I - Oursins
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Cours de C. Ghiglione. Schémas supplémentaires disponibles sur http://www.unice.fr/PATMP/ A) Oursin Les oursins appartiennent au phylum des Echinodermes. Ce phylum est divisé en 5 classes (voir poly). On en trouve dans toutes les mers et océans du globe, et on a recensé jusqu’à 900 éspèces d’oursins à ce jour. 1) Anatomie : Les oursins sont des deutérostomiens - à segmentation radiaire : les plans de clivage sont parallèles ou perpendiculaires à l’axe primordial, - capacité de régulation des blastomères, - le blastopore donne l’anus. - la segmentation est holoblastique (divisions totales). L’oursin est caractérisé par des piquants, posés sur un test en calcaire. Les oursins vivent sur des fonds benthiques. Ces piquants ne permettent pas le mouvement, ce sont des pieds ambulacraires qui le permettent. Il a toujours la face orale située vers le sol, de façon à brouter. A l’opposé, on trouve la face aborale, qui constitue la région ano-génitale. Face orale : - Appareil mastiquateur : « Lanterne d’aristote » qui comporte 5 dents (symétrie pentaradiée). - Les régions ambulacraires portent les podias. - Les régions interambulacraires portent les piquants. Face aborale : - Region ano-génitale qui rejette les excréments. 2) Avantages et inconvénients que présente l’oursin pour l’étude du développement animal : Avantages : - L’oursin produit énormément de gamètes. En effet, la femelle pond 107 ovocytes, le mâle libère 1012 spermatozoïdes, de façon à augmenter les probabilités de fécondation dans le milieu extérieur. - Le développement précoce est rapide, l’œuf possède peu de réserves (vitellus), il est synchrone (segmentation à espaces réguliers, chaque embryon se divise au même moment que le voisin). Structure de l’embryon simple. L’oeuf mesure 100 µm, ce qui est très proche de la taille d’un ovule humain. On peut donc y faire des micro injections pour étudier la régulation et le fonctionnement d’un gène pour le développement de l’oursin. En outre, le génome de l’oursin S. purpuratus est en cours de séquençage, et il possède des gènes semblables aux nôtres. Inconvénients : - analyse génétique classique impraticable car temps de génération trop long. - production saisonnière des gamètes (de janvier à juin pour Paracentrotus lividus). 3) Reproduction Le cycle vital est très long (de la fécondation à la larve pluteus : 2 jours). (Voir poly page 2) Spermatozoïde + ovuledéveloppement d’une larve nageuseechinopluteus (plancton) formes rudimentaires et organes larvaires résorbés juvénile métamorphose et ancrage au sol adulte a) Les gamètes Les gonades sont au nombre de 5 par individus. Pendant l’ovogenèse, les ovocytes vont maturer et donner des oeufs non fécondés. Après fécondation, cet oeuf sera un zygote, ou embryon. Les ovocytes et les oeufs sont très orangés, car ils expriment un pigment au niveau de leur cortex. L’aspect blanchâtre des gonades mâles est dù aux spermatozoïdes. Les gamètes vont être expulsés du corps de l’adulte par 5 pôles génitaux au niveau de la plaque aborale. Si on veut récolter les gamètes, on retourne l’oursin, on remplir un bécher d’eau de mer et on pose l’oursin dessus : les gamètes vont tomber dans le bécher. 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 méchanismes propres à leurs gamètes respectifs. Les gamètes sont sous forme haploïde. Les microtubules situés dans la queue du spermatozoïde vont permettre à celui ci de se mouvoir. Dans la vésicule acrosomale, on a 2 protéines : des hydrolases qui vont digérer d’autres protéines. - L’actine G est sous forme globulaire avant la fécondation. - La bindine va être reconnue par l’oeuf grâce à un recepteur. Il ne possède qu’une seule membrane, plasmique. L’oeuf pondu par la femelle est mature, prêt à être fécondé immédiatement. Diamètre de 100µm. Il possède un noyau haploïde. L’oeuf est orienté selon un axe animal végétatif pendant l ‘ovogénèse. Il possède 3 types de membranes : - membrane plasmique (mb interne) - enveloppe vitelline, collée à la membrane plasmique - gangue gélatineuse (mb externe) composée de nombreux sucres, se gorgeant d’eau une fois l’oeuf pondu. Elle va devenir très épaisse et va jouer un rôle de reconaissance du spermatozoïde durant la fécondation, et permettre une plus grande flottabilité de l’oeuf. L’oeuf comporte de nombreuses microvillosités (actine) qui sont collées à la mb vitelline. Apres la fecondation, cette mb vitelline va se décoller, pour mettre en place l’enveloppe de fécondation. Loeuf comporte un canal au niveau de la gangue gélatineuse. L’oeuf est lié à l’ovaire pendant l’ovogénèse par le pôle végétatif. Sous la membrane plasmique, on trouve des granules corticaux (environ 15 000/ oeuf), qui sont des sortes de vésicules de golgi contenant de nombreuses protéines. b)La fécondation Avant la fécondation, les spermatozoïdes tournent en rond, et les oeufs sont en état de latence. Au niveau de la gangue des oeufs, une molécule chimiotactique, la resact, attire le spermatozoïde vers l’oeuf. Contrairement à d’autres espèces animales, le spermatozoïde d’oursin va pouvoir pénétrer dans l’oeuf à n’importe quel niveau. Le premier contact entre l’oeuf et les spermatozoïdes va activer les deux gamètes : Réaction acrosomale du spermatozoïde : exocytose de la vésicule acrosomale. Les protéines vont être libérées dans la gangue gélatineuse, ainsi que les hydrolases qui vont digérer cette gangue. L’actine sous forme globulaire va polymériser et former le filament acrosomal. La bindine va se retrouver au niveau de ce filament. Cette protéine va être reconnue par le recepteur au niveau de la membrane vitelline de l’oeuf. Cela va éviter une fécondation interespèce. Un enzyme va ensuite digérer la mb vitelline, et la tête du spermatozoïde va fusionner avec la membrane plasmique de l’oeuf. Réaction corticale de l’oeuf. L’oeuf est chargé négativement avant la fécondation (-75 mV), et ce potentiel va s’inverser (à 10mV) après la fécondation. Donc aucun spermatozoïde additionnel ne pourra s’introduire. 10 min plus tard, ce potentiel va retourner à sa charge originelle. A la fécondation, 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 resistante, qui assure une protection définitive contre la polyspermie. Une couche de hyaline va entourer l’oeuf pour assurer la coésion des cellules pendant la division. c) La segmentaion Après une demi heure, il y a fusion des noyaux des deux gamètes, et formation d’un zygote. On apelle cette fusion amphinuxie. L’oeuf va ensuite se diviser et mener à un organisme pluricellulaire. Cette segmentation est orientée, chez Paracentrotus lividus, selon l’axe animal végétatif. Elle est holoblastique (division donnant naissance à 2 cellules filles, et la segmentation est totale). - Le 1er plan de clivage est méridien. Les cellules issues de cette segmentation sont des « blastomères ». (B) - Le 2e clivage, perpendiculaire au premier plan de clivage, va donner naissance au stade 4 cellules, composé de 4 blastomères de taille identique. (C) - Le 3e plan de clivage va être situé à l’équateur, et donner 4 cellules dans l’hemisphère du pôle animal, et 4 cellules dans l’hémisphère du pôle végétal. (D) - 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. (E) - Les mésomères vont encore se diviser de façon latudinale, les macromères vont se diviser de façon méridienne, les micromères vont se diviser encore une fois de façon asymétrique et latudinale. (F) - Les cellules vont ensuite se diviser pour donner le stade 64 cellules. (G) Il va y avoir entre 9 et 10 clivages, et cela va aboutir au stade blastula. A partir du stade 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 la blastula (12h apres la fécondation): elle va synthétiser une enzyme qui va digérer l’enveloppe de fécondation. (H) Toutes les cellules qui se trouvent au niveau du pôle végétatif 2 vont donner le mésoderme. Les cellules au niveau du pôle animal vont donner l’ectoderme. Une partie de veg 1 et veg 2 va donner l’endoderme. Chaque cellule est polarisée : elle a une face apicale en contact avec l’eau de mer. Au contact avec le blastocoele, on a une matrice extracellulaire. Au pole animal, on a une touffe cilliaire apicale. Au niveau du pole végétatif, la blasula tardive va s’aplatir Formation de la plaque végétative. (I) d) La gastrulation 1) Des cellules descendantes des grands micromères vont entrer dans le blastocoele. (J) Elles vont inverser leur polarité, perdre leur cil, changer de forme, et s’extirper de l’épithélium par un phénomène d’ingression. Elles vont devenir cellules mésenchymateuses (« transition épithélium – mésenchyme »). On arrive au stade blastula avec mésenchyme. Elles vont former 2 amas cellulaires, fusionner les unes avec les autres et former un syncytium. Il va y avoir un dépot de carbonate de calcium, qui va former 2 spicules triradiés. Formaton du squelette de l’embryon. (P) 2) Formation de l’archentéron au niveau du pole végétatif. Les cellules de l’endoderme, initialement rectangulaires, vont changer de forme et devenir « cellules en bouteille ». Cette invagination va progresser dans le blastocoele jusqu’au pôle animal. (L) Les cellules de l’archentéron vont s’intercaler et se réaranger les unes par rapport aux autres pour former l’élongation de l’archentéron. Formation du blastopore qui va donner l’anus puis la bouche. 3) Les petits micromères vont se retrouver au centre de la plaque végétative, et donc plus tard au sommet de l’archentéron. Ces cellules vont faire une transition épithélium – mésenchyme et se décrocher du sommet de l’archentéron pour former soit des cellules blastocoellaires soit des cellules pigmentaires. Les cellules du mésenchyme secondaire vont former des filopodes, et rechercher une région située au pôle animal. Elles vont ensuite faire la rétraction des filopodes et tirer l’archentéron vers le pole animal. Jusqu’à ce stade, l’embryon possède une symétrie radiaire. Ensuite, l’embryon va acquérir une symétrie bilatérale. Ceci va se produire après l’alongement de l’archentéron. Il va y avoir formation du deuxième orifice de l’animal : la bouche. On va mettre en place l’axe oral – aboral, perpendiculaire à l’axe animal – végétatif. Au niveau de l’ectoderme oral va se faire une depression, le stomodéum, et cet ectoderme va fusionner avec le sommet de l’archentéron Formation de la bouche. e) Le stade larvaire L’ectoderme oral va s’aplatir. L’ectoderme aboral va s’agrandir. Stade prisme. Pour pouvoir se nourrir, la larve va développer une bandelette ciliée. En battant, ils vont créer un courant d’eau et attirer des micro-organismes vers la bouche de la larve. Les bras anaux vont s’alonger. Stade pluteus. On est 2 jours après la fécondation. La larve est planctonique et autonome. Pour passer de la larve pluteus à un oursin, il va y avoir des métamorphoses. Vésicule coelomique à gauche et à droite de l’archentéron. Mise en place de l’axe de symétrie gauche – droite. Cependant, seules les cellules coelomiques gauche vont se diviser activement : formation d’un rudiment. L’hydrocoele gauche va fusionner avec l’ectoderme et former le rudiment, ou disque imaginal. Ce disque embryonnaire va donner naissance aux tissus adultes. Cet hydrocoele va bourgeonner et former 5 vésicules. C’est le début de la pentamérisation. Formation de l’oursin juvénile qui va se poser sur un rocher et qui va grossir. f) L’axe animal – végétatif Il se met en place avant la fécondation. Au niveau de l’oeuf, on a accumulation de pigments situés sous l’équateur. On va effectuer différentes expériences : ¤ On divise les oeufs en 2 : - Selon l’axe méridien : On les féconde, on obtient deux larves quasi-normales, de taille réduite. - Selon l’axe équatorial : On les féconde, on obtient - Une bastula permanente pour la partie animale. - Une larve quasi-normale pour la partie végétale. Cette expérience démontre que la partie animale séparée de la partie végétale ne se comporte pas de la même façon. Cela veut dire que dans l’oeuf, avant la fécondation, il y a des détérminants maternels localisés de façon différentielle au niveau de l’hémisphère végétatif ou animal. ¤ Maintenant, à partir du stade 4 cellules, on sépare les quatre blastomères. On va obtenir 4 larves quasi-normales. ¤ Au stade 8 cellules, on sépare les cellules : - Selon l’axe méridien : On obtient deux larves quasi-normales, de taille réduite. - Selon l’axe équatorial : On obtient - Une bastula permanente pour la partie animale. - Une larve quasi-normale pour la partie végétale ¤ On réalise des embryons de greffe pour obtenir des embryons chimèriques. On greffe - la moitié animale + veg 1 animalisation incomplète - la moitié animale + veg 2 larve pluteus reconnaissable - la moitié animale + micromères larve pluteus normale Cela veut dire que les déterminants maternels localisés au niveau du pôle végétatif forment un gradient de concentration avec un maximum au niveau des micromères. ¤ On sépare les micromères du reste de la blastula et on les greffe sur le pôle animal. Après cette greffe, d’autres micromères se reforment au pôle végétatif ; Les micromères vont induire une formation d’archentérons aux deux pôles de la blastula. Les PMC (cellules du mésenchyme primaire) peuvent se diviser pour former le squelette de la larve ; elles ont également une propriété à induire un 2e archentéron. ¤ En traitant des embryons d’oursins avec : - Du Lithium On a végétalisation. L’endo-mésoderme est trop grand. Le tube digestif sera trop grand pour rentrer dans le blastocoele (exogastrulation). - Du Zinc On a animalisation. Toutes les cellules de l’embryon sont devenues de l’ectoderme.
