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Chapitre I :
Mise en place du plan d ’organisation de la Grenouille :
de la cellule-œuf à l ’organisme adulte
La polarité de la cellule-œuf héritée de l ’ovocyte II
Au centre, un ovocyte II de
Xénope vu par le pôle animal. Photo M. Delarue. L'OEUF DE BATRACIEN - SFRS -
UPMC - CNRS I/M - 2003
Document 1. L’œuf de Grenouille en
vue latérale gauche. [PATTIER J.-Y., “ Croissance et développement des animaux ”, Ellipses
Ed., 1991].
Ovocyte II de Xénope en vue équatoriale.
Après avoir traversé les
gangues entourant l'ovocyte,
le spermatozoïde perce la
« membrane » vitelline puis
vient au contact de la
membrane plasmique (A à D).
La fusion du spermatozoide
et de l'ovocyte entraîne une
série de réactions
cytoplasmiques et
membranaires dont la plus
visible est le soulèvement de
la « membrane » vitelline en
une « membrane » de
fécondation (D et E).
L'espace contenu entre la
membrane plasmique et la
membrane de fécondation
porte le nom d'espace
périvitellin (E). Les enveloppes protectrices
de l’ovocyte II puis de l’œuf
Répartition des ARN
(coloration par le bleu de toluidine)
Les ARN sont bien plus nombreux
dans l'hémisphère animal. La majeure
partie des ARN cytoplasmiques étant
ribosomiques, la coloration reflète le
gradient ribosomique.
Coupe méridienne d'ovocyte II
de pleurodèle
On observe une nette différence
de charge en vitellus entre le pôle
animal et le pôle végétatif.
L’ovocyte secondaire est polarisé
L’ovogenèse chez la Grenouille
Croissance et
accumulation de réserves
(3e année d’ovogenèse)
Deux chromosomes en écouvillon appariés
(chiasmas : régions des crossing over).
Chaque chromosome est constitué de deux
chromatides portant des boucles d'ADN
déployées dans le nucléoplasme, au niveau
desquelles la transcription est active.
Le noyau, ou vésicule
germinative, apparaît très
volumineux.
On distingue quelques
segments de bivalents
chromosomiques
(stade diplotène de la 1ère
division méiotique).
Croissance des
plaquettes vitellines à
partir des vésicules de
pinocytose (A à C).
D : organisation
cristalline d’une
plaquette vitelline
issue de l'assemblage
des protéines et des
lipides en agrégats.
Fragment d’un ovaire
d'amphibien prélevé par
biopsie
Observer les ovocytes à
différentes étapes de leur
croissance.
Morphologie externe d'un ovocyte secondaire de Xénope (à gauche)
et dessin d'interprétation (à droite).
Vue postérieure d ’une
femelle de Xénope avec
des grappes d’ovocytes
sortant du cloaque.
Fécondation
Disposition aléatoire des
ovocytes avant fécondation.
Même vue 30 min après la fécondation. La
rotation d ’équilibration a eu lieu : tous les
ovocytes fécondés présentent leur pôle
animal vers l ’observateur.
Rotation d’équilibration En détail : création de l ’espace
périvitellin qui désolidarise
l ’ovocyte de ses enveloppes.
PA : pôle animal
PV : pôle végétatif.
Rotation de symétrisation La calotte pigmentaire de l’hémisphère animal bascule vers le point d ’entrée
du spermatozoïde laissant à l ’opposé de celui-ci des trainées de pigment
cortical qui affectent la forme d ’un croissant (« croissant gris » CG).
Le croissant gris marque la face
dorsale une heure après la
fécondation.
Il apparaît du côté opposé à la
pénétration du spermatozoide.
Acquisition des axes de polarité chez le Xénope Comparaison entre l’ovocyte avant la fécondation et l’œuf fécondé
une heure après l ’entrée du spermatozoïde.
Ant : antérieur ; D : dorsal ; Post : postérieur ; V : ventral.
Quelques stade de clivage depuis le
stade 2 cellules jusqu ’au stade
blastula.
La segmentation
Morulas dans leur gangue.
Voir document 2
La transition blastuléenne
C’est le moment où les premières transcriptions
zygotiques apparaissent.
Blastula de Xénope et coupes histologiques
réalisées dans les hémisphères animal et végétatif.
Mise en place de la matrice extracellulaire
Au stade blastula ou au tout début de la gastrulation, selon les
espèces, une matrice extracellulaire riche en fibronectine et laminine
est organisée sur le plafond du blastocoele.
Culture des différentes régions de la
blastula de Xénope
Au stade blastula, des explants sont
prélevés dans les 3 régions : calotte
ectodermique, zone marginale et
endoderme.
Après 3 jours de culture isolée, les
résultats sont les suivants :
- calotte ectodermique --> épiderme
atypique
- zone marginale dorsale -->
mésoderme de type dorsal (chorde,
somites)
- zone marginale ventrale -->
mésoderme de type ventral
(vésicules rappelant le coelome
entouré par les lames latérales,
cellules sanguines)
- cellules endodermiques -->
endoderme indifférencié
Expérience de Vogt avec les
marques colorées (1929)
L’évolution des marques est
suivie depuis le début de la
gastrulation jusqu ’au stade
bouchon vitellin. Une dissection
fine permet ensuite de les
retrouver à l’intérieur de
l’embryon, et d’établir la carte
des territoires présomptifs.
Les techniques modernes
utilisent des composés
fluorescents pour marquer les
cellules de l’embryon.
Voir document 3
Document 3.
Suivie des
mouvements
gastruléens par
la technique
des marques
colorées. Vue
externe en FD et
vues en CS.
Couleur des taches :
1 : bleu
2 : vert
3 - 4 - 8 : rouge
5 - 6 - 7 : jaune
Expériences de Nieuwkoop (document 10)
Les recombinaisons entre la calotte ectodermique et des explants
endodermiques au stade blastula produisent du mésoderme.
Parallèlement, les cultures témoins d’ectoderme et d’endoderme isolés
ne conduisent jamais à la formation de mésoderme.
Principe général de l'induction du feuillet mésodermique
Des signaux (flèches bleues) provenant de l'endoderme et dirigés vers
l'ectoderme induisent le mésoderme dans la zone marginale.
Expériences de Dale et
Slack, 1987
(document 11)
Recombinaisons
effectuées entre les
blastomères animaux
de la rangée A avec un
blastomère végétatif.
Une régionalisation de
l’induction
mésodermique est mise
en évidence. 16 % 42% 42%
Document 12. Les principales étape de l’induction du mésoderme. [PEYCRU P. et coll., “ Biologie 1ère année BCPST ”, Dunod Ed., 2007].
Facteurs de
transcription Facteurs de
croissance
Coupe transversale au début de
la gastrulation.
Voir l’organisation étagée de
l’ectoderme, du mésoderme et de
l’endoderme.
Coupe transversale à la fin de la
gastrulation.
Voir l’organisation concentrique des
feuillets embryonnaires.
Gastrula au stade jeune bouchon vitellin vu par
le pôle végétatif.
LD : lèvre dorsale, LL : lèvre latéral, LV : lèvre ventral,
PV : pôle végétatif.
Quelques stades de la gastrulation vus par
l ’hémisphère végétatif. (document 4)
A : stade encoche blastoporale ; B : stade anse de panier ;
C : stade fer à cheval ; D : stade bouchon vitellin.
La gastrulation
Jeune gastrula en vue dorsale
(A) et en vue de profil (B).
Document 3.
Suivie des
mouvements
gastruléens par
la technique
des marques
colorées. Vue
externe en FD et
vues en CS.
Couleur des taches :
1 : bleu
2 : vert
3 - 4 - 8 : rouge
5 - 6 - 7 : jaune
Suivi des mouvements cellulaires
par injection de traceurs de lignage cellulaire
A gauche, deux cellules de la lèvre dorsale du blastopore
sont marquées. Elles se dirigent vers le blastopore, puis
entrent dans l’embryon en s’enroulant autour du bord du
blastopore.
Ci-dessous, un groupe de 4 cellules de la lèvre dorsale du
blastopore est marqué. 2 autres cellules de l ’endoderme
sous-blastoporal sont également marquées.
L’intervalle de temps entre chaque prise de vue permet
d’évaluer leur vitesse de déplacement : environ 20 µm / h
pour les cellules de la lèvre dorsale.
Suivi des mouvements cellulaires
par la technique des marques colorées (expérience de Vogt, 1929)
(document 3) 1 - marque rouge montrant les mouvements d’épibolie des tissus ectodermiques ;
2 - marque bleue montrant l’invagination (= involution) des tissus mésoblastiques de
la lèvre dorsale du blastopore (Bl) ;
3 - marque rouge montrant l’internalisation (=embolie) des tissus endodermiques du
pôle végétatif (PV) ;
4 - marque bleue montrant les mouvements de convergence des tissus
mésodermiques de la zone marginale vers le blastopore puis leur involution.
La gastrulation : mouvements internes (document 5)
La gastrulation : mouvements internes (document 5)
Mécanisme de l’épibolie chez le Xénope
Au début de la gastrulation, l’épithélium du pôle animal est tristratifié.
Les deux couches cellulaires profondes s’intercalent.
En revanche, la couche cellulaire externe (en bleu) ne participe pas à
l’intercalation et s’aplatit à la surface de l’embryon.
Document 6. Mise en évidence du rôle de la matrice
extracellulaire pendant la gastrulation.
Importance de la MEC lors du processus
de migration des cellules
Matrice extracellulaire observée sur le plafond du blastocoele,
révélée par immunofluorescence indirecte chez le pleurodèle.
Au début de la gastrulation, la MEC forme un réseau de fibrilles espacées (1).
A la fin de la gastrulation, le réseau de fibrilles s’est considérablement accru et densifié (2).
Importance de la MEC lors du processus
de migration des cellules
La matrice extra-cellulaire, organisée sur le plafond du blastocoele de cette
jeune gastrula est rendue fluorescente par la technique d’immunofluorescence.
Au cours de la gastrulation, l’extension de la MEC reflète les mouvements
d’épibolie de l’ectoderme. La MEC se trouve « coincée » entre l’ectoderme dorsal et le chordomésoderme invaginé.
Ventralement, le blastocoele subsiste à l’état résiduel.
A la fin de la gastrulation, toute la MEC issue du plafond du blastocoele sera recouverte
par du mésoderme aussi bien dorsalement que ventralement.
Importance de la MEC lors du processus
de migration des cellules
Document 7. Démonstration du rôle des fibronectines par blocage de
celles-ci par des anticorps. Le blocage de la migration cellulaire entraîne le blocage de l’invagination, qui
entraîne à son tour le blocage de la gastrulation. Les trois tissus fondamentaux
(ectoderme, mésoderme et endoderme) restent apparents à l’observateur. On
remarque cependant des plissements de l’ectoderme qui traduisent la persistance
des mouvements d’épibolie.
Importance de la MEC lors du processus
de migration des cellules
Document 8. Guidage de la
gastrulation par les fibronectines. [PATTIER J.-Y., “ Croissance et développement des animaux ”,
Ellipses Ed., 1991].
Une molécule d’intégrine Deux chaînes a et b sont associées dans
la reconnaissance de la fibronectine au
niveau du site de liaison à la cellule.
Représentation schématique d ’une coupe sagittale
dans une jeune gastrula de pleurodèle. (document 9)
Les cellules au niveau du blastopore s’allongent considérablement.
On leur donne le nom de cellules en bouteille.
Gastrula âgée de Xénope et coupes
histologiques réalisées au niveau du
bouchon vitellin, de la lèvre dorsale du
blastopore, de l’archentéron et du front
de migration.
Schéma d ’interprétation d’une
coupe sagittale dans la région
dorsale rendant compte des
mouvements d ’involution.
Importance de la MEC lors du processus
de migration des cellules
Schéma interprétatif de la migration
d’une cellule mésodermique sur la MEC.
La cellule adhère grâce à des pseudopodes qui interagissent avec les
fibrilles de la MEC au niveau des points focaux.
La migration cellulaire s’effectue par
des interactions avec le substrat, au
niveau de contacts appelés points
focaux (en rouge) (1).
Tout en restant adhérente aux points
focaux, la cellule émet des
pseudopodes exploratoires parmi
lesquels des expansions plus fines
appelées lamellipodes (2) établissent
de nouveaux contacts.
De nouveaux points focaux sont
crées (3).
Le corps cellulaire avance d’autant (4)
puis déconnecte les points focaux
postérieurs (5).
La neurulation (document 13)
Document 13. La neurulation chez la Grenouille. [PATTIER J.-Y., “ Croissance et développement des animaux ”, Ellipses Ed., 1991].
Jeune
bourgeon
caudal et
bourgeon
caudal âgé (document 14)
Au centre de la
plaque neurale,
des cellules
montrent une
constriction
apicale.
De proche en
proche, les
cellules voisines
effectuent la même
transformation.
Il en résulte un
raccourcissement
de la face externe
de la plaque
neurale qui génère
une courbure : la
gouttière neurale
se forme.
CT de 4 étapes de la neurulation montrant
l’enroulement de la plaque neurale
Rôle du cytosquelette dans la neurulation (document 16)
Le changement de forme des cellules dépend du cytosquelette.
Avant les mouvements de neurulation, les cellules du neurectoderme
présentent une morphologie en colonne sous-tendue par des
microtubules abondants (à gauche).
La constriction apicale de ces cellules est générée par la contraction de
l ’actine devenue fibrillaire (à droite).
Expérience de Holtfreter (1955) (document 17)
Expérience de Boucault (1974) (document 18)
Du bourgeon caudal au têtard : organogenèse
Morphologie interne : différenciation des organes
- Evolution du tube neural --> encéphale + m.e.
- Mise en place des organes sensoriels ds région céph ant,
- Segmentation du mésoderme en somites (métamérie)
- Lames latérales et coelome
- Edification du tube digestif + mise en place des viscères
---> Plan d’organisation fondamental des Vertébrés
- m.e., chorde,
- endoderme et cavité archentérique,
- somites + pronéphros + lames latérales
- épiderme limitant
Morphologie externe :
La forme change ---> 3 régions (tête, tronc et queue)
La queue se développe : la nage permettra une vie libre
Ebauches d’organes visibles sous l’épiderme
Jeune
bourgeon
caudal et
bourgeon
caudal âgé (document 14)
Document 15. Coupes transversales au stade bourgeon
caudal chez la Grenouille. [PATTIER J.-Y., “ Croissance et développement des animaux ”, Ellipses Ed., 1991].
Récapitulation de l’origine des différents organes (document 19)
Organogenèse : Diagramme de la formation du cerveau
à deux stades de l'organogenèse,
depuis la région antérieure (prosencéphale, télencéphale)
jusqu'à la région postérieure (rhombencéphale, myélencéphale).
Jeune
bourgeon
caudal et
bourgeon
caudal âgé (document 14)
Document 15. Coupes transversales au stade bourgeon
caudal chez la Grenouille. [PATTIER J.-Y., “ Croissance et développement des animaux ”, Ellipses Ed., 1991].
Expérience de Spemann et Mangold (document 20)
Expérience d ’exogastrulation chez le Triton (document 21)
Induction du mésoderme axial sur le neuroderme (document 22)
La régionalisation
des somites : exemple de
l’édification de la
colonne vertébrale
Le développement de l’embryon
de Poulet
A gauche : à 25-26 h, les bourrelets
neuraux céphaliques sont affrontés
(neurulation), le mésoderme dorsal
commence à se découper en somites.
A droite : à 38 h d ’incubation, la
neurulation se poursuit et on reconnaît
dans la région antérieure le cerveau
passant du stade 3 au stade à 5
vésicules, avec les vésicules optiques
latéralement.
Une dizaine de somites est formée.
Document 23.
Expression des gènes à
homéoboîte. a. Gènes Hom chez la
Drosophile,
b. Gènes Hox chez la
Souris,
c. Expression des gènes
Hox chez la Souris. Les gènes qui dérivent
probablement d’un même
gène ancestral sont
représentés de la même
couleur. [PEYCRU P. et coll., “ Biologie 1ère année
BCPST ”, Dunod Ed., 2007].
Faces antérieures de têtes
de drosophile de type
sauvage (A) et mutante
homéotique (B).
La mutation Antennapedia a
modifié les antennes en
pattes. MEB.
Drosophile mutante homéotique pour
le gène Ultrabithorax.
Cette mutation transforme le troisième
segment thoracique en un deuxième
segment thoracique.
Document 24.
Représentation schématique
d’une portion de fibre
musculaire striée.
Document 25. Formation de la fibre musculaire striée
squelettique. [PEYCRU P. et coll., “ Biologie 1ère année BCPST ”, Dunod Ed., 2007].
Le membre chiridien des Tétrapodes
Courbes de croissance
(stature et poids)
pour les garçons
Croissance des différentes
parties du corps.
Les os longs proviennent de
l ’ossification d’ébauches
cartilagineuses Ici, des phalanges.
Le cartilage est coloré en bleu (1).
L’ossification endochondrale est en cours sur
l ’une des phalanges (2).
Aspect général d’un bloc
de tissu osseux
Document 26.
Organisation de l’os long. [WHEATER P.R. et coll., “ Histologie fonctionnelle ”, MEDSI Ed., 1979].
Le périoste
Tissu conjonctif spécialisé, richement vascularisé, qui recouvre la totalité des os, à
l'exception des surfaces articulaires. Il sert d'insertion au tendons et aux ligaments.
Il comprend histologiquement deux couches :
- Une couche externe fibreuse dense peu épaisse (fibres de collagène de direction
longitudinale surtout).
- Une couche interne à prédominance cellulaire richement vascularisée, avec une
innervation sensitive. Elle renferme :
- Des fibres élastiques,
- Des fibres collagènes,
- Des cellules ostéogènes, les ostéoblastes, et d’ostéoclastes, détruisant l’os et
assurant son remodelage.
Les aspects cellulaires de
l’ossification enchondrale.
C : cartilage hyalin banal.
Cs : cartilage sérié. Les chondrocytes se
multiplient et forment des files de cellules. Ils
élaborent de la substance fondamentale.
Ch : cartilage hypertrophié. Les cellules
augmentent de taille. Elles élaborent du
collagène.
Cc : cartilage calcifié. Les chondrocytes initient
la calcification de la substance fondamentale
puis dégénèrent, laissant la place à des travées.
LE : ligne d’érosion. Les ostéoclastes
détruisent le cartilage calcifié, creusant un
diverticule en doigt de gant dans le cartilage
calcifié.
Zo : zone ostéoïde. Les vaisseaux et les
ostéoblastes progressent dans les diverticules.
Les ostéoblastes apposent du tissu osseux le
long des parois.
Op : os primaire endochondral.
Structure de l’os compact
Document 27. Structure de l’os compact. [WHEATER P.R. et coll., “ Histologie fonctionnelle ”, MEDSI Ed., 1979].
Aspect général d’un bloc
de tissu osseux
Document 26.
Organisation de l’os long. [WHEATER P.R. et coll., “ Histologie fonctionnelle ”, MEDSI Ed., 1979].
Document 28. Les étapes de l’ossification enchondrale. [PEYCRU P. et coll., “ Biologie 1ère année BCPST ”, Dunod Ed., 2007].
Les aspects cellulaires de
l’ossification enchondrale.
C : cartilage hyalin banal.
Cs : cartilage sérié. Les chondrocytes se
multiplient et forment des files de cellules. Ils
élaborent de la substance fondamentale.
Ch : cartilage hypertrophié. Les cellules
augmentent de taille. Elles élaborent du
collagène.
Cc : cartilage calcifié. Les chondrocytes initient
la calcification de la substance fondamentale
puis dégénèrent, laissant la place à des travées.
LE : ligne d’érosion. Les ostéoclastes
détruisent le cartilage calcifié, creusant un
diverticule en doigt de gant dans le cartilage
calcifié.
Zo : zone ostéoïde. Les vaisseaux et les
ostéoblastes progressent dans les diverticules.
Les ostéoblastes apposent du tissu osseux le
long des parois.
Op : os primaire endochondral.
Axolotl (Ambystoma mexicanum)
Larve d ’Amphibien à l ’éclosion :
stade des bourgeons branchiaux
Document 29.
Le DPE des
Amphibiens
Anoures :
morphologie des
différents stades
larvaires. [PATTIER J.-Y., “ Croissance et développement
des animaux ”, Ellipses Ed., 1991].
Document 30. CT de têtard (région antérieure). [PATTIER J.-Y., “ Croissance et développement des animaux ”, Ellipses Ed., 1991].
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