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– Biologie de développement – La segmentation Plan du cours : I. Introduction II. Les différents types de segmentation 1) La quantité et distribution du vitellus 2) Autres facteurs du cytoplasme 3) Plan de clivage III. Segmentation méroblastique :

1) Superficielle : Insecte 2) Discoïdale : Poulet/Zebrafish IV. Segmentation holoblastique: 1) Radiaire : Oursin/amphibiens 2) Rotationnelle: mammifères V. Conclusions

Que se passe à partir de la fécondation ?

Le but du développement est d'obtenir un animal autonome à partir d'une seule cellule. On va alors augmenter le nombre de cellules, pour les organismes pluricellulaires, c'est la segmentation car l'œuf se segmente en un grand nombre de cellules. Cette segmentation observe différents plans de segmentation très dépendants de la structure de l'œuf, donc ils dépendent des espèces.

I.

Introduction

La segmentation correspond à des divisions mitotiques très rapides et multiples. On n’augmente pas le volume de l’embryon = ce n’est pas une croissance cellulaire donc les cellules se divisent et deviennent plus petites. L’œuf unicellulaire se clive en un organisme multicellulaire, composé d’une multitude de cellules appelées blastomères. La morula est un stade intermédiaire de la segmentation. On a un grand nombre de cellules, la segmentation n’est pas terminée et il n’y a pas encore de blastocèle. En fin de segmentation, l’œuf est appelée blastula lors qu’il y a la présence d’une cavité appelée blastocèle.

Cellule œuf

2 blastomères

4 blastomères

Morula

Blastula On a besoin de 2 processus pour réaliser les mitoses :  Caryocinèse = division mitotique du noyau : grâce à fuseau mitotique, microtubules, tubuline, nocodazole  Cytocinèse = division de la cellule entière : grâce à anneau contractile, microfilaments constituée d’ actine, cytochalasine B (agent bloquant la cytocinèse). Le bon positionnement du fuseau mitotique sera lié à la position du centriole. La Transition Mid-Blastuléenne (TMB) est une étape majeure de la segmentation.

C’est l’expression maternelle stockée dans l’ovocyte qui assure quasiment toute la segmentation. Avant la TMB, le génome est sous forme d’hétérochromatine. On a donc la traduction mais pas transcription donc le cycle cellulaire est très court et les réserves maternelles s’épuisent : on n’a pas de phase G. De ce fait, on va pourvoir avoir des mitoses ce qui permet d’augmenter les vitesses de divisions. Le plus souvent, les divisions vont être synchrones. Durant la TMB, c’est l’activation du génome zygotique. La transcription peut alors être effectuée, le nombre d’ARN augmente.

Après la TMB, on a donc la reprise du cycle cellulaire grâce à l’expression zygotique et la contribution paternelle avec production d’ARN (grâce à la reprise de la transcription) et de protéines nécessaire au développement futur de l’embryon. On retrouve le cycle cellulaire classique avec les 4 phases. Les cellules perdent leur particularité d’être synchrone dans les divisions, elles deviennent asynchrones.

II.

Les différents types de segmentation

1) La quantité et distribution du vitellus

L’ovule contient des réserves pour les stades précoces de développement de l’embryon comme des protéines, des ribosomes, des ARNt, des ARNm, et le vitellus. La région la plus riche en vitellus détermine le pôle végétatif. L’autre est appelée le pôle animal. Nous savons qu’il existe une classification des différents types d’ovules en fonction de la quantité et disposition du vitellus (cf gamétogenèse). Dans ce cours sur la segmentation, nous parlerons :  De l’Insecte : possède un œuf centrolécithe, c'est-à-dire un vitellus abondant et central  Du Poulet et du Zebrafish : possède un œuf télolécithe, c'est-à-dire un vitellus abondant sur l’ensemble de l’ovule sauf “Blastoderme” (Blastodisque)  De l’Oursin et des Amphibiens : possède un œuf hétérolécithe ou mésolécithe, c'est-à-dire un vitellus peu abondant et en répartition inégale  Des Mammifères : possède un œuf alécithe, c'est-à-dire qu’il ne possède pas de vitellus De façon générale, le vitellus inhibe les divisons et détermine ainsi la position des divisions. De ce fait, on va avoir une segmentation qui peut être totale comme chez les individus alécithe, dans ce cas on a une segmentation holoblastique. A l’opposé, comme chez les poissons ou les oiseaux, on aura une segmentation uniquement dans les régions où il y a le moins de vitellus, dans ce cas on a une segmentation méroblastique.

Vitellus

Segmentation holoblastique

Segmentation méroblastique

(totale, peu de vitellus)

(partielle, riche en vitellus)

2) Autres facteurs du cytoplasme D’autres facteurs cytoplasmiques peuvent déterminer l’angle du fuseau mitotique et le timing des divisions dans le cas des segmentations holoblastiques. Ceux-ci permettent de classer les segmentations holoblastiques en différentes catégories : on peut avoir une segmentation holoblastique radiaire (amphibiens), spirale, rotationnelle (mammifères) ou bien bilatérale. 3) Plan de clivage

Lors de la segmentation, les deux plans principaux sont le plan équatorial et le plan méridien.

III.

Segmentation méroblastique

1) Segmentation méroblastique superficielle chez les insectes Noyau

Les insectes ont des œufs centrolécithes donc on a beaucoup de vitellus au milieu de l'oeuf, là où se trouve le noyau. D’ailleurs, on aura une division qui va concerner uniquement les noyaux sans cytocinèse. Ces noyaux vont se diviser au centre de l'oeuf jusqu'au stade 64 noyaux. A ce stade, ils vont migrer à la périphérie de l'oeuf là où il y a moins de vitellus. Chacune structure avec un noyau et du cytoplasme autour mais sans membrane est appelé énergide (stade 72 noyaux). La structure totale est appelée blastoderme syncytial (72 cellules non définies). La dernière étape est la formation de la membrane cellulaire autour de ces énergides, on passe du stade blastoderme syncytial au stade blastoderme cellulaire.

2) Segmentation méroblastique discïdale chez le Poulet ou le Zebrafish Chez le Poulet et le Zebrafish, les œufs sont télolécithes. On a donc du vitellus sur l’ensemble de l’œuf à l’exception du blastodisque ou blastoderme. La segmentation ne va donc s’intéresser qu’à cette partie particulière de l’œuf. En vue latérale ou en vue au-dessus au niveau du pôle animal, le blastoderme rassemble toutes les cellules en formation et en division au-dessus du vitellus . C’est pourquoi on appelle ce type de segmentation discoïdale.

Chez le poisson, au début de cette segmentation, notre œuf fécondé va prendre une forme de poire, dont le sommet est au niveau du pôle animal, dû à la contraction des filaments d’actine créer par le calcium. On va avoir des sillons de formation aboutissants à des divisions très rapides et synchrones selon le plan méridien (PV – PA) pour les premières. Le blastoderme est composé de plusieurs couches cellulaires. Les divisions dans le blastoderme ne de termine pas donc toujours en contact avec le vitellus. Puis au stade 64 cellules où les divisions sont asynchrones, le blastoderme (embryon en cours de formation) se distingue alors. Cette 6ème division est équatoriale, les cellules se divisent perpendiculairement les unes aux autres et sont séparées du vitellus. A chaque fois tout ceci c’est très coordonné. Il y a toujours des contacts entre les cellules du blastoderme et celles du vitellus. Elles restent en communication au niveau de la ceinture germinale. De façon schématique :

A la fin de cette segmentation, on va avoir un embryon situé au-dessus de ce vitellus et on va avoir différent type de cellules. Le blastoderme est constitué de deux types de cellules : les cellules les plus externes forment une couche ou un enveloppement, les envelopping layers, et les cellules les plus internes, les deep cells, donnent l’embryon. Les lobes syncytial layers ce sont les cellules en contact avec le vitellus celles où la division n’est pas totale.

Chez les poulets, la phase de segmentation se fait dans la mère. Les trois premières divisions sont orientées selon le plan méridien grâce aux sillons de segmentation. La zone à l’origine de l’embryon, le blastoderme, sera de structure ovale. La 4ème division est particulière car elle se fait en forme de cercle, ni selon le plan méridien ni même le plan équatorial, ce qui va séparer les cellules les plus externes des plus internes. On a donc une formation de plusieurs couches cellulaires, où certaines cellules restent en contact avec le vitellus mais en revanche, d’autres cellules au centre sont séparées du vitellus. Donc à partir du stade 32 cellules , les divisions se font de façon irrégulière et forment le blastoderme ou blastodisque de structure ovale au bout de la 4ème division. Ce blastoderme sera formé de plusieurs couches cellulaires et non une seule. Au cours de cette segmentation, on va avoir formation d’une première cavité lorsqu’il va y avoir absorption d’eau au niveau du blastomère, appelée blastocèle primaire. En fin de segmentation, on voir apparaitre au niveau du pôle animal deux zones : l’aire pellucide et l’aire opaque. L’aire pellucide correspond au blastoderme et l’aire opaque se situe à la périphérie. Au niveau de cette aire pellucide, on va avoir la mort de certaines cellules qui va entrainer de plus en plus d’espace entre le blastoderme et le vitellus. Au final, il ne va y rester qu’une seule couche cellulaire à la fin de la segmentation. Au niveau de l’aire opaque, il n’y a pas de mort cellulaire, c’est plus opaque car il n’y a pas de trou entre les cellules. Les cellules qui vont former la ceinture marginale correspondent aux cellules entre l’aire pellucide et l’aire opaque. Les cellules de l’embryon correspondent en réalité aux cellules de l’aire pellucide. Au moment de la ponte ce qui correspond à la fin de la segmentation, l’embryon compte 20 000 cellules avec un épiblaste et un hypoblaste.

IV.

La segmentation holoblastique

1) Segmentation holoblastique radiaire chez les amphibiens et chez l’oursin Les amphibiens sont des œufs hétérolécithes ou mésolécithes, c'est-à-dire que la charge de vitellus peu importante et n’a pas de répartition homogène. Les divisions de segmentation chez les amphibiens sont totales. Tout d’abord, on a 2 divisions méridiennes, séparant l’œuf en 2 puis 4 cellules. Ensuite, on sépare le pôle animal du pôle végétatif grâce aux divisions équatoriales. Suite à la répartition inégale de vitellus dans l’œuf, la 3ème division est excentrée vers le pôle animal : les cellules les plus petites sont appelées micromères et les cellules les plus grosses sont appelées macromères. Le volume de l’embryon ne change toujours pas, les divisions continuent, mais la charge en vitellus selon les pôles est différente :  Au pôle végétatif, on a plus de vitellus que dans le pôle animal donc les divisions vont prendre plus de temps  Au pôle animal, les divisions sont plus rapides car il y a moins de vitellus  On a donc un décalage entre le pôle animal et le pôle végétatif, les divisions sont asynchrones.

Au stade de blastula (fin de segmentation), l’embryon contient 6 000 cellules connectées entre elles. On peut reporter ces 3 grandes régions sur une coupe histologique méridienne passant par les pôles PV et PA :

 la calotte animale, constituée par les cellules au-dessus du blastocèle de la région du pôle animal qui constituent les tissus ectodermiques à l'origine de l'épiderme et du neuroderme  la zone marginale, à l'origine des tissus mésodermiques tels que le squelette, les muscles, les reins, le cœur…  La calotte animale et la zone marginale sont des subdivisions de l'hémisphère animal où les cellules sont petites  L'hémisphère végétatif est à l'origine des tissus du tube digestif et des glandes annexes. Ici, les cellules sont plus grosses.

Chez l’oursin, comme chez les amphibiens, les deux premières divisions se font selon le plan méridien mais la 3 ème division se fait selon le plan équatorial. Cependant, contrairement aux amphibiens, la 3ème division équatoriale est centrée donc elle sépare le pôle animal du pôle végétatif avec des cellules de même taille. Autrement-dit, ces 3 premières divisions sont dites égales. Suite à la 3ème division, on a donc 8 cellules identiques . C’est à partir de la 4ème division méridienne que cela se complique. En effet, au niveau du pôle animale, on a 8 cellules filles égales/identiques appelées mésomères alors qu’au niveau du pôle végétatif, on retrouve des micromères et des macromères : la 4ème division est une division inégale car certaines sont excentrées.

Concernant la suite des divisions :  Au niveau du pôle animal, on a des cellules appelées an 1 et an2 qui continuent de se diviser de façon égale  Au niveau du pôle végétatif, les macromères (ayant subi une division précédente inégale) se divisent de façon égale et se nomment veg1 et veg2, alors que les micromères continuent de se diviser de façon inégale

La couleur ici n’est pas anodine : -

Animal1 (An1), à l'origine de l'épiderme des bras oraux Animal2 (An2), à l'origine de l'épiderme des bras anaux Végétatif1 (Vg1), à l'origine de l'épiderme des bras anaux et de la face anale ainsi qu'une partie de l'endoderme Végétatif2 (Vg2), à l'origine de l'endoderme et du mésenchyme secondaire Micromères, à l'origine du mésenchyme primaire

A la fin de la segmentation, la blastula contient 2 000 cellules toutes de taille identique. L’extérieur de l'épithélium blastula va être tapissé d’une couche de hyaline dont les cils apparaissent lorsqu’il est relâché dans le milieu aquatique. Aussi, une matrice extracellulaire tapisse la paroi du blastocèle.

Comparaison segmentations holoblastiques de type radiaire et spirale

Radiaire

Vue du dessus

Vue latérale

Les cellules filles ont moins de points de contact. Il y a plus de divisions, donc plus de cellules avant la gastrulation. Les plans de segmentation sont parallèles ou perpendiculaires à l’axe PA-PV de l’embryon. Le blastocèle est une cavité existante.

Spirale

Vue du dessus

Vue latérale

Les cellules filles ont plus de points de contact. Il y a moins de divisions, donc moins de cellules avant la gastrulation. Les plans de segmentation sont obliques à l’axe PA-PV de l’embryon. On a une « stéréoblastula » sans cavité.

2) Segmentation holoblastique rotationnelle chez les mammifères Chez les mammifères, les œufs sont alécithes, il n’y a donc pas de vitellus. Le développement embryonnaire des mammifères est le plus récemment étudié car elle a été le plus difficile à étudier du fait de la taille de l’œuf. En effet, le zygote humain a un diamètre d’environ 100 μm alors que chez le Xénope, par exemple, il mesure 1 mm. De plus, le nombre de zygotes formés est faible et le développement interne est un obstacle à la manipulation.

Dans l’embryon humain, la segmentation est tardive et lente. La première division se fait au bout de 24H. On dénombre que 10 cellules au bout de 4 jours. Cependant, la transition mid blastuléenne (TMB) est très précoce puisqu’elle se fait au bout de 4 cellules. La compaction est caractéristique des embryons de mammifères. L’entrée de l’ovule dans l’utérus se fait au stade morula. Une fois dans la cavité utérine, on a formation du blastocèle qui se forme lors de la cavitation au stade blastocyste, le 7ème jour. Le stade de blastula est appelé blastocyste chez les mammifères. Une fois ce stade atteint pour qu’il puisse se nicher dans l’utérus, il faut qu’il se débarrasse de sa ZP.

La deuxième division est différente pour la segmentation rotationnelle. Un blastomère se divise selon un plan perpendiculaire alors que l’autre selon le plan équatorial. A la suite de cette division : désynchronisation des divisions : les blastomères ne se diviseront plus à la même vitesse. La 2ème division de segmentation est différente pour la segmentation rotationnelle. Un blastomère se divise selon un plan perpendiculaire alors que l’autre selon le plan équatorial. A la suite de cette division, on aura donc une désynchronisation des divisions : les blastomères ne se diviseront plus à la même vitesse. Ces différences de segmentation ont donné ce type de segmentation rotationnelle. On va donc avoir des divisions asynchrones, car on aura des chiffres impairs de blastomères dans les mammifères. Chez la souris, le phénomène de compaction arrive au stade de 8 cellules (après la 3ème division). C’est un phénomène unique au mammifère. Au niveau des blastomères internes, ils se resserrent pour établir un maximum de contact grâce aux jonctions de type GAP qui permettent les échanges de molécules. Les blastomères externes, eux, se resserrent grâce aux jonctions serrées qui rendent l'ensemble résistant.

Juste après cette compaction, on va atteindre le stade morula dans lequel on peut distinguer suite à la différenciation cellulaire, 2 types cellulaire :  les blastomères centraux vont former la masse cellulaire interne qui va être à l’origine du futur embryon et de l’allantoïde (structure annexe)  les blastomères périphériques vont donner les cellules du trophoblaste et ne sont plus capables de donner qu’une seule annexe embryonnaire, le placenta. Le stade de blastocyste arrive suite à la cavitation durant laquelle les cellules trophoblastiques vont sécréter des fluides qui vont former le blastocèle. En effet, il va y avoir une accumulation d’ions sodium Na + dans les cellules trophoblastiques qui va entrainer des mouvements d’eau à l’intérieur de la morula, repoussant la masse cellulaire interne à un pôle de l’œuf et créant une cavité.

La zone pellucide est nécessaire à la fixation du spermatozoïde pendant la fécondation (cf cours fécondation) et permet d’éviter la fixation aux parois de l’oviducte entrainant des grossesses ectopiques ou tubulaires (hémorragies si développement). Cependant, afin d’atteindre la circulation sanguine maternelle, il va y avoir pénétration de l’œuf dans l’endomètre. Cette pénétration se fait grâce aux protéases (ex: collagenase) sécrétés par les cellules du trophoblaste qui dégradent la ZP permettant à l’œuf de sortir de la ZP. Une fois débarrassé, il va pouvoir être capté par l’endomètre, digérer la MEC de l’endomètre et s’implanter à l’intérieur de l’endomètre. La nidation ou implantation se fait donc grâce à une interaction mutuelle entre les cellules trophoblastiques et l’endomètre.

V.

Conclusions

La segmentation est une succession de mitoses multiples sans augmentation du volume de l’œuf. La blastula est caractérisée par le blastocoele sauf la stéréoblastula qui est sans blastocoele (segmentation spirale).

La Transition Mid Blastuléenne correspond à l’activation du génome zygotique. La segmentation n’est pas un phénomène constant : il y a des types variables, en fonction du vitellus et facteurs cytoplasmiques....