L'étude du développement embryonnaire, notamment à travers des coupes sagittales, offre un aperçu fascinant sur la mise en place des structures complexes du corps, en particulier le système nerveux. Cet article explore les étapes clés du développement embryonnaire des vertébrés, en mettant l'accent sur la formation du tube neural et la différenciation des vésicules cérébrales, tout en illustrant ces processus à l'aide d'exemples concrets et de données issues de la recherche.
Mise en place des feuillets embryonnaires et neurulation
Le développement embryonnaire est un processus dynamique qui débute par la fécondation et se poursuit par une série d'étapes cruciales, dont la gastrulation et la neurulation. Ces étapes permettent la mise en place des différents feuillets embryonnaires : l'ectoderme, le mésoderme et l'endoderme, chacun étant à l'origine de structures spécifiques de l'organisme.
- Ectoderme: Ce feuillet superficiel donne naissance à l'épiderme (peau) et au neuroderme, précurseur des structures nerveuses.
- Mésoderme: Il est à l'origine des tissus musculaires, des reins et de la chorde.
- Endoderme: C'est le tissu le plus ventral de l'embryon.
La neurulation est un processus morphogénétique majeur au cours duquel le neuroderme subit des mouvements importants pour former le tube neural dorsal, ébauche du système nerveux central. La neurulation primaire, décrite ici dans son aspect le plus simple, rend compte de la déformation de la plaque neurale qui est initialement sous la forme d'un disque et qui se déforme pour prendre un aspect ovoïde (le grand axe est antéropostérieur, c'est-à-dire céphalocaudal ; le petit axe médiolatéral). Ce façonnage est aussi connu sous le terme générique de convergence - extension (convergence vers la ligne médiane et extension antéropostérieure). À l'issue de cette phase, le neurectoderme apparaît épaissi et prend le nom de plaque neurale.
Plusieurs modes de transformation ont été décrits montrant la diversité des phénomènes qui peuvent s'appliquer à ces structures. Il est impossible de tenter d'être exhaustif ici ; néanmoins, il est important de prendre conscience que le modèle proposé est simpliste et la compréhension des dysfonctions de ce temps morphogénétique nécessite une approche pluridisciplinaire.
Les étapes de la neurulation primaire
- Façonnage de la plaque neurale: Le neurectoderme forme un épithélium prismatique et prend le nom de plaque neurale, tandis que l'ectoderme de surface est pavimenteux. La notochorde est située ventralement par rapport à la ligne médiane du neurectoderme.
- Formation de la charnière médiane: Un sillon médian apparaît sur la plaque neurale, qui se replie pour former une gouttière neurale. La première charnière à se former est la charnière médiane, située dorsalement par rapport à la notochorde.
- Formation des charnières dorsolatérales: Deux autres charnières se mettent en place dans les régions dorsolatérales, rapprochant les bords latéraux de la plaque neurale de la ligne médiane dorsale. Ces régions latérales sont appelées bourrelets neuraux.
- Fermeture du tube neural: Les bourrelets neuraux se rencontrent et fusionnent sur la ligne médiane dorsale, formant le tube neural, qui est ensuite recouvert par l'ectoderme de surface.
Développement du tube neural antérieur et formation des vésicules cérébrales
La partie antérieure du tube neural présente un renflement initial qui évolue pour former les différentes régions du cerveau. Cette évolution se déroule en plusieurs étapes :
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- Vésicule initiale: La vésicule unique initiale se divise en trois vésicules primaires :
- Le prosencéphale (antérieur).
- Le mésencéphale (moyen).
- Le rhombencéphale (postérieur).
- Division secondaire: Le prosencéphale se divise ensuite en :
- Le télencéphale (antérieur).
- Le diencéphale.Le rhombencéphale se divise en :
- Le métencéphale.
- Le myélencéphale (postérieur).
À ce stade, le tube neural antérieur est donc composé de cinq vésicules. On peut noter que le prosencéphale a déjà commencé à se développer chez l’embryon de poulet (on observe deux vésicules optiques latérales en formation).
La mise en place et la différenciation des vésicules neurales sont sous le contrôle des gènes du développement. L’importance relative de ces vésicules (et surtout des structures qui en dérivent) varie énormément au sein des différents groupes de Vertébrés.
Rôle de la chorde dans le développement embryonnaire
La chorde, issue de la lèvre dorsale de la gastrula, joue un rôle essentiel dans l'organisation de l'embryon. Elle résulte des mouvements d'invagination et de convergence extension par intercalation médiolatérale pendant la gastrulation puis la neurulation. Au début de sa morphogenèse, les cellules de la chorde affectent une forme particulière dite en pile d'assiettes bien visibles en coupe sagittale après marquage cellulaire. Puis, les cellules se vacuolisent et leur contenu turgescent assure la rigidité de l'axe antéropostérieur dorsal de l'embryon.
Cette rigidité est renforcée par la sécrétion d'une gaine périchordale riche en collagène, qui s'épaissit jusqu'à la période larvaire. Au cours de l'organogenèse, la chorde va servir d'axe autour duquel s'organise la colonne vertébrale. En effet, les corps vertébraux sont constituées à la fois par le sclérotome somitique et la gaine de la chorde. L'ensemble s'épaissit et se chondrifie pour former les ébauches vertébrales. Lorsque la vertèbre est constituée de cartilage et d'os, on ne distingue plus les tissus chordaux. L'extrémité antérieure de la chorde se situe sous le cerveau moyen. A un stade tardif, elle vient butter contre l'hypophyse. Dans la région postérieure, la chorde est associée à la croissance du bourgeon caudal et s'édifie constamment à partir des tissus mésodermiques qui ont gardé les propriétés de l'organisateur de Spemann.
Développement musculaire
Les cellules musculaires striées squelettiques dérivent du mésoderme mis en place lors de la gastrulation. Rappelons que ce feuillet provient de la ligne primitive, les cellules épithéliales de cette ligne perdent leur caractère épithélial pour devenir mésenchymateuses (transition épithéliomésenchymateuse) et migrent entre ectoderme et endoderme. Elles forment alors le troisième feuillet ou mésoderme. Selon sa position dans l'axe médiolatéral, le mésoderme se dispose en plusieurs domaines. Les muscles striés squelettiques dérivent essentiellement du domaine para-axial (situé de part et d'autre de la notochorde). L'origine des cellules musculaires striées squelettiques de la tête et de la région ventrale du cou diffère de celle des autres cellules. Le mésoderme para-axial issu de la ligne primitive se met en place selon un gradient rostrocaudal (les cellules les plus caudales s'ajoutent à l'extrémité déjà formée selon le mode de croissance appelé accrétion). Il forme alors le mésoderme présomitique dont l'extrémité rostrale se condense pour former un cube ou somite.
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Le somite subit l'action polarisatrice des tissus environnants et donne naissance au sclérotome ventral et au dermomyotome dorsal, ce dernier se divisant en dermatome situé sous l'ectoderme de surface et en myotome intermédiaire. Les cellules musculaires striées squelettiques du corps proviennent du myotome à l'exception des muscles sterno-cléido-mastoïdien et trapèze dont les cellules musculaires proviennent des lames latérales cervicales. Les myotomes génèrent des cellules mononucléées (les myoblastes) qui migrent pour atteindre leur lieu définitif de différenciation. Là, ils subissent une maturation caractérisée par leur fusion générant des myotubes (dont les noyaux occupent une position encore centrale). La maturation terminale conduit au déplacement des noyaux en périphérie et à la maturation de la jonction entre le motoneurone périphérique et le muscle (jonction neuromusculaire).
Développement du système nerveux périphérique
Le système nerveux périphérique est défini anatomiquement et histologiquement par les structures situées en dehors des centres nerveux. Il convient de séparer les neurones périphériques de projection (motoneurones périphériques et neurones végétatifs spinaux) et les cellules des ganglions périphériques (ganglions de la racine dorsale, ganglions végétatifs). Les motoneurones périphériques, comme les neurones végétatifs de projection issus de la moelle spinale, naissent dans le tube neural. Leurs axones grandissent et quittent le tube, ils forment alors la racine ventrale des nerfs spinaux. Ces axones ne peuvent migrer qu'au niveau du sclérotome issu de l'hémisomite rostral. Le sclérotome issu de l'hémisomite caudal est imperméable pour la croissance des axones. De ce fait, les neurones de projection du système nerveux périphérique, même s'ils sont produits tout au long de l'axe antéropostérieur, forment des racines distinctes séparées les unes des autres. La segmentation des racines est donc imposée par l'environnement somitique.
Au-delà du sclérotome rostral, les axones grandissent en suivant les voies de migration déterminées par la matrice extracellulaire. Ainsi, la forme des plexus nerveux issus des racines dépend de cette matrice générée par le mésoderme somatopleural. De ce fait, la morphologie générale du SNP spinal dépend des tissus non neuraux qui permettent la pousse axonale. Les variations anatomiques des plexus et des nerfs (ex : anastomoses) s'expliquent donc par la propriété de l'environnement et non des axones nerveux. Les ganglions du SNP sont générés par des cellules issues du toit du tube neural. Ce toit subit une transformation radicale : certaines de ses cellules s'engagent dans un processus de transition épithéliomésenchymateuse (elles perdent leur caractère épithélial pour devenir mésenchymateuses et elles s'individualisent isolément entre l'ectoderme de surface et le tube neural). Elles peuvent migrer selon trois voies : la voie sous-ectodermique, la voie somitique et la voie ventrale. La situation est de loin plus complexe en ce qui concerne les nerfs crâniens.
Développement du cervelet
Le cervelet dérive du tube neural et plus précisément du premier rhombomère (c.-à-d. la région la plus rostrale du métencéphale). Il est aujourd'hui clairement établi, tant chez les oiseaux que chez les rongeurs, que le cervelet est initialement présent sous la forme de deux ébauches séparées par la ligne médiodorsale. Il est à noter que la polarité antéropostérieure initiale de ces ébauches correspond à la future polarité médiolatérale du cervelet. Le tube neural de la région rhombomérique se déforme à la suite du développement de l'ébauche du 4e ventricule qui prend la forme d'un losange. Cette déformation conduit à une bascule des ébauches cérébelleuses, leurs régions initialement rostrales devenant plus médianes. L'évolution de ce mouvement morphogénétique conduit à la fusion des régions médianes. À l'issue de ce temps morphogénétique, le rhombencéphale apparaît losangique en vue dorsale. Ce losange représente le futur 4e ventricule, son toit est constitué d'un tissu épithélial très fin.
Clivage
Le clivage est la première étape du développement embryonnaire où le zygote puis l’embryon subit des mitoses successives, ce qui divise le cytoplasme issu de l’ovocyte.
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Types de clivage
- Clivage en spirale
- Clivage radiaire
- Chez les amphibiens
- Chez les oiseaux
- Chez les Mammifères
- Le cas particulier de la drosophile
- Le clivage chez C.
Le clivage en spirale est caractérisé par une rotation de 45° du fuseau mitotique par rapport à l’axe animal-végétatif dans la transition du stade quatre à huit cellules. Cette rotation persiste dans les divisions ultérieures, avec à chaque fois une alternance de sens, soit dextre soit senestre. Finalement, cela se traduit par des cellules situées au pôle animal de l’embryon affichant un arrangement compact en forme de spirale, d’où le nom de ce type de clivage. Le clivage en spirale est présent chez au moins huit grands groupes d’animaux, incluant les Annélides, les Mollusques et les Plathelminthes. Souvent considéré à tort comme le modèle de clivage typique des Protostomiens, le clivage en spirale est plutôt spécifique et probablement une synapomorphie (caractère dérivé partagé exclusif) des Spiralia. Chez les amphibiens, le zygote subit une série de mitoses très rapides qui vont le rendre pluricellulaire. L’ensemble du volume de l’ovocyte est cellularisé : on parle de clivage total ou holoblastique. Le premier plan de clivage est méridien et correspond à l’axe pôle animal/pôle végétatif. Le zygote est divisé en deux cellules de taille similaire, appelées blastomères.
Bien que similaires en apparence, ces blastomères ne sont pas identiques. Hans Spemann a montré en 1903 que si on sépare les blastomères, seuls ceux qui ont hérité du croissant gris (une région partiellement pigmentée générée par la rotation corticale à la suite de la fécondation) donne des embryons normaux tandis que les autres donnent des structures sans axes définis. Le troisième plan de division est perpendiculaire aux deux précédents, parallèle à l’ »équateur » mais légèrement décalé dans l’hémisphère animal. Les cellules générées n’ont plus les mêmes tailles avec 4 cellules plus petites (appelées micromères) autour du pôle animal et 4 cellules plus grosses (appelées macromères) du côté du pôle végétatif. Avec de nouvelles divisions, on arrive au stade blastula. Les macromères autour du pôle végétatif sont toujours plus gros (car plus riches en vitellus) que les micromères autour de pôle animal. Pendant et à l’issue du clivage, on peut marquer spécifiquement des cellules de l’embryon, laisser la suite du développement se dérouler et observer en quoi ces cellules marquées se développeront plus tard. On établit ainsi une carte des territoires présomptifs. Pour ce faire, on réalise des injections de marqueurs cytoplasmiques fluorescents comme la fluorescéine ou la rhodamine couplée au dextran.
Des expériences de recombinaisons telles que celles effectuées par Nieuwkoop ont montré que le mésoderme est induit à partir de l’ectoderme à partir de signaux provenant de l’endoderme. On parle d’induction du mésoderme. Ces signaux sont déjà polarisés puisque de l’endoderme dorsal induit du mésoderme dorsal, et de l’endoderme ventral induit du mésoderme ventral. On connait maintenant la signalisation impliquée. Il s’agit de la signalisation Nodal de la famille des ligands TGFβ (ligands Xnr chez le xénope). L’expression de ces ligands Xnr est activée par VegT, un facteur de transcription dont les ARNm ont été stockés au pôle végétatif lors de l’ovogenèse mais qui n’ont pas été déplacés lors de la rotation corticale. VegT active l’expression de Sox17 qui détermine les cellules de l’hémisphère végétatif en endoderme et il active aussi l’expression des Xnr qui diffusent et induisent le mésoderme dans les cellules sus-jacentes. Chez les amphibiens, les premières divisions sont très rapides (toutes les 30-35 minutes à 25°C), ce qui est exceptionnel pour une cellule eucaryote : c’est une vitesse qui n’a rien à envier à la prolifération des bactéries ! Le cycle cellulaire est fortement modifié avec une succession de phase S et de phase M, sans phases G1, ni G2.
Lors de la fécondation chez le xénope, le taux de synthèse des protéines augmente fortement et pendant le clivage, un grand nombre de nouvelles protéines sont synthétisées, comme l’ont montré des études de protéomique. Toutes ces protéines sont synthétisées par traduction d’ARNm maternels préformés. Il y a très peu de nouveaux ARN (ARNm, ARNr et ARNt) synthétisés jusqu’au 12ème cycle cellulaire, où l’embryon est composé de 4096 cellules (=212 cellules). A cette étape qui s’appelle la transition mi-blastuléenne (MBT), le cycle cellulaire ralentit permettant à une phase G1 et G2 de se mettre en place. La transcription est activée. Les gènes paternels sont donc transcrits pour la première fois à cette période et avant, c’était le génotype maternel qui contrôle le développement. Le facteur clé déclenchant la MBT semble être le ratio ADN/cytoplasme, à savoir la quantité d’ADN présente par unité de masse de cytoplasme.
Chez les oiseaux tels que la poule, le clivage ne concerne qu’une toute petite région du volume de l’ovocyte, le reste restant occupé par le vitellus et restant acellulaire. La première mitose a lieu environ 4 heures après la fécondation et les 16 premières cellules ne sont pas complètement entourées par une membrane plasmique et restent « ouvertes » sur le vitellus. Ensuite, les nouvelles cellules produites sont complètement « fermées ». Les axes de l’embryon de poule sont mis en place à ce stade. L’axe dorso-ventral est défini par la proximité avec le vitellus (le côté ventral est le plus proche du vitellus). Lorsque l’œuf est pondu, l’embryon a terminé son clivage et possède 20.000 à 30.000 cellules.
Chez la souris, le clivage a lieu dans les voies génitales femelles, avant l’implantation. L’activation du génome zygotique a lieu dans un embryon avec peu de cellules contrairement à la drosophile et au xénope. Initialement, les blastomères au stade 8 cellules sont lâchement attachés les uns aux autres mais lors de la compaction, l’adhérence cellule-cellule devient nettement plus forte. La compaction nécessite la présence d’ions Ca2+ extracellulaires ce qui suggère que des cadhérines, des molécules transmembranaires jouant un rôle dans l’adhérence cellulaire et dont l’activité dépend des ions Ca2+, sont impliqués. Des études plus poussées ont montré que la compaction est causée par l’exocytose de vésicules intracellulaires contenant de la E-cadhérine.
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