Découvrez les Secrets du Contrôle du Développement Embryonnaire chez la Drosophile et Autres Insectes !

Introduction

Le développement embryonnaire des insectes est un processus fascinant et complexe, essentiel à la formation de l'organisme adulte. Parmi les nombreux modèles utilisés pour étudier ce développement, la drosophile, ou mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster), occupe une place de choix. Cet article explore les mécanismes qui régissent le contrôle du développement embryonnaire chez les insectes, en mettant l'accent sur la drosophile et ses particularités.

La Drosophile : Un Modèle de Choix en Génétique du Développement

La mouche du vinaigre Drosophila melanogaster est un des modèles les plus anciens utilisés en génétique du développement (et en génétique dans son ensemble). Il y a plus de 100 ans, elle a fourni, par exemple, la preuve définitive que les gènes (alors unités héréditaires « abstraites ») sont portés par les chromosomes. C’est un entomologiste de Harvard, Charles Woodworth qui a été le premier à élever D. melanogaster, juste après le début du XXème siècle.

Avantages de la Drosophile comme Modèle

Plusieurs caractéristiques font de la drosophile un organisme modèle idéal pour l'étude du développement :

Petite taille et cycle de vie court : La drosophile est assez petite (la femelle fait 2,5 mm de long, le mâle est légèrement plus court) et son cycle de vie est rapide (10-11 jours), permettant d'obtenir rapidement des croisements génétiques sur plusieurs générations. Elle n’a besoin que de 9 jours pour passer d’un œuf fécondé à un adulte à 25°C. Une femelle peut produire jusqu’à 100 œufs par jour et jusqu’à 2000 œufs durant toute sa vie.
Facilité d'élevage : Elle est facile à élever dans un environnement restreint.
Développement embryonnaire rapide : Le développement embryonnaire est très rapide et dure entre 12 et 15 heures à 25°C puis s’ensuit le développement post-embryonnaire avec 3 stades larvaires puis un stade nymphal. La drosophile est en effet un organisme holométabole comme tous les Diptères. La métamorphose dure 4 jours.
Observation facile des chromosomes polytènes : Ces chromosomes sont particulièrement visibles dans le cas des chromosomes polytènes, présents dans les glandes salivaires des larves. Ils résultent de succession de réplications de l’ADN sans divisions cellulaires (endoréplication). Les bandes observables sur ces chromosomes « géants » ont pu être corrélées avec la présence de tels ou tels caractères héritables.
Grand nombre de mutants disponibles : L’observation très précoce de mutants chez la drosophile a aussi favorisé son choix comme modèle génétique. Les mutants peuvent désormais être obtenus pour pratiquement n’importe quel gène. On dénombre plus de 160.000 génotypes différents publiés chez la drosophile (il peut y avoir plusieurs mutations par gène) !
Génome séquencé et transgénèse facile : Le génome de la drosophile, entièrement séquencé en l’an 2000, est beaucoup plus petit que celui des vertébrés-environ 140 millions de paires de bases, contre 3.200 millions pour un Humain (plus de 20 fois plus !). Il est réparti sur 4 chromosomes (ou paires de chromosomes si on considère la diploïdie ; il y a 3 paires de chromosomes autosomes et une paire de chromosomes sexuels). Ce génome code environ 15 600 protéines. Sa densité génique est nettement plus importante que chez l’Homme : on compte en moyenne 80 gènes par mégabase (1 million de bases) chez la drosophile contre 6 chez l’Homme. La transgénèse chez la drosophile consiste à insérer une séquenced’ADN connue dans l’ADN chromosomique en utilisant comme vecteur un élément transposable (transposon). Ce transposon est connu sous le nom d’élément P.

Techniques d'étude du développement chez la Drosophile

Plusieurs techniques permettent d'étudier le développement embryonnaire chez la drosophile :

Transgénèse : La transgénèse chez la drosophile consiste à insérer une séquenced’ADN connue dans l’ADN chromosomique en utilisant comme vecteur un élément transposable (transposon). Ce transposon est connu sous le nom d’élément P. Les éléments P peuvent s’insérer dans n’importe quel site du génome et peuvent aussi se transposer d’un site à un autre dans les cellules germinales, une action qui réclame la présence d’une enzyme appelée transposase. Comme ce mécanisme est susceptible de générer de l’instabilité génomique, on a retiré aux éléments P servant de vecteur de transgénèse le gène codant la transposase. La transposase nécessaire à l’insertion initiale de l’élément P est fournie par un élément P dit « helper », qui ne peut pas s’insérer dans le génome, et est donc rapidement éliminé. Les éléments P « vecteur » et « helper » sont injectés ensemble dans la partie postérieure de l’œuf où se forment les cellules germinales. En plus du gène à insérer, l’élément P modifié porte un gène marqueur tel que l’allèle sauvage du gène white. Dans ce cas, l’élément P est inséré chez des mouches homozygotes pour l’allèle mutant white- (qui ont des yeux blancs à la place des yeux rouges habituels de la drosophile sauvage).
Système UAS-GAL4 : Un système basé sur la spécificité de l’activité des promoteurs et utilisant la transgénèse permet de ne faire exprimer un gène d’intérêt ou un gène rapporteur que dans les cellules où un promoteur est actif.
Système FLP-FRT : Chez la drosophile, des pertes et des gains-de-fonctions peuvent être obtenus grâce au système FLP-FRT. FLP (ou flippase) est une recombinase de levure qui est capable de recombiner deux séquences FRT (pour Flippase Recognition Target) et de déléter les séquences qui se trouvent entre deux séquences FRT.

Les Étapes Clés du Développement Embryonnaire chez les Insectes

Le développement embryonnaire des insectes est un processus complexe qui peut être divisé en plusieurs étapes clés.

L'œuf d'Insecte : Une Cellule Polarisée Riche en Vitellus

L’œuf des Insectes est très riche en vitellus. Ce dernier prend place au centre de l’œuf : on parle d’œuf centrolécithe. C’est à partir de ces réserves vitellines que le développement embryonnaire des Insectes est permis. En parallèle, le développement de l’embryon nécessite aussi de l’eau ainsi que du dioxygène. L’œuf étant une structure fragile, sa protection est assurée par une enveloppe rigide : le chorion. Cette enveloppe n’est pas imperméable. En effet, l’eau peut être absorbée au niveau du pôle hydropyle, le dioxygène diffuse à travers le chorion par des pores, canalicules ou encore d’autres structures spécifiques à certaines espèces. De plus, l’œuf, cellule polarisée, comporte des molécules tels des acides nucléiques (ARN messagers) et des protéines. Ces molécules se déposent de façon localisée. La distribution des molécules au sein de l’œuf est à l’origine de l’établissement d’une polarité antéro-postérieure et d’une polarité dorso-ventrale.

La Segmentation Précoce et la Formation du Blastoderme

Le développement embryonnaire des Insectes commence par une multiplication du nombre de noyaux de la cellule œuf. Ces derniers se répartissent en périphérie. La cellularisation du syncitium ne débute qu’après la formation de 256 noyaux. De plus, elle concerne en premier lieu la zone postérieure de l’œuf. Les cellules ainsi formées donneront les cellules germinales primordiales responsables de la formation des cellules reproductrices. La cellularisation gagne le reste de l’œuf, alors que la multiplication nucléaire continue jusqu’à la formation d’environ 6 000 noyaux, soit 6 000 cellules. À ce stade, les cellules périphériques, en grand nombre, forment le blastoderme. Les cellules centrales ont un rôle dans la consommation des réserves vitellines et constituent des vitellophages.

Chez la drosophile, les premières divisions se produisent dans la région centrale et il n’y a pas de cellularisation (pas de cytodiérèse). Au 10ème cycle cellulaire (stade à 512 noyaux, 2 heures après la fécondation), les cellules polaires se forment dans la partie postérieure (et donneront les cellules germinales). Les autres noyaux et leurs « îlots cytoplasmiques » migrent vers la périphérie de la cellule, générant le blastoderme syncytial. Après le cycle 13, la membrane plasmique issue de celle de l’ovocyte se développe et pénètre entre les noyaux pour former le blastoderme cellulaire (qui est formé d’environ 6.000 cellules). Cette situation permet créer des gradients de concentration de facteurs de transcription qui peuvent diffuser d’un noyau à un autre et avoir un comportement de morphogène. D’habitude, ce sont plutôt des protéines sécrétées qui ont cette propriété et non des facteurs de transcription. Bien que ce soit là une propriété peu commune chez les animaux, cela a amené de grandes avancées conceptuelles.

La Gastrulation et la Définition des Territoires Présomptifs

S’ensuit la formation d’une bandelette embryonnaire ou germinative sur la face ventrale de l’embryon. Cette bandelette germinative est la première ébauche embryonnaire. Se formera en son sein un sillon médian longitudinal aussi nommé sillon gastrulaire. Celui-ci se refermera pour former un tube. À l’issue de cela, s’individualise alors un endomésoderme. Conjointement à la formation de ce tube, les bords du blastoderme se soulèvent tout autour de l’embryon et constituent des replis. Par la suite, ces replis se rejoignent pour former la cavité amniotique contenant un liquide baignant l’embryon. Concernant l’ectoderme, apparaissent des neuroblastes donnant deux cordons nerveux longitudinaux précurseurs de la chaine nerveuse ventrale. Se forme ensuite l’intestin par différenciation de l’endoderme. Quant au mésoderme, ce tissu se développe et montre une métamérisation. De ce mésoderme apparaissent des somites constituant, après leur fusion, l’hémocèle. Il est important de préciser que la métamérisation de l’embryon est progressive et débute soit au niveau de la tête et se termine vers l’abdomen, soit démarre au niveau du segment prothoracique et se poursuit en direction des deux extrémités antérieure et postérieure de l’embryon. Sont alors générés des appendices métamérisés, persistant seulement sur une partie des métamères.

La gastrulation qui suit permet d’internaliser le mésoderme, l’endoderme ainsi que les cellules germinales. Le mésoderme s’invagine ventralement, tandis que la bande germinale ectodermique réalise la convergence et l’extension. L’endoderme s’invagine là où se trouvent les cellules polaires (PC), à l’extrémité postérieure de la bande germinale.

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La Métamérisation et les Gènes Homéotiques

L’avènement de la génétique moléculaire a conduit à l’identification des gènes impliqués dans la construction de l’embryon de Drosophile. Les gènes en question sont à l’origine des polarités antéro-postérieure et dorso-ventrale, et interviennent également dans la segmentation du corps comme le gène engrailed par exemple. D’autres gènes ont été identifiés à partir de mutations causant des transformations d’une partie du corps en une autre structure localisée sur un autre segment de l’embryon : il s’agit des gènes homéotiques. Ces derniers interviennent dans l’identité, autrement dit dans le devenir de chacun des segments le long de l’axe antéro-postérieur. Ces gènes constituent un complexe aligné sur un même chromosome au sein d’une séquence reproduisant leur expression spatiale selon l’axe antéro-postérieur de l’embryon.

Facteurs Influant sur le Développement Embryonnaire

Plusieurs facteurs influencent le développement embryonnaire des insectes.

Déterminisme Chromosomique du Sexe

Chez les Insectes, le déterminisme du sexe est exclusivement chromosomique. En effet, aucune hormone sexuelle n’intervient dans ce déterminisme. En ce sens, l’apparition du sexe, qu’il soit mâle ou femelle, provient de la seule garniture chromosomique de l’embryon. En détails, ce déterminisme suit plusieurs modalités variables selon les espèces. En fonction de ces dernières, le sexe hétérogamétique, pour des individus ayant deux chromosomes sexuels différents dans le génome, peut correspondre au mâle comme chez les Mammifères ou bien à la femelle comme chez les Oiseaux.

Nutrition et Échanges Gazeux

Le développement de l’embryon des Insectes s’accompagne d’une consommation d’eau ainsi que des réserves vitellines. Les fonctions de nutrition (s. Courant la formation du blastoderme, certaines cellules peuvent englober une faible quantité de vitellus et réaliser par la suite sa digestion intracellulaire. Pendant que la majorité des cellules du blastoderme s’individualisent en périphérie, quelques-unes apparaissent au sein de la masse vitelline. Ces cellules sont qualifiées de vitellophages et peuvent fusionner pour former une syncitium vitellin remarqué sur la surface de l’embryon. Les vitellophages produisent des expansions cytoplasmiques englobant des vésicules lipidiques ainsi que des granules protéiques. Cela induit une fragmentation du vitellus. De cela, une digestion est réalisée permettant la transmission de substances nutritives aux autres cellules embryonnaires. Quant aux échanges en eau, le chorion est également perméable à ce fluide. En effet, l’eau contenue dans l’œuf, indispensable au bon développement de l’embryon, est souvent en quantité suffisante du fait du lieu de la ponte au sein d'environnements humides. Aussi, lors du développement embryonnaire, une considérable quantité d’eau est absorbée, entraînant une augmentation de la masse et du volume de l’œuf. Le moteur de cette entrée d’eau se trouve dans l’augmentation de la pression osmotique interne de l’œuf. Pour les œufs enveloppés d’un chorion imperméable aux gaz respiratoires, les pertes d’eau par évaporation sont très limitées. En effet, les gaz respiratoires, tel le dioxygène, diffusent à travers l’enveloppe protectrice de l’embryon ou chorion. Cette diffusion est possible de par la finesse et la perméabilité de cette enveloppe. Néanmoins, au cours de la vie embryonnaire, le chorion ne possède pas toujours ces caractéristiques. Ainsi, la diffusion des gaz respiratoires passe par l’intermédiaire de l’endochorion. Ce dernier se compose d’une couche interne protéique poreuse, contenant une réserve d’air à partir de laquelle l’embryon est alimenté en dioxygène notamment. Aussi, cette réserve d’air peut être renouvelée. Cette étape est assurée par des pores au sein du chorion, ou aéropyles, établissant une continuité entre l’atmosphère interne de l’embryon et l’air extérieur.

La Diapause Embryonnaire

Dans les régions tempérées du globe, au cours de l’hiver, le développement embryonnaire des Insectes est fréquemment interrompu. Cette interruption se traduit par une période de vie ralentie de l’embryon. On parle alors de diapause. Il est important de notifier que cette période de vie ralentie n’est pas directement contrôlée par les conditions environnementales. De plus, la diapause peut concerner la vie embryonnaire, qui nous intéresse ici particulièrement, ou bien la vie larvaire. L’étude de la diapause embryonnaire est bien documentée chez le Bombyx, un Hétérocère ou Papillon de nuit. Chez cet Insecte, la diapause embryonnaire se caractérise par une diminution de l’intensité respiratoire. Celle-ci atteint un niveau comparable à celui de l’ovocyte avant la fécondation. L’arrêt du développement embryonnaire est engendré par un facteur hormonal, produit par le ganglion sous-œsophagien, et constaté au cours de la vie nymphale. Aussi, la détermination des œufs à ou sans diapause est liée aux facteurs externes, comme la température et l’éclairement, connus par la nymphe au début de l’ovogenèse. Il est donc possible d’adapter le type de développement aux conditions externes que connaitra l’œuf au cours de son développement.

L'Éclosion

Tout au long du développement, l’embryon baigne dans un liquide amniotique. Après la formation d’une cuticule dans les derniers instants du développement, l’embryon aspire ce liquide par le biais de son pharynx. Il occupe ainsi la totalité du volume de l’œuf. Pour effectuer son éclosion, le chorion, enveloppe protectrice, doit être rompue. Le chorion étant une enveloppe très rigide, parfois les seules contractions des muscles de la future larve ne peuvent être la cause de la rupture. En effet, des dispositifs spéciaux existent : il s’agit généralement de zones de moindre rigidité comme le sillon chez les œufs de Mouches ou le clapet chez les œufs du Phasme. De plus, certains embryons sont munis d’une lame dentée chitineuse sur la tête : le ruptor ovi. Après l’éclosion, cette cuticule embryonnaire est fréquemment laissée, on parle de mue embryonnaire. Par ailleurs, quelques espèces se caractérisent par des embryons dissolvant le chorion suite à l’action d’enzymes libérées dans le liquide amniotique. En somme, la larve juste sortie de son œuf change de milieu de vie, passant d’un milieu aquatique à un milieu aérien. Elle peut ressembler ou non à l’adulte, toutefois, elle subira quelques mues avant d’atteindre la maturité sexuelle.

Prix Nobel et Reconnaissance de la Drosophile comme Modèle

L’utilisation de la drosophile comme organisme modèle a été couronnée par 4 prix Nobel de Médecine :

Thomas Hunt Morgan, qui a reçu le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1933 pour « ses découvertes concernant le rôle joué par le chromosome dans l’hérédité ».
L’élève de Morgan, Herman J Muller, a ensuite reçu le prix en 1946 « pour la découverte de la production de mutations par irradiation aux rayons X ».
En 1995, les chercheurs sur la drosophile, Edward B Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard et Eric Wieschaus ont partagé le prix « pour leurs découvertes concernant le contrôle génétique du développement embryonnaire précoce ».

Christiane Nüsslein-Volhard a étudié systématiquement les mutations affectant le développement embryonnaire de la drosophile et découvert les mécanismes moléculaires qui régulent la mise en place des principales structures de l’embryon.

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Contrôle du Développement Embryonnaire chez les Insectes : Focus sur la Drosophile