Biologie renforcée - Cours 2 - Développement embryonnaire

E. SORIA

PROGRAMME DE BIOLOGIE RENFORCEE

Lycée A. RENOIR Année 2024-2025

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Option - Biologie renforcée

Mme SORIA

Comprendre comment à partir d'une cellule-oeuf d'apparence homogène, on obtient un individu présentant une symétrie bilatérale, un axe antéro-postérieur et un axe dorso-ventral - Notion de gène homéotique

Connaitre l'organisation de l'ADN et des chromosomes au cours du cycle cellulaire, comprendre comment est contrôlée l'expression des gènes

Début du développement embryonnaire & détermination du devenir des cellules

Organisation de l'ADN & contrôle de l'expression génétique

Go !!!

Go !!!

Chez les organismes multicellulaires, le développement embryonnaire se fait à partir d’un zygote (ovule fécondé). Le zygote passe par une série de divisions mitotiques successives qui créent une multitude de cellules. Cependant, à elle seule, la division cellulaire ne produirait qu’une grosse boule de cellules identiques ! Le programme de développement doit donc produire différents types de cellules qui seront groupées en tissus, les tissus, en organes, et les organes, en systèmes ; ces derniers en interaction constituent l’ensemble de l'organisme lui-même. Le développement est donc une combinaison de la division cellulaire, la différenciation cellulaire et la morphogenèse, trois processus interdépendants responsables de cette transformation remarquable. Ci-contre, moins d'une semaine sépare les photos 1 et 4 !!!

Premières étapes du développement embryonnaire & détermination du devenir des cellules

Comprendre comment à partir d'une cellule-oeuf d'apparence homogène, on obtient un individu présentant une symétrie bilatérale, un axe antéro-postérieur et un axe dorso-ventral - Notion de gène homéotique

Le développement de l'organisme commence dès que le spermatozoïde féconde l'ovule (fécondation). Les stades précoces du développement correspondent à l'embryogenèse qui se déroule en plusieurs étapes qui se suivent dans le temps et, en général, dans un milieu protégé (que ce soit l'oeuf chez les ovipares ou la mère chez les vivipares).

La segmentation (ou clivage), première phase du développement embryonnaire suit immédiatement la fécondation, et correspond aux premières mitoses du zygote (oeuf fécondé) en blastomères, sans augmentation du volume de départ de l'oeuf. La gastrulation correspond à la seconde phase de développement embryonnaire après la segmentation. Elle est caractérisée par des mouvements cellulaires et tissulaires, dits morphogénétiques, coordonnés dans le temps et l'espace. Elle modifie la position des blastomères et aboutit à la mise en place des deux (animaux diploblastiques) ou trois feuillets (animaux triploblastiques) primitifs des métazoaires. L'organogenèse peut alors se mettre en route suivant un timing précis et suivant leur localisation cellulaire (facteurs de croissance, voies de signalisation) : les organes (et leur différenciation cellulaire) aboutissent à une topographie anatomique spécifique.

Description des évènements lors du développement embryonnaire

1.A. la segmentation : mise en Place d'une cavité interne

L’unique noyau d’un ovule nouvellement fécondé renferme trop peu d'ADN pour produire la quantité d'ARN messager (ARNm) dont la cellule a besoin pour fabriquer de nouvelles protéines. Les premières étapes du développement sont donc effectuées par les ARNm et les protéines

accumulés dans l’ovocyte durant l’ovogenèse, mais le contenu en ADN demeure malgré tout insuffisant pour la taille de la cellule. Le processus qui remédie à cette lacune est la segmentation, une succession rapide de divisions cellulaires qui survient peu après la fécondation.

Toutes ces divisions sont caractérisées par l'absence d'accroissement. Si bien que pendant toute la segmentation, l'œuf toujours entouré de la zone pellucide, reste de la taille de l'œuf fécondé.

Durant la segmentation, les cellules passent de la phase S (synthèse d'ADN) à la phase M (mitose) du cycle cellulaire en sautant souvent les phases G1 et G2 (G pour gap), de sorte que la synthèse de protéines est absente ou faible.

Il n’y a donc aucune augmentation de la masse. La segmentation divise la grosse cellule fécondée qu'est le zygote en un grand nombre de petites cellules appelées blastomères. Puisque chaque blastomère est beaucoup plus petit que le zygote, leur noyau peut fabriquer suffisamment d'ARN pour programmer la suite du développement.

Les types de segmentation sont conditionnées par la quantité et la distribution du vitellus dans le zygote (oeuf fécondé).

Les cinq à sept premières divisions produisent une sphère creuse de cellules qu’on appelle blastula. À l’intérieur de la blastula se forme une cavité pleine de liquide appelée blastocèle.

On définit deux grands types de segmentation, conditionnées par la quantité et la distribution du vitellus dans le cytoplasme du zygote : - la segmentation méroblastique (incomplète : seule une partie de l’œuf (sans vitellus) se divise) des oeufs riches en vitellus ; - et la segmentation holoblastique (complète : c’est l’œuf entier qui se divise) des oeufs pauvres ou moyennement riches en vitellus.

1.A.1. Segmentation holoblastique

Chez certaines espèces, dont les oursins et d’autres échinodermes, le mode de division est uniforme dans tout l'embryon. Par contre, chez d’autres espèces, comme la grenouille, le mode de division est asymétrique.

Bien que les blastomères formés au début de la segmentation soient morphologiquement semblables, il existe probablement très tôt, une différence biochimique entre les blastomères car une différence morphologique devient apparente au stade MORULA.

1.A.2. Segmentation méroblastique

Dans les œufs des oiseaux, des autres reptiles, des insectes et de nombreux poissons, le volume du vitellus, présent en abondance, influe fortement sur la segmentation. Chez ces animaux, le sillon de segmentation ne peut pas traverser le vitellus, de sorte que la segmentation se produit seulement dans la région qui en est dépourvue.

Chez le poulet et les autres oiseaux, la partie de l’œuf qu’on appelle communément le jaune correspond en fait à la totalité de l’ovocyte de deuxième ordre. Les divisions cellulaires ont lieu dans une petite région blanchâtre située au pôle animal. Ces divisions produisent un amas de cellules qui forment les feuillets inférieur et supérieur. La cavité entre les deux feuillets est la version aviaire du blastocèle.

Chez Drosophila et la plupart des autres insectes, le vitellus est présent dans l’ensemble de l’œuf. Au début du développement, plusieurs divisions mitotiques ont lieu sans qu’il y ait de cytocinèse (aucune membrane cytoplasmique ne se forme autour des premiers noyaux). Les premières centaines de noyaux migrent à la périphérie de l’œuf. Après plusieurs autres mitoses, une membrane plasmique se forme autour de chacun des noyaux.

L’embryon, qui est devenu l'équivalent d’une blastula, est alors constitué d’une seule couche d’environ 6 000 cellules entourant une masse de vitellus.

Exemple chez les végétaux

1.B. La gastrulation : mise en place de 2 ou 3 « feuillets embryonnaires »

La gastrulation est un remaniement radical de la blastula qui, de la sphère creuse qu’elle était, devient un embryon tridimensionnel.Les embryons de tous les animaux, et seulement ceux des animaux, subissent une gastrulation. Durant la gastrulation, les cellules se déplacent et se positionnent différemment, souvent au point de changer de voisines. Pendant la gastrulation, l'embryon se réorganise donc pour former une structure à deux ou trois feuillets embryonnaires appelé gastrula. L'ectoderme correspond au feuillet externe de la gastrula, tandis que l’endoderme tapisse le tube digestif de l'embryon. Chez certains animaux possédant une symétrie radiaire, seuls ces deux feuillets embryonnaires se forment durant la gastrulation. Ces animaux sont donc dits diploblastes. Les vertébrés et les autres animaux à symétrie bilatérale, eux, sont qualifiés de triploblastes parce que leur embryon comporte un troisième feuillet interne, appelé mésoderme, situé entre l’ectoderme et l’'endoderme.

=> bouche

=> anus

Chaque feuillet embryonnaire participe à l'élaboration d’un ensemble distinct de structures chez l’animal adulte. L'organisation des feuillets chez l'embryon se reflète souvent chez l’adulte : l’ectoderme forme le système nerveux et l'enveloppe externe du corps ; le mésoderme donne naissance aux muscles et au squelette; et l'endoderme tapisse plusieurs organes et conduits. Il existe toutefois de nombreuses exceptions.

1.B.1. Exemple de la grenouille

La blastula des grenouilles et autres triploblastes possède une face dorsale (haut) et une face ventrale (bas), un côté gauche et un côté droit, ainsi qu’une extrémité antérieure (avant) et une extrémité postérieure (arrière). Les mouvements cellulaires qui amorcent la gastrulation se produisent sur la face dorsale de la blastula, à l’extrémité opposée au point d'entrée du spermatozoïde. L’anus de l’amphibien se développe à partir du blastopore, tandis que la bouche se forme à partir de l’autre extrémité de l’archentéron => Deutérostomiens.

1.B.2. Exemple du poulet

Chez l'oiseau, la gastrulation commence lorsque l'embryon comporte deux feuillets cellulaires (l’épiblaste et l’hypoblaste) surmontant la masse du vitellus. Toutes les cellules qui formeront l'embryon viennent de l’épiblaste. Au cours de la gastrulation, certaines cellules de l’épiblaste se déplacent vers la ligne médiane, puis se détachent et s’enfoncent en direction du vitellus. L'accumulation de cellules au milieu de la surface, puis vers l’intérieur de l'embryon à partir de la ligne médiane, produit un sillon appelé ligne primitive. Certaines de ces cellules se déplacent vers le bas pour former l’endoderme, tandis que d’autres migrent latéralement pour former le mésoderme. Les cellules qui demeurent à la surface de l'embryon à la fin de la gastrulation constitueront l’ectoderme.

1.B.3. Cas particulier des Amniotes, plus particulièrement de l’humain

Contrairement à ce que l'on trouve chez de nbx vertébrés, les ovocytes humains sont assez petits et contiennent peu de nutriments => pas possible de se développer seul, sans ressources extérieures.

La fécondation se produit dans la trompe utérine et les premières étapes du développement ont lieu pendant que l’embryon continue de descendre la trompe jusqu’à l'utérus.L'embryon se divise les 7 premiers jours au rythme d'environ 1 division par jour.

1 - À la fin de la segmentation, l'embryon, qui compte plus de 100 cellules délimitant une cavité centrale, est arrivé dans l'utérus. Ce stade est appelé blastocyste (équivalent de la blastula).

Un amas de cellules nommé embryoblaste ou bouton embryonnaire fait saillie à une extrémité de la cavité du blastocyste. Il deviendra l'embryon proprement dit.

2 - L'implantation est réalisée grâce au trophoblaste, l’épithélium externe du blastocyste.

Ce dernier va sécrèter des enzymes qui vont dégrader des molécules de l’endomètre (le revêtement interne de l’utérus) et établir des liaisons avec les vaisseaux sanguins maternels.

À peu près au moment où l'implantation commence, l’embryoblaste devient un disque comportant une couche cellulaire interne, l’épiblaste, et une couche cellulaire externe, l’hypoblaste (comme chez les oiseaux). De la même façon, l'embryon des mammifères se développe presque entièrement à partir des cellules de l’épiblaste.

3 - Après l'implantation, le trophoblaste continue de s'étendre dans l’endomètre, et quatre nouvelles membranes apparaissent (=> ...) . Au terme de l'implantation, la gastrulation commence. Certaines cellules de l’épiblaste demeurent à la surface en tant qu’ectoderme, tandis que d’autres s’'enfoncent à l’intérieur en passant par la ligne primitive, où elles forment le mésoderme et l’endoderme, tout comme chez le poulet.

4 - Vers la fin de la gastrulation, les feuillets embryonnaires sont formés. L’embryon à trois feuillets est maintenant enveloppé dans les prolongements du mésoderme extraembryonnaire et quatre membranes extraembryonnaires distinctes.

À mesure que le développement progresse, le placenta se forme à partir des cellules du trophoblaste de plus en plus envahissant, de l’épiblaste et du tissu endométrial adjacent. Le placenta est l’organe vital qui assure les échanges de nutriments, de gaz et de déchets entre l'embryon en développement et la mère.

Tous les embryons de vertébrés ont besoin d’un milieu aqueux pour se développer. Dans le cas des poissons et des amphibiens, les embryons se développent dans la mer ou en eau douce, et ils n’ont pas besoin d’une cavité remplie d’eau. Par contre, lorsque les vertébrés ont commencé à vivre sur la terre ferme, leurs structures ont dû s’adapter au problème de la reproduction en milieu sec.

Deux structures sont alors apparues, qui existent encore aujourd’hui : (1) les œufs à coquille des oiseaux et des autres reptiles ainsi que de quelques mammifères (monotrèmes) ; (2) l’utérus des mammifères marsupiaux et euthériens (placentaires).

Ces structures ont en commun la mise en place, durant le développement embryonnaire, de quatre membranes extraembryonnaires : le chorion, l’allantoïde, l’amnios et le sac vitellin.

À l’intérieur de la coquille ou de l’utérus, l'embryon baigne dans du liquide contenu dans un sac constitué d’une membrane appelée amnios. C’est pourquoi les reptiles (y compris les oiseaux) et les mammifères sont qualifiés d’amniotes.

Comme on pourrait s'y attendre en raison de leur origine évolutive commune, les membranes extraembryonnaires remplissent à peu près les mêmes fonctions chez les mammifères et chez les reptiles : - le chorion joue un rôle dans les échanges gazeux ;

- le liquide contenu dans l’amnios protège l'embryon en développement ; - l’allantoïde, qui débarrasse l'œuf reptilien des déchets, s'intègre au cordon ombilical chez les mammifères (échanges de nutriments / déchets & gaz) ;

- le sac vitellin, enveloppe le vitellus dans les œufs des reptiles. Chez les mammifères, la membrane du sac vitellin est le site de production des premiers globules sanguins, lesquels migrent ensuite vers l'embryon lui-même.

Il existe de nbx types de placentation en fonction, notamment, de l'invasivité du blastocyste.

Lorsque la gastrulation est terminée et que les membranes extraembryonnaires sont formées, l'étape suivante du développement, soit l’organogenèse, peut commencer, durant laquelle se formeront et se développeront les organes.

1.C. L’organogénèse

Pendant le processus d’organogenèse, les diverses régions des trois feuillets embryonnaires donnent naissance à des ébauches d'organes. Souvent, les cellules provenant de deux feuillets, voire de trois feuillets, participent à la formation d’un seul et même organe ; l'interaction entre les cellules des différents feuillets contribue à déterminer la destinée des cellules.

1.C.1. Exemple de la neurulation chez la grenouille & le poulet

La neurulation débute quand les cellules du mésoderme dorsal se rejoignent pour former la notocorde (ou corde dorsale). La notocorde est la tige qui traverse la face dorsale de l'embryon des cordés. Des molécules de signalisation sécrétées par ces cellules du mésoderme atteignent l’ectoderme situé immédiatement au-dessus et induisent la formation de la plaque neurale. La formation de la plaque neurale est donc un exemple d’induction, un processus au cours duquel un groupe de cellules ou de tissus, par d’étroites interactions, influe sur le développement d’un autre groupe de cellules ou de tissus (=> ...) .

Après que la plaque neurale s’est formée, ses cellules changent de forme ; la plaque neurale se replie bientôt sur elle-même et les plis neuraux se referment pour donner le tube neural, qui longe l’axe antéropostérieur de l'embryon. Le tube neural deviendra le système nerveux central (encéphale dans la boîte crânienne et moelle épinière dans le reste du corps). En comparaison, la notocorde disparaît avant la naissance, bien que certaines de ses parties persistent chez les adultes sous la forme de disques intervertébraux.

Les premières étapes de l’organogenèse chez le poulet présentent de nombreux points communs avec celles de la grenouille. Lorsque l'embryon de poulet est âgé de trois jours, les ébauches des principaux organes sont déjà visibles, dont le cerveau, les yeux et le cœur.

1.C.2. Rôle du cytosquelette

Chez les animaux, une cellule peut changer de forme ou même se déplacer à l’intérieur de l'embryon grâce à la capacité de mouvement de certains de ses composants. Parmi ceux-ci, les microtubules et les microfilaments qui forment le cytosquelette permettent aux cellules de changer de forme ou de position.

1.C.3. Mort cellulaire programmée ou apoptose

Tout comme des cellules de l'embryon sont programmées pour changer de place et/ou de forme, d'autres sont programmées pour mourir. Ce phénomène appelé apoptose est très fréquent au cours du développement des animaux. Par exemple, la disparition des palmures interdigitales :

Elle intervient également dans la métamorphose des amphibiens et des insectes par élimination des tissus larvaires. Chez les amphibiens, l’apoptose permet la régression de la queue du têtard. Chez les insectes, l’exemple le plus marquant est l’élimination de structures larvaires telles que les glandes salivaires durant la métamorphose.

Souvent, le signal provient de l'extérieur de la cellule ; ainsi, la molécule porteuse du signal d’autodestruction est souvent libérée par une cellule voisine. Parfois, le signal vient de l'intérieur de la cellule : - soit du noyau, lorsque l'ADN a subi une lésion irréparable ; - soit du réticulum endoplasmique lorsqu’il y a trop de mauvais repliements de protéines.

Le mécanisme du suicide cellulaire est essentiel au développement et au bon fonctionnement de tous les animaux. Les ressemblances entre les gènes de l’apoptose chez les nématodes et chez les mammifères, ainsi que le constat que l’apoptose a lieu chez les champignons uni- et pluricellulaires, montrent que ce mécanisme fondamental est apparu au début de l’évolution des eucaryotes.

2. Un même ADN, mais une expression différentielle selon les cellules

Au cours du développement embryonnaire, les cellules subissent tout en se multipliant : - une différenciation cellulaire : processus par lequel elles acquièrent des structures et des fonctions spécialisées ; - la morphogenèse : ensemble des processus physiologiques déterminant la forme de l'organisme. Comme vous l’avez vu, les activités d’une cellule dépendent des gènes qu’elle exprime et des protéines qu’elle produit. Presque toutes les cellules d’un organisme ont le même génome ; par conséquent, l'expression génétique différentielle est due à une régulation des gènes qui varie selon le type de cellules. Ceci soulève inévitablement la question suivante : comment des ensembles différents d’activateurs peuvent-ils en arriver à être présents dans les différentes cellules ? Il s'avère que les matériaux placés dans l’ovocyte (l’ovule avant sa fécondation) par les cellules maternelles établissent un programme séquentiel de régulation génique qui est assuré pendant la division des cellules embryonnaires après la fécondation, et ce programme coordonne la différenciation cellulaire durant le développement embryonnaire.

2.A. Déterminants cytoplasmiques

La première source d’information importante provient du cytoplasme de l’ovule, qui contient des molécules d’ARN et des protéines codées par l'ADN de la mère, appelés déterminants cytoplasmiques.

Ils exercent leur influence au début du développement embryonnaire. Le cytoplasme d’un ovule non fécondé n’est pas un milieu homogène ; l'ARNm, les protéines et d’autres substances, ainsi que les organites sont distribués inégalement à l’intérieur de l’ovule. Chez de nombreuses espèces, cette répartition inégale influe fortement sur le développement du futur embryon. Après la fécondation, les premières divisions mitotiques répartissent le cytoplasme du zygote dans des cellules séparées. Les noyaux de ces cellules sont donc exposés à différents déterminants cytoplasmiques. La combinaison des déterminants cytoplasmiques dans une cellule assure la destinée de celle-ci par la régulation de l'expression de ses gènes au cours de la différenciation cellulaire.

Exemple de l'etablissement de l'axe antéroposterieur chez drosophila melanogaster

Les différents gènes à effet maternel responsables du développement de l'axe A/P de l'embryon sont transcrits par la mère dans l'ovocyte lors de l'ovogenèse. Il s'agit de Hunchback , Bicoid , Nanos et Caudal.

Dans le blastoderme syncytial, les ARN de Bicoid et de Nanos se lient à des cordes protéiques impliquées dans la locomotion cellulaire et le transport intracellulaire, appelées microtubules, qui transportent l'ARN vers les régions antérieure et postérieure, respectivement. Hunchback ne se lie pas aux microtubules et se diffuse donc uniformément dans tout l'embryon. Ainsi, les ARNm Bicoïd sont ancrés dans la partie antérieure, les ARNm Nanos sont fixés au cytosquelette dans la région postérieure et les ARNm des gènes Hunchback et Caudal sont distribués le long de l'axe antéro-postérieur.

Lors de la fécondation, ces différents ARNm se traduisent en protéines et forment des gradients de concentration.

Liaison de l'homédomaine Bicoïd (en vert) à une séquence spécifique au niveau de la molécule d'ADN.

La protéine Bicoïd agit soit comme un facteur de transcription qui stimule la synthèse des ARNm à partir de l'ADN, soit comme un inhibiteur de la traduction des ARNm en protéines, selon les gènes concernés.

Au niveau de la partie antérieure de l’ovule, la protéine Bicoïd inhibe la traduction de l’ARNm "caudal" en se liant à une séquence spécifique au niveau de sa région non traduite 3’UTR. Ce gène est responsable du développement de la région postérieure chez l’embryon. Ainsi, Caudal n’est traduit que dans la région postérieure et le gène Bicoïd détermine ainsi la région antérieure de l’ovule.

Toujours dans la partie antérieure, Bicoïd agit sur le gène Hunchback, un gène responsable de la formation des segments du corps. La protéine Bicoïd s’y lie au niveau de son amplificateur, une séquence régulatrice dans la molécule d’ADN, afin de stimuler sa transcription en ARNm. Ceci provoque donc l’augmentation de la concentration des protéines Hunchback dans la région antérieure, ce qui active la formation des segments thoraciques.

Au niveau de la partie postérieure, Nanos réprime la traduction de la protéine Hunchback . Étant donné que Nanos est localisé vers le pôle postérieur, Hunchback maternel est exprimé principalement dans le pôle antérieur. Les quatre gradients de protéines sont donc mis en place chez l’embryon précoce : Bicoïd et Hunchback concentrés dans la région antérieure et Nanos et Caudal dans la partie postérieure. Ces protéines vont agir comme des facteurs de transcription afin de réguler l’expression des gènes zygotiques.

Les gradients de ces premières protéines régulent l'expression d'autres gènes qui vont intervenir les uns après les autres, appelés respectivement : - gènes Gap (tels que Krüppel et Knirps), - gènes pair-Rule (tels que even-skipped). Ces derniers codent ensuite des facteurs de transcription qui régulent les gènes de polarité des segments exprimés plus tard dans le développement pour définir des segments distincts le long de l'axe antéro-postérieur.

Au fur et à mesure que l’embryon croît, il atteint un point où le programme embryonnaire de l'expression génétique prend la commande, et les ARNm maternels doivent être détruits. Ce processus fait intervenir des miARN chez la drosophile et d’autres espèces. Plus tard, les gènes de l’embryon permettront la formation d'un nombre spécifique de segments correctement orientés et déclenche la formation des structures propres à chaque segment avec une précision croissante => gènes homéotiques (=>...).

Lorsque les gènes mis en jeu à cette étape finale sont anormaux, les plans d'organisation de l’adulte sont anormaux.

Avec l'avènement des analyses génétiques, puis moléculaires, plusieurs gènes ont été caractérisés chez la drosophile. Parmi ceux-ci, on trouve les gènes découverts par Ed Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard et Eric Wieschaus (Prix Nobel 1995).

Ces gènes sont regroupés sous le terme gène homéotique car leur mutation produit une homéose, c'est-à-dire l'apparition d'un organe bien formé, mais à un mauvais emplacement du corps.

Ces gènes sont au nombre de 8 et organisés en 2 grands ensembles : le complexe Antennapedia et le complexe Bithorax. ANT-C est impliqué dans la différenciation et la spécification de la partie antérieure de l'animal alors que le second complexe est essentiel dans la partie distale de l'organisme depuis la fin du thorax jusqu'à l'ensemble de l'abdomen. Ces gènes sont importants car ils conditionnent la nature même d'un segment par rapport à l'autre dans l'axe antéro- postérieur et spécifient le type de membres présent sur chacun de ces segments.

Chez la Drosophile, ce groupe de gènes est situé sur le même chromosome dans un ordre particulier, correspondant à la zone géographique dans laquelle il s'exprime chez l'animal.

Ainsi, en partant de la partie 3' du locus de ce complexe, on trouve dans l'ordre les gènes responsables de la différenciation antéro-postérieure de l'organisme. Cela s'appelle la colinéarité : la succession de ces gènes est en corrélation avec la région d'expression dans l'organisme ainsi que le moment de leur expression au cours du développement.

Chose étonnante (pas tant que ça en réalité !) on retrouve une organisation similaire chez la souris ET des séquences presque identiques.

L'analyse fine de ces gènes montre que chacun des gènes de ce complexe code une protéine capable de réguler la transcription d'autres gènes et surtout que cette action passe par l'existence d'une région de 60 acides aminés capable de se lier à l'ADN appelée homéodomaine.

Exemple chez les végétaux

Version simplifiée de l'hypothèse ABC sur le développement floral selon laquelle trois classes de gènes dirigent la formation des quatre types d'organes floraux.

2.B. action des stimulis intercellulaires

La deuxième source d’information concernant le développement embryonnaire, qui gagne en importance au fur et à mesure que le nombre de cellules embryonnaires s'accroît, est l’environnement d’une cellule donnée, notamment les cellules voisines.

Ces signaux comprennent le contact avec des molécules de la surface cellulaire situées sur les cellules voisines et/ou la liaison de facteurs de croissance sécrétés par celles-ci. Les signaux moléculaires provoquent des changements dans les cellules cibles sous l’effet d’un mécanisme nommé induction. Ces signaux sont reçus par des récepteurs de la surface cellulaire et d’autres protéines de la voie de signalisation, dont la cascade d'activation a pour effet de changer son expression génétique, ce qui se traduit par des modifications cellulaires observables.

Exemple de la différenciation des cellules musculaires

Chez les vertébrés, la différenciation des cellules des muscles squelettiques est un exemple intéressant. Les cellules musculaires se développent à partir de cellules précurseures embryonnaires ou myoblastes ayant le potentiel de donner divers types de cellules (cartilagineuses, adipeuses). Cependant, ces cellules précurseures sont soumises à des conditions qui les destinent à devenir des cellules musculaires.

Les cellules musculaires ont une forme très allongée, elles comportent de nombreux noyaux enfermés dans une seule membrane plasmique et contiennent des concentrations très élevées de protéines spécifiques au tissu musculaire : filaments de myosine et d’actine (protéines contractiles), ainsi que des protéines membranaires réceptrices des signaux en provenance des neurones.

Les myoblastes proviennent du myotome, qui lui-même provient des somites, qui eux-mêmes proviennent de la différenciation du mésoderme.

Les somites donnent naissance à trois structures essentielles : - le sclérotome qui produit les vertèbres, les côtes et les cartilages axiaux (chez les vertébrés) ; - le myotome (partie intermédiaire du somite) à l'origine des muscles striés squelettiques ; - le dermatome, à l'origine des tissus conjonctifs sous-jacents de la peau, (derme / hypoderme).

Des signaux inducteurs émanant des cellules voisines du myotome permettent la régionalisation des somites et la formation des myoblastes des futurs muscles dorsaux et des membres. Ce phénomène a lieu lors de la neurulation.

• la chorde et la face ventrale du tube neural secrètent la protéine Sonic hedhehog qui agit sur les somites et induit la régionalisation du sclérotome ;

• le tube neural sécrète des protéines Wnt1 qui induisent le myotome et plus précisément les muscles dorsaux ;

• le mésoderme latéral sécrète la protéine BMP4 et l’épiderme la protéine Wnt7 qui agissent en induisant le myotome et plus précisément les muscles des membres.

L'action de ces signaux externes sur le myotome provoque l'activation de gènes internes appelés gènes maîtres régulateurs tel que myoD .

(myoblast determination)

La protéine MyoD qu’il encode est capable de transformer en cellules musculaires certains types de cellules entièrement différenciées qui ne sont pas musculaires (cellules adipeuses ou hépatiques, par exemple).

La protéine MyoD est un facteur de transcription qui se lie aux éléments de contrôle spécifiques (amplificateurs) de divers gènes cibles et qui stimule leur expression. On peut supposer que tous ces gènes cibles comportent des éléments de contrôle dans les amplificateurs reconnus par la protéine MyoD ; ils sont donc soumis à une régulation coordonnée. La protéine MyoD stimule également l'expression du gène myoD lui-même, ce qui constitue un exemple de rétroaction positive qui lui permet de continuer à exercer son influence en maintenant la cellule dans son état différencié.

De plus en plus de données expérimentales appuient l'hypothèse selon laquelle les protéines régulatrices comme la protéine MyoD pourraient agir en favorisant le relâchement de la chromatine dans des régions spécifiques. Cela permettrait d’activer le groupe de gènes spécifiques nécessaire aux étapes suivantes de la différenciation.

Enfin, les facteurs de transcription secondaires activent les gènes des protéines musculaires, tels que la myosine et l’actine, gènes des récepteurs des motoneurones (plaque motrice, etc.). Au bout d’un certain temps, ces myoblastes commencent à produire de grandes quantités de protéines spécifiques des muscles. Ensuite, ils fusionnent et se transforment en cellules musculaires squelettiques matures, avec leurs sarcomères, multinucléées et allongées.

myoblastes

myotubes

cellules musculaires

Exemple chez les végétaux

Maintenant vous savez comment on passe de ça...

... à ça !!!

Il s’avère que le même gène contrôle le développement de vos doigts, orteils, jambes et bras ET un caractère chez la drosophile : le gène « Sonic Hedgehog ».