deviendra un ovaire. Le même résultat sera obtenu avec une molécule anormale, donc non fonctionnelle. - Homme XX (individu intersexué) : un de ses chromosomes doit porter le gène SRY. La figure du § 4 montre que le chromosome Y possède des régions homologues de X. Si un enjambement échange, lors de la méiose présidant à la fabrication des spermatozoïdes (donc chez le père), la partie homologue portée par le bras court de Y, le gène SRY peut se retrouver, aussi, sur le gonosome X du futur gamète fécondant l’ovule : X Y X SRY Y SRY SRY SRY Y normal XY + testicule Enjambement Ø SRY X normal Y - SRY XY + ovaire XX + ovaires X + SRY XX + testicule Un tel enjambement, exceptionnel, explique les 2 cas observés. **** CONCLUSION : L’acquisition d’un appareil génital masculin fonctionnel se fait en 4 étapes se déroulant à des moment différents : a. sexe génétique : il dépend du gonosome apporté par le spermatozoïde lors de la fécondation, b. sexe gonadique : l’expression d’un gène SRY fonctionnel induit une différenciation de la gonade en testicule, c. sexe phénotypique : le testicule sécrète des hormones masculinisant le tractus génital (stimulation des canaux de Wolff par la Testostérone et régression des canaux de Müller par l’AMH), d. sexe phénotypique fonctionnel : à la naissance, les testicules ne sont pas fonctionnels : ils ne sécrètent aucune hormone. A partir de la puberté, les testicules deviennent fonctionnels et la sécrétion d’hormones sexuelles commence. Elles seront responsables de l’apparition des caractères sexuels secondaires (cette 4ième étape sera abordée en cours et n’est pas comprise dans les 2 TP proposés). L’acquisition de l’appareil génital féminin semble plus simple : l’absence de gonosome Y, et donc de gène SRY, ne masculinise pas l’appareil génital. Note : D’autres gènes impliqués dans la différenciation sexuelle sont maintenant connus, notamment (voir tableau page suivante) : 582664036 / Créé par Lycée Janot - Sens / Page 6 sur 8 Nom du gène Locus sur Effet AMH bras court de l’autosome 19 code la synthèse de l’AMH SOX9 bras long de l’autosome 17 active l’expression du gène AMH WT1 bras long de l’autosome 11 régulerait la transcription du gène SRY SRY bras court du gonosome Y différenciation de la gonade en testicule in INRP - http://www.inrp.fr/Acces/biotic/procreat/determin/html/ Un gène, non encore identifié et porté par le gonosome X, serait indispensable à la féminisation de l’appareil génital. Le schéma-bilan pourrait être du type de celui-ci : X X Y SRY 1 Ovule Spermatozoïde Ovule Spermatozoïde Fécondation 11 Y 17 19 SRY 11 X 17 19 AMH AMH ? Ø SOX9 WT1 WT1 ? SOX9 ? 2 2 ? 7° semaine Gonade indifférenciée Testicule AMH 3 Ovaire Testostérone Canaux de Müller Canaux de Wolff Canaux de Müller Tractus génital masculin Tractus génital féminin Gonade indifférenciée 3 Ø Canaux de Wolff Régression 1 Sexe génétique Hormones sexuelles 4 Puberté féminines Caractères sexuels secondaires Caractères sexuels secondaires masculins féminins 2 Sexe gonadique 3 Sexe phénotypique 4 Sexe fonctionnel Régression Hormones sexuelles masculines Modalités d’évaluation : (voir tableau page suivante) 582664036 / Créé par Lycée Janot - Sens / Page 7 sur 8 Capacité et critères d’évaluation Document n° 1 : Free-Martin - Développement des 2 tractus, + ou – complets, d’où stérilité du bovin femelle (= de sexe phénotypique femelle). - Preuves d’une communication sanguine du mâle vers la femelle ayant un effet + sur le développement du tractus mâle (canaux de Wolff) et un effet – sur celui du tractus femelle (canaux de Müller). Document n° 2 : Castration d’embryons de Souris - Sexe phénotypique Embryon XX castré = Sexe phénotypique Embryon XY castré = Sexe phénotypique femelle - Conclusion : le sexe phénotypique mâle est sous le contrôle de la gonade mâle. Document n° 3 : Greffe de testicule et implantation d’un cristal de testostérone sur un fœtus de Lapin : - Développement des canaux de Wolff (de manière unilatérale)dans les 2 cas. - Régression unilatérale du tractus femelle que dans le cas de la greffe du testicule. - Conclusion : la testostérone sécrétée par les testicules stimule le développement du tractus mâle , mais ne suffit pas à faire régresser le tractus femelle; pour cela, une autre substance est aussi sécrétée par les testicules. Document n° 4 : Les gènes portés par le gonosome Y. - Le gène SRY dans gonosome Y, mais pas dans gonosome X. -Protéine TDF = expression du gène SRY. - Protéine TDF oriente la différenciation de la gonade indifférenciée en testicule - En absence de TDF, la gonade indifférenciée devient un ovaire. Synthèse : - D4 : le sexe gonosomique XY détermine, par la production de la protéine TDF, le sexe gonadique mâle (= formation des testicules). - Et le sexe gonosomique XX, en absence de TDF, permet le sexe gonadique femelle (formation des ovaires). - D1 + D2 : La gonade mâle sécrète une (ou des) hormone(s) agissant différemment d’une part sur les canaux de Wolff et d’autre part sur les canaux de Müller. - D3 : On précise les modalités du mécanisme mis en jeu ci-dessus. Les testicules sécrètent la testostérone qui stimule le développement du tractus mâle et une autre substance (= l’hormone antimüllerienne) qui fait régresser le tractus femelle : on passe donc du sexe gonadique mâle au sexe phénotypique mâle. Dans le cas du sexe gonadique femelle, le tractus génital femelle se différencie et le tractus mâle ne peut pas se développer. On passe donc du sexe gonadique femelle au sexe phénotypique femelle. - Schéma bilan : tractus mâle et tractus femelle. Retrouver les 3 étapes élucidées par les 4 documents fournis : sexe chromosomique (XY ou XX), sexe gonadique (testicules ou ovaires) et sexe phénotypique (tractus mâle ou femelle). Rôle du gène SRY, de la protéine TDF ou absence de l’un et de l’autre ! Rôle des substances hormonales : testostérone et hormone antimüllerienne et effets respectifs et opposés sur les tractus mâle et femelle ou absence des 2 substances ! 582664036 / Créé par Lycée Janot - Sens / Page 8 sur 8 Barème 1 3 2 1.5 3 1.5 1 1 4 2 0,5 0,5 2 0,5 0,5 1.5 0.5 1 1.5 8 0.5 3
