Le développement embryonnaire de l’oursin PDF

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Mme Beauchaud...

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Le développement embryonnaire de l’oursin I.

La fécondation

1.1 Généralités ! Les produits génitaux sont émis par millions dans l’eau. Les mouvements de l’eau de mer et les courants contribuent au brassage des gamètes et favorisent leur rencontre. ! Des mécanismes moléculaires spécifiques d’attraction des spermatozoïdes et d’interaction cellulaire préparent le spermatozoïde à sa reconnaissance par l’ovocyte.! La spécificité de ces interactions contribue d’autre part à limiter nles risques de fécondation croisée interspécifique. ! De telles concentrations de gamètes peuvent entraîner un autre risque, celui qu’un même ovocyte soit fécondé par plusieurs spermatozoïdes : la polyspermie.! La fécondation apparaît comme une cascade d’événements cellulaires qui concernent d’abord le spermatozoïde puis l’ovocyte : ! 1. Attraction du spermatozoïde! 2. Réaction acrosomique : réaction de la tête spermatique qui rentre en contact avec l’ovule. ! 3. Adhésion du spermatozoïde ! 4. Activation de l’œuf (blocage précoce de la polyspermie)! 5. Réaction corticale (blocage tardif de la polyspermie) !

1.2 Attraction du spermatozoïde ! C’est un mécanisme de chimiotactisme. ! Une molécule attractive spécifique qui diffuse dans l’eau de mer a été isolée des œufs d’une espèce, certaines molécules sont attractives pour les spermatozoides. ! Mise en évidence de l’attraction des spermatozoïdes ! Lorsqu’on dépose une goutte de suspension de spermatozoides sur une lame histologique, l’observation au microscope permet de les voir nager selon une trajectoire circulaire d’un diamètre de 50 microns environ. En quelque sorte, ils «#tournent en rond#» en l’absence des ovotides. ! Dès que l’on ajoute une dilution de resact par l’intermédiaire d’une micropipette, les spermatozoides les plus plus proches migrent vers la micropipette et se concentrent à son extrémité. A mesure que la resact continue de diffuser, un nombre croissant de spermatozoides converge vers la micropipette et forme un amas volumineux. ! Page 1 sur 17

Rôle de la resact Rôle dans l’attraction du spermatozoide : la diffusion de la resact dans l’eau de mer, à partir des ovocyte d’Arbacia, crée un gradient de concentration décroissant et centripète qui guide les spermatozoides vers les ovocytes. ! Rôle activateur de la mobilité du spermatozoide ; la membrane plasmique des spermatozoides contient des protéines transmembranaires réceptrices de la resact. La liaison récepteur trasmembranaire - resact déclenche une réaction en chaîne dans le cytoplasme, dite de transduction du signal. Cela aboutit à une activation d’une enzyme impliquée dans la perte du flagelle. !

1.3 Réaction acrosomique !

Une fois au contact de la gangue, le spermatozoide subit une seconde activation qui se traduit par l’ouverture dans le milieu extérieur de la vésicule acrosomique (exocytose) puis l’extension du processus acrosomique. ! Exocytose de la vésicule acrosomique : ! Dans les conditions naturelles, c’est le contact avec la gangue qui provoque l’exocytose de la vésicule acrosomique. Ce processus libère des enzymes (hydrolyses) qui lysent la gangue dans l’environnement immédiate de la tête du spermatozoïde. ! De cette façon, à mesure qu’il progresse vers l’ovocyte, le spermatozoïde se fraye un chemin à travers l’épaisseur de la gangue. !

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La réaction acrosomique est initiée par une glycoprotéine, la fusose sulfate glycoprotéine (FSG) contenue dans la gangue et reconnue par la membrane plasmique de la tête du spermatozoïde. ! La FSG induit l’afflux de Ca 2+ et de Na+ à l’intérieur de la tête spermatique en échange de K+ et H+ : l’augmentation de Ca2+ dans le cytoplasme spermatique favorise la fusion de la membrane acrosomiale avec la membrane plasmique adjacente. ! Il s’agit donc d’une exocytose c’est à dire la libération dans le milieu extérieur du contenu d’une vésicule de type lysosomial. ! Extension du processus acrosomique : ! Une fois la réaction acrosomique amorcée, l’extrémité antérieur de la tête du spermatozoïde forme une protrusion qui croit en direction de l’ovocyte ! Le pool d’actine globulaire situé en arrière de l’acrosome change de conformation : l’actine se polymérise sous forme de filaments. ! L’extension ainsi provoqué retourne en doigt de gant l’enveloppe de la vésicule acrosomique. ! L’ensemble actine fibrillaire et membrane acrosomique constitue «# le processus acrosomique#» qui traverse la gangue jusqu’au contact de la membrane vitelline. !

1.4 Adhésion du spermatozoide ! Une fois que le spermatozoide a pénétré dans la gangue de l’œuf, le processus acrosomique entre en contact avec la membrane vitelline de l’ovocyte. ! L’acropole contient, en plus des hydrolases, des protéines qui vont permettre une liaison avec l’enveloppe vitelline selon les modalités d’un complexe récepteur-ligand. ! Ici le ligand est représenté par la bindine de 30 500 daltons, hautement spécifique et localisée uniquement sur le processus acrosomique. ! Les molécules de bindine d’espèces différentes sont elles-mêmes différentes ce qui implique également que leurs récepteurs soient eux aussi spécifiques de l’espèce. ! En résumé, les interactions bindine - récepteur sont nécessaires pour que le spermatozoide adhère à la membrane vitelline ! De plus, la spécificité d’espèce de ces interactions instaure une barrière contre de possibles fécondation spécifiques !

1.5 fusion des gamètes! Au point d’impact du spermatozoide, la lyse de la membrane vitelline effectuée par les hydrolases présentes à la surface de la membrane plasmique du processus acrosomique. ! Une fois la membrane vitelline, dissoute à cet emplacement, les deux membranes plasmiques du spermatozoide et de l’ovocyte entrent en contact. ! Page 3 sur 17

L’actine corticale se polymérise et les microvillosités s’allongent pour entourer la tête spermatique : c’est la formation du cône de fécondation ! Les membranes plasmiques des deux partenaires fusionnent alors et le noyau spermatique ainsi que le contenu de la pièce intermédiaire puis le flagelle sont englobés dans cytoplasme de l’œuf fécondé! Des que le contact des membranes plasmiques a lieu, l’œuf entame une cascade d’événements moléculaires qui constituent l’activation du cytoplasme et mettent en place les processus de blocage de la polyspermie. !

1.6 Activation de l’œuf - blocage précoce de la polyspermie ! La fécondation rétablit ainsi la diploïdie avec un nombre de chromosomes spécifique de l’espèce, à la suite de la pénétration d’un seul spermatozoide ! La règle est donc que la fécondation soit monospermique ! L’entrée de nombreux spermatozoïdes (polyspermie) provoque un développement anormal ou abortif! La prévention de la polyspermie est assurée par des mécanismes liés à l’activation du cytoplasme de l’œuf fécondé, laquelle est déclenchée par le spermatozoïde fécondant. ! Chez l’oursin, il existe 2 mécanismes pour bloquer la polyspermie. ! Avant la fusion des membranes plasmiques entre le spermatozoïde et l’ovocyte la concentration du cytoplasme ovulaire en Na+ est faible comparée à celle de l’eau de mer. ! La fusion des membranes plasmiques s’accompagne d’un afflux de Na+ contrebalancé par un reflux de H+. Cet afflux de Na+ provoque la dépolarisation de la membrane qui passe de -70 mV à +20 mV en quelques secondes. !

Durant cette période, les spermatozoides surnuméraires éventuels ne peuvent effectuer de fusion membranaire avec l’œuf fécondé. Le risque de polyspermie est donc provisoirement écarté. ! Page 4 sur 17

1.7 la réaction corticale : blocage tardif de la polyspermie! Correspond à l’exocytose des granules corticaux présents sous la membrane plasmique de l’œuf.! A l’entrée du spermatozoide, ces granules fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent leur contenu par exocytose entre la membrane plasmique et la membrane vitelline : formation de l’espace périvitellin et soulèvement de la membrane vitelline. ! La membrane vitelline devient la membrane de fécondation. ! La blocage tardif de la polyspermie est définitif et permanent. De telles modifications empêchent une fécondation par des spermatozoides surnuméraires. ! Molécules associées à l’exocytose des granules! 1. Des enzymes protéolytiques ! Des hydrolases rompent les liaisons entre la membrane plasmique et la membrane vitelline, ce qui crée l’ébauche d’un espace périvitellin, le couplage blindine - récepteur est rompu et les spermatozoides surnuméraires se détachent de la surface de la membrane vitelline. ! 2. Des mucopolysaccharides (glycosaminoglycane) causent un choc osmotique qui provoque un appel d’eau massif et faire gonfler l’espace périvitellin entre la membrane plasmique et la membrane vitelline. ! 3. Une peroxydase crée des liens entre les résidus tyrosine sur les protéines adjacentes dans la membrane vitelline renforçant sa solidité pour donner la membrane de fécondation ! 4. Certaines glycoprotéines : se lient à la membrane plasmique pour former la couche hyaline. Sa présence contribuera à maintenir la cohésion des blastomères lors de la phase de clivage.! Morphologiquement, le phénomène peut être facilement accessible à l’observateur puisque le décollement de la membrane de fécondation est visible au microscope. !

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On peut montrer que le calcium est directement responsable de la réaction corticale. ! Les mécanismes qui provoquent l’exocytose des granules sont les mêmes que ceux qui mènent à la réaction acrosomique. !

1.8 fusion du matériel génétique : l‘amphimixie ! Parallèlement, les pronucléi mâle et femelle migrent l’un vers l’autre. Leur fusion ou amphimixie assure le rétablissement de la diploidie caractéristique de l’espèce au sein du noyau de fécondation ou zygote. !

1.9 activation du métabolisme de l’œuf! L’entrée du spermatoizoide réactive le métabolisme de l’ovocyte, c’est l’activation spermatique. Elle déclenche un ensemble d’événements déjà programmés. ! Les réponses de l’œuf à cette activation peuvent être divisés en réponses «#immédiates#» qui se passent dans les secondes suivant la réaction corticale ; et en réponse «#tardives#» ! Les réponses immédiates !

- Accroissement du pH intracellulaire : résultat de l’influx de sodium et la perte de H+ amenés par l’activation du blocage de la polyspermie !

- Modifications de l’activité respiratoire : la libération intracellulaire de Ca2+ amenée par le blocage de la polyspermie active une série de réactions métaboliques qui accroissent l’utilisation d’oxygène par l’œuf. `!

Réponses tardives !

- Activation de la synthèse d’ADN ! - Activation de la synthèse protéique qui ne dépend pas de la synthèse de nouveaux ARNm mais de ceux mis en réserve dans l’œuf durant l’ovogénèse. Utilisation d’ARNm maternels. !

- Réorganisation du cytoplasme de l’œuf : les morphogènes accumulés durant l’ovogénèse devront être assignés à des cellules filles spécifiques durant la segmentation : ils sont répartis spatialement dans l’œuf peu après la fécondation; de leur organisations spatiale le développement normal de l’embryon. Le cytoplasme cortical de l’œuf nouvellement fécondé subit une rotation de 30° par rapport au cytoplasme profond. L’entrée du spermatozoïde dans l’œuf amène la réorganisation cytoplasmique en dictant le sens de la rotation. La position du premier plan de segmentation n’est donc pas établie au hasard mais spécifiée par le point d’entrée du spermatozoïde dans l’œuf. Ce point défini la future face ventrale de l’embryon. !

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II. Le développement embryonnaire !

2.1 terminologie ! Lorsqu’un œuf a été fécondé il passe par : !

- une phase de segmentation ! - Une phase de gastrulation ! - Une phase de neurulation ! - Une phase d’organogénèse !

2.1.1 la segmentation ! !

Correspond à une phase de divisions mitotiques intenses. ! Le premier clivage donne deux cellules filles = blastomères. ! Au dessus du zygote on a les globules polaires ! PA = pôle animal et PV = pôle végétatif ! Les divisions se succèdent sans apport de volume. Après plusieurs clivages, l’embryon prend l’aspect d’une petite mûre : la morula. ! Puis la cavité centrale apparaît : la blastocoele, dès lors l’embryon devient la blastula. ! Le type de segmentation est déterminé par la quantité et la répartition du vitellus présent dans l’œuf. Œufs alécithes : pas de réserves vitellines (mammifères) ! Œufs oligolécithes : peu de réserves vitellines (échinordermes) : les échinordermes passent par un stade larvaire qui dure très peu de temps donc ils n’ont pas besoin de beaucoup d’énergies. ! Page 7 sur 17

Œufs hétérolécithes : réserves vitellines moyennes (amphibiens)! Œufs télolécithes : quantité de réserves vitellines importantes (oiseaux, reptiles) car la durée de développement est beaucoup plus longue. ! Œufs centrolécithes : vitellus central (insectes)! La répartition de ces réserves est croissante suivant l’axe PA-PV (sans œufs centrolécithes). La segmentation est d’autant plus rapide qu’il y aura moins de vitellus. ! Les cellules de l’hémisphère animal se diviseront plus vites que celles de l’hémisphère végétatif. ! Si toutes les cellules de l’œuf se divisent : la segmentation est totale (alécithes, oligolécithes, hétérolécithes). ! Si seule une partie de l’oeuf se divise : la segmentation est partielle (télolécithes, centrolécithes) trop de réserves pour que l’œuf continue de se diviser. ! A. Segmentation totale :! Selon la dimension des blastomères : !

- les œufs à segmentation totale sont dits holoblastiques ! - La segmentation totale est égale lorsque tous les blastomères sont de même taille ! - La segmentation totale est inégale chez la plupart des œufs oligolécithes et tous les œufs hétérolécithes!

- Micromères : blastomères de petite taille, généralement localisés dans l’hémisphère animal!

- Macromères : blastomères volumineux chargés en vitellus, généralement localisés au niveau de l’hémiphère végétatif!

Selon la disposition des blastomères :! Segmentation totale radiaire Alternance régulière de sillons de clivage méridiens et latitudinaux. La symétrie de la% blastula est radiaire par rapport à la PA-PV ! %

Segmentation totale spirale

Caractéristique des Mollusques et Annélides. Le développement aboutit à une larve trochophore. Il y a alternance des fuseaux mitotiques à chaque division, ce qui provoque une disposition en forme de spirale des blastomères en vue polaire. !

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B. Segmentation partielle ! Chez les œufs très riches en vitellus, la segmentation dans l’hémisphère végétatif est progressivement ralentie ou même totalement inhibée dans les œufs télolécithes. ! Ces œufs sont dits méroblastiques ! Seules les cellules situées au PA se divisent : on obtient un disque de blastomères : le blastoderme ou blastodisque! Ce type de segmentation partielle est dite discoïdale !

Chez les œufs centrolécithes, la segmentation est partielle et superficielle ou intravitelline ! C. Résultat de la segmentation ! Œufs pauvres en vitellus -> coeloblastule régulière : blastula avec un blastocoele entouré d’une assise régulière de cellules ! Œufs riches en vitellus !

- coeloblastule : blastula avec un blastocoèle excentré vers le PA! - Sterroblastule : blastula avec un blastocoele viertuel comblé par les blastomères du PV !

2.1.2. La gastrulation ! Mise en place des feuillets embryonnaires fondamentaux des métazoaires. ! Page 9 sur 17

Activité mitotique ralentie ! Formation de deux feuillets (diploblastiques) ou 3 feuillets (triploblastiques)! Feuillet externe : ectoderme ou ectoblaste ! Feuillet interne : endoderme ou endoblaste ! Feuillet moyen : mesoderme ou mésoblaste ! Il y a 4 types de gastrulations. ! !

A. LA GASTRULATION PAR INVAGINATION OU EMBOLIE

On a une invagination des cellules situées sur le pôle végétatif, les cellules qui se retrouvent à l’intérieur donne de l’endoderme. ! Concerne les coeloblastules (blastocoèle développé) ! Les cellules de l’hémisphère végétatif s’enfonce dans le blastocoele qui se réduit et tend à disparaître ! Une deuxième cavité apparaît : l’archentéron (ou intestin embryonnaire) ! L’archenteron s’ouvre à l’extérieur par le blastopore! Le feuillet externe donne l’ectoderme ! Le feuillet interne devient l’endoderme (délimitant l’archentéron)! !

B. LA GASTRULATION PAR RECOUVREMENT OU ÉPIBOLIE

Lorsque les blastomères végétatifs sont trop volumineux pour s’invaginer dans le blastocoele ou que ce dernier est réduit ou absent. ! Le feuillet cellulaire de l’hémisphère animal migre par dessus le feuillet végétatif et le recouvre! Les cellules de l’hémisphère végétatif deviennent internes de façon passive! Blastopore formé par la calotte ectoblastique! Macromères délimitent l’archentéron!

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C. LA GASTRULATION PAR DÉLAMINATION

Séparation d’un feuillet cellulaire pluristratifié en deux feuillets, l’un d’eux devient interne, dans le blastocoele ! Les fuseaux mitotiques sont radiaire et les plans de clivage sont parallèle à la surface de l’œuf ! Pas de blastopores ! Le feuillet interne, l‘endoblaste, entoure l’archentéron!

D. GASTRULATION PAR IMMIGRATION

Des cellules de la blastula migrent activement dans le blastocoele et s’agencent pour former les feuillets internes. ! !

2.2 l’œuf d’oursin ! Œuf oligochète. ! On retrouve plusieurs enveloppes dans l’ovule, la gangue, l’enveloppe vitelline, la membr ane pl asm iqu es , mem br ane nucléaire. ! S’il y a un espace périvitellin ou une membrane de fécondation c’est que l’ovocyte a été fécondé! Vitellus peu abondant réparti uniformément dans le cytoplasme ! Entouré par une membrane vitelline (membrane de fécondation) et d’une gangue gélatineuse! Possède un axe de symétrie ! Ceinture sous équatoriale de pigment orangé! Émission des deux globules polaires avant la ponte! 2.2.1 LA SEGMENTATION

La segmentation est totale radiaire, égale jusqu’au stade 8 blastomères, puis elle devient inégale à partir du stade 16 blastomères. ! Au terme de la segmentation la blastula est composée d’environ 2000 blastomères.! Progressivement la blastocoele se forme. ! Le premier sillon de clivage apparait environ 1h30 Page 11 sur 17

après la fécondation, à la température de 15°C. ! Le deux premiers plans de segmentation sont méridiens (axe PA-PV). ! Ils vont être perpendiculaires entre eux. ! On obtient 4 blastomères égaux ! Le troisième sillon de clivage est équatorial et perpendiculaire aux deux précédents. ! Huit cellules semblables sont formées : ! - 4 blastomères animaux ! - 4 blastomères végétatifs contenant la ceinture de pigment !

! A partir du stade 16 blastomères, les divisions cellulaires deviennent inégales Dans l’hémispère animal, les plans de clivage sont médians et génèrent 8 mésomères égaux disposés en une seule couche. Dans l’hémispère végétatif, les plans de clivage sont latitudinaux et nettement excentrés vers le pôle végétatif. ! Deux sortes de cellules filles en sont issues : ! - les macromères volumineux et pigmentés, proches de l’équateur! - Les micromères, petits et dépigmentés, au pôle végétatif! ! Dès le stade 32 blastomères, la segmentation inégale s’estompe! C’est à ce stade qu’apparaît le blastocoele ! Plans de clivage latitudinaux pour les mésomères qui se répartissent en deux couches : ! - l’assise supérieure : 8 mésomères animaux 1 (an1) ! - L’assise sous jacente : 8 mésomères animaux 2 (an2)! Plans de clivage méridiens pour l’hémisphère végétatif : ! - 8 macromères pigmentés! - 8 micromères (non pigmentés). ! Stade de 64 cellules (6ème clivage) ! Clivage méridien pour les mésomères : ! - 16 mésomères animaux 1! - 16 mésomères animaux 2! Clivage latitudinaux des macromères ! - 8 Macromères végétatifs 1 (veg1)! - 8 macromères végétatifs 2 (veg 2)! Clivage méridien pour les micromères ! Page 12 sur 17

- 16 micromères! Au centre de l’image il y a le blastocoele ! À l’extérieur des cellules, la blastula est entourée par une couronne ciliaire. ! A la fin de la segm...