DE_DPE_amphibien ( DOC

Construction d’un organisme, mise en place d’un plan d’organisation -
Francine Brondex et Erwan Paitel
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DEVELOPPEMENT EMBRYONNAIRE ET POST-EMBRYONNAIRE D’UN VERTEBRE :
MISE EN PLACE DU PLAN D’ORGANISATION
Introduction : On va utiliser principalement le modèle des Amphibiens. Embranchement des Vertébrés. Un
embranchement caractérisé par un plan d’organisation : présence d’un endosquelette osseux, céphalisation et
cérébralisation très marquées (présence d’un encéphale). Au sein des Amphibiens : Anoures (sans queue), grenouilles
et crapaud (Xénope) et Urodèles, (avec queue) Triton, Salamandre.
L’oeuf ou zygote est le produit de la fécondation, c’est-à-dire de l’union de gamètes mâle et femelle (plasmogamie),
suivie de la fusion de leurs noyaux (caryogamie) : le zygote est une cellule diploïde. La fécondation a lieu en milieu
aquatique. Le résultat de la fécondation est donc bien une cellule unique : quels sont les mécanismes et étapes
permettant de passer du zygote à un adulte pluricellulaire, caractérisé par un plan d’organisation de Vertébré ?
L’œuf subit sans délai les premières divisions de segmentation qui mettent en place l’embryon. Celui-ci poursuit son
développement, protégé par des enveloppes externes ; la jeune larve ou têtard, éclôt, c’est-à-dire sort des
enveloppes de l’œuf pour mener une vie libre.
Quelques semaines plus tard, la larve subit une métamorphose à l’issue de laquelle l’adulte est réalisé. Seul l’adulte
est apte à la reproduction sexuée (sauf cas particuliers de néoténie : Axolotl). Il s’agit d’un développement dit
indirect.
Le développement de l’embryon concerne la mise en place du plan d’organisation, l’édification des organes
(organogénèse) à la suite des divisions cellulaires initiales (divisions de segmentation). La formation des organes
repose sur la différenciation progressive des cellules. La croissance concerne l’augmentation des dimensions des
cellules et des organes. Développement et croissance sont le résultat d’un programme coordonné et hiérarchisé dans
l’espace et dans le temps.
On peut se demander quels sont les mécanismes de contrôle du développement, permettant la succession
harmonieuse des différentes étapes ?
I. DEVELOPPEMENT EMBRYONNAIRE DES AMPHIBIENS : ETAPES ET MECANISMES
A. De l’ovocyte au zygote : quelques informations sur la fécondation
1) L’ovocyte contient les éléments nécessaires au développement précoce
L’ovocyte se différencie dans l’ovaire de la femelle, à partir de cellules souches en multiplication, les ovogonies.
L’ovocyte II fécondable est une cellule ayant subi la méiose, elle est en fait bloquée en métaphase II de méiose. La
méiose s’achève lors de la fécondation. L’ovocyte est alors véritablement haploïde.
La cellule est protégée par des enveloppes, extérieures à la mb plasmique. L’enveloppe vitelline est adjacente à la
mb, elle est probablement constituée de glycoprotéines. Elle est élaborée par les cellules folliculaires dans l’ovaire. La
gangue est ajoutée lors du passage dans l’oviducte. Elle possède une texture de gel très hydraté.
L’ovocyte contient un ensemble de réserves nutritives : le vitellus. Il est présent dans le cytoplasme de la cellule sous
forme d’agrégats de protéines et de lipides : les plaquettes vitellines.
La vitellogénine est la protéine précurseur, synthétisée dans les hépatocytes. La vitellogénine est apportée jusqu’à l’ovaire par la circulation
sanguine. Elle subit une endocytose à récepteur au niveau de l’ovocyte. Puis elle passe dans l’endosome puis les lysosomes où elle est clivée en
phosvitine (une protéine phosphorylée) et en lipovitelline (une lipoprotéine).
Les protéines sont concentrées et déshydratées : elles constituent alors des plaquettes vitellines. Chaque plaquette
est délimitée par une mb (car issue d’endocytose). La vitellogenèse (accumulation du vitellus) a lieu au début de la
méiose, lorsque l’ovocyte est bloqué en prophase 1. Les réserves sont réparties de façon hétérogène dans l’ovocyte :
elles s’accumulent à l’opposé du noyau : pôle végétatif (75% des réserves), par opposition à la région pauvre en
vitellus : pôle animal.

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L’ovocyte accumule aussi des protéines et des acides nucléiques (synthétisés sur place), correspondant à des réserves
informatives. Ces acides nucléiques se répartissent aussi selon un gradient (RNP) opposé au gradient de vitellus. Le
cytoplasme du PA est pauvre en vitellus (petites plaquettes vitellines éparses), mais riche en protéines, et surtout
ribosomes (ARNr) et en ARNm nécessaires :
- aux 1ères divisions de segmentation : ARNm de protéines membranaires d’adhérence (cadhérines, fibronectines...)
et du cytosquelette (actine, tubuline...).
- à la réplication (histones) et à la traduction (protéines ribosomales).
- au contrôle de la destinée des cellules : ARNm de facteurs de transcriptions, de molécules de contrôle Vg1…
Rq : les synthèses ont lieu aussi lors de la prophase de méiose 1
Les organites ont aussi une répartition particulière : Les mitochondries et les granules corticaux sont situés à la
périphérie, au niveau du cortex. Les granules corticaux sont des vésicules qui contiennent des enzymes, des
glycoprotéines et des mucopolysaccharides. Des granules pigmentaires (contenant de la mélanine) sont présents
dans le cortex mais uniquement dans l’hémisphère animal.
Bilan :
L’ovocyte II a un diamètre de 1 à 2mm (selon les espèces). Il contient : 52% d’eau, 34.5% de protéines, 7.5% de
lipides, 3% de glucides et 2% d’acides nucléiques. L’ovocyte est marqué par une symétrie radiaire, autour d’un axe
passant par le pôle végétatif et par le pôle animal. Cet axe préfigure l’axe antéro-postérieur de l’embryon (pôle
animal équivalent à l’avant). L’ovocyte est aussi marqué par une polarité structurale : opposition hémisphère
animal, hémisphère végétatif (on remarque aussi la localisation du globule polaire et de la tâche de maturation).
Enfin, l’ovocyte montre une polarité moléculaire, de par la répartition des ARNm : ce sont des déterminants
cytoplasmique, les cellules qui en héritent s’engageront dans des voies de différenciation bien particulières.
2) La fécondation modifie la structure du zygote
La pénétration du noyau spermatique dans l’ovule (t = 0), qui a toujours lieu entre le PA et l’équateur, déclenche la
réaction corticale : fusion des granules corticaux avec la membrane plasmique et exocytose de leur contenu (enzymes
+ mucopolysaccharides), qui a pour conséquence :
- La membrane plasmique ovulaire se dissocie de la membrane vitelline.
- L’adjonction de protéines de structure à la membrane vitelline, pour constituer la membrane de fécondation.
L’ensemble de ces transformations des enveloppes de l’oeuf a une fonction de blocage tardif contre la polyspermie.
La fin de la réaction d’activation a lieu au t = 10 min. Le noyau spermatique s’enfonce dans le cytoplasme ovulaire en
direction de l’axe des pôles ; il entraîne dans son déplacement des granules de pigment qui constitue une traînée
spermatique.
L’oeuf, libéré de ses liens avec la membrane vitelline, est libéré dans l’espace périvitellin. La densité du PV, plus riche
en grandes plaquettes vitellines, étant supérieure à celle du PA, l’œuf s’oriente selon la pesanteur, PV vers le bas et
PA vers le haut (réaction d’équilibration). A l'issue de la réaction d’équilibration, qui dure 30 min à 18°C, tous les
œufs qui, avant la fécondation étaient orientés en tous sens, se trouvent le PA noir tourné vers le haut. A ce moment
a lieu l’émission du 2ème GP et le remplacement du fuseau de division par le pronucleus femelle.
Au t = 70 min après la fécondation, la couche pigmentaire superficielle bascule de 30° autour d’un axe de rotation
passant par le centre de l’œuf et perpendiculaire au plan méridien PA-PV-trainée spermatique : la pellicule corticale
glisse sur la masse centrale qui reste fixe. En conséquence, la couche pigmentaire remonte sur la face de l’œuf
opposée au point de pénétration du spermatozoïde, et redescend de l’autre côté. L’amplitude du mouvement est
attestée par la mise en place d’une zone dépigmentée en forme de croissant sur la face opposée au point de
pénétration du spermatozoïde, le croissant gris ou croissant dépigmenté (formé par la partie profonde de la couche
pigmentaire qui reste solidaire de la partie profonde de l’oeuf, seule la partie superficielle de la couche pigmentaire
subissant le mouvement de rotation). La position du croissant gris préfigure l’orientation dorso-ventrale de l’adulte :
Le dos du futur animal s’édifiera du côté du croissant gris, le ventre du côté opposé. Le plan de remontée et descente
maximales des pigments constitue le futur plan de symétrie bilatéral de l'animal, qui est mis en place au t = 130min
(réaction de symétrisation). Le zygote est passé d’une symétrie radiaire à une symétrie bilatérale.

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Il est important de noter que les facteurs cytoplasmiques (ARNm) sont redistribués eux aussi au moment des
mouvements du cortex, par exemple l’ARNm de Vg1 (on y reviendra avec le contrôle).
La caryogamie a lieu peu après : c’est la fusion du matériel génétique mâle et femelle.
B. La segmentation : du zygote à la Blastula, formation d’un ensemble pluricellulaire
Phase d’augmentation rapide du nombre de cellules correspond à la segmentation.
1) Du zygote au stade blastula
La segmentation de l’œuf de Grenouille est totale ou holoblastique, c’est-à-dire que la totalité du contenu de l’œuf
va être répartie entre des cellules filles.
Le 1er sillon de segmentation se met en place selon un plan méridien au t = 150min; il ne coïncide que dans 50% des
cas avec le plan de symétrie bilatéral (par le croissant gris). Le 2nd sillon est méridien et perpendiculaire au 1er. Les
deux 1ères divisions de segmentation aboutissent à la mise en place d’un embryon constitué de 4 cellules identiques,
au contenu semblable, les blastomères (segmentation égale).
Le 3ème sillon de segmentation est latitudinal (donc perpendiculaire aux 2 précédents) et légèrement sus-équatorial
du fait de l’abondance des plaquettes vitellines au PV de l’embryon (segmentation inégale). L’embryon est alors
constitué de 4 blastomères supérieurs de petite taille et pauvres en vitellus, les micromères, et de 4 blastomères
inférieurs plus volumineux et riches en vitellus, les macromères. Les 4 plans de clivage qui séparent les 4 micromères
des 4 macromères sont latitudinaux ; en conséquence le micromère et le macromère issus de la division d’un même
blastomère sont disposés l’un au-dessus de l’autre suivant un méridien. Les plans équatoriaux de la 4ème division de
segmentation sont méridiens. L’embryon est alors constitué de 16 cellules (stade 16).
Les 1ères divisions de segmentation sont donc synchrones.
Petit à petit, les divisions deviennent asynchrones (selon les sources dès le 4ème cycle, stade 16 ou vers le cycle 10).
Les micromères se divisent plus rapidement que les macromères, la surcharge en vitellus des macromères
ralentissant leurs divisions). On arrive au stade Morula.
De plus, les cycles de divisions s’allongent : entre le 1er et le 10 à 12ème, les cycles ne comportent pas de phases G1 et
G2, ils durent environ 35 minutes chez les anoures, ce qui est très bref pour les cellules eucaryotes. La transcription
est inactivée, l’embryon utilise les ARNm et les protéines maternels. A partir du 10 (1024 cellules) au 12ème cycle
(4096 cellules), les cycles se ralentissent : phase G1 et G2, reprise de la transcription. On parle de transition
blastuléenne. L’expression d’ARNm de l’embryon et de la mère coexiste. La transcription de nouveaux ARNm est sous
le contrôle des facteurs de transcription maternels.
Coupe transversale
Coupe long frontale

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2) Le stade blastula
A la fin de la segmentation, l’embryon est inscrit dans le volume de l’œuf de départ (pas d’augmentation du volume
mais répartition du cytoplasme ovulaire entre les différents blastomères : le rapport nucléoplasmique tend à se
rapprocher de sa valeur normale pour l’espèce). L’embryon est alors constitué de 6.000 cellules dont les limites ne
sont discernables à l’oeil nu qu’au PV, du fait de la grande taille des blastomères. Au cours de la segmentation, les
cellules s’écartent pour mettre en place une cavité de segmentation, le blastocœle, légèrement décalé vers le pôle
supérieur de l’embryon. Il est rempli d’eau, de protides et de plaquettes vitellines ; son pH est de 8,5. L’embryon est
une Blastula.
Les cellules de la Blastula sont reliées par des connexions variées d’un point de vue structural (adhérences) et
fonctionnelles (diffusion de molécules informatives) :
- jonctions serrées entre les micromères de la couche externe : cohésion et étanchéité.
- jonctions gap (connexons) entre les micromères les plus internes : diffusion de molécules, ainsi que des cadhérines
(adhérences).
- intégrines entre les micromères les plus internes et la matrice extracellulaire qui tapisse le blastocœle, (mise en
place par les micromères eux-mêmes)
- cadhérines entre les macromères. Les macromères sont moins cohésifs, ils n’élaborent pas de MEC.
Plus précisément, on distingue 3 catégories de cellules : calotte animale, zone marginale et hémisphère végétatif.
C. La gastrulation : des mouvements morphogénétiques affectent les cellules embryonnaires
Quelques observations extérieures : La durée de la gastrulation est d’environ de 24h. La gastrulation est marquée
extérieurement par l’apparition d’une encoche juste au-dessous du croissant gris (largement estompé durant la
segmentation), à la face dorsale de l’embryon, la lèvre dorsale du blastopore. Celle-ci s’incurve latéralement vers le
PV et prend la forme d’un fer-à-cheval constitué par les lèvres latérales du blastopore. Ces lèvres se rejoignent
ventralement pour former la lèvre ventrale du blastopore. A la fin de ce processus, l’encoche circulaire, ou
blastopore, entoure la zone dépigmentée au PV de l’embryon ; cette zone constitue le bouchon vitellin.
Celui-ci s’invagine pour disparaître totalement à l’intérieur de l’embryon ; l’emplacement du bouchon vitellin n’est
alors plus marqué que par une fente blastoporale (qui correspond à l’anus chez les Urodèles ; dont les bords
s’accolent pour constituer une petite dépression qui se perforera secondairement quand tout le vitellus sera résorbé
chez les Anoures).
1) Les marques colorées de Vogt permettent d’établir une carte des territoires présomptifs
La destinée des territoires qui se sont invaginés dans l’embryon a pu être reconnue après que Vogt (1925) ait eu
l’idée de marquer par des points colorés les groupes cellulaires qui constituent la Blastula : l’embryon doit être
débarrassé de sa gangue et placé dans une logette remplie d’eau ; des fragments d’agar-agar sont découpés à la
dimension de la plage à marquer, et imprégnés de colorant ; le fragment d'agar-agar coloré étant mis au contact de
l’embryon, le colorant diffuse vers celui-ci en 10 à 15 min. Les mouvements des plages colorées sont étudiés au cours
du temps sous la loupe binoculaire après microdissection. Elles nous renseignent sur les mouvements cellulaires de la
gastrulation mais aussi sur le devenir des ensembles cellulaires de la blastula.
On peut suivre les marques bien plus longtemps dans le développement. Actuellement des systèmes de marquages
intracellulaires sont utilisés. Chaque feuillet ou organe de l’embryon plus évolué ou de la jeune larve peut être repéré
en fonction de son emplacement présomptif sur la Blastula. La projection de toutes les régions repérées sur la
Blastula permet d’établir une carte des territoires présomptifs (mais non déterminés : l’ablation précoce d’une région
du germe sera compensée et passera inaperçue chez l’adulte).
La Blastula est séparée en 2 par une ligne qui sépare les territoires sous-jacents qui s’invagineront de ceux qui
resteront en surface : c’est la ligne d’invagination (en coordonnées latitudinales, de 15° PV sur la face ventrale à 40°
PA sur la face dorsale) :
- Le matériel situé au-dessus de la ligne d’invagination est à l’origine de l’ectoblaste, constitué de l’épiblaste (couleur
conventionnelle : blanc ;  tégument) et du neuroblaste (couleur conventionnelle : bleue ;  système nerveux).
- Le matériel situé au-dessous de la ligne d’invagination est à l’origine de l’endoblaste ou entoblaste (couleur
conventionnelle : verte ;  tube digestif) et du mésoblaste (couleur conventionnelle : rouge) qui forme une ceinture
marginale constituée des territoires présomptifs de la corde (axe turgescent autour duquel s’édifie la colonne
vertébrale), des somites (blocs métamérisés à l’origine du squelette, de la musculature squelettique, du derme, de
l’appareil uro-génital), des lames latérales (délimitant la cavité coelomique et à l’origine de l’appareil circulatoire).

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2) Les marques colorées de Vogt montrent les mouvements des cellules au cours de la gastrulation
Observations et interprétation.
La marque 1 située dans le plan de symétrie, elle s’étend vers le pôle végétatif. Sa surface augmente en fait, c’est lié à
une multiplication des cellules.
La marque 2 a disparu au niveau de la lèvre blastoporale, la dissection montre qu’on la retrouve à l’intérieur. Elles
suivent comme un mouvement sur un tapis roulant.
Les marques 3 convergent et s’étendent vers les lèvres latérales du blastopore. Elles aussi entrent à l’intérieur, mais
ensuite suivent un mouvement divergent. La marque 4 ne se déplace pas.
Le suivi des marques colorées à la surface d’une Blastula permet de reconnaître la complexité des mouvements qui
affectent l’embryon. Mais il faut aussi tenir compte des mvts internes.
Invagination : au niveau de la lèvre dorsale du blastopore ; la paroi de la Blastula s’invagine dans un 1er temps.
L’invagination est d’abord ponctuelle, à la limite de l’endoblaste et du mésoblaste (dorsaux). Puis, la ligne
d’invagination, visible de l’extérieur, prend la forme d’un fer à cheval et se referme en un cercle. L’invagination
concerne le mésoblaste précordal, puis, le mésoderme cordal et en fin le mésoderme cordal.
L’invagination est associée à un mouvement d’involution (ou enroulement) : les cellules du mésoblaste tournent
autour des lèvres blastoporales pour se réfléchir à l’intérieur de l’embryon, à la manière d’un tapis roulant.
Les mouvements d’invagination et d’involution sont à l’origine d’une cavité nouvelle, l’archentéron, dont le plancher
est constitué par l’endoblaste. Le mésoblaste précordal et cordal formant le toit de l’archentéron.
L’endoblaste ne fait que s’enfoncer, sans s’enrouler, en basculant dans le blastocœle qu’il remplit (mouvement
d’embolie). On peut d’ailleurs remarquer que le blastocoele finit par devenir virtuel à la fin de la gastrulation. Par
ailleurs, la nouvelle disposition de l’endoblaste plus lourd entraîne un rééquilibrage.
Convergence : les territoires présomptifs du mésoblaste cordal, caudal et somitique convergent en surface en
direction des lèvres du blastopore. (Convergence des marques 3.) La convergence du mésoblaste cordal et somitique
se poursuit en profondeur, de telle manière que le territoire présomptif cordal, très étalé sur la Blastula, se concentre
dans une aire plus réduite, en position médiane et dorsale; le matériel somitique vient se disposer de part et d’autre
de la corde.
Epibolie : l’ectoblaste s’étend et finit par constituer à lui seul toute la surface de l’embryon ; les mouvements
d’épibolie s’effectuent dans toutes les directions (à l’encontre des autres mouvements qui sont polarisés).
Divergence : le mésoblaste des lames latérales (ventro-latéral) converge vers les lèvres blastoporales seulement en
surface. En profondeur, ce matériel se désolidarise du matériel endoblastique, s’enfonce en coin entre l’épiblaste et
l’endoblaste, puis s’étale pour finir par tapisser intérieurement tout l’espace laissé libre entre l’épiblaste et
l’endoblaste : le territoire des lames latérales. En conséquence, le mésoblaste et l’endoblaste, initialement jointifs sur
la Blastula, se séparent totalement.
A l’issue de la gastrulation, les cellules qui faisaient partie d’une masse unique se sont regroupées par affinité et
isolées en massifs. La Gastrula a conservé la forme et le volume initial de l’œuf qui est alors constitué de 3 feuillets :
ectoblaste, mésoblaste, endoblaste (organisme triploblastique).