Biologie universitaire — 2e année · Bachelor Year 2

10Le développement embryonnaire des vertébrés

Un œuf de grenouille est une sphère de deux millimètres de diamètre, sombre en haut et pâle en bas. En une journée, il s’est divisé en milliers de cellules ; en deux, un feuillet de ces cellules s’est enroulé vers l’intérieur à travers un sillon pour former un intestin et disposer une baguette le long du dos ; en trois, le feuillet situé au-dessus de la baguette s’est replié en un tube qui deviendra l’encéphale et la moelle épinière. Rien n’a été ajouté, sinon de l’eau. L’information qui transforme une cellule en un têtard nageur était dans l’œuf et dans son génome, et la manière dont elle se déploie — segmentation, gastrulation, neurulation, induction de chaque partie par ses voisines — est reconnaissable chez un poisson, un poulet et une souris. Ce chapitre suit un embryon de vertébré à travers ces étapes et décrit les expériences qui ont montré comment chacune de ses parties apprend ce qu’elle doit devenir.

10.1 De l’œuf à la blastula

Définition 10.1 (L’œuf et ses axes)

Un œuf de vertébré est polarisé avant la fécondation : le pôle animal contient le noyau et l’essentiel du cytoplasme, le pôle végétatif le vitellus, la réserve de protéines et de lipides dont l’embryon vivra jusqu’à ce qu’il se nourrisse. La quantité de vitellus détermine tout ce qui suit : un œuf d’oursin ou de mammifère n’en contient presque pas et se segmente entièrement en cellules égales ; un œuf de grenouille en contient une quantité moyenne et se segmente entièrement mais inégalement (petites cellules en haut, grosses cellules chargées de vitellus en bas) ; un œuf de poisson ou d’oiseau est presque entièrement fait de vitellus et ne se segmente que dans un disque de cytoplasme posé sur celui-ci. Chez la grenouille, le point d’entrée du spermatozoïde fixe le second axe : le cortex tourne de trente degrés en s’en éloignant, découvrant un croissant gris à l’opposé du point d’entrée, et ce côté deviendra le dos. La segmentation est une série de mitoses rapides sans croissance — les cellules diminuent de moitié à chaque division — pilotée par des ARNm et des protéines maternels stockés dans l’œuf, les gènes propres de l’embryon restant silencieux jusqu’à la transition blastuléenne, au bout d’une douzaine de divisions.

Le développement d’une grenouille à partir de l’œuf fécondé : segmentation jusqu’à la blastula, gastrulation, neurula avec ses bourrelets neuraux, et têtard — le tout en quelques jours, sans croissance.

Théorème 10.2 (L’arithmétique de la segmentation)

Après $k$ divisions synchrones, un œuf de volume $V_0$ forme $2^{k}$ cellules de volume moyen $V_0/2^{k}$ et de rayon $r_0/2^{k/3}$ , et la surface totale a été multipliée par $2^{k/3}$ ; le rapport du volume nucléaire au volume cytoplasmique, qui part d’environ $10^{-4}$ dans un œuf de grenouille, est multiplié par $2^{k}$ et atteint celui d’une cellule ordinaire ( $\sim 0.1$ ) au bout d’une dizaine de divisions. C’est ce rapport croissant — le titrage d’un stock maternel fixe d’un certain inhibiteur par une quantité d’ADN qui croît exponentiellement — qui déclenche la transition blastuléenne : les divisions ralentissent, deviennent asynchrones, et le génome zygotique s’active.

Démonstration. Le volume se conserve lors de la segmentation : chacune des $2^{k}$ cellules a donc un volume $V_0 2^{-k}$ et, en tant que sphère, un rayon $r_0 2^{-k/3}$ ; leur surface totale vaut $2^{k}\cdot 4\pi r_0^{2}\, 2^{-2k/3} = 4\pi r_0^{2}\, 2^{k/3}$ . Chaque cellule garde un noyau de taille fixe, si bien que le rapport varie comme $2^{k}$ à partir de $10^{-4}$ : $2^{10} = 1024$ le porte à $0.1$ . La transition de la grenouille se situe à la douzième division, ce qui concorde avec un seuil atteint un peu plus tard. ∎

Faits expérimentaux. Newport et Kirschner (1982) ajoutèrent de l’ADN supplémentaire à des œufs de grenouille et constatèrent que la transition survenait plus tôt d’autant de divisions que l’ADN était en excès ; retirer du cytoplasme avait le même effet. L’horloge n’est ni le temps ni un compte de divisions, mais un rapport. ∎

Définition 10.3 (Blastula)

La segmentation aboutit à une blastula : une sphère creuse (grenouille, oursin) ou un disque (poisson, oiseau) de quelques milliers de cellules autour d’une cavité, le blastocœle. Ses cellules ont encore l’apparence de cellules non spécialisées, mais elles ne sont pas équivalentes : une carte des territoires présomptifs, établie en colorant des plages de la surface avec des colorants vitaux et en les suivant, montre que la calotte animale donnera la peau et le système nerveux (ectoderme), la ceinture équatoriale les muscles, le squelette, le rein et le sang (mésoderme), et la masse végétative l’intestin et ses organes (endoderme). Ces trois feuillets embryonnaires sont les mêmes chez tous les vertébrés, et l’étape suivante consiste à les mettre en place : le mésoderme et l’endoderme sont à l’extérieur et doivent passer à l’intérieur.

10.2 Gastrulation et neurulation

Proposition 10.4 (La gastrulation)

La gastrulation est l’ensemble des mouvements cellulaires qui transforme la blastula à un seul feuillet en une gastrula à trois feuillets. Chez la grenouille, elle commence sous le croissant gris : les cellules y changent de forme en contractant leur extrémité externe en bouteille, et la surface se creuse en un sillon, le blastopore. Par ce sillon, le mésoderme et l’endoderme s’engouffrent vers l’intérieur (involution), s’enroulant sur la lèvre puis progressant le long du plafond de la cavité ; la calotte animale s’étale vers le bas pour recouvrir l’extérieur (épibolie) ; le blastopore se referme en un anneau autour des dernières cellules chargées de vitellus. À l’intérieur, une nouvelle cavité bordée d’endoderme, l’archentéron, est le futur intestin, et le mésoderme entré le premier, le long de la ligne médiane, est devenu une baguette rigide, la notocorde, axe de tout embryon de vertébré et structure qui donne son nom à l’embranchement. Chez les oiseaux et les mammifères, les mêmes mouvements se font à travers une fente, la ligne primitive, dans un disque plat ; chez les poissons, le disque s’étale sur le vitellus. La chorégraphie diffère selon le vitellus ; le résultat — ectoderme à l’extérieur, endoderme bordant l’intestin, mésoderme entre les deux, notocorde sur la ligne médiane — est le même.

La gastrulation chez la grenouille, en coupe. Les cellules s’enroulent vers l’intérieur sur la lèvre du blastopore ; l’endoderme borde une nouvelle cavité intestinale, et le premier mésoderme à entrer devient la notocorde le long de la ligne médiane.

Proposition 10.5 (La neurulation et le plan d’organisation)

L’ectoderme situé au-dessus de la notocorde s’épaissit en une plaque neurale, dont les bords se soulèvent en bourrelets qui se rejoignent sur la ligne médiane pour former le tube neural, futur encéphale et future moelle épinière, qui s’enfonce sous la peau ; des cellules issues du sommet des bourrelets, la crête neurale, migrent au loin pour former les nerfs périphériques, les cellules pigmentaires, la médullosurrénale et une grande partie de la face. De chaque côté de la notocorde, le mésoderme se segmente en blocs, les somites, une paire après l’autre de la tête vers la queue, qui donnent les vertèbres, les muscles du tronc et le derme ; le mésoderme latéral se clive en feuillets qui bordent la cavité générale et forment le cœur et les membres ; le tube endodermique bourgeonne les poumons, le foie et le pancréas. À la fin de la neurulation, l’embryon possède le plan d’organisation des vertébrés — un cordon nerveux dorsal au-dessus d’une notocorde, un tube digestif ventral, une musculature segmentée, une tête — pour une longueur de quelques millimètres, et le reste du développement consiste à élaborer les organes à partir de ce plan (Chapitre 11).

La neurulation en coupe transversale : l’ectoderme situé au-dessus de la notocorde (en rouge) s’épaissit, se replie et se ferme en tube neural (en bleu), tandis que le mésoderme bordant la notocorde se segmente en somites (en orange) et que des cellules de la crête neurale quittent les bourrelets en train de se fermer.

À gauche : un embryon de poisson zèbre âgé d’un jour dans son chorion, enroulé autour de son vitellus, avec l’œil, l’encéphale et une rangée de somites. À droite : un embryon de poulet de trois jours sur son vitellus, le cœur battant déjà et les vaisseaux s’étendant sur le vitellus pour le nourrir.

10.3 L’induction : comment les cellules apprennent où elles sont

Définition 10.6 (Induction et compétence)

L’induction est le processus par lequel un groupe de cellules modifie, par un signal, le destin d’un groupe voisin ; les cellules qui répondent doivent être compétentes — capables de répondre, ce qu’elles ne sont que pendant un temps limité. Le développement est une chaîne d’inductions : les cellules végétatives induisent le mésoderme dans les cellules situées au-dessus d’elles ; le mésoderme dorsal — l’organisateur, à la lèvre du blastopore — induit la plaque neurale dans l’ectoderme qui le surmonte et organise le mésoderme de part et d’autre ; la notocorde induit le plancher du tube neural ; la vésicule optique, un bourgeon de l’encéphale, induit un cristallin dans la peau qu’elle touche ; le cristallin induit la cornée. Chaque tissu induit devient l’inducteur du suivant. Les signaux appartiennent à une poignée de familles de protéines sécrétées, utilisées encore et encore — les mêmes qui organisent un membre (Chapitre 11) et, chez l’adulte, assurent la signalisation du Chapitre 19.

Faits expérimentaux. Spemann et Mangold (1924) prélevèrent la lèvre dorsale du blastopore d’une jeune gastrula d’une espèce de triton et la greffèrent sur la face ventrale d’une gastrula d’une autre espèce, de pigmentation différente, afin de distinguer les cellules de l’hôte de celles du greffon. Le greffon ne devint pas simplement ce qu’il serait devenu en place : il s’enroula vers l’intérieur, forma une notocorde et induisit l’ectoderme ventral de l’hôte lui-même à former un second tube neural et, à côté de celui-ci, des somites de l’hôte — un second embryon complet, fait en grande partie de cellules de l’hôte, soudé ventre à ventre au premier. Aucun autre fragment de la gastrula n’en était capable. Ils appelèrent cette lèvre l’organisateur ; ses signaux (des protéines qui bloquent le facteur ventralisant BMP) furent identifiés soixante-dix ans plus tard. ∎

L’expérience de l’organisateur. Une lèvre dorsale greffée sur le ventre d’une autre gastrula induit les cellules de l’hôte à former un second axe embryonnaire.

Théorème 10.7 (Un gradient de morphogène)

De nombreuses inductions passent par un morphogène : un signal sécrété par une source, qui se répand dans le tissu et que les cellules lisent selon sa concentration locale — au-dessus d’un seuil un destin, au-dessus d’un seuil plus élevé un autre. Un morphogène produit par une source plane à un débit $j$ par unité de surface, diffusant avec un coefficient $D$ et dégradé avec une constante de vitesse $k$ , a en régime stationnaire le profil exponentiel

c(x) = c_0\,e^{-x/\lambda}, \qquad \lambda = \sqrt{D/k}, \qquad c_0 = \frac{j}{\sqrt{Dk}},

de sorte que la distance à laquelle la concentration passe sous un seuil $T$ vaut $x_T = \lambda\ln(c_0/T)$ : un tissu peut être découpé en bandes de largeur fixe par des seuils fixes. Avec $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ (une protéine ralentie par les liaisons qu’elle contracte en traversant le tissu) et $k = 1 \times 10^{-3}\,\mathrm{s}^{-1}$ (une demi-vie d’environ douze minutes), $\lambda = \sqrt{10^{-9}}\,\mathrm{m} \approx 32\,\text{µ}\mathrm{m}$ : quelques diamètres cellulaires, l’échelle à laquelle s’organisent les champs embryonnaires. Doubler la source double $c_0$ et déplace chaque frontière vers l’extérieur de $\lambda \ln 2$ .

Démonstration. En régime stationnaire, la diffusion équilibre la dégradation : $D\,c'' = k\,c$ , dont la solution décroissante est $c = c_0 e^{-x/\lambda}$ avec $\lambda^2 = D/k$ . Le flux qui quitte la source vaut $-Dc'(0) = Dc_0/\lambda = j$ , ce qui donne $c_0 = j\lambda/D = j/\sqrt{Dk}$ . Poser $c(x_T) = T$ donne $x_T$ ; remplacer $c_0$ par $2c_0$ lui ajoute $\lambda\ln 2$ . ∎

Un gradient de morphogène avec = 32\, µ m. Deux seuils découpent le tissu en trois bandes de destins cellulaires dont les largeurs sont fixées par et par les rapports des seuils à la concentration de la source. — Un gradient de morphogène avec $\lambda = 32\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Deux seuils découpent le tissu en trois bandes de destins cellulaires dont les largeurs sont fixées par $\lambda$ et par les rapports des seuils à la concentration de la source.

Exemple 10.8 (Lire le gradient)

Dans la gastrula de grenouille, les cellules de la zone marginale exposées à des quantités graduées d’un signal de la famille de l’activine deviennent, de la dose la plus forte à la plus faible, notocorde, muscle, rein et sang ; des cellules dissociées de calotte animale placées dans une boîte avec une dose proche d’un seuil changent de destin pour un facteur deux de concentration. Dans le tube neural, un signal issu de la notocorde et de la plaque du plancher se répand vers le haut et spécifie, en partant du bas, les motoneurones puis des classes successives d’interneurones, à des seuils distants de quelques diamètres cellulaires. Les coordonnées de l’organisme sont écrites en concentrations.

10.4 Destin, engagement et calendrier des décisions

Proposition 10.9 (Quand le destin d’une cellule est fixé)

Le destin d’une cellule est ce qu’elle deviendra normalement ; sa potentialité est ce qu’elle peut devenir si on la déplace ; elle est déterminée lorsque son destin ne change plus avec son environnement. Les jeunes embryons sont régulateurs : chacun des deux premiers blastomères de grenouille, séparés, forme un petit têtard entier, et les premières cellules d’un embryon de mammifère sont toutes totipotentes — c’est ainsi que naissent les vrais jumeaux. La détermination s’installe progressivement et à des moments différents selon les tissus : un fragment d’ectoderme de jeune gastrula greffé sur le ventre devient de la peau ventrale, alors que le même fragment prélevé sur une gastrula âgée forme une plaque neurale où qu’on le place ; au stade du bourgeon caudal, un champ de membre transplanté sur le flanc y forme un membre. Chez la plupart des invertébrés, au contraire, le destin est fixé tôt par le cytoplasme dont hérite chaque cellule (développement en mosaïque), et un blastomère séparé ne forme que sa partie. La stratégie des vertébrés — garder les cellules flexibles et leur dire quoi faire par induction — est ce qui rend possibles la gémellité, la régénération et l’expérience de l’organisateur.

Faits expérimentaux. Spemann (1901) serra une boucle de cheveu autour d’un œuf de triton au stade deux cellules : si la boucle se trouvait dans le plan du croissant gris, de sorte que chaque moitié en recevait une partie, deux embryons complets se formaient ; si elle lui était perpendiculaire, de sorte qu’une moitié recevait tout le croissant, cette moitié formait un embryon et l’autre une boule de tissu ventral. Le croissant — le futur organisateur — était la seule partie qui ne pouvait pas être divisée. ∎

Exemple 10.10 (Le calendrier d’une grenouille)

À $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : fécondation ; première division à $1.5\,\mathrm{h}$ , puis toutes les demi-heures ; blastula de $4000$ cellules à $7\,\mathrm{h}$ ; transition blastuléenne à $8\,\mathrm{h}$ ; gastrulation de $10\,\mathrm{h}$ à $20\,\mathrm{h}$ ; fermeture des bourrelets neuraux à $30\,\mathrm{h}$ ; battements cardiaques à $2.5\,\mathrm{d}$ ; éclosion et début de l’alimentation à $4\,\mathrm{d}$ , sous forme d’un têtard de $6\,\mathrm{mm}$ . Un poisson zèbre fait de même en un jour, un poulet en trois, une souris en neuf ; un embryon humain gastrule au cours de la troisième semaine et ferme son tube neural avant la fin de la quatrième — avant que la plupart des femmes ne sachent qu’elles sont enceintes, et c’est pourquoi l’acide folique, nécessaire à la fermeture du tube neural, est prescrit avant la conception.

10.5 Exercices

Exercice 10.1 ★

Définir segmentation, blastula, gastrulation et neurulation, et nommer la structure que produit chaque étape.

Solution

Solution de Exercice 10.1.

Segmentation : mitoses rapides sans croissance, qui produisent la blastula. Blastula : sphère creuse ou disque de petites cellules autour du blastocœle. Gastrulation : les mouvements cellulaires qui font entrer le mésoderme et l’endoderme, et produisent la gastrula à trois feuillets, pourvue d’une cavité intestinale et d’une notocorde. Neurulation : le reploiement de l’ectoderme dorsal en tube neural, accompagné de la segmentation des somites, qui produit la neurula dotée du plan d’organisation des vertébrés.

Exercice 10.2 ★

Donner les trois feuillets embryonnaires et, pour chacun, quatre tissus adultes qui en dérivent.

Solution

Solution de Exercice 10.2.

Ectoderme : épiderme, encéphale et moelle épinière, nerfs périphériques (crête neurale), cristallin et cellules pigmentaires. Mésoderme : notocorde, muscles, os et cartilage, rein, cœur et sang, derme. Endoderme : épithélium intestinal, foie, pancréas, poumons, thyroïde.

Exercice 10.3 ★

Comment la quantité de vitellus modifie-t-elle le mode de segmentation et de gastrulation ? Comparer une grenouille et un poulet.

Solution

Solution de Exercice 10.3.

Peu de vitellus : segmentation totale et presque égale, et gastrulation par involution à travers un blastopore circulaire dans une sphère creuse (grenouille : segmentation totale mais inégale, les cellules végétatives chargées de vitellus étant grosses et lentes). Beaucoup de vitellus (poulet) : segmentation limitée à un disque posé sur le vitellus, et gastrulation à travers une fente, la ligne primitive, dans le disque plat, les feuillets s’étalant sur le vitellus au lieu d’enclore une cavité.

Exercice 10.4 ★

Qu’est-ce que l’induction ? Donner trois inductions dans l’ordre où elles se produisent dans un embryon de grenouille, en nommant l’inducteur et le tissu qui répond.

Solution

Solution de Exercice 10.4.

L’induction est la modification du destin d’un tissu compétent par un signal issu d’un tissu voisin. Les cellules végétatives induisent le mésoderme dans la zone marginale sus-jacente ; l’organisateur (mésoderme de la lèvre dorsale) induit la plaque neurale dans l’ectoderme dorsal ; la vésicule optique induit le cristallin dans l’ectoderme céphalique.

Exercice 10.5 ★★

Un œuf de grenouille de rayon $1\,\mathrm{mm}$ subit douze divisions. Calculer le nombre de cellules, leur rayon moyen, et le facteur par lequel la surface cellulaire totale a été multipliée. Pourquoi l’embryon a-t-il besoin de cette surface supplémentaire ?

Solution

Solution de Exercice 10.5.

$2^{12} = 4096$ cellules de rayon $1/2^{4} = 62.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; surface multipliée par $2^{4} = 16$ . La surface supplémentaire est la membrane des épithéliums que la gastrulation repliera en peau et en intestin, et la surface par laquelle la blastula échange avec son milieu.

Exercice 10.6 ★★

Le rapport nucléocytoplasmique part de $10^{-4}$ , et la transition blastuléenne survient lorsqu’il atteint $0.4$ . Au bout de combien de divisions ? Si l’on injecte dans l’œuf trois fois sa propre quantité d’ADN, à quelle division la transition survient-elle ?

Solution

Solution de Exercice 10.6.

$10^{-4}\times 2^{k} = 0.4$ : $2^{k} = 4000$ , $k = 12$ . Avec quatre fois plus d’ADN, le rapport part de $4\times 10^{-4}$ et atteint $0.4$ pour $2^{k} = 1000$ : à la dixième division, deux plus tôt.

Exercice 10.7 ★★

Un morphogène a $D = 2 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ et une demi-vie de $10\,\mathrm{min}$ . Calculer $k$ et $\lambda$ . Deux seuils se situent à $50\,\%$ et à $10\,\%$ de la concentration de la source : donner les largeurs des trois bandes de destins.

Solution

Solution de Exercice 10.7.

$k = \ln 2/600 = 1.16 \times 10^{-3}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{2\times 10^{-12}/1.16\times 10^{-3}} = 42\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Seuils à $x = \lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ et $\lambda\ln 10 = 96\,\text{µ}\mathrm{m}$ : des bandes de 29, de 67 et le reste.

Exercice 10.8 ★★

Dans le gradient de l’exercice précédent, une mutation double la source. De combien chaque frontière se déplace-t-elle ? Et si c’est la constante de dégradation qui double ?

Solution

Solution de Exercice 10.8.

Doubler la source déplace les deux frontières vers l’extérieur de $\lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ : la première bande double, la deuxième garde sa largeur. Doubler $k$ divise $\lambda$ par $\sqrt 2$ ( $29\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) et, comme $c_0 = j/\sqrt{Dk}$ , divise aussi $c_0$ par $\sqrt 2$ : les frontières passent à $\lambda'\ln(c_0'/T) = 29\times(0.69 - 0.35) = 10\,\text{µ}\mathrm{m}$ et $29\times(2.30 - 0.35) = 57\,\text{µ}\mathrm{m}$ — les deux bandes rétrécissent.

Exercice 10.9 ★★

Décrire l’expérience de Spemann et Mangold, dire pourquoi les deux espèces devaient différer par leur pigmentation, et indiquer ce que le résultat a exclu.

Solution

Solution de Exercice 10.9.

Une lèvre dorsale prélevée sur une gastrula de triton non pigmentée fut greffée sur la face ventrale d’une gastrula pigmentée ; elle s’enroula vers l’intérieur et l’hôte forma un second embryon — tube neural, somites, intestin — soudé au premier. La différence de pigmentation montra que le second axe était fait de cellules de l’hôte : le greffon les avait donc induites au lieu de construire lui-même l’axe. L’expérience exclut l’autodifférenciation du greffon comme explication, et montra qu’une petite région porte le signal qui organise l’axe tout entier.

Exercice 10.10 ★★★

Prévoir le résultat : (a) d’un fragment de plaque neurale présomptive de jeune gastrula greffé sur le ventre ; (b) du même fragment prélevé sur une gastrula âgée ; (c) d’un fragment d’ectoderme ventral placé au-dessus d’une notocorde dans une gastrula âgée ; (d) de l’ablation de tout l’organisateur d’une jeune gastrula. Expliquer chaque cas à l’aide des notions de compétence et de détermination.

Solution

Solution de Exercice 10.10.

(a) De la peau ventrale : l’ectoderme précoce est compétent mais pas encore induit, et il suit son nouvel environnement. (b) Du tissu nerveux : dans la gastrula âgée, il a été induit et il est déterminé. (c) Une plaque neurale : l’ectoderme ventral de gastrula âgée est encore compétent, et la notocorde l’induit. (d) Aucune structure dorsale : une boule de tissu ventral, puisque rien n’induit le mésoderme vers des destins dorsaux ni l’ectoderme vers des destins nerveux.

Exercice 10.11 ★★★

La première division de la grenouille dure $90\,\mathrm{min}$ et les onze suivantes $30\,\mathrm{min}$ chacune, à $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ; à $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , chaque étape est 2.5 fois plus lente. À quel moment la transition blastuléenne est-elle atteinte à chaque température ? Expliquer pourquoi la transition survient au même nombre de cellules aux deux températures, et ce que cela indique sur l’horloge.

Solution

Solution de Exercice 10.11.

À $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $90 + 11\times 30 = 420\,\mathrm{min}$ , soit 7 heures. À $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $17.5\,\mathrm{h}$ . La transition se situe à la douzième division dans les deux cas, car ce qui la déclenche est le rapport de l’ADN au cytoplasme, qui dépend du nombre de divisions et non de leur durée : l’horloge compte des doublements, non des heures.

Exercice 10.12 ★★★

« Un embryon de vertébré se construit par la conversation, un embryon d’invertébré par l’héritage. » Discuter le contraste entre développement régulateur et développement en mosaïque, ses conséquences pour la gémellité et la régénération, et pourquoi il s’agit d’une différence de degré.

Solution

Solution de Exercice 10.12.

Dans le développement régulateur, les cellules acquièrent leur destin par induction de la part de leurs voisines, si bien que l’embryon peut se reconstruire après une perte (jumeaux issus d’un œuf séparé, régénération d’une région greffée) ; dans le développement en mosaïque, les destins sont hérités avec des déterminants cytoplasmiques localisés, si bien que chaque blastomère ne forme que sa partie et qu’un embryon séparé donne deux demi-larves. La différence est de degré : le croissant gris de la grenouille est un déterminant, et les embryons en mosaïque recourent plus tard à des inductions ; tout embryon mêle héritage et conversation, les vertébrés s’appuyant plus longtemps sur la conversation.

10.6 Problème : un embryon de grenouille chronométré et organisé

Problème 10.1

Problème du week-end — un embryon de grenouille suivi à travers la segmentation, la transition blastuléenne, la gastrulation et l’induction, avec le calcul du gradient de morphogène et la prévision des greffes classiques, jusqu’au nombre de cellules et au moment de la transition et aux largeurs des bandes de destins

Un œuf de grenouille a un rayon de $0.7\,\mathrm{mm}$ et un noyau de rayon $0.03\,\mathrm{mm}$ dont le contenu en ADN vaut $c$ ; chaque division dure $30\,\mathrm{min}$ , après une première de $75\,\mathrm{min}$ . La transition blastuléenne survient lorsque l’ADN total atteint $4000\,c$ . Morphogène : $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ , demi-vie $20\,\mathrm{min}$ , concentration à la source $c_0$ , seuils à $0.4\,c_0$ et $0.08\,c_0$ .

Partie I — La segmentation.

Calculer le volume de l’œuf et celui de son noyau, et le rapport nucléocytoplasmique initial.
Au bout de combien de divisions l’ADN atteint-il $4000\,c$ ? Combien de cellules ?
À quel moment après la fécondation ?
Quel est alors le rayon cellulaire moyen, et le rapport du volume nucléaire au volume cellulaire si les noyaux gardent leur taille ? Commenter.
Par quel facteur la surface cellulaire totale a-t-elle été multipliée ?
Chaque division exige la copie du génome : quelle quantité d’ADN a été synthétisée au total, en unités de $c$ , et pourquoi l’embryon n’a-t-il pas besoin de transcrire ses gènes pour cela ?
Qu’est-ce qui change à la transition, et quelle expérience montre qu’elle est déclenchée par un rapport et non par un compte ?

Partie II — La gastrulation.

Où le blastopore se forme-t-il par rapport au point d’entrée du spermatozoïde, et qu’est-ce qui a fixé cette position ?
Énumérer, dans l’ordre, les tissus qui s’enroulent à travers le blastopore et leur position ensuite.
La gastrulation dure $10\,\mathrm{h}$ et le feuillet qui s’enroule parcourt $2\,\mathrm{mm}$ . Calculer la vitesse moyenne des cellules en micromètres par minute et la comparer à celle d’un fibroblaste qui rampe ( $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{min}$ ).
Pourquoi la gastrulation est-elle impossible avant la transition blastuléenne ?
Expliquer en une phrase pourquoi c’est la notocorde, et non le tube neural, qui est la structure caractéristique des cordés.
Un médicament qui bloque les changements de forme des cellules est appliqué au début de la gastrulation. Prévoir l’embryon.

Partie III — Le gradient.

Calculer $k$ à partir de la demi-vie, puis $\lambda$ .
Calculer les positions des deux seuils.
Donner les largeurs des trois bandes de destins en micromètres et en cellules de $15\,\text{µ}\mathrm{m}$ .
La source est divisée par deux. Recalculer les deux positions et indiquer quelle bande rétrécit le plus.
Une cellule située à $60\,\text{µ}\mathrm{m}$ de la source est déplacée à $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ avant la lecture du gradient ; puis après. Que devient-elle dans chaque cas, et pourquoi ?
Expliquer pourquoi un profil exponentiel donne des frontières dont la position dépend du logarithme de l’intensité de la source, et pourquoi cela rend l’organisation robuste.

Partie IV — Les greffes.

Prévoir le résultat de la greffe d’une lèvre dorsale sur la face ventrale d’une jeune gastrula, et celui de la greffe de zone marginale ventrale sur la face dorsale.
Prévoir le résultat de la greffe d’une lèvre dorsale sur la face ventrale d’une neurula, et expliquer la différence.
Un embryon de grenouille au stade deux cellules est séparé dans le plan du croissant gris ; un autre perpendiculairement à ce plan. Prévoir les deux résultats.
Une calotte animale est prélevée sur une blastula et cultivée seule ; la même calotte est cultivée au contact de cellules végétatives. Prévoir les tissus formés.
Pourquoi le résultat de Spemann et Mangold exigeait-il que l’hôte et le greffon soient distinguables, et qu’aurait pu montrer une greffe entre espèces différentes ?
Énoncer le résultat : le numéro de la division et le moment de la transition, le nombre de cellules correspondant, et les trois largeurs de bandes.

Solution

Solution de Problème 10.1.

1. Œuf $\tfrac43\pi(0.7)^{3} = 1.44\,\mathrm{mm}^{3}$ ; noyau $\tfrac43\pi(0.03)^{3} = 1.1 \times 10^{-4}\,\mathrm{mm}^{3}$ ; rapport $8\times 10^{-5}$ . 2. $2^{k} = 4000$ : $k = 12$ , 4096 cellules. 3. $75 + 11\times 30 = 405\,\mathrm{min}$ , environ 6.75 heures. 4. Rayon $0.7/2^{4} = 44\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; rapport $8\times 10^{-5}\times 4096 = 0.32$ — celui d’une cellule ordinaire : les noyaux ont rattrapé le cytoplasme. 5. $2^{4} = 16$ . 6. Environ $4095\,c$ d’ADN ; l’œuf contient assez d’histones, de polymérases et de nucléotides en réserve pour douze divisions, si bien qu’aucune transcription n’est nécessaire. 7. Les gènes zygotiques s’activent, les divisions ralentissent et perdent leur synchronie, les cellules deviennent mobiles. L’injection d’ADN supplémentaire avance la transition d’autant de divisions que l’ADN est en excès, ce qu’un compteur de divisions ou de temps ne pourrait pas expliquer. 8. À l’opposé du point d’entrée du spermatozoïde, au niveau du croissant gris fixé par la rotation du cortex de l’œuf après la fécondation. 9. D’abord le mésoderme dorsal (plaque préchordale, puis notocorde), qui gagne le plafond de l’archentéron sur la ligne médiane ; le mésoderme latéral (somites, lame latérale) à côté ; l’endoderme borde l’archentéron ; l’ectoderme s’étale sur l’extérieur par épibolie. 10. $2000\,\text{µ}\mathrm{m}/600\,\mathrm{min} = 3.3\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{min}$ : trois fois un fibroblaste — un feuillet coordonné se déplace plus vite qu’une cellule isolée. 11. Les mouvements cellulaires exigent des produits de gènes zygotiques (nouvelles molécules d’adhérence, motilité) et des cycles ralentis ; avant la transition, les cellules ne peuvent que se diviser. 12. Tout cordé possède une notocorde à un certain stade, et les vertébrés construisent la colonne vertébrale autour d’elle ; le tube neural est induit par elle, et il est la conséquence du plan, non son origine. 13. Sans contraction des cellules en bouteille, aucun blastopore ne se forme, rien ne s’enroule vers l’intérieur et l’embryon reste une boule dont les feuillets restent en place : ni intestin, ni notocorde, ni axe. 14. $k = \ln 2/1200 = 5.8 \times 10^{-4}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{10^{-12}/5.8\times 10^{-4}} = 42\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 15. $x_1 = 42\ln 2.5 = 38\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; $x_2 = 42\ln 12.5 = 105\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 16. Des bandes de $38\,\text{µ}\mathrm{m}$ (2.5 cellules), $67\,\text{µ}\mathrm{m}$ (4.5 cellules), et le reste. 17. $x_1 = 42\ln 1.25 = 9\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; $x_2 = 42\ln 6.25 = 77\,\text{µ}\mathrm{m}$ : les deux frontières se déplacent vers l’intérieur de $\lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; la première bande passe de 38 à 9, la bande du milieu garde sa largeur, la bande externe s’élargit. 18. Déplacée avant la lecture, elle adopte le destin A — elle lit la concentration de l’endroit où elle se trouve désormais ; déplacée après, elle garde le destin B — elle était déterminée. 19. $x_T = \lambda\ln(c_0/T)$ : une variation de la source d’un facteur $f$ déplace chaque frontière de $\lambda\ln f$ ; une erreur d’un facteur deux ne décale donc l’organisation que de $0.7\lambda$ , une fraction d’un champ qui s’étend sur plusieurs $\lambda$ — l’organisation est presque insensible à la quantité exacte de morphogène. 20. Lèvre dorsale sur la face ventrale : un second axe. Zone marginale ventrale sur la face dorsale : elle est respécifiée par son environnement et forme du tissu dorsal ; rien de plus. 21. Dans une neurula, l’ectoderme n’est plus compétent : le greffon forme une notocorde mais n’induit pas de second tube neural. 22. Séparation dans le plan du croissant : deux embryons complets ; perpendiculairement : un embryon et une boule de tissu ventral. 23. Seule : une boule épidermique. Avec des cellules végétatives : du mésoderme — muscle, notocorde — induit dans la calotte. 24. Pour prouver que le second axe avait été induit dans des cellules de l’hôte et non construit par le greffon ; si le greffon avait été indiscernable, l’autodifférenciation n’aurait pas pu être exclue. Une greffe entre espèces différentes fonctionne (ils utilisèrent deux espèces de tritons), et c’est ce qui rendait les cellules distinguables. 25. Douzième division, 4096 cellules, vers 6.75 heures ; des bandes de 38 et $67\,\text{µ}\mathrm{m}$ , et tout ce qui se trouve au-delà de $105\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

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