6-La-segmentation - cours segmentation , professeur : Karine Masse PDF

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cours segmentation , professeur : Karine Masse ...

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La segmentation C’est l’ensemble de divisions mitotiques consécutives et rapides. Ces divisions mitotiques n’induisent aucune modification du volume global de l’œuf. Le but est donc seulement d’augmenter le nombre de cellules, pour créer un pool qui s’organisera dans la prochaine étape : la gastrulation. Chaque cellule devient de plus en plus petite car les mitoses sont sans phase de croissance. Il n’y a donc pas d’augmentation du volume de cytoplasme. Ex : chez la drosophile, la segmentation produit 50 000 cellules en 12 heures. L’orchestration de la segmentation se détermine très tôt, au moment de la fécondation. Se met en place ce que l’on appelle le plan de segmentation : ce premier plan de division qui s’établit est dicté par le point d’entrée du spermatozoïde. C’est-à-dire qu’à l’entrée du spermatozoïde → réorganisation du cytoplasme → réorganisation du cytosquelette via la vimentine (protéine). On note aussi que ce sont les asters du fuseau mitotique qui dictent le plan de division qui est toujours perpendiculaire à l’axe du fuseau mitotique.

I. Différents types d’ovule L’ovule contient des réserves pour les stades précoces de développement de l’embryon comme des protéines, des ribosomes, ARNt et ARNM mais aussi le vitelus. Le vitellus est une structure essentielle, qui permet l’autonomie de développement de l’embryon (autonomie de l’embryon mais également de la mère). L’embryon est capable de se développer sans ressources nutritives extérieures : c’est une adaptation évolutive. Il existe une classification des différentes types d’ovule en fonction de la quantité et de la disposition du vitellus :

1.Alécithe : pas de vitellus (ex: Homme), mammifères euthériens (placentaires) alimentation par le placenta 2.Isolécithe : Vittelus peu abondant et uniforme dans les deux pôles (ex: Echinoderme, Amphioxus…) 3.Mésolécithe : Vitellus concentré au pôle végétatif (ex: Ascidies, amphibiens et quelque mammifères) 4.Télolécithe : Vitellus très abondant laissant la partie protoplasmique à la surface nommée « Blastoderme » ou « blastodisque » (ex: Mollusques céphalopodes, Poisson, Réptiles et oiseaux) 5.Centrolécithe : Vitellus concentré au centre autour du noyau (ex : Arthropodes) 6.Ectolécithe: Vitellus accumulé à l’extérieur de l’ovule (ex: Plathelminthes) Peu de vitellus (Oursin) : stade larvaire atteint rapidement ▶ La larve se nourrit de manière autonome.

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Beaucoup de vitellus (ex: insectes, poissons, reptiles) ▶ Pas de nécessité de nourriture dans le milieu de développement Les mammifères peu de vitellus mais un placenta : ▶ Adaptation à une gestation très longue (impossibilité de faire des stocks suffisants)

II. La Ségmentation L’œuf est clivé en une multitude de cellules qu’on appelle les blastomères. A ce stade de blastomère, l’embryon est appelé blastula et s’organise dans une cavité qu’on appelle le blastocœle. Le blastocœle a un rôle essentiel dans le devenir de l’embryon. Les divisions mitotiques s’organisent sous le contrôle des ARNm et protéines accumulés dans l’ovocyte par la mère (les ARN zygotiques ne seront fonctionnels qu’en fin de segmentation). Deux procédés : • Caryocinèse : division mitotique du noyau, dont l’agent mécanique est le fuseau mitotique (microtubules composés de tubuline) • Cytocinèse : division de la cellule entière, dont l’agent mécanique est l’anneau contractile (microfilaments composés d’actine) = l’anneau contractile de microfilaments scinde la cellule en deux.

A. Différents types de Segmentation La segmentation dépend de la quantité et de la distribution dans l’œuf du vitellus. Quand il y a peu de vitellus, les divisions sont rapides alors que quand il y a beaucoup de vitellus, les divisions sont lentes. On peut donc organiser les types de segmentation en fonction de la quantité de vitellus et donc de la vitesse des divisions : • Holoblastique : division compète de la blastula/ de l’œuf (typique aux ovules qui ont peu de vitellus)  Radiaire : ovules isolécithes et mésolécithes d’Amphibiens  Spirale : ovules isolécithes d’Annélides et de Mollusques  Bilatérale : ovules mésolécithes d’Ascidies  Rotationnelle : ovules alécithes de Mammifères

• Méroblastique : division incomplète de la blastula (chez les ovules extrêmement riches en vitellus)  Discoïdale : ovules télolécithes  Superficielle : ovules centrolécithes

1) La Segmentation holoblastique a)

Segmentation holoblastique radiaire

On distingue deux grands types de plan de divisions : - Plan de division méridien : passe par l’axe « pôle animal – pôle végétatif » - Plan de division équatorial : perpendiculaire à l’axe « pôle animal – pôle végétatif » Le nom de la segmentation indique l’état final de l’animal à la fin de la segmentation. Exemple : l’échinoderme Synapta digita (concombre de mer)

La 1ère division est méridienne (méridionale) et donne 2 blastomères de taille égale. → Ce sont des divisions holoblastiques = segmentation complète = clivage égal. La 2ème division est aussi méridionale mais perpendiculaire à la première et va donner 4 blastomères de taille identique. La 3ème division se fait selon le plan équatorial donnant 8 blastomères (4 au pôle animal et 4 au pôle végétatif). On parle donc de blastomères animaux et de blastomères végétatifs afin de pouvoir les localiser dans l’œuf. Pour les divisions suivantes, il y a alternance entre les plans méridionaux et équatoriaux pour aboutir à une blastula qui contient 256 cellules. Cette blastula a sensiblement la même taille que la cellule de départ. Elle est composée d’un ensemble de blastomères qui ont tous la même taille. La blastula forme ensuite une assisse cellulaire unique organisé autour d’une cavité qu’on appelle le blastocœle. C’est une sphère parfaite. Le blastocœle est le résultat de la sécrétion par les blastomères d’un fluide qui est très concentré en protéines. Ce fluide a la capacité de stocker de l’eau et par un simple mécanisme d’osmose, l’eau extérieure à l’œuf va rentrer dans la blastula. Cet afflux d’eau au centre repousse les blastomères et forme donc l’assise cellulaire unique.

Le blastocœle permet par son organisation sphérique d’éviter certains contacts entre cellules qui fausseraient le plan d’organisation. L’embryon est entouré d’une membrane de protection appelée membrane de fertilisation. Elle le protège. Si on prend n’importe quel stade de segmentation et si on coupe suivant l’axe « pôle animal – pôle végétatif », on obtient 2 moitiés identiques : Exemple : Modifications à la segmentation holoblastique radiaire chez l’oursin

Les 3 premiers clivages sont les mêmes que précédemment. Le début est donc le même jusqu’à 8 blastomères de taille identique (4 au niveau du pôle animal et 4 au niveau du pôle végétatif). La différence arrive donc là : Les blastomères animaux vont se diviser selon un plan méridional, de façon égale : au pôle apical, on parle de mésomères (x8). Les blastomères végétaifs vont se diviser selon un plan équatorial, de façon inégale (orienté plus vers le pôle végétatif) : au pôle basal, on parle de macromères (x 4 au centre) et de micromères (x4 pôle végétatif). On a donc 16 cellules avec 3 types de tailles différentes : - Macromères = les plus grosses - Mésomères = les moyennes - Micromères = les plus petites S’en suit un clivage équatorial au niveau des mésomères : on a donc deux assises de cellules formées dites cellules animales I (pôle animal) et cellules animales II (équateur). C’est un clivage égal.

En parallèle, les macro- et micromères se divisent aussi selon un plan méridional. On conserve les trois types de tailles différentes. Les micromères sont tellement petits qu’ils s’organisent selon un petit amas cellulaires au pôle végétatif. Puis il y a encore une division équatoriale et encore une division méridionale. L’enchainement de ces deux divisions souligne encore plus la morphologie de l’embryon. On aboutit à une blastula de 128 cellules avec comme dans le cas de la segmentation radiaire classique une cavité centrale (un blastocœle) et entouré d’une membrane de fertilisation (autour de l’amas cellulaire).

Exemple : Segmentation holoblastique radiaire modifiée c grenouille

he z les amphibiens chez

la

Cette segmentation est différente car l’œuf est différent : chez les amphibiens, l’œuf est mésolécithe avec plus de vitellus qui donc est concentré au pôle végétatif. On a donc un œuf hétérolécithe ce qui influence la segmentation. La 1ère est une division méridionale égale. Elle commence au pôle animal car il y a moins de vitellus et elle s’étend vers le pôle végétatif. Plus la division avance, plus elle rencontre de vitellus donc plus elle ralentit. La 2ème division est aussi méridionale, elle aussi égale (perpendiculaire à la 1ère division). Elle commence alors que la 1ère n’est pas finie au pôle végétatif. La 3ème division est équatoriale mais elle aussi est décalée : elle commence alors que la deuxième division n’est pas finie. Cette division est par contre inégale : le plan de division est déplacé vers le pôle animal, car le pôle végétatif est concentré en vitellus.

Quand la 3ème division commence, la 1ère division est achevée mais la 2ème n’est pas encore achevée au pôle végétatif. On obtient à l’issu de ces trois divisions : - 4 blastomères de petite taille au pôle animal : les micromères - 4 blastomères de grande taille au pôle végétatif : les macromères A partir de ce clivage, l’embryon est séparé en 2 régions distinctes : - Au niveau du pôle animal → divisions rapides et blastomères de petite taille - Au niveau du pôle végétatif → divisions lentes et blastomères de grande taille Les divisions méridionales seront toujours ralenties lorsqu’elles descendent au pôle végétatif et les divisions équatoriales seront toujours décalées vers le pôle animal. Chez les amphibiens, la structure de l’embryon du stade 16 cellules au stade 64 cellules s’appelle la morula. Les divisions continuent ainsi de suite et quand on a atteint le stade 128 cellules, l’embryon est dit blastula présentant un blastocœle. Ce blastocœle est décalé vers le pôle animal et est de taille plus réduite que ceux vu précédemment. On constate aussi que sa forme à changer et présente un hémisphère : il est sphérique au niveau du pôle animal et plat au niveau du pôle végétatif. On a donc au pôle animal des cellules plus petites qu’au pôle végétatif, ce qui impacts le blastocèle : - le toit du blastocœle est recouvert de quelques assisses de micromères - le plancher du blastocœle est lui posé sur une grande quantité d’assises de macromères Ce blastocœle a pour fonction de séparer les micromères du pôle animal et les macromères du pôle végétatif et évite ainsi le contact entre les deux. Cette séparation permet aux micromères de se différencier différemment des macromères (pas le même devenir, pas le même type de tissu) : Micromère → donne de l’ectoderme Macromère → donne du mésoderme Si on enlève la blastocœle, les micromères entrent en contact avec les macromères et au lieu de donner de l’ectoderme, les micromères donneront du mésoderme. Donc, chez les amphibiens, la position d’un blastomère dans l’œuf va influencer son développement.

Comparaison segmentations radiaire et spirale: La segmentation radiaire présente plus d’espace libre et moins de contact entre les cellules : les micromères au pôle animal et macromères au pôle végétatif, les uns sur les autres. La segmentation radiaire semble être une avancée évolutive : rotation des blastomères d’une assise sur l’autre. Axe de division penché → les divisions ne vont pas être perpendiculaire ou parallèle à l’axe pôle animal – pôle végétatif, elles vont être obliques.

b)

Segmentation holoblastique spirale (18/10/2016)

Le Mollusque : Trochus Après deux segmentations méridionales égales, on obtient 4 cellules (macromères) dont le blastomère B est plus gros que les autres (critères de classification chez les espèces de clivage holoblastique spiralé). D’une espèce à une autre, le volume de ces macromères B va changer. Il est donc spécifique d’une espèce à une autre.

Les divisions suivantes s’opère à 45° par rapport à l’axe « pôle animal - pôle végétatif ». Cet axe incliné fait que le blastomère néoformé (micromères) sera décalé par rapport au blastomère d’origine (macromères). L’orientation de cet axe s’alterne de gauche à droite, toujours de 45°. Dans la plupart des espèces, en regardant depuis le pôle apical, à la première division oblique, les micromères sont orientés dans le sens des aiguilles d’une montre par rapport aux macromères dont ils sont issus. L’accumulation de ces segmentations spirales va déterminer l’orientation de l’ensemble de l’individu : - quand les 1ères divisions sont dans le sens des aiguilles d’une montre → animaux dexiotrope - quand les 1ères divisions sont dans le sens inverse des aiguilles d’une montre → animaux loéotrope L’orientation à gauche ou à droite est déterminée par des composés que l’on trouve dans le cytoplasme. Tout ceci est orchestré d’un point de vue génétique. Exemple : escargot Limnaea peregra, coquille dextre, les mutants sénestres Il existe des mutants spontanés (pas le résultat de mutations chimique ou physique) qui donne l’orientation inverse. On distingue alors deux phénotypes : - Enroulement de type dextre → dans le sens des aiguilles d’une montre → dexiotrope - Enroulement de type sénestre → dans le sens inverse des aiguilles d’une montre → loétrope

La segmentation peut se voir au niveau du génome : on a un gène présentant deux allèles D (sauvage → dextre) et d (mutant → sénestre). Pour l’analyser, on a réalisé des croisements entre animaux mutants et sauvages.

On rappelle que lors de la segmentation, le génotype de l’œuf ne peut pas avoir d’influence, seul le matériel génétique venant de la mère peut moduler le zygote. Donc l’enroulement est défini par le génome maternel du cytoplasme de l’œuf. Le phénotype de l’embryon est

déterminer par le génotype de l’oeuf (donc déterminé l’enroulement) cela confirme l’importance du matériel génétique présent dans l’oeuf. Ces croisements prouvent l’action précoce de la mère. On a confirmation de l’analyse en utilisant un œuf dd (homozygote pour la mutation). On injecte du cytoplasme d’un œuf DD. Alors on obtient un « dextre » car c’est le contenu dans le cytoplasme qui dicte la segmentation. Par comparaison :

a)

Segmentation holoblastique bilatérale

Exemple : l’Ascidie

La segmentation est bilatérale car elle s’établit selon un plan de division (un seul) qui donne deux moitiés de symétrie.

Image : coloration du cytoplasme (étude de la répartition) → le cytoplasme est responsable de la destinée des cellules (différenciation précoce et répartition préférentielle). Le 1er plan de division est méridional, égal et établit le plan de symétrie de l’embryon. Toutes les autres divisions qui suivent s’orientent selon ce plan de symétrie : il établit la symétrie de l’individu. L’hémi-embryon d’un côté du plan de symétrie et l’image miroir de l’hémiembryon de l’autre côté. La 2ème division est méridionale mais pas égale, elle ne passe pas par le centre de l’œuf. Les blastomères sont donc de tailles différentes : -2 gros blastomères antérieurs : les macromères -2 petits blastomères postérieurs : les micromères

Ainsi, chaque hémi-embryon possède un macromère et un micromère : on a une symétrie bilatérale. Les 3 divisions suivantes vont renforcer cette symétrie bilatérale à travers des tailles de blastomères très variées mais à chaque fois une représentation égale entre hémi-embryon de gauche et hémi-embryon de droite. Au stade 32 cellules, le blastocœle va se former et l’étape suivante, la gastrulation, va commencer. Dès le stade 1 cellule, dans le cytoplasme, il y a une distribution non homogène de molécules chimiques. Les blastomères formés par la suite ne contiennent pas tous le même cytoplasme car tous les blastomères n’ont pas le même devenir, ils ne donnent pas tous le même type de tissu. On parle de spécification autonome : chaque cellule a un devenir qui lui est propre et qui est déterminé par son contenu cytoplasmique. Les cellules vont se déterminer en fonction de ce qu’elles contiennent et non pas de leur positionnement.

e)

Segmentation holoblastique rotationnelle : les mammifères, l’Homme

C’est le développement embryonnaire le plus récemment étudié car : - Les oeufs sont difficiles à étudier du fait de leur taille : homme 100 µm (1 000 fois plus petit que celui du xénope) - oblige à avoir des outils précis - le nombre de zygote est très faible - le développement est interne : obstacle à la manipulation

‹ Analyse récente du développement de l’oeuf de mammifère La f écondation de l ’ œuf chez les mammifères intervient alors que la production du gamète femelle n’est pas encore haploïde. La méiose II est déclenchée par l’entrée du spermatozoïde dans l’ovule. La fécondation a lieu dans l’ampoule de la trompe. Puis l’embryon va migrer dans l’oviducte. La segmentation est très lente car l’œuf à stocker très peu de réserves nutritives. Les œufs sont souvent alécythes. Par exemple, la 1ère segmentation peut avoir lieu 24H après la fécondation. Les segmentations suivantes sont souvent séparées de 12 à 24H. On va donc avoir la mise en place très rapide de la machinerie de transcription, ce qui explique les temps de séparation des segmentations (transcription de l’ADN du zygote puis traduction des protéines nécessaires à la prochaine division). La toute première division (comme précédemment) est méridionale égale. La 2ème est différente : un des deux blastomères se segmente de façon méridionale alors que l’autre va se segmenter de façon équatoriale. On a donc une rotation dans le plan de division. Ces deux plans de segmentation sont des plans égaux : on obtient 4 blastomères égaux avec des orientations différentes. Jusqu’à présent, on avait une synchronie dans les divisions, or ici on a une asynchronie des divisions, c’est à dire que dès le stade 2 cellules, chaque blastomère peut se diviser d’une façon dissociée de l’autre. Ainsi on peut obtenir des nombres de cellules impairs.

Après le 3ème division on observe le phénomène de compaction. La compactions permet d’augmenter le nombre de contact entre les cellules. Il a lieu au stade de 8 cellules : l’arrangement est au début lâche, après la 3ème division, les blastomères vont se serrer les uns contre les autres, augmenter le nombre de contact entre eux et pour stabiliser cette structure vont s’établir des jonctions types : - jonctions serrées (cellules périphériques)

-

gap junction (cellules internes)

Les divisions vont continuer. Au stade 16 cellules, on retrouve le stade de morula. On distingue alors deux types de cellules : une ou deux cellules internes entourées d’un grand nombre de cellules externes. - Cellules externes = trophoblaste → ne donne pas d’embryon mais donne le chorion (partie embryonnaire du placenta) qui apporte l’oxygène et les nutriments depuis la mère vers l’embryon, qui permet la nidificationn et sécrète des hormones pour leurrer le système immunitaire de la mère pour éviter qu’il ne rejette l’embryon qui peut être considéré comme un corps étranger de par le brassage génétique lors de la fécondation. - Cellules internes = amas embryogène → donne l’embryon Cet ensemble cellulaire au stade 16 cellules ne montre aucune différence entre les deux types cellulaire. Ce n’est qu’au stade 64 cellules que l’embryon différencie deux feuillets : un externe et un interne. C’est leur position qui leur donne un devenir différent. Au stade de morula (32 cellules), se met en place par le phénomène de cavitation, le blastocèle : les cellules du trophoblaste vont sécréter des molécules chimiques au milieu de la masse de cellules et c’est un mécanisme d’osmose qui fait pénétrer de l’eau dans l’embryon, créant la cavité. On parle de Blastocyste lorsque se forme une structure particulière : un petit anneau de cellules trophoblastiques maintenant l’amas embryogène au niveau du pôle animal. Evasion de la zone pellucide Qu...