La biologie de la reproduction
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L’héritage de Darwin dans les activités de recherche du centre INRA de Jouy en Josas La biologie de la reproduction Jean-Paul Renard Unité de Biologie du développement et reproduction La biologie de la reproduction: présente mais, en tant que telle, marginale dans l’œuvre de Darwin: prise en compte du comportement sexuel des espèce de leur efficacité reproductive: ex: le pigeon comme espèce modèle monogame « une grande commodité pour améliorer et faire reproduire fidèlement plusieurs races » Charles Darwin in « l’origine des espèces« prolificité élevée et intervalle de génération court « un point qu’il est bon d’ajouter : les pigeons se multiplient beaucoup et vite et on peut supprimer tous les sujets défectueux car il servent dans l ’alimentation » Charles Darwin , in « l’origine des espèces» Présence marginale avec des formulations erronées : l’hypothèse corpsusculaire de l’hérédité théorie de la pangenèse « chaque unité ou cellule du corps émet des gemmules ou atomes non développés qui se transmettent aux descendants des deux sexes et se mulitplient en se divisant « Charles Darwin in « l’origine des espèces« loi de variation par corrélation A quelle période de la vie agissent les causes de la variabilité? « l’appareil reproducteur semble bien plus sensible que tout autre partie de l’organisation à l’action de tout changement dans les conditions de vie« « combien sont singulières les lois qui régissent la reproduction des animaux en captivité « «Charles Darwin in « l’origine des espèces« Mais une lucidité sur des hypothèses orphelines de la non-rencontre avec Mendel « les lois qui régissent l’hérédité sont inconnues pour la plupart « «Charles Darwin in « l’origine des espèces« L’héritage de Darwin dans les recherches du centre INRA de jouy en Reproduction Recherches centrées sur le développement embryonnaire précoce chez les mammifères: Developmental stages Birth fertilised oocytes embryo blastocyst implantation fœtus/placenta fœtus/placenta environmental perturbations temps de la fécondation à la formation du placenta Objectif : - étudier les mécanismes de l’adaptation d’un organisme en développement à son environnement - tirer partie de ces mécanismes pour des applications en élevage L’héritage de Darwin dans les recherches du centre INRA de jouy en Reproduction synopsis A- au cœur de plusieurs problématiques Ex 1 :le contrôle de la transition totipotence / pluripotence au début de l’embryogenèse Ex 2 : l’étude de la spécification des axes de développement de l’embryon bovin Ex 3: approche intégrative inter- espèces en vue de caractériser des mécanismes moléculaires de la différenciation gonadique conservés chez différentes classes de vertébrés B- mis en questionnement par la problématique de la reprogrammation? Ex 4 : reprogrammation de l’activité du noyau et reproduction par clonage Ex 5 L’importance de l’environnement embryonnaire et foetal précoce C-l’implantation, cible pour la réalisation d’équilibre intermittents chez les mammifères? Ex 6 : l’adaptation de l’organisme maternel aux déviations de l’embryon L’héritage de Darwin dans les recherches du centre INRA de jouy en Reproduction A- au cœur de plusieurs problématiques Ex 1 :le contrôle de la transition totipotence / pluripotence au début de l’embryogenèse Differentiated gametes Totipotent blastomeres Pluripotent cells Differentiated cells ES cells EGA embro zygotic activation ICM ICM: Inner cell mass Degradation of maternal transcripts trophectoderm Transcriptional activation of embryonic genome screening with embryos at three different stages: 4cell EGA screening with ICM and trophectoderm Blasto ICM-48h ES-like, passage 2 Oct4 LTR1 0 OC cont.. cont seq EGA RNERVK8 Blasto E6 Blasto E6 Disc E7 In situ hybridization : Scale bar 100µm main results at EGA several LTRLTR-retrotransposons types are abruptly expressed. expressed. Most of their corresponding sequences are clustered as transiently expressed genes: genes: At the blastocyst stage their expression becomes restricted to the pluripotent cells of the ICM ICM.. . Leandri et al.Physiol. Genomics. 8;36(2):98-113. -Bui et al 2009). Reproduction a functional involvement of LTR retrotransposons sequences in the control of toti and pluripotency.? pluripotency.? ES cells ICM Degradation of maternal transcripts trophectoderm Transcriptional activation of embryonic genome an action through Piwi ANR elements? elements? The preimplantation pedrod as a conrtibutor to genome evolution? evolution ? but see Mills et al TIG (2007) Transposable elements in the human genome Cordaux and Batzer Nat. Rev. Genetics 2009 n Véronique Duranthon ‘s group Linked to genome remodeling and epigenetic events concomitant with EGA 1-cell fPN 4-cell CENP HP1b 8-cell mPN EGA Computational analysis and spatial modelling of nuclear architecture Martin et al., 2006 Developmental Biology Pichugin et al., Reproduction 2009 Nathalie Beaujean’s group L’héritage de Darwin dans les recherches du centre INRA de jouy en Reproduction au cœur de plusieurs problématiques Ex 2 : l’étude de la spécification des axes de développement de l’embryon bovin la spécification des axes de développement: une question biologique majeure 6.5 days epiblast epiblast mesoderm antérior mesoderm Primitive streak posterior 100µm visceral endoderm Primitive streak visceral endoderm gastrulation Proximal Antérieur Postérieur Distal Courtesy of Anne Camus pourquoi l’embryon bovin ? une implantation tardive à trois semaines posterior pole gastrulation avant implantation x10 anterior pole A B X2.5 C x1 D14 D21 ovoïd:1 ovoïd :1-- 12mm tubular.50 tubular .50– –60mm filamentous140 filamentous140– –160mm Une croissance polarisée de l’épithélium trophoblastique Michel Guillomot, Isabelle Hue, Severine Degrelle a-a’ Ec primitive streak a node M En anterior pole notochorde Degrelle et al Dev Biol 2005 Primary cell layers: Ec, En, M antiBrachyury mAb a’ posterior pole embryons vivant/ embryon fécondé (%) Une période où la mise en place des axes coincide avec avec mortalité embryonnaire élevée chez la vache laitière 100 90 7500 kg 80 70 62 60 54 9000 kg 45 50 40 40 9000 kg 55 35 30 J14 J0 J14 J16 J21J23 J18 J60 J90 J21 MB J23 AN EVO-DEVO APPROACH OF EARLY DEVELOPMENT IN JAWED VERTEBRATES comparing the dogfish with ruminants during early development ANCESTRAL STATE ? CHONDRICHTHYANS Dogfish Scyliorhinus. canicula ACTINOPTERYGIANS More ancient origin in jawed vertebrates ? SARCOPTERYGIANS Lineage-specific modifications ? Identifying of key genes, exhibiting conserved differential expressions between early extraembryonic (or ventral/aborganizer) and embryonic (or dorsal) territories of the blastula in the dogfish and ruminants. Isabelle Hue with Sylvie Mazan’s group Darwin dans les recherche du centre en Biologie du développement et de la reproduction au cœur de plusieurs projets de recherche Ex 3: approche intégrative inter-espèces en vue de caractériser des mécanismes moléculaires de la différenciation gonadique conservés chez différentes classes de vertébrés 5.5jours Corinne Cotinot, Béatrice Mandon-Pépin, Eric Pailhoux, Maëlle Pannetier, avec SRA et SCRIBE / Phase, L’héritage de Darwin dans les recherches du centre INRA de Jouy en Reproduction B- mis en questionnement par la problématique de la reprogrammation? Ex 4 : reprogrammation de l’activité du noyau et reproduction par clonage birth fertilised oocytes embryo blastocyst implantation fœtus/placenta fœtus/placenta time birth clonage Nucler transfer embryo blastocyst implantation time fœtus/placenta « toute variation non héréditaire est sans intérêt , mais le nombre et la diversité des déviations de structure transmissibles par hérédité, insignifiantes ou d' importance physiologique considérable sont presque infinis » «Charles Darwin in « l’origine des espèces« Laurel 55 kg Hardy 23 kg Same culture plate, same day, same recipient breed and age, same birthdate... Heyman et al. 2007 Animal A still poorly known role of the placenta in the variations of phenotypes evidences for the transmission of maternal effects alive /control dead/cloned alive /cloned empty placenta Alice Jouneau, Development 2006 placentomegaly of clones can lead to oversised foetuses and obese phenotype but without transmission Tamashiro et al. 2000; Ogonuki et al. 2002 Alice Jouneau with Vincent Brochard Epigenetic reprogramming at early developmental stages: required, transient, with permanent impact Yang et al. Nature Genetics ,2007 Adult clones obtained from the same donor Genetically identicals identicals,, epigenetically variants ex: Global DNA méthylation between normal bovine clone their donors and between sets of twins Cytosine methylation (%) 7.0 X X XX Twin cows X clones Simmenthal X clones Holstein X X X XX X Donors cows X X X X 0.6 Individual deviation relative to the mean of the group X 0.5 X X X 0.4 X X X X X d X X X Xd X X X X 0.3 X 5.5 5.0 X X 0.1 d 4.5 X 0.2 X T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 5mC content in DNA of leucocytes from 38 healthy female clones at 1– 1– 8 years of age measured using capillary electrophoresis Béatrice de Montera, JF Oudin, Hélène Jammes with Eckard Wolf, Univ of Munich Twin cows 0.0 Holstein 6.0 Simmenthal 6.5 0.7 Clones L’héritage de Darwin dans les recherches du centre INRA de Jouy en Reproduction C-programmation du développement et variabilité phénotypique: ex 5 L’importance de l’environnement embryonnaire et foetal précoce IG Transposons Genes Gametes Methylation Embryoadult cells, tissues Somatic Zygote tissues Genes, transposons Aging Gastrula Blastocyst ExtraEmbryonic tissues Primordial germ cellsgametes Methylation Zygote Gametes Imprinted genes Primordial germ Gonadal ridge Courtesy of ClaudineJunien cells « La non transmission des caractères par l’hérédité est l’exception « «Charles Darwin in « l’origine des espèces« To which extend the early remodeling of nuclei determines its furtehr developmental potential An analysis with embryonic stem cells (ESNT) and somatic cell (SCNT) nuclear transfer embryos FISH Centromeres Peri-centric DNA 70 Proper 1-cell specific genome organization : most of the pericentric heterochromatin at the periphery of 50 nucleoli 40 % of “properly” remodeled nuclei In vivo fertilized Confocal observation 60 30 20 10 In 75 % of SCNT pericentric heterochromatin is not properlySCNT embryos + ESNT embryos SCNT embryos TSA remodeled at 1-cell 0 SCNT DNA development to blastocyst to term Nathalie Beaujean’s group 60% 3% 30% 0,25% 35% 2.96% Maalouf et al, BMC Developmental Biology 2009 Effets sur la croissance postpost-natale de la perturbation de la dynamique des signaux Ca2+ au moment de la fécondation Croissance des des nouveau-nés Croissance nouveaux-nés 17,9 17,0 16,8 Poids gr+/Poidsmoyen: moyen en gr+/ g ± SEMse 17 13,1 13 12,9 témoin 11,4 10,2 Hyper 10,2 témoins 9,2 9 sans Ca2+ Controles Lavage sans Ca2+ hyperstimulation 6,6 6,5 6,3 20 Pulses différence de poids à 3 semaines 5 11 22 Age en semaines 33 4 4 âge en semaines Jean-Pierre Ozil , Bernadette Benzares Jean--Pierre Ozil ‘s group, Jean Un régime hypercholestérolémique, hypercholestérolémique, 2 mois avant la fécondation affecte le développement postnatal chez le lapin Métabolisme des lipides associé à un taux de HDL élevé Développement rapide de plaques d'athérome Placentation hémochorialle durée de gestation de 28J Echographie foetale le lapin comme modèle physiologique Outils de génomique _séquencage du génome achevé en 2007 plan expérimental puberté 10s 12s Sevrage mise--bas mise fécondation lactation Gestation 17s 21s échographies adoptions croisées Exp. 1 26s Examen post--mortem post Exp. 2 Régime : 0,2% de cholestérol 7,7% de lipides ω3/ω6 = 2,7 Pascale ChavatteChavatte-Palmer’s ‘group R -R R -T T-R T-T L’héritage de Darwin dans les recherches du centre INRA de Jouy en Reproduction C-l’implantation, cible pour la réalisation d’équilibre intermittents chez les mammifères? Ex 6 : l’adaptation de l’organisme maternel aux déviations de l’embryon IMPLANTATION uterus uterine glands (corpus luteum) + caroncules PLACENTATION + conceptus ELONGATION ? cotyledons GASTRULATION MORTALITY PREGNANCY Le nombre et la diversité des déviations de structure transmissibles par hérédité, qu’elles soient insignifiantes ou qu’elles aient une importance physiologique considérable sont presque infinis «Charles Darwin in « l’origine des espèces« Challenging the endometrium: insights from inside IC IC IC C C C artificial insemination in vitro maturation in vitro fertilization + embryo transfer in vitro maturation somatic nuclear transfer (IVF-ET) (CLONE) (AI) pregancy rate transfert D7 recovery D18 Olivier Sandra’s group 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Transctiptomic profiling trophoblast, endometrium IVF Clone Transfer D21 D35 D70 (D7) D90 calving In SCNT pregnancies, every biological function has a major impact on “Immune response” Mansouri Attia et al 2009 PNAS conclusion developpement evolution reproduction epigenetique ecologie genetique Adapted from Jablonka et Lamb, Ann. NY Acad. Sci, 2002
