Aspects cellulaires et moléculaires de la détermination, de la

Aspects cellulaires et moléculaires
de la détermination, de la différenciation et de la morphogenèse
I) Introduction
On parle souvent de cycle vital, et il est représenté de manière générale pour tous les
organismes. A partir d'un ovule et d'un spermatozoïde, on obtient un zygote qui va s'engager dans un
processus développemental : il va alors générer des milliards de cellules, regroupées dans 100 à 150
types cellulaires différents. Comment les cellules vont-elles se différencier à partir d'une cellule
unique ?

La cellule œuf est une cellule totipotente, et au cours du développement, on voit apparaître des
différences à partir de cette cellule unique, pour finalement aboutir à des cellules unipotentes : ainsi,
un neurone restera un neurone toute sa vie et il sera incapable de faire autre chose. En réalité, le
passage de la cellule totipotente à la cellule unipotente nécessite de nombreuses étapes de
détermination, puis une seule étape de différenciation, qui mènera à la cellule finale. Les cellules
unipotentes n'exprimeront alors plus que 15 à 20% de leur génome, alors qu la cellule œuf peut
l'exprimer potentiellement dans sa totalité : finalement, le processus de différenciation revient à une
perte de potentialité. L'analyse in vitro de tous les phénomènes de la différenciation sont utiles afin
de connaître les bases des mécanismes et les molécules engagées, mais on n'a jamais une vue
globale…
La détermination se fait par des étapes successives qui empêchent les cellules de revenir en
arrière : ces étapes sont donc irréversibles. A chaque étape, la cellule va s'engager dans une voie,
dans un état particulier grâce à des facteurs qui la poussent dans cet engagement : c'est le
"commitment".
1) Les principales étapes de l'embryogenèse
Le zygote va subir les différentes étapes de la segmentation pour former une masse de cellule,
le blastocyste, composé de 60 à 6000 cellules, selon les organismes. De l'œuf au blastocystes, on ne
peut observer que de nombreux phénomènes de multiplication cellulaire, mais le blastocyste va
ensuite montrer des mouvements cellulaires : c'est la gastrulation. Elle permet le rapprochement de
territoires initialement très éloignés les uns des autres, mais aussi la formation des 3 feuillets
embryonnaires (ectoderme, endoderme et mésoderme) à partir desquels se formeront tous les
organes. C'est pendant la gastrulation que la différenciation cellulaire commence, même si cette
différenciation n'est pas encore visible.
A la fin de la segmentation, on a eu en fait regroupement de cellules "identiques", et après la
gastrulation, les différents territoires ainsi formés vont acquérir des destinées très différentes. Ainsi,
le neuroblaste et l'épiblaste sont des territoires initialement semblables, mais elles vont subit une
différenciation différente : ces cellules étaient initialement au pôle animal, puis elles se sont
différenciées en cellules de l'épiblaste, mais elles suivront ensuite des lignées très différentes selon
leur position, puisque les unes donneront des cellules rétiniennes et les autres des cellules de moelle
épinière par exemple.
2) L'ovocyte
a) Asymétrie de l'ovocyte
L'ovocyte d'amphibien est de grande taille (1 mm) et il est hétérolécithe : dans la partie
végétative, on retrouve de grosses plaquettes vitellines, alors que dans le pôle animal, on ne retrouve
que de petites plaquettes. De plus, le pôle animal est recouvert par un calotte noire, qui permet de la
différencier encore plus.
Pendant l'ovogenèse, les ovocytes stockent de nombreuses réserves afin d'être capable d'assurer
les nombreuses divisions cellulaires liées au développement, mais aussi de nombreuses molécules
informatives permettant la différenciation, appelées facteurs maternels. Tout comme les réserves de
vitellus, les molécules informatives se répartissent de manière irrégulière dans l'ovocyte : finalement,
l'ovocyte est complètement asymétrique, et la différenciation des cellules va dépendre de la position
des cellules par rapport à ces molécules.
L'asymétrie de l'ovocyte est important surtout pour les molécules informatives puisque c'est le
1
e
stade de la différenciation. Pendant la division, on peut obtenir 2 types de cellules filles selon le
sens et le type de la division : elle sera symétrique si les 2 cellules filles sont semblables (pôle
animal vers pôle végétatif) ou asymétrique si les cellules filles sont différentes (division équatoriale).
On devra donc connaître le sens des divisions afin de comprendre l'initiation de la différenciation, et
ce sont les facteurs maternels qui vont les contrôler.

Chez les Amphibiens, ce sont les facteurs maternels qui permettent la formation des
macromères au nord, et des micromères au sud, alors que chez les Mammifères, l'œuf va donner par
de multiples divisions des cellules toutes identiques qui se différencieront par des facteurs externes
et par des interactions cellulaires. Chez les Ascidies, le cytoplasme de l'œuf présente lui-même des
territoires très différents, et les divisions cellulaires permettent d'isoler ces différents territoires
cytoplasmiques très différents les uns des autres : on dit que l'on a une différenciation prédestinée.
Ceci dit, entre les Mammifères et les Ascidies, on aura toute une gamme d'organismes dont la
différenciation se fera à la fois par des facteurs maternels intrinsèques et par des facteurs externes (et
donc par des interactions), en des proportions différentes.
b) Expérience de Millman
Millman a pris une morula de Mammifère et il en a séparé puis marqué les blastomères par
coloration. On va alors les cultiver in vitro, puis one n choisit une au hasard que l'on place dans une
autre morula. Selon la zone où on place la cellule colorée, on la retrouvera dans différentes zones du
blastocystes : dans le bouton embryonnaire si on la place à l'intérieur de la morula, dans le
trophectoderme (devient le placenta) si on la place à la périphérie. C'est donc que les cellules ne sont
pas prédestinées au stade morula, et leur différenciation ne se fait apparemment que par la position
dans l'embryon.
Les contacts de la cellule colorée avec les autres cellules de la morula diffèrent selon la zone
où on la place : elle aura soit une zone sans contact (si on la place en périphérie), soit toutes les
zones en contact avec d'autres cellules. Ce sera peut-être les contacts, complets ou non, avec
l'extérieur et les autres cellules qui détermineront le devenir de la cellule. Au bout du compte, cela
mènera à des divisions asymétriques, comme chez les Amphibiens.
c) Les théories sur les mécanismes de la différenciation
La 1
e
théorie est une théorie préformiste : elle assure que tout est formé à l'avance et donc que
les cellules étaient prédestinées dès leur apparition. Le principal exemple sur lequel se sont appuyés
les préformistes est l'Ascidie : en effet, si on enlève un bout du cytoplasme de ces larves, alors il est
impossible d'obtenir un individu adulte entier.
La 2
e
théorie est une théorie épigéniste, qui assure que tout peur être modifié. Les exemples qui
appuient cette théorie sont nombreux : chez tous ces embryons, si on enlève une cellule, alors on
assiste à un phénomène de régulation qui permet de combler le manque.

Cependant, le pourcentage d'héritage par rapport à la signalisation est variable, et on pourra
trouver tous les intermédiaires entre ces 2 théories. On prend par exemple le développement de
l'oursin : le zygote présente déjà une asymétrie puisque le cytoplasme est coloré en orange dans sa
partie équatoriale. On sait que cette asymétrie déjà visible dans la cellule œuf se retrouve plus tard,
puisque la zone colorée donne les macromères, alors que les 2 autres régions non colorées donneront
des mésomères au pôle animal et des micromères au pôle végétatif.
Si on sépare les 2 premiers blastomères, alors on pourra tout de même obtenir un embryon
normal, donc on a un développement par régulation. Après quelques divisions du zygote, on peut
voir apparaître les 3 différents types de blastomères : on sépare les mésomères des macromères et
des micromères, et on étudie le devenir de chacun des 2 groupes cellulaires.
Les mésomères vont se développer en une blastula hyperciliée qui ne pourra pas subir la
gastrulation, alors que l'ensemble des macromères et des micromères peut redonner un embryon
normal. C'est donc qu'à ce stade on a eu un développement préformiste.