L'étude du développement embryonnaire est une discipline fondamentale pour comprendre la formation et l'organisation des êtres vivants. Elle soulève des questions complexes, tant sur le plan scientifique que sur le plan éthique. Cet article explore les mécanismes moléculaires impliqués dans le développement embryonnaire, les outils et méthodes utilisés pour l'étudier, et les enjeux bioéthiques associés à la recherche sur l'embryon humain.
Introduction
Le développement embryonnaire est un processus complexe et fascinant qui transforme une simple cellule, le zygote, en un organisme multicellulaire complexe. Ce processus implique une série d'événements coordonnés, notamment la division cellulaire, la différenciation cellulaire et la morphogenèse. La compréhension de ces événements est essentielle pour comprendre les origines de la vie, les causes des malformations congénitales et le développement de nouvelles thérapies pour les maladies.
Étude du développement embryonnaire : Modèles et méthodes
La drosophile : Un modèle d'étude privilégié
Pour étudier le phénomène d’acquisition de l’identité cellulaire, la drosophile, cette drôle de mouche qui nous envahit l’été, est un organisme modèle particulièrement intéressant pour les scientifiques. La drosophile a permis un grand nombre de découvertes historiques telles que l’hérédité chromosomique et la liaison génétique, via les travaux de Thomas Morgan, ou encore de comprendre le rôle de nombreux gènes dans le développement embryonnaire. Elle possède également beaucoup d’avantages pratiques. D’abord, sa petite taille permet de stocker un grand nombre d’individus en prenant très peu de place. De plus, son temps de développement est très court : environ 10 jours à 25°C pour atteindre le stade adulte.
Recréer des embryons in vitro : Une alternative à la manipulation d'embryons
Afin de comprendre les processus fondamentaux mis en jeu lors du développement embryonnaire, les chercheurs ont orienté leurs études vers d’autres mammifères, notamment la souris. En influant sur un processus régulant l’expression des gènes, des chercheurs de l’Institut Pasteur sont parvenus à recréer in vitro des amas cellulaires de souris mimant sous certains aspects l’organisation de vrais embryons. Ce nouvel outil de recherche permet d’éviter la manipulation d’embryons.
Des scientifiques de l’Institut Pasteur, de l’Inserm et de l’École Polytechnique, en collaboration avec le Centre Helmholtz et l’Université de Copenhague, ont développé une nouvelle approche pour générer des embryons synthétiques de souris. Elle repose sur le seul traitement des cellules souches embryonnaires de souris par une molécule chimique pendant un temps court. Celle-ci inhibe l’accrochement d’une petite protéine, appelée SUMO, à d’autres protéines de la cellule.
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L’unité Organisation nucléaire et oncogenèse de l’Institut Pasteur et de l’Inserm étudie depuis longtemps la SUMOylation. « Nous avons émis l’hypothèse que des cellules souches embryonnaires pourraient entrer dans un état instable si elles sont privées de SUMOylation et placées dans un environnement favorable, SUMO ne jouant alors plus son rôle de garde du corps de l’identité cellulaire. Pour éprouver cette hypothèse, les scientifiques ont soumis des cellules souches embryonnaires de souris à une molécule qui inhibe l’action de la protéine SUMO.
Embryons synthétiques : Une percée majeure
Récemment, une percée majeure a été réalisée par deux autres laboratoires. Ceux-ci ont réussi l’exploit de reconstruire, à partir de cellules souches embryonnaires, des embryons synthétiques qui récapitulent presque parfaitement le développement de la souris jusqu’au stade fœtal. Mais avec moins de 1% de réussite, la procédure est complexe et fait intervenir un appareillage sophistiqué.
Visualisation de la transcription des gènes
Dans un noyau cellulaire, beaucoup de gènes sont transcrits en même temps. Même si l’on pouvait observer cela avec le meilleur des microscopes, il serait laborieux de voir si LE gène auquel on s’intéresse est bien transcrit parmi tous les gènes exprimés. La méthode pour le voir est de rendre son transcrit visible par fluorescence, un peu comme si on lui faisait enfiler un gilet jaune. Alors comment met-on un gilet jaune à un transcrit ? C’est un peu plus délicat que pour les cyclistes. Ici, l’idée est de partir du gène, et de le modifier un peu. À la fin de la séquence du gène, Fukaya insère ce qu’on appelle un tag (une étiquette), nommé MS2, qui est capable de former une structure particulière en tige-boucle au niveau de l’ARN messager. Donc quand le gène est transcrit, le transcrit porte les informations liées aux gènes, mais aussi cette étiquette en tige-boucle.
Mécanismes moléculaires du développement embryonnaire
L'acquisition de l'identité cellulaire : Le rôle des ARN messagers
La question de l’acquisition d’une identité cellulaire propre est très étudiée. Jusqu’ici, la recherche a mis en évidence un élément essentiel à ce phénomène : les ARN messagers. Ce sont des transcrits produits à partir d’ADN au cours d’un procédé appelé la transcription, et ils permettent la production de protéines au cours de la traduction. Tout l’ADN n’est pas transcrit puis traduit en protéines, seulement certaines portions le sont, on les nomme gènes et on dit qu’ils sont exprimés. On sait aujourd’hui que les cellules acquièrent leur identité en fonction des gènes qu’elles expriment.
Chez la drosophile, un exemple connu est celui du gène hunchback : au début du développement, il est très exprimé dans les cellules à l’avant de l’embryon, mais pas à l’arrière. Ce motif d’expression permet aux cellules de l’avant d’acquérir une identité antérieure, et à celles de l’arrière une identité postérieure.
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Expression des gènes : Un processus rythmé et modulé
Takashi Fukaya parvient à montrer que tout n’est pas aussi millimétré que ce qu’on pensait dans l’embryon. Il a utilisé une méthode permettant de capturer le moment où le gène hunchback est exprimé, en marquant par fluorescence la présence des transcrits de celui-ci dans chaque cellule embryonnaire. Ainsi, quand hunchback est transcrit, la cellule « s’allume » en vert. D’après ce qu’on a vu sur l’expression de hunchback, on s’attendrait à voir tout l’avant de l’embryon fluorescer en vert.
Il a ainsi mis en évidence que dans certaines cellules, hunchback s’exprime fréquemment et longtemps, un peu comme un violoniste ou un flûtiste jouant frénétiquement sa partition. C’était surtout le cas dans les cellules à l’avant de l’embryon. Dans d’autres cellules en revanche, ce même gène s’exprime moins longtemps et seulement une fois de temps en temps ; celles-ci nous font davantage penser aux joueurs de tuba ou aux percussionnistes… C’était notamment le cas dans des cellules situées vers l’arrière de l’embryon.
L’activation des gènes est modulée à plusieurs niveaux : c’est là qu’intervient Gustavo, notre chef d’orchestre, qui est un élément éloigné du gène, et la partition, qui est un élément proche du gène. Celle-ci indique qu’il faut jouer, et quelle note jouer, tandis que Gustavo interfère avec elle en faisant taire l’instrument plus ou moins fréquemment. Il arrêtera le tuba plus souvent, tandis qu’il laissera le violon jouer de façon plus continue. Il apporte un niveau de régulation supplémentaire au gène. L’auteur de la publication a mis en évidence cette interférence en enlevant Gustavo.
Régulation de la transcription : Une symphonie orchestrée
Fukaya montre précisément qu’au début, tout semble chaotique avec une transcription des gènes discontinue et aléatoire. Pourtant, en regardant de plus près, il a mis en évidence que l’activité des gènes suit en réalité un certain rythme selon les cellules, comme des instruments différents dans un orchestre. La transcription est soit fréquente et prolongée comme le jeu d’un violon, soit rare et courte comme les percussions. Pour diriger cette symphonie, les éléments régulateurs proches des gènes (partition) et éloignés des gènes (chef d’orchestre) travaillent de concert lors du développement embryonnaire.
Cette découverte change la vision que nous avions sur la régulation de l’expression des gènes au cours du développement. Avant, il semblait logique de penser que c’était l’activation plus ou moins forte d’un gène qui conférait une identité à la cellule. Or cette étude révèle que le niveau d’expression d’un gène ne change pas, c’est le rythme de transcription qui compte. Ce dernier est régulé par le chef d’orchestre qui indique aux gènes quand s’activer mais aussi quand s’arrêter, un peu comme s’il avait le pouvoir de plus ou moins ouvrir le robinet, au rythme souhaité. Et il réalise cette régulation de manière plus ou moins forte en fonction de la cellule.
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Organogenèse : La formation des organes
L’organogenèse correspond à l’étape de formation des organes par prolifération des précurseurs déterminés puis par leur différenciation. Il peut y avoir encore des migrations (cellules de crête neurales vers de multiples destinations, myoblastes vers les bourgeons de membres, cellules germinales vers les gonades en formation…) mais elles ne concernent plus l’embryon entier comme lors de la gastrulation. Souvent, les organes se forment par interactions entre les tissus (placode ectodermique et neuroectoderme pour l’œil par exemple), souvent provenant de feuillets embryonnaires différents (épiderme provenant de l’ectoderme et derme et hypoderme provenant du mésoderme pour la peau).
Alors que les précédentes étapes du développement étaient bien bornées dans le temps, l’organogenèse a un début et une fin très différenciée selon l’organe considéré. Elle peut se terminer largement après le développement embryonnaire (cerveau du nouveau-né humain très immature, glandes mammaires chez la femme). Pour les organismes à développement indirect, la métamorphose est une période intense d’organogenèse post-embryonnaire. Pour les organes et les tissus qui se renouvellent en permanence grâce aux cellules souches (peau, intestin, « tissu sanguin »…), l’organogenèse ne se termine vraiment qu’avec la mort.
Développement des somites
Le développement des somites est une étape importante de l’organogenèse. Ces structures épithéliales du mésoderme paraxial sont composées de cellules multipotentes qui sont spécifiées par la suite. Elles se divisent en sclérotome (avec des cellules qui réalisent une transition épithélio-mésenchymateuse) et en dermomyotome. Le sclérotome donne naissance aux vertèbres et aux tendons (seulement la partie la plus dorsale du sclérotome appelée syndetome). Le dermomyotome se divise ensuite en myotome (qui donne les muscles du dos et des membres) et en dermatome (qui donne le derme).
Shh produit par la chorde forme un gradient qui détermine la régionalisation du somite (une forte concentration induit le sclérotome qui forme les vertèbres, une concentration moyenne-faible induit le dermomyotome). Shh n’est pas le seul signal reçu par les cellules des somites : les signalisations Wnt et BMP contribuent aussi à la régionalisation. Par la suite, les frontières entre les territoires sont affinées et maintenues par des inhibitions réciproques entre Pax3 et Nkx3.2.
Développement du cerveau
Au cours de l’organogenèse des Vertébrés, la partie antérieure du tube neural se développe pour donner 3 puis 5 vésicules à l’origine des différentes parties du cerveau.
Inductions tissulaires
Les inductions entre tissus d’origines différentes sont assez nombreuses au cours de l’organogenèse ce qui montre l’interdépendance de structures dont on soupçonnerait difficilement qu’elles aient un lien entre elles.
Les somites induisent via FGF10 la formation de la placode (épaississement épidermique) qui donne naissance à la glande mammaire. L’expression de Fgf10 dans les somites est activée par les gènes Hox au bon endroit sur l’axe antéro-postérieur. Fgf10 agit via Fgfr2b dans l’ectoderme pour déclencher l’expression de Wnt10b conduisant à la formation de la placode mammaire à l’origine de la glande mammaire.
FGF3, secrété par le cerveau postérieur et FGF10, secrété par le mésenchyme de la tête, induisent ensemble la formation de la placode otique et son développement en coupe otique et en vésicule otique. Après la formation de la vésicule otique, FGF20 agit sur FGFR1 dans l’épithélium prosensoriel en tant que facteur autocrine permissif requis pour la différenciation des cellules ciliées externes et des cellules de soutien externes dans l’organe de Corti (oreille interne).
La vésicule optique qui est une expansion du prosencéphale (cerveau antérieur) envoie des signaux inducteurs vers l’épiderme qui va former la placode du cristallin : BMP4, FGF8 et Delta. L’épiderme avait déjà été rendu compétent à ces signaux au préalable, dès la gastrulation. La placode du cristallin envoie en retour des FGF qui activent la formation de la coupe optique, laquelle envoie en retour d’autres FGF qui provoquent l’invagination de la placode. Il s’agit d’un exemple classique d’inductions réciproques successives.
Enjeux bioéthiques de la recherche sur l'embryon humain
La recherche sur l’embryon humain est très encadrée et régie par des règles strictes de bioéthique. Elle est autorisée en France depuis 2013, sous conditions et sous contrôle de l’Agence de biomédecine. Ainsi, dans un grand nombre de pays, il est interdit de cultiver et d’utiliser des embryons humains au-delà de 14 jours après la fécondation.
Controverses autour des images d'embryons de Haeckel
Les dessins d’embryons de Haeckel sont généralement perçus au prisme des accusations dont ils ont fait l’objet et comparés individuellement aux sources qu’on leur suppose. La confrontation de ses tableaux entiers à des images antérieures montre le renouveau qu’apportèrent à l’embryologie ses tableaux comparatifs frappants. Même les illustrations par lesquelles les premiers darwinistes firent valoir la ressemblance primitive entre les vertébrés sont moins spectaculaires.
Moins d’un an après la publication de la Schöpfungsgeschichte, un chercheur favorable à la théorie de l’évolution, mais hostile à l’approche de Haeckel, l’accusa de plusieurs usages frauduleux de ses images. Haeckel avait fait imprimer trois fois la même gravure pour représenter les embryons d’un mammifère, d’un oiseau et d’un reptile. D’autres planches, que Haeckel fut accusé d’avoir falsifiées en exagérant la ressemblance entre les embryons, posent plus de problèmes. Ces accusations furent plus largement diffusées à partir du milieu des années 1870, alors que l’Anthropogenie plaçait son embryologie au cœur des débats sur le darwinisme, et ne s’éteignirent plus jamais.
Les tableaux de Haeckel n’en devinrent pas moins l’illustration standard de l’embryologie comparée dans les livres scolaires et universitaires américains - jusqu’à la polémique suivante. Les embryologistes avaient déjà largement abandonné les questions de Haeckel au milieu du xxe siècle mais, à partir des années 1980, certains commencèrent à nouveau à s’y intéresser et, en 1997, on l’accusa à nouveau de fraude - en ignorant la longue liste des accusations dont il avait déjà fait l’objet. Nombre de biologistes rejetèrent ses images, et les avocats néo-créationnistes du « dessein intelligent » obligèrent les maisons d’édition à les retirer de leurs publications.
Applications potentielles des connaissances sur le développement embryonnaire
Médecine régénératrice
De par leurs caractéristiques, les cellules ES représentent un énorme potentiel en médecine régénératrice tel que la réparation d’organes ou de tissus endommagés. La détermination des conditions permettant d’engager la cellule ES à se différencier en kératinocyte, pourrait fournir une culture de kératinocytes à partir de ces cellules indifférenciées et cela de manière illimitée. En effet, les cellules sont facilement manipulables génétiquement et semblent capables d’induire in vivo une immunotolérance exceptionnelle. Par ailleurs, la peau constitue un tissu accessible à la thérapie génique, et il existe des espoirs raisonnables de soigner certaines maladies héréditaires de la peau, les troubles de la cicatrisation, les désordres systémiques et les cancers de la peau par ces techniques. Le transfert de gène dans ces cellules souches est donc une voie de recherche très prometteuse.
Organoïdes
Des chercheurs du monde entier cherchent actuellement à différencier des cellules souches en organoïdes, c’est-à-dire en organes produits in vitro, contenant plusieurs types cellulaires organisés et fonctionnels. Ces organoïdes peuvent apporter de grandes avancées scientifiques fondamentales mais aussi appliquées pour les thérapies cellulaires (qui deviendraient des thérapies tissulaires voire permettraient la production de véritables greffons d’organes complets in vitro).
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