1 Développement embryonnaire de la drosophile PDF

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Développement embryonnaire de la drosophile : mise en place du plan d’organisation Table des matières Principales étapes du développement embryonnaire.................................................. La segmentation..................................................................................

Description

Développement embryonnaire de la drosophile : mise en place du plan d’organisation Table des matières Principales étapes du développement embryonnaire...................................................2 La segmentation.........................................................................................................2 La gastrulation............................................................................................................2 L’organogénèse..........................................................................................................2 Cycle de vie et de reproduction de la drosophile.......................................................2 Formation des ovocytes.................................................................................................3 Caractéristiques des œufs d’insectes.........................................................................3 Appareil génital femelle des insectes.........................................................................3 Ovarioles.....................................................................................................................3 Synthèse des ARNm et des réserves ovocytaires......................................................4 Mise en place du plan d’organisation............................................................................4 Construction du plan corporel selon les axes antéro-postérieur et dorso-ventral......4 Segmentation et formation de la périblastula (stades 1 à 5).....................................4 Gastrulation (stades 6 à 9).........................................................................................5 Gènes impliqués dans la mise en place du plan d’organisation....................................5 Gènes maternels et gènes zygotiques.......................................................................5 Établissement des premiers axes de polarité pendant l’ovogénèse.............................6 L’axe antéro-postérieur de l’ovocyte : MTOC et localisation des déterminants polaires.......................................................................................................................6 Gènes à effets maternels et axes de polarités après la fécondation dans le jeune embryon.........................................................................................................................7 Gènes zygotiques et mise en place des segments de l’embryon................................10

Principales étapes du développement embryonnaire 1. Introduction :

Drosophile = Modèle d’étude de l’action des gènes dans le développement embryonnaire Mécanisme d’action des gènes qui contrôlent les premiers stades du développement embryonnaire de la drosophile Caractéristique de la drosophile Drosophila melanogaster : Classe Insecte, Ordre diptère 2 mm, 400 espèces Développement indirecte = holométabole Peu de génome : 4 paires de chromosomes géants 61% homologie génique avec l’humain Développement rapide : La femelle ponte 400 ovocytes de 0,5 mm Temps de génération : de l’œuf à l’embryon (larve) en 24h Ovogénèse 8 jours avec 14 stades 2 à 4 semaines de vie Particularités du développement : Seul modèle dont les axes de polarités sont déterminés pendant l’ovogenèse avant la fécondation ovocytes subissent une maturation pour se transformer en ovules

1. Place du développement embryonnaire dans le cycle de vie :

Ontogenèse : étapes allant de l’œuf à l’état adulte( embryogenèse + (post – embryonnaire = morphogenèse) . Le développement embryonnaire (embryogénèse) se décompose en une segmentation, une gastrulation et une organogénèse. On aboutit à un embryon qui va grandir jusqu’à donner un adulte mâle ou femelle (larve). Dans certains cas, l’embryon subit un développement indirect : il y a alors passage par un stade larvaire, et s’ajoute une étape de développement post-embryonnaire de morphogénèse.

2. Principales étapes de l’embryogenèse :

La segmentation L’ovocyte fécondé donne un œuf qui va se diviser. La segmentation est la succession de divisions qui aboutit à une blastula, ensemble cellulaire à faible niveau d’organisation.

La gastrulation La blastula subit une gastrulation qui marque le développement de trois feuillets préfigurant l’organisation du futur embryon : endoderme, mésoderme et ectoderme.

L’organogénèse La gastrula va dans un premier temps voir son système nerveux se différencier, et former une neurula. La différenciation cellulaire et tissulaire se poursuit pour donner un adulte. 3. Cycle de vie et de reproduction de la drosophile

La future extrémité antérieure est aisément reconnaissable au micropyle( lieu d’entrée de spz) Développement indirect = insecte holométabole Après la segmentation et la gastrulation, le cops de l’embryon se segmente et à l’éclosion, la larve libérée est capable de se nourrir. Elle grandit subit 2 mues et forme ensuite une pupe qui se métamorphose en une mouche adulte. Chez la drosophile, la segmentation apparaît 1h environ après la fertilisation. Après 3h, la gastrula est formée, puis l’éclosion a lieu au bout d’environ 24h et donne une larve. La larve subit une métamorphose pour donner un adulte. Parmi les étapes de cette métamorphose, il y a une segmentation qui consiste cette fois en l’apparition de segments sur la larve.

Formation des ovocytes 1. Caractéristiques des œufs d’insectes Le vitellus dérive de la vitellogénine synthétisée par le corps gras de l’insecte adulte. Chez les vertébrés supérieurs entre autres, le foie est en charge de la synthèse. Il y a différentes catégories d’œufs que l’on peut classer selon la richesse en vitellus. Lorsque la structure est très riche en vitellus, le sillon de segmentation ne peut pas la

diviser. Les œufs d’insectes sont centrolécithes, avec la masse vitelline très abondante au centre de l’œuf. Chez la drosophile, les divisions se font donc en surface de l’œuf : ce sont des divisions périphériques, et la segmentation est dite méroblastique( partielle).on obtient une périblastula.

2. Appareil génital femelle des insectes

Dans chaque ovaire (X2) se trouvent une 15 d’ovarioles. Ces ovarioles hébergent l’ovogénèse = la différenciation des ovocytes. Les ovocytes sont en transit dans l’ovariole mais leur méiose est incomplète (bloquée en métaphase de première division méiotique). Le spermatozoïde, lors de la fécondation, déclenche la reprise de la méiose avant de rendre possible la segmentation. 3. Ovarioles : structure et type Les ovarioles accueillent, en plus de l’ovocyte, des cellules nourricières qui captent la vitellogénine pour la transmettre à l’ovocyte, et synthétisent les ARNm nécessaires à son développement. Des cellules folliculaires entourent les cellules nourricières et l’ovocyte et définissent les axes. Chez la drosophile, les ovarioles sont méroïstiques et polytrophique(=ovariole qui possède des cellules-nourricières. Ces cellules peuvent accompagner les ovocytes => polytrophique ou rester à l'extrémité du germarium : c'est le type acrotrophique).

Chez le criquet, les ovarioles sont panoïstiques et ne présentent pas de cellules nourricières : l’ovocyte capte la vitellogénine et l’ovogénèse est ralentie. Chez certains coléoptères, les cellules nourricières restent dans le filament terminal et envoient des cordons à l’ovocyte : c’est une organisation méroïstique et acrotrophique. 4. Ovarioles de drosophile, cellules nourricières et folliculaires :

Le cyste est la structure composée par l’ovocyte, en position postérieure, entouré des cellules folliculaires et accompagné des cellules nourricières. Les cellules souches, indifférenciées, sont les précurseurs des ovocytes et des cellules nourricières. Elles subissent une première division en restant reliées par un pont cytoplasmique : le canal annulaire. Après plusieurs divisions, deux cellules restent reliées aux autres par quatre canaux annulaires : elles présentent le gène hts, de la dynéine et de la cycline A, et l’une de ces deux cellules donnera l’ovocyte. Les 15 autres donneront les cellules nourricières.

1. cellules nourricières envoient un signal Delta et induisent le pédoncule=la région du système nerveux central 2. les cellules du pédoncules induisent la formation des cellules polaires antérieures et postérieures 3. Les cellules polaires envoient un signal unpaired(signal Jak/Stat) de différentiation antérieure aux les cellules folliculaires Si Gürken est présent au niveau du noyau de l’ovocyte, en plus du signal unpaired alors les cellules folliculaires recevront un signal de différentiation postérieure

5. Synthèse des ARNm et des réserves ovocytaires La transcription des ARNm s’effectue dans le noyau des cellules nourricières puis ils sont transmis à l’ovocyte par les ponts cytoplasmiques. Certains ARNm sont adressés au cytoplasme ovocytaire, spécifiquement au pôle antérieur ou au pôle postérieur.

Mise en place du plan d’organisation 1. Construction du plan corporel selon les axes antéro-postérieur et dorso-ventral

Chez le jeune embryon, la surface est divisée en quatre zones selon l’axe dorsoventral : l’amnioséreuse, l’ectoderme dorsal, l’ectoderme ventral et le mésoderme. Selon l’axe antéro-postérieur, il y a trois régions : la tête, le thorax, l’abdomen. On observe 3 segments de tête (C1-C3), 3 segments thoraciques (T1-T3), 8 segments abdominaux (A1-A8). Les segments C1, C2 et C3 donneront la tête chez l’adulte. Les segments thoraciques donneront une paire d’ailes et trois paires de pates. Les segments dérivent de parasegments et sont inversés : chaque partie antérieure d’un parasegment donnera la partie postérieure d’un segment.

2. Segmentation méroblastique superficielle et formation de la périblastula (stades 1 à 5) 3h30min à 20°C Le chorion présente un micropyle qui rend possible la fécondation. Celle-ci entraîne des modifications de la membrane vitelline, qui vont libérer certaines molécules essentielles au développement. Multiplication nucléaire intravitelline : Dans un premier temps, il y a des divisions nucléaires dans le vitellus, espacées d’une dizaine de minutes. En 70 minutes, on a 128 noyaux au bouts de 7 premiers divisions. On parle de syncytium : 128 noyaux dans une même masse cytoplasmique (pas de plasmodiérèse). Phase de migration : Au 8ème cycle, des noyaux migrent vers la partie postérieure pour former le blastoderme syncytial, stade correspondant à la blastula. Ils donneront les cellules polaires, précurseur des lignées ovocytaire et de la spermatogénèse. -

D’autres noyaux( 26 noyaux) restent au centre et donneront les cellules vitellophages, qui digéreront le vitellus devenu inutile.

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En périphérie, certains noyaux ont migré le long de la membrane.

Tous les noyaux baignent dans le même cytoplasme : on a un blastoderme syncitial avec256 noyaux.

Evolution d blastoderme périphérique (début individualisation des cellules polaires) : Au 10ème cycle, après environ 130 minutes, les membranes périphériques s’invaginent et individualisent chaque noyau. Ainsi au bout de 13 divisions, on aboutit à un blastoderme cellulaire, l’embryon étant constitué d’une couche cellulaire périphérique et d’une masse vitelline dense centrale. La périblastula, sans blastocoele, compte 5000 cellules superficielles.  Les futurs tissus de l’animal dérivent tous de la couche épithéliale unique du blastoderme cellulaire. 3. Gastrulation et début de l’organogenèse (stades 6 à 9) : On peut projeter sur la gastrula les territoires dont sont issus les futurs organes. L’enctoderme donnera une partie de l’intestin et le neuroectoderme (système nerveux), l’endoderme donnera l’appareil digestif, l’amnioséreuse est extraembryonnaire, le mésoderme donnera le corps gras, les vaisseaux sanguins et les muscles…

L’écusson embryonnaire, qui représente la partie germinative donc hors amnioséreuse, est vaste chez la drosophile par rapport à d’autres insectes. La gastrulation comporte 2 événements simultanés et indépendants d’invagination.

 Sillon ventrale mésodermique, replis endodermiques antérieurs et postérieurs, cellules polaires et formation du tube digestif. On note une invagination qui forme un sillon ventral mésodermique, puis un tube qui s’isole à l’intérieur. Ensuite, les cellules invaginées quittent le tube et migrent sous l’ectoderme. Le Système nerveux provient de cellules ui ont quitté le balstoderme ventral et forment une couche entre l’ectoderme ventral et le mésoderme.pendant qu’une autre invagination concerne l’endoderme et l’ectoderme antérieurs et postérieurs. Les cellules polaires, à l’origine des lignées germinales, s’internalisent avec ce second événement. Il n’y pas de divisions cellulaires durant la gastrulation mais les mitoses reprennent une fois qu’elle est achevée.

 Début de l’organogenèse : formation du tube nerveux

Après l’internalisation, la bandelette germinative s’allongent jusqu’à réduire l’amnioséreuse. Le tube digestif se forme à partir des invaginations endodermiques. Ventralement, les cellules se dédifférencient, se délaminent et rentrent dans la lignée neuroblastique. Chez les insectes, le système nerveux est en effet ventral.

On observe un processus de métamérisation (segmentation) caractérisé par une constriction qui forme 14 parasegments. Cette métamérisation est dépendante de l’expression spatio-temporelle de gènes spécifiques

Gènes impliqués dans la mise en place du plan d’organisation 1. Gènes maternels et gènes zygotiques Environ une cinquantaine de gènes maternels connus sont impliqués dans la mise en place du plan d’organisation. Avant la fécondation, on retrouve en position antérieure de l’ovocyte des ARNm transcrits depuis le matériel génétique maternel. (bicoid)

Au stade blastoderme cellulaire, il y a une transition blastuléenne au cycle 14. On observe une transcription d’ARNm zygotiques qui se répartissent en larges bandes dans l’axe antéro-postérieur. Les gènes GAP définissent la localisation de l’expression des gènes pair-rule. Ces derniers, identifiés lors de la division de l’embryon en parasegments, définissent leur caractère pair ou impair. Les gènes de polarité segmentaires fixent les pôles antérieurs des parasegments. L’identité des parasegments 5 à 13 est liée aux gènes sélecteurs, l’identité des précédents, aux gènes antennapédia. 1. Notion de parasegments et de segments :

Établissement des premiers axes de polarité pendant l’ovogénèse 1. L’axe antéro-postérieur de l’ovocyte : MTOC et localisation des déterminants polaires 2. L'axe de polarité D/V de l'ovocyte: gurken, toll, spätzle, cactus, dorsal. L’ovogenèse dure 8 jours et compte 14 stades 

Les processus impliqués dan l’établissement de l’axe A/P de l’ovocyte :

L’ovocyte (situé dans la partie postérieure de cyste) présente, en position postérieure, un MTOC= centre organisateur de microtubules. Il polarise les microtubules et le follicule.  Signal inductif de l’ovocyte vers les cellules folliculaires qui en retour envoient un message à l’ovocyte ce qui provoque la réorganisation des microtubules à partir du MTOC dorsal.  Localisation des déterminants polaires  Gènes, ARN et protéines impliquées : Il existe une communication avec les cellules folliculaires par l’intermédiaire des canaux annulaires. Les cellules folliculaires expriment un gène torpedo et sa protéine EGF associée. Elles participent ainsi avec l’ovocyte à la mise en place des axes. Dans les stades 7 et 8 de l’ovogénèse, les microtubules se réarrangent. Le noyau se place en position dorsal et engendre la mise en place de l’axe dorso-ventral. Par la suite, les ARNm sont localisés selon des déterminants polaires. Au pôle antérieur, on trouve exupérantia, swallow ou staufen. Au pôle postérieur, on trouve cappuccino, spire, staufen, orb, oskar… La protéine Gurken issue du noyau de l’ovocyte rencontre son récepteur sur la membrane folliculaire et définit l’axe antéro-postérieur. Plus tard, une nouvelle libération de Gurken définit cette fois l’axe dorso-ventral lorsque le noyau a migré. Rho1 participe au courant ovocytaire. Rho1 actif séquestre SpireD et empêche sa liaison à Cappuccino et SPireC. Quand le GTP sur Rho1 est hydrolysé, SpireD et SpireC s’associent. Les microtubules et filaments d’actine ne sont plus verrouillés et les migrations peuvent alors avoir lieu.

Tandis que la protéine Gurken rencontre le récepteur torpedo à la surface des cellules folliculaires en position dorsale, en position ventrale il y a dépôt d’une protéine Pipe au niveau de l’enveloppe vitelline de l’ovocyte. Tant que la fécondation n’intervient pas, la membrane vitelline reste inchangée et la protéine Pipe n’a pas d’action.

Aux extrémités de l’ovocyte, dans la membrane périvitelline, un ligand est présent qui est spécifique du récepteur Torso (tyrosine kinase) exprimé sur la membrane de l’ovocyte. Le ligand est déposé en très faible quantité. Après fécondation, le signal est ainsi très localisé en positions antérieure et postérieure.

Gènes à effets maternels et axes de polarités après la fécondation dans le jeune embryon Il y a trois catégories de gènes déterminant l’axe antéro-postérieur : Une partie antérieure : bicoid Une partie postérieure : nanos Une partie terminale : torso une mutation des gènes maternels entraine des anomalies des structures antérieures, postérieures ou terminales. Le mutant bicoid, localisé en position antérieure, donne une larve incomplète avec perte partielle des structures antérieures et apparition d’un telson antérieur. Le mutant nanos donne une larve manquant de segments abdominaux et thoraciques. Le mutant torso donne une larve dépourvues d’extrémités (pas d’acron ni de telson).

La traduction de l’ARNm bicoid post-fécondation génère une protéine Bicoid qui se répartit selon un gradient antéro-postérieur au stade blastoderme syncitial. En partie 3’ de l’ARNm, une courte section polyA est en effet allongée après la fécondation par la polyA polymérase. Cette modification augmente la stabilité de l’ARNm et permet de fixer les ribosomes et facteurs d’élongation Elf, rendant possible la traduction. Bicoid n’est pas répartie de façon homogène mais selon un gradient au stade blastoderme syncitial. Cette protéine fut à l’origine du concept de gradient morphogène : selon le gradient, les effets varient dans les régions du blastoderme. Le gène bicoid est indispensable à la formation des structures antérieures. L’injection d’un cytoplasme antérieur sauvage restaure ainsi les structures antérieures et thoraciques chez un mutant. Si l’on procède à une injection centrale chez le mutant, les structures antérieures et thoraciques apparaissent alors aux deux extrémités.

Avant la fécondation, bicoid est surtout antérieure, hunchback et caudal sont homogènes. Après la fécondation, ces ARNm sont traduits en protéines. Tandis que la protéine Bicoid reste antérieure avec une très légère diffusion dans le reste du cytoplasme, la protéine Hunchback se régionalise surtout en position antéro-centrale, et Caudal en position postérieure.

 Bicoid active Hunchback et supprime Caudal en position antérieure.  Elle sera dégradée au stade blastoderme cellulaire. L’inhibition de Nanos permet aussi de réprimer Hunchback en position postérieure. Elle n’a cependant pas d’action sur Caudal.

Des récepteurs membranaires définissent aussi les extrémités de l’axe antéropostérieur. Après la fécondation, un ligand en faible quantité diffuse et active les récepteurs aux extrémités : Torso actif active la cascade MAPK qui bloque Groucho, un suppresseur des gènes zygotiques gap et activateur de bicoid. Il y a alors différenciation du telson et de l’acron.

Le récepteur Troll et le ligand spatzle sont impliqués dans une cascade de signalisation. Cactus se détache alors de dorsal pour être dégradé. Dorsal libérée passe dans le noyau. La protéine Dorsal fournit l’information de position le long de l’axe dorso-ventral. Il y a un mécanisme de localisation de la protéine dans le noyau.

Dans l’ovocyte, Dorsal est lié à ...