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CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT CHAPITRE 4 : MISE EN PLACE DU PLAN D’ORGANISATION ET PROGRAMME GENETIQUE • Rappel chapitre 1 : Les vertébrés présentent un plan d'organisation commun : plan de symétrie bilatérale, axes de polarité (antéro-postérieur, dorso-ventral, droite-gauche), disposition des principaux organes par rapport à ces axes. • Comment et pourquoi se met en place le plan d’organisation caractéristique d’une espèce I] Mise en place des axes de polarité au cours du développement embryonnaire Le développement embryonnaire : de la fécondation à l’éclosion (pour les œufs) ou l’accouchement. • Les ovules sont constitués d’une seule cellule, et pas d’organes => symétrie axiale Donc, le plan d’organisation n’est apparemment pas réalisé dans l’œuf juste fécondé. • Quand et comment le plan d’organisation (axes de polarité, symétrie bilatérale) se metil en place ? Entre ces deux stades (ovule et adulte), il existe deux grandes phases : le développement embryonnaire et la croissance. Regardons si le plan d’organisation est déjà réalisé chez l’embryon… • Activité 1 : Mise en place du plan d’organisation chez les vertébrés Objectif de l’activité : Détermination du moment de la mise en place du plan d’organisation d’un vertébré le Xénope puis généraliser à d’autres vertébrés S’informer à partir d’internet • Partie 1 : Le développement du Xénope de la fécondation à l’adulte Accès au site : - internet explorer puis Google - recherche de " ontogenese reims " - sélectionner le site de l'académie de Reims (1er résultat). Répondre aux questions à l'aide du site : 1) L’ovocyte de Xénope : a) Légender le schéma ci-dessous Schéma d’un ovocyte de Xénope b) Du point de vue de la symétrie à quoi correspond l’axe PA-PV ? C’est un axe de symétrie. L’ovule présente une symétrie par rapport à l’axe PA-PV. 2) La fécondation : a) Que provoque la pénétration du spermatozoïde dans l’ovocyte ? Une rotation du pôle animal et l’apparition d’un croissant gris b) A quoi correspondra, ultérieurement, la zone du croissant gris ? Le croissant gris correspondra à la zone dorsale c) Quelle est la symétrie de cette cellule-œuf ? (plan ou axe) Dessiner-la sur le schéma cidessous. La cellule-œuf qui donnera l’embryon présente un plan de symétrie. d) Quel(s) est (sont) l’(les) axe(s) de polarité de cette cellule-œuf ? Dessiner-le(s) sur le schéma ci-dessous. La cellule-œuf présente 2 axes de polarité : antéro-postérieur et dorso-ventral Le croissant gris apparaît toujours dans la zone opposée à l’entrée du spermatozoïde (localisation) Il y a symétrie par rapport à un plan de symétrie bilatérale Il y a 2 axe(s) de polarité : Ave antéro-postérieur Axe dorso-ventral (axes à nommer) Schéma d’une cellule-œuf de Xénope e) Quelle conclusion peut-on tirer quant au moment d’apparition des axes de polarité du Xénope. L’apparition des axes de polarité aura lieu au moment de la fécondation et se mettra en place durant le développement embryonnaire. 3) Les autres étapes du développement : Vous allez retrouver sur une vidéo les différentes étapes du développement du xénope : Accès au site : ouvrir une nouvelle page internet - internet explorer puis Google - recherche de "embryogenese xenope caen" - sélectionner le site de l'académie de Caen (1er résultat). a) Décrire en quelques phrases le développement embryonnaire du Xénope après la fécondation (à l’aide de la vidéo et du site). Après la fécondation, la cellule œuf entre dans une phase caractérisée par une succession de divisions. De 16 à 64 cellules, l’embryon ressemble à une petite mûre. La phase suivante provoque des remaniements à l’intérieur de l’embryon : déplacements cellulaires. La dernière phase permet la mise en place du système nerveux par : Le stade final ressemble déjà à un petit têtard dont on peut reconnaître certaines parties (comme l’œil). b) Placer, sur la photo ci-dessous représentant un embryon au stade bourgeon caudal, les axes de polarité déjà identifiables. - l'ébauche du SN et la corde correspondent à la face dorsale et déterminent l'axe dorso – ventral. - l'encéphale détermine l'avant de l'animal donc l'axe antéro-postérieur Stade du bourgeon caudal (œil et branchies visibles) 4) Conclusion : Quand les caractéristiques du plan d’organisation se mettent-elles en place ? La symétrie et les 2 axes de polarité caractéristiques du Vertébré sont mis en place lors du développement embryonnaire. • Partie 2 : Comparer les étapes du développement embryonnaire chez les Vertébrés Accès au site : ouvrir une nouvelle page internet - internet explorer puis Google - recherche de " developpement homme inrp " - sélectionner le site de l'académie de l’INRP (1er résultat) - comparer le développement embryonnaire du poisson zèbre et de l’homme avec le Xénope. • Etude d’un texte : Karl Von Baer : ‘j’ai deux petits embryons conservés dans l’alcool sur lesquels j’ai oublié de mettre des étiquettes. Je suis maintenant incapable de déterminer les genres auxquels ils appartiennent. Ce sont peut-être des Lézards, des oiseaux ou même des mammifères.’ 1) Que suggère le site et le texte quant au développement embryonnaire de différents vertébrés. Il apparaît une grande ressemblance entre jeunes embryons de différents Vertébrés ce qui suggère un ancêtre commun. 2) A l’aide de la question précédente, formuler une hypothèse sur l’origine du développement embryonnaire. Les embryons jeunes de Vertébrés ont de profondes ressemblances. Ceci suggère encore que tous les Vertébrés aient un ancêtre commun chez lequel le développement embryonnaire était semblable => Des gènes communs… • Bilan : Le développement embryonnaire permet la mise en place des axes de polarité et des organes de l'animal, donc de son plan d'organisation. (Les étapes du développement embryonnaires sont identiques chez tous les Vertébrés, mais au stade final du développement, l'embryon a les caractéristiques de son espèce. On en déduit : - que la cellule œuf contient dans son programme génétique l'information permettant l'élaboration du plan d'organisation propre à l'espèce. - qu'une partie de ce programme est semblable chez les différentes espèces animales car elles ont le même plan d'organisation dont la mise en place se fait selon les mêmes étape II] Le contrôle génétique du développement embryonnaire ACTIVITE 2 : LE DEVELOPPEMENT EMBRYONNAIRE ET SON CONTROLE Rappel : Lors de la précédente activité, vous avez mis en évidence que le plan d'organisation du Xénope se met en place pendant le développement embryonnaire. Partie 1 : Comparaison des étapes du développement embryonnaire chez différents vertébrés • Les étapes du développement embryonnaire observées chez le Xénope se retrouventelles chez d’autres animaux vertébrés ? Document 1 : D’après Romanes 1901 in Biologie du développement, S.F. Gilbert, 1996, De Boeck Université 1) A l’aide du document ci-dessus, comparer les étapes de développement embryonnaire de différents Vertébrés. Indiquer les principaux points communs et différences observées. Les premiers stades du développement embryonnaire des vertébrés présentent de profondes ressemblances. Au fur et à mesure qu’il se développe, l’embryon prend les caractères de son espèce. 2) Formuler une hypothèse expliquant les similitudes observées lors des premiers stades du développement embryonnaire de ces différents vertébrés. Les similitudes observées laissent à penser qu’il y aurait un ancêtre commun. On retrouve des stades de développement communs dans les différents groupes de Vertébrés. Ceci amène à penser que les différentes espèces de Vertébrés dérivent d’ancêtres communs plus ou moins éloignés dans le temps en fonction des similitudes de leur développement. 3) Bilan : Répondre à l’interrogation de départ (= Les étapes du développement embryonnaire observées chez le Xénope se retrouvent-elles chez d’autres animaux vertébrés ?). Que peut-on en conclure ? Les jeunes embryons de Vertébrés ont de profondes ressemblances. Ceci suggère encore que tous les Vertébrés aient un ancêtre commun. On en conclue qu'une partie de l'information génétique permettant l'élaboration du plan d'organisation est semblable chez les différentes espèces animales car elles ont le même plan d'organisation dont la mise en place se fait selon les mêmes étapes. Partie 2 : Le contrôle génétique du développement • Comment les mécanismes permettant la mise en place du plan d’organisation d’un animal sont-ils contrôlés ? Ces mécanismes sont-ils les mêmes chez tous les animaux ? Observation : Dans certaines familles, plusieurs personnes présentent 6 orteils à chaque pied (modification du plan d’organisation). 1) Hypothèse (s) : Quelle(s) hypothèse(s) expliquant le contrôle et la transmission d’un caractère du plan d’organisation (6e orteil), peuvent être formulées ? La transmission du caractère 6e orteil est transmissible à la descendance. C’est donc un caractère héréditaire qui serait donc dirigé par une information génétique. Le contrôle de la mise en place d’un plan d’organisation serait donc lié aux gènes. I] Le contrôle de la mise en place du plan d’organisation : exemple d’un invertébré la drosophile Les Drosophiles ou mouche du vinaigre sont facilement « cultivées » en laboratoire. Ces organismes n’ont que 4 paires de chromosomes et leurs gènes sont bien connus. Schéma d’une drosophile sauvage (normale) Manipulation : Observation de la tête de 2 types de drosophiles au microscope optique et à la loupe binoculaire : - Des drosophiles sauvages (normales) : à la loupe binoculaire - Des drosophiles Antennapedia : au microscope optique 1) Comparer la tête des drosophiles sauvages (normales) avec celle des drosophiles Antennapedia. Puis compléter le tableau suivant. Nombre Drosophile sauvage Forme - Taille Drosophile Antennapedia Nombre Forme - Taille Yeux 2 Œil composé rouge-brun 2 Œil composé rouge-brun Antennes 2 Petite, brun, jaune 0 Patte à la place de l’antenne 2) Quel appendice (= organe) a changé de position et se trouve au niveau de la tête de la drosophile Antennapedia ? Une patte à la place de l’antenne. 3) Pourquoi peut-on parler de modification du plan d’organisation ? Car la patte est mal positionnée par rapport au plan d’organisation d’une drosophile sauvage. Document 2 : La mise en place d’une antenne ou d’une patte met en jeu 2 types de gènes : - Les gènes de « structure » responsable de la nature de l’appendice (patte, antenne…) - Les gènes homéotiques responsables de la position de l’appendice Les mutations des gènes homéotiques provoquent des anomalies du plan d’organisation. Par exemple, la mutation du gène Ubx peut entraîner son expression dans tout l’organisme et provoquer l’apparition d’une deuxième paire d’ailes. Chez la drosophile, une vingtaine de gènes homéotiques sont connus, neuf d'entre eux sont groupés sur le chromosome III et forment un complexe, le complexe HOM Les gènes homéotiques de la drosophile avec le domaine où ils s’expriment - Source : Inrp 4) Justifier le terme de « gène sélecteur de position » pour un gène homéotique. Un gène homéotique détermine la position d’un organe sur l’axe antéro-postérieur. Un gène homéotique peut donc être qualifié de « gène sélecteur de position ». 5) Comparer la position des gènes homéotiques sur le chromosome III à la position des organes sur l'axe antéro-postérieur de la drosophile. Que constate-t-on ? Les gènes homéotiques ont le même ordre d’alignement sur le chromosome 3 que les organes dont ils contrôlent la position sur l’axe antéro-postérieur. 6) Formuler une hypothèse sur le rôle du gène homéotique dans la modification de la tête de la drosophile Antennapedia. Les mutations des gènes homéotiques provoquent des anomalies du plan d’organisation. On peut donc supposer que la mutation du gène Ant entraîne son expression dans tout l’organisme et provoquer l’apparition de pattes au niveau de la tête. 7) A l’aide de l’ensemble de ces informations, montrer que la mise en place d’un plan d’organisation est sous le contrôle d’un programme génétique. Le développement embryonnaire et la mise en place du plan d’organisation peuvent être profondément modifiés par des mutations affectant certains gènes : ils sont donc bien sous le contrôle d’un programme génétique. Ce contrôle fait intervenir des gènes homéotiques responsable de la position des organes selon l’axe antéro-postérieur II] Le contrôle génétique de la mise en place du plan d’organisation dans différentes espèces animales Réalisation : Chercher des informations sur internet Ouvrir « Internet Explorer » Dans « Google » rechercher : « API genes homeotiques maroc » (1er résultat) Entrer dans l’application et lire l’introduction ATTENTION : NE PAS IMPRIMER LES PAGES Réaliser les manipulations indiquées mais ne pas répondre aux questions de l’application. Cliquer sur : Comparer la disposition des gènes le long du chromosome chez la Souris et la Drosophile (en bas de page) 1) Comparez la disposition des gènes homéotiques le long du chromosome chez la souris et la drosophile et leurs dispositions par rapport à l’axe antéro-postérieur de chaque animal. Lees gènes homéotiques de la souris et de la drosophile ont chez ces deux animaux le même ordre d’alignement sur les chromosomes que les organes dont ils déterminent la place sur l’axe antéro-postérieur. Les gènes homéotiques formant le complexe HOM chez la drosophile semblent déterminer des positions semblables d’apparition des organes que les gènes homéotiques de la souris formant les complexes Hox a et Hox d. En haut de page cliquer sur : Leur séquence nucléotidique 2) Comparer la séquence nucléotidique des gènes intervenant dans la formation de l’œil chez la souris et la drosophile et compter les différences entre la séquence de la souris et de la drosophile. La comparaison des séquences des gènes intervenant dans la formation de l'œil chez la drosophile (eyeless) et la souris (small eye) fait apparaître des similitudes dans leur séquence (42 nucléotides différents sur 150 = 72% de similitude). 3) Calculer en pourcentage le degré de similitude entre ces deux gènes. Ces gènes sont-ils plutôt semblables ou différents ? Ces deux gènes sont relativement semblables car ils ont 72% de similitude. Les gènes sont considérés comme relativement semblables s'ils ont plus de 70% de similitude. En haut de page cliquer sur : Leur fonction 4) Décrire les résultats d’une expérience de transgénèse. La transgénèse d’un gène homéotique du complexe Hox b dans les cellules mutées au niveau des gènes homéotiques de la drosophile conduit à l’expression du gène de la souris au niveau de la zone mutée (exemple la tête), ce qui explique le rétablissement d’un caractère normal. Par exemple : suite à la transgénèse il y a développement d’une antenne au niveau de la tête à la place de la patte chez la drosophile antennapedia. Cette expérience de transgénèse semble indiquer qu’un gène homéotique de souri, contrôlant une position de l’axe antéro-postérieur, détermine la même position chez la drosophile. 5) Montrer en quoi cette expérience confirme l'idée que les animaux, Vertébrés comme Invertébrés ont un ancêtre commun à-partir duquel des espèces ont progressivement évolué. Les gènes homéotiques de deux espèces différentes présentent des séquences nucléotidiques très voisines ainsi qu’une disposition sur les chromosomes semblable. Le fait qu’un gène homéotique de souris puisse rétablir la fonction d’un gène homéotique de drosophile contrôlant la position des organes dans la même région du corps renforce l’idée d’une parenté entre les animaux, même lorsqu’ils semblent différents dans leur organisation. 6) Bilan : Répondre à l’interrogation de départ (= Comment les mécanismes permettant la mise en place du plan d’organisation d’un animal sont-ils contrôlés ? Ces mécanismes sont-ils les mêmes chez tous les animaux ?) Le développement embryonnaire est sous contrôle génétique. Les gènes impliqués sont appelés gènes homéotiques. Ces gènes contrôlent la position des organes le long des axes de polarité. Les gènes homéotiques de différentes espèces présentent de nombreuses similitudes dans leur séquence et leur fonctionnement ce qui est un argument en faveur d’une parenté et d’une origine commune entre des espèces animales apparemment éloignées. • Bilan : Les étapes du développement embryonnaires sont identiques chez tous les Vertébrés, mais au stade final du développement, l'embryon a les caractéristiques de son espèce. Une partie du programme génétique dictant le plan d'organisation est semblable chez les différentes espèces animales car elles ont le même plan d'organisation dont la mise en place se fait selon les mêmes étapes. Des gènes de position (gènes homéotiques) contrôlent la mise en place des organes le long de l’axe antéro-postérieur. Donc le plan d’organisation des êtres vivants est déterminé génétiquement. D’une espèce à l’autre, les gènes homéotiques présentent de profondes similitudes. Cette similitude vient appuyer l’idée d’un ancêtre commun aux êtres vivants. • Schéma bilan : Conclusion Les similitudes aux différents niveaux d'organisation : cellule, molécule d'ADN, et organismes conduisent à la notion d'origine commune des espèces.
